超低排放趨勢下垃圾焚燒發電廠煙氣凈化工藝探討

滕葉

（上海浦東環保發展有限公司，上海 200127）

引言

焚燒發電是目前較為有效的垃圾無害化、減量化處置方式，在我國大中型城市有著廣泛的應用。近年來，生活垃圾焚燒發電行業已從快速發展階段逐漸向精細化運營轉變，強化對污染物排放指標的管理，通過技術提升及工藝改進，降低焚燒過程的污染物排放，為經濟社會的可持續發展提供支持。

1 焚燒發電廠超低排放研究現狀

垃圾焚燒發電曾是以高效、無害化處置城市生活垃圾為主要目的，其大氣污染物控制指標并不嚴苛，煙氣經過“SNCR ＋半干法（氫氧化鈣溶液）＋干法（氫氧化鈣粉末）＋活性炭噴射＋布袋除塵器”的常規凈化工藝即可滿足國家標準中的排放要求[1]。隨著環境問題的日益嚴峻，為貫徹落實“十四五”規劃有關深入開展污染物防治的精神，多地已陸續發布了新的污染物控制地方標準。

倡導綠色發展、減少污染物排放，對保障我國社會、經濟與環境的協調發展具有積極意義[2]。但在超低排放趨勢下，垃圾焚燒發電廠現有的常規工藝已無法達標，若NOx排放值低于80mg/Nm3，還需采用SCR 脫硝技術才能實現穩定達標。為了減少煙氣加熱的能耗，垃圾焚燒發電廠通常選用低溫SCR 催化劑，但需要在SO2濃度低于50mg/Nm3、顆粒物濃度低于10mg/Nm3的環境下，SCR催化劑才能運行。

程永新等[3]針對垃圾焚燒發電廠超低排放工藝，從技術和經濟方面對比分析了濕法布置于SCR前、濕法布置于SCR后2種工藝方案，認為“半干法＋干法”工藝的脫酸效果不佳（氫氧化鈣作為脫酸劑），易造成SCR 催化劑中毒，推薦采用濕法前置于SCR 的布置方式，提高系統穩定性。楊春琳[4]分析比較了3 種超低排放煙氣處理工藝特點，認為濕法前置工藝中，需要布置多級煙氣加熱器，設備占地大、系統復雜，增加了建設投資。因此，以往的研究主要是在氫氧化鈣為脫酸劑的基礎上進行，為保證SCR 反應溫度，需要消耗大量蒸汽，不僅運營成本增加而且能效較低，亟需對煙氣凈化系統進一步優化并在滿足超低排放要求的前提下降低運營成本。

2 污染物控制標準及去除技術

2.1 主要大氣污染物排放標準

預計到2025 年，我國縣市生活垃圾的焚燒總量將達到2.64 億t，約占清運量的60%[5]，因此推進垃圾焚燒行業超低排放對改善大氣環境的意義重大。我國歷年的生態環境統計年報均將顆粒物、SO2、NOx列為重點統計調查的廢氣污染物，表明這3 項污染物是我國最主要的大氣污染源。表1 列出了部分地區生活垃圾焚燒主要污染物控制標準，與現行國標相比，顆粒物、SO2、NOx的限值有了大幅提升。

表1 生活垃圾焚燒主要污染控制標準（單位：mg/Nm3）

2.2 主要污染物去除技術

2.2.1 顆粒物的去除

垃圾焚燒煙氣中的顆粒物主要包括灰分、無機鹽類、可凝結的氣體污染物質及有害的重金屬氧化物，煙氣中的顆粒物含量與燃燒型式有關，其含量一般在450～20000mg/Nm3之間。顆粒物通過布袋除塵器去除，濾袋對耐溫性、耐磨性、耐水解性、耐腐蝕性和抗氧化性等方面有較高的要求，目前通常選用“PTFE ＋ePTFE 覆膜”的濾料材質。

2.2.2 酸性氣體去除

垃圾焚燒過程中產生的酸性氣體主要為SOx、HCl、HF。SOx來源于生活垃圾中含硫化合物的焚燒氧化，大部分為SO2；HCl 來源于生活垃圾中的有機氯化物和無機氯化物的分解；HF 來源于生活垃圾中的含氟塑料燃燒。酸性氣體的去除技術可分為干法、半干法和濕法3 種方式。

