生活垃圾焚燒常見煙氣脫硝工藝的技術(shù)經(jīng)濟分析

沈宏偉，胡利華，郭無雙，錢 琨

（光大環(huán)境科技（中國）有限公司，江蘇 南京 210000）

1 引言

生活垃圾焚燒煙氣脫硝技術(shù)以選擇性非催化還原（SNCR）以及選擇性催化還原（SCR）為主。隨著我國垃圾焚燒行業(yè)的多年發(fā)展，SNCR 與SCR已實現(xiàn)廣泛應(yīng)用，相應(yīng)研究較多［1-3］，但針對性的技術(shù)經(jīng)濟分析不夠全面。郭娟［4］對比了尿素與氨水的特性并分析了垃圾焚燒SNCR 采用不同還原劑的運行費用，認為氨水更具經(jīng)濟優(yōu)勢，但沒有考慮其他的運行費用以及還原劑價格的影響。李茂東等［5］分析了SNCR 不同還原劑對垃圾焚燒熱效率的影響，得出較全面的結(jié)果，但其測算模型未結(jié)合SNCR 脫硝的技術(shù)特點。高勁豪等［6］對比分析了4 種垃圾焚燒脫硝超低排放技術(shù)的經(jīng)濟性，但缺乏詳細的理論分析過程。

垃圾焚燒行業(yè)面臨國補退坡、垃圾量不足、排放要求提高等諸多壓力，對現(xiàn)有技術(shù)的降本增效需求升高。但現(xiàn)有研究成果在技術(shù)經(jīng)濟建模以及分析方面研究較少，無法有效地從經(jīng)濟數(shù)據(jù)角度為企業(yè)提供指導。在脫硝技術(shù)經(jīng)濟研究方面，存在經(jīng)濟模型與工藝模型耦合不足，分析內(nèi)容不具普適性和全面性等問題。同時，對還原劑價格波動的相關(guān)性影響研究不足，對垃圾焚燒項目的指導意義有限。針對上述問題，建立垃圾焚燒SNCR 與SCR 的技術(shù)經(jīng)濟耦合模型，研究SNCR 與SCR 脫硝過程中的技術(shù)運行費用及其影響因素，為垃圾焚燒行業(yè)脫硝技術(shù)高效應(yīng)用以及還原劑的選擇、脫硝技術(shù)的優(yōu)化提供模型與數(shù)據(jù)支撐。

2 研究過程與方法

2.1 垃圾焚燒常見脫硝技術(shù)

垃圾焚燒常用脫硝技術(shù)中，常規(guī)SNCR 受限于外部條件脫硝效率不高，對應(yīng)NOx（氮氧化物）排放指標一般為歐盟2010 標準的200 mg/m3，但系統(tǒng)簡單，投資費用低，應(yīng)用廣泛。結(jié)合智能控制、聲波測溫等技術(shù)，并優(yōu)化混合效果，SNCR 處理效率有望達80% 以上［7］，有一定潛力達到80 mg/m3左右的排放值。SCR 脫硝效率高，NOx排放標準最低可達50 mg/m3，甚至滿足火電行業(yè)的超低排放要求。但垃圾焚燒項目粉塵中含較多堿金屬，SCR催化劑需布置在布袋后，避免堿金屬中毒，導致需要采用低溫催化劑以及煙氣加熱設(shè)備，投資運行費用較大。SCR 一般不單獨使用，而是采用SNCR+SCR 的組合工藝，既提高達標穩(wěn)定性，又減少催化劑用量，降低成本。

2.1.1 SNCR 脫硝技術(shù)

SNCR 脫硝技術(shù)是采用還原性藥劑如氨水、尿素等在高溫下（一般850～1 050 ℃）與煙氣中的NOx（主要為NO）反應(yīng)生成N2的一種技術(shù)，其總包反應(yīng)如下，其中以氨為還原劑、以尿素為還原劑、副反應(yīng)的化學方程式分別見式（1）、式（2）、式（3）。

上述反應(yīng)發(fā)生在爐膛內(nèi)高溫區(qū)域，通過雙流體噴槍將氨水或尿素溶液霧化成小液滴噴入爐膛，液滴行進過程中不斷釋放還原劑進行反應(yīng)。還原劑與煙氣的混合受爐膛固定結(jié)構(gòu)、流場以及噴槍位置影響，混合效果受限，導致一般脫硝效率不高，且易造成氨逃逸升高。SNCR 還原劑與煙氣混合反應(yīng)過程示意見圖1。

圖1 SNCR 還原劑與煙氣混合反應(yīng)過程示意Figure 1 Mixing process schematic between SNCR agent and flue gas

2.1.2 SCR 脫硝技術(shù)

工業(yè)用SCR 脫硝技術(shù)多通過V2O5-WO3/TiO2或者V2O5-WO3/TiO2系催化劑實現(xiàn)NH3與NOx低溫過程反應(yīng)。對于垃圾焚燒，一般采用180 ℃左右的低溫催化劑［8］，其主要反應(yīng)方程式見式（4）、式（5），其中氨水為還原劑的反應(yīng)見式（4）、尿素需先分解為氨的反應(yīng)見式（5）。

反應(yīng)過程為氣相反應(yīng)，需將氨水或尿素轉(zhuǎn)化為氨氣后再與煙氣混合。

2.2 不同還原劑應(yīng)用于垃圾焚燒的工藝技術(shù)分析

常見脫硝還原劑包括液氨、氨水、尿素。垃圾焚燒項目規(guī)模較小，使用液氨安全風險較大，一般以氨水或尿素為主。根據(jù)式（1）～式（5），采用氨水或尿素作為還原劑時儲運以及制備工藝不同，經(jīng)濟費用也不同。

采用市售20%～25%的氨水作為還原劑時，氨水一般通過罐車運輸，用戶端采用儲罐直接儲存。20%的氨水凝固點約為-35 ℃，在大部分地區(qū)，儲罐無需保溫。供SNCR 系統(tǒng)時，設(shè)置輸送泵將氨水輸送至SNCR 系統(tǒng)直接參與反應(yīng)。供SCR 系統(tǒng)時，設(shè)置輸送泵將氨水輸送至蒸發(fā)混合器蒸發(fā)成氨氣后進入SCR 系統(tǒng)反應(yīng)。蒸發(fā)混合器通過蒸汽加熱器（SGH）將空氣加熱至200 ℃左右與經(jīng)噴槍霧化后的氨水液滴接觸將其蒸發(fā)生成氨氣。氨水儲運系統(tǒng)示意見圖2、氨水制氨氣工藝示意見圖3。

圖2 氨水儲運系統(tǒng)Figure 2 Ammonia solution storage and transport system

圖3 氨水制氨氣工藝示意Figure 3 Process schematic of gaseous ammonia production from ammonia solution

采用尿素作為還原劑，尿素為固體，一般以袋裝或罐車來料，用戶端需設(shè)置上料系統(tǒng)以及相應(yīng)的尿素溶液制備罐、儲存罐。尿素溶解吸熱，罐體需設(shè)置加熱和保溫系統(tǒng)。為確保溶解以及輸送過程無結(jié)晶，溶解水溫度宜設(shè)置在40～50 ℃［9］。尿素儲備系統(tǒng)示意見圖4。

圖4 尿素儲備系統(tǒng)Figure 4 Urea storage system

供SNCR 系統(tǒng)時，設(shè)置輸送泵將一定比例的尿素溶液輸送至SNCR 系統(tǒng)直接參與反應(yīng)。供SCR系統(tǒng)時，設(shè)置輸送泵將尿素溶液輸送至熱解或水解反應(yīng)器生成氨氣后進入SCR 系統(tǒng)反應(yīng)。熱解技術(shù)相比水解能耗更高、運行費用更高，但無需高壓容器，制氨響應(yīng)速度更快［10］，在投資以及運行管理上更有優(yōu)勢，目前垃圾焚燒主要還是以熱解為主。由于熱解反應(yīng)溫度較高，熱解風需通過蒸汽加熱器以及電加熱器兩個加熱系統(tǒng)進行加熱，且由于反應(yīng)過程吸熱，進入熱解室的溫度需要大于出熱解室溫度。尿素熱解示意見圖5。

圖5 尿素熱解示意Figure 5 Schematic of urea pyrolysis

2.3 垃圾焚燒SNCR 與SCR 脫硝的技術(shù)經(jīng)濟分析模型

結(jié)合2.2 所述工藝模型建立與之耦合的經(jīng)濟分析模型。SNCR、SCR 運行過程中受原始條件、運營管理等影響很大，不同項目的運行費用差異化明顯，若按特定案例分析，往往會使結(jié)果不具備代表性、普適性。因此分析時結(jié)合目前垃圾焚燒的常規(guī)技術(shù)水平，作出如下合理設(shè)定：

1）不考慮SNCR 反應(yīng)過程中的副反應(yīng)，僅考慮主反應(yīng)的化學反應(yīng)熱。SNCR 反應(yīng)過程復雜，受影響因素較多［11］，且還原劑反應(yīng)過程中存在副反應(yīng)、過量噴射等現(xiàn)象［12］，完整計算過程中的化學反應(yīng)熱難度極大，考慮到副反應(yīng)需要很高的溫度，且對于經(jīng)濟分析對比結(jié)果影響不大，因此此處暫時忽略。

2）氨水與尿素溶液在爐膛內(nèi)霧化效果相同，即氨水與尿素溶液進入爐膛內(nèi)時的液體總流量相同，壓縮空氣耗量相同。蔡潔聰?shù)龋?3］研究表明，不同霧化粒徑與噴射速度對脫硝效率影響顯著，因此在效率一致的假設(shè)下，應(yīng)保持噴槍的霧化效果一致。

3）根據(jù)目前行業(yè)慣例，采用SCR 時，同時也使用SNCR 確保脫硝效率，并降低SCR 的投資運行費用，因此SCR 入口NOx原始值一般設(shè)計為200 mg/m3，且還原劑儲備系統(tǒng)的運行費用計算在SNCR 內(nèi)，SCR 系統(tǒng)不重復計算。

4）SCR 制氨氣過程采用空氣加熱，氨水采用直接蒸發(fā)技術(shù)，尿素采用熱解技術(shù)，兩者所需熱空氣量相同。

基于上述設(shè)定，建立SNCR 和SCR 運行過程中的物料以及能量消耗模型，見式（6）～式（14）。

脫硝還原劑耗量：

SNCR 爐內(nèi)蒸發(fā)熱損失等效電耗：

尿素溶解制40%溶液用水量：

尿素溶解過程電耗：

SNCR 化學反應(yīng)熱等效電耗：

式中：Qr、Qw、Qs、Qn（每根噴槍流量）、QS-SCR、QS-NH3，kg/h；NSR（氨氮比）為噴入的氨當量與待脫除NOx摩爾比，無量綱；Qg、Qa分別為煙氣流量以及SCR 制氨用空氣流量，m3/h；CNOx為反應(yīng)前NOx濃度，mg/m3；MR、MNOx分別為還原劑與NOx的摩爾質(zhì)量，其中NOx按NO2計，g/mol；cw為還原劑質(zhì)量含水率，氨水一般為20%～25%，尿素固體為0；n為SNCR 噴槍個數(shù)；P1、P2、P3、P4，kWh；ΔH1、ΔH2、ΔHr、ΔHs分別為水的相變潛熱、尿素溶解熱、SNCR 還原劑化學反應(yīng)熱以及蒸汽的氣化潛熱，kJ/kg；η為熱電轉(zhuǎn)化效率，文中按20%計算；Cpw、Cpg、Cpa分別為水、煙氣以及空氣的定壓比熱容，kJ/（kg·℃）；Δtg、Δtan、Δtau、Δts分別為SCR 煙氣所需的加熱溫升、熱解蒸汽加熱空氣所需的加熱溫升、電加熱空氣所需的加熱溫升以及尿素溶解水的溫升，其中，氨水工藝只需蒸汽加熱空氣，尿素工藝需要電加熱至更高溫度，℃。

將脫硝過程中的物料消耗、能耗、壓縮空氣、其他設(shè)備固定電耗匯總乘以各自單價，即可得SNCR、SCR 脫硝過程的費用，如式（15）所示：

對氨水SNCR 工藝，i=r，w；j=1，3，若還原劑為尿素，j=1，2，3。對氨水SCR 工藝，i=r，w，S-SCR，S-NH3；上式第2 項為0；對尿素SCR 工藝，i=r，w，s，S-SCR，S-NH3；j=2，4。

式中：a為對應(yīng)物料單價，元/t；b為電價，元/kWh；c為壓縮空氣單價，元/m3；Po為系統(tǒng)其他設(shè)備固定電耗，kWh；Qca為系統(tǒng)壓縮空氣耗量，m3/h。

3 分析與討論

以某1×500 t/d 垃圾焚燒項目為例，結(jié)合技術(shù)經(jīng)濟模型，對不同脫硝技術(shù)進行研究。項目主要設(shè)計運行參數(shù)見表1。

表1 某500 t/d 焚燒線技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameter of a 500 t/d incineration line

該條線采用不同工藝時設(shè)備投資費用見表2，尿素工藝由于儲運以及制備系統(tǒng)更為復雜，投資費用略高。SCR 的投資費用遠高于SNCR，但選擇SCR 或SNCR 主要取決于項目的脫硝需求。對于垃圾焚燒項目而言，由于運行協(xié)議期長，對長期的運行費用關(guān)注度更高。

表2 某500 t/d 焚燒線不同脫硝技術(shù)設(shè)備投資費用Table 2 Investment cost of different DeNOx equipment for a 500 t/d incineration line

3.1 SNCR 脫硝過程中運行費用的分布

不同工藝SNCR 脫硝過程的技術(shù)運行費用見圖6，其中，20% 氨水按單價700 元/t、尿素按單價2 100 元/t、電價按0.65 元/kWh、除鹽水價按10元/t、壓縮空氣價格按0.10 元/m3計；SCR 脫硝過程同SNCR。SNCR 系統(tǒng)簡單，運行水電氣耗較少，還原劑費用占總費用比例接近70%，是影響SNCR運行費用的最關(guān)鍵因素。液滴在爐膛內(nèi)蒸發(fā)造成的發(fā)電損失不可忽略，降低噴射溶液量可有效減少熱損失，但會導致還原劑混合效果變差，脫硝效率下降，需要研究高效混合技術(shù)。SNCR 反應(yīng)過程放出熱量，適當提高了能量利用率。當前計算案例下，尿素工藝運行費用略高于氨水工藝，主要由于尿素價格略高以及尿素溶解稀釋過程水電消耗稍多，但差距并不明顯。根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟模型，提高還原劑利用率，降低還原劑耗量，采用更高效低成本的混合技術(shù)是SNCR 降低成本的關(guān)鍵。

圖6 不同還原劑SNCR 脫硝運行費用Figure 6 Operation cost of SNCR denitration by using different agents

3.2 SCR 脫硝過程中運行費用的分布

SCR 脫硝過程中的運行費用分布見圖7。對比圖6，SCR 運行費用遠高于SNCR，其中蒸汽成本與電耗占比最高（50% 以上），還原劑費用僅占6% 左右。氨水與尿素工藝蒸汽加熱成本分別占SCR 脫硝運行費用的73% 和60%；使用尿素相比氨水年運行費用增加約73 萬元。圖8 對蒸汽和用電的費用進一步拆解，煙氣加熱的能耗遠遠大于其他運行費用；另外，SCR 系統(tǒng)壓損較大，因此引風機電耗（圖8 中“其他用電”）較高。采用尿素的運行費用顯著高于氨水，兩者的差距主要源于尿素熱解過程加熱需求大于氨水，導致整體用電費用是氨水的2 倍以上。研究更低溫的SCR催化劑，或者提高進入SCR 的煙氣溫度，是降低SCR 運行成本的關(guān)鍵；此外，對SCR 而言，應(yīng)盡量采用氨水工藝。

圖7 不同還原劑SCR 脫硝運行費用Figure 7 Operation cost of SCR denitration by using different agents

圖8 不同還原劑SCR 脫硝用電與蒸汽費用分布Figure 8 Electrical and steam cost of SCR denitration by using different agents

3.3 還原劑價格因素對SNCR 脫硝費用的影響

從3.1 可以看出，SNCR 采用不同還原劑時運行成本差異較小，不同還原劑的經(jīng)濟優(yōu)劣受各地還原劑價格影響不同。將式（15）變化得到式（16），如下所示：

對于確定項目，其他條件不變時，上式中Qr、C為常數(shù)，因此SNCR 的運行費用與還原劑價格呈正比。令E1、E2分別代表采用氨水和尿素SNCR工藝運行費用，當E1=E2時，可得兩種工藝的等費用線：

以3.1 中計算工況為例，設(shè)定其他參數(shù)不變，僅變動還原劑價格，可得該工況下的等費用線如圖9 所示。

圖9 不同還原劑SNCR 運行等費用線Figure 9 SNCR isocost line by using different agents

等費用線將圖9 清晰地劃分為兩個區(qū)域，當尿素/氨水價格數(shù)據(jù)點位于曲線左方，則采用氨水長期經(jīng)濟性更好，且越靠左，氨水的優(yōu)勢越大；反之，則尿素長期經(jīng)濟性更佳。通過運行總費用線，結(jié)合當?shù)匕彼c尿素的價格，即可直觀分析兩種工藝的經(jīng)濟優(yōu)劣，不過實際選擇時還應(yīng)考慮尿素具有儲運安全性好、運輸過程對環(huán)境影響小等優(yōu)點。對于采用SCR 的項目，理論上也存在一條等費用線，但由于尿素制氨氣費用遠高于氨水制氨氣費用，實際很難存在尿素工藝優(yōu)于氨水工藝的情況，不再贅述。

3.4 不同排放標準下脫硝費用的變化

合理選擇脫硝技術(shù)是應(yīng)對不同排放標準降低成本的首要問題。SNCR+SCR 技術(shù)適應(yīng)幾乎所有標準，而單獨SNCR 應(yīng)對高標準的技術(shù)研究尚不成熟，參考胡利華等［14］給出的氨氮摩爾比對脫硝效率影響的數(shù)據(jù)，僅考慮還原劑變化的影響，進行對比研究，結(jié)果如圖10 所示。

圖10 SNCR 與SCR 在不同排放標準下的年運行費用對比Figure 10 Comparison of the annual operation costs of SNCR and SCR under different emission standard

隨著排放標準提高，SNCR 和SNCR+SCR 運行費用均上升。SNCR 從200 mg/m3提標至80 mg/m3時，運行費用增加約50.21 萬元/a，提升比例達83.4%，主要增加的費用為還原劑費用，且還原劑耗量隨標準提高快速上升。SNCR+SCR 從200 mg/m3提標至80 mg/m3時，運行費用增加約15.58 萬元/a，提升比例約4.2%；從200 mg/m3提標至50 mg/m3時，運行費用增加約23.56 萬元/a，提升比例不足7%，主要增加的費用為少量還原劑以及設(shè)備阻力造成的電耗。SNCR 運行費用上升量與幅度均大于SNCR+SCR，但總費用仍遠小于SNCR+SCR。

目前我國多地的地方標準如河北、天津、海南等NOx日均值均為120 mg/m3，同時要求氨逃逸不大于8 mg/m3。應(yīng)對上述要求，從經(jīng)濟性來說，SNCR 是首選方案，但需要注意目前高效SNCR 技術(shù)在垃圾焚燒方面的應(yīng)用案例很少，尚不成熟，若僅是通過提高還原劑耗量來提高效率，可能導致鍋爐堵塞、氨逃逸超標等問題，仍然無法滿足要求，還需深入研究。至于NOx標準進一步提高至80 mg/m3乃至數(shù)值更低，目前暫無SNCR 穩(wěn)定達標的案例支撐，建議仍以SCR 技術(shù)為主，或者研究應(yīng)用其他高效低成本新技術(shù)如煙氣再循環(huán)、有機高分子非催化還原脫硝（PNCR）等。

4 結(jié)論

基于垃圾焚燒常用SNCR、SCR 脫硝技術(shù)的全面工藝模型分析，建立與之耦合的技術(shù)經(jīng)濟模型，并以500 t/d 焚燒線為例研究，得出如下結(jié)論：

1）還原劑和蒸發(fā)熱損失是SNCR 的主要運行費用，其中還原劑費用占比接近70%。

2）氨水工藝SNCR 經(jīng)濟性并不是總優(yōu)于尿素，不同地區(qū)可根據(jù)當?shù)氐哪蛩?氨水價格比對照等費用線選擇更經(jīng)濟的還原劑。

3）氨水與尿素工藝蒸汽加熱成本分別占SCR脫硝運行費用的73% 和60%；使用尿素相比氨水年運行費用增加73 萬元；降低SCR 能耗，盡量使用氨水作為還原劑是降低SCR 運行成本的關(guān)鍵。

4）排放標準從200 mg/m3提高至80 mg/m3，SNCR+SCR 運行費用上升4.2%、 SNCR 上升83.4%，但整體費用SNCR 仍遠低于SNCR+SCR；SNCR 技術(shù)對于達到河北、天津、海南等地地方標準具有較大的經(jīng)濟效益，是值得重點研究的方向，但需要同時考慮氨逃逸達標以及堵塞問題。