干法脫酸技術工藝簡單、脫酸產物無需二次處理，但去除效率較低，垃圾焚燒廠常用的脫酸藥劑為氫氧化鈣粉末，其脫酸反應原理如下所示。

SO2+ Ca(OH)2→ CaSO3+ H2O

SO3+ Ca(OH)2→ CaSO4+ H2O

2HCl + Ca(OH)2→ CaCl2+ 2H2O

2HF + Ca(OH)2→ CaF2+ 2H2O

若用碳酸氫鈉粉末作為脫酸藥劑，其脫酸反應原理如下所示。

2SO2+ 4NaHCO3+ O2→ 2Na2SO4+ 4CO2+ 2H2O

SO3+ 2NaHCO3→ Na2SO4+ 2CO2+ H2O

HCl + NaHCO3→ NaCl + CO2+ H2O

HF + NaHCO3→ NaF + CO2+ H2O

半干法脫酸技術的脫酸效率較高、無廢水等二次污染物產生，但該工藝的設計很關鍵，控制反應塔進出口溫差、石灰漿液蒸發速率、脫酸反應時間等參數對脫酸效果影響顯著。

濕法脫酸技術的脫酸效率最高，但工藝流程復雜、能耗偏高，脫酸過程中產生的洗煙廢水需進一步處置，存在二次污染風險。垃圾焚燒發電廠常用氫氧化鈉溶液作為濕法脫酸藥劑，其反應原理如下所示。

SO2+ 2NaOH → Na2SO3+ H2O

SO3+ 2NaOH → Na2SO4+ H2O

HCl + NaOH → NaCl + H2O

HCl + NaOH → NaF + H2O

2.2.3 氮氧化物去除

煙氣中的NOx主要來源于垃圾中含氮化合物分解轉換、空氣中的氮在燃燒過程中高溫氧化生成，常用的NOx去除技術可分為燃燒中脫硝和燃燒后脫硝2 類。

燃燒中脫硝是通過調節助燃空氣投入量，降低局部區域氧量，控制燃燒溫度以減少NOx的生成，并能在爐內局部區域形成還原性氣氛將NOx還原成N2，技術成熟且投資及運行成本低，但脫硝效率不高，約為20%～40%。燃燒后脫硝通常采用SNCR、SCR 工藝，其中SNCR 工藝是在煙溫為800～1000℃的范圍內不使用催化劑直接將NOx還原成N2，SCR工藝則是在有催化劑的條件下將NOx還原成N2，但不同類型催化劑的反應溫度不相同，SCR 技術脫硝效率可高達到80%～90%。一般SNCR/SCR 聯合脫硝工藝會采用氨水作為還原劑，其反應原理如下所示。

4NO + 4NH3+ O2→ 4N2+ 6H2O

2NO2+ 4NH3+ O2→ 3N2+ 6H2O

3 超低排放工藝方案

以處理量為500t/d 的爐排爐型式垃圾焚燒線為例，為滿足超低排放標準的要求，增加了濕法和SCR 工藝。按照不同的濕法及SCR 系統布置方式、采用不同種類的脫酸劑，提出了2 種煙氣凈化工藝方案。

3.1 SCR 后置布置

煙氣凈化工藝方案1，即SCR 后置布置，工藝為“SNCR ＋半干法（氫氧化鈣溶液）＋干法（氫氧化鈣粉末）＋活性炭噴射＋布袋除塵＋GGH1 ＋濕法洗煙塔（氫氧化鈉溶液）＋GGH2 ＋SGH ＋SCR”，流程如圖1 所示。該方案將SCR 脫硝裝置布置于濕法洗煙塔后部，采用氫氧化鈣作為脫酸劑，“半干法＋干法”工藝的脫酸效率約80%，需要通過濕法工藝進一步脫除SO2，避免SCR 催化劑中毒。煙氣經過濕法洗煙塔溫度降致62℃，而低溫SCR 的反應溫度為180℃，煙氣需要經過2 組GGH 和1 組SGH 加熱后才能達到反應溫度要求，加熱過程消耗蒸汽約2.2t/h。

圖1 煙氣凈化方案1 工藝流程

3.2 SCR 前置布置

煙氣凈化工藝方案2，即SCR 前置布置，工藝為“SNCR ＋干法（碳酸氫鈉粉末）＋活性炭噴射＋布袋除塵＋SCR ＋GGH ＋濕法洗煙塔（氫氧化鈉溶液）”，流程如圖2 所示。該方案將SCR 脫硝裝置布置于濕法洗煙塔前部，煙氣經過低溫省煤器降低至185℃后進入布袋除塵器。干法藥劑采用碳酸氫鈉粉末，其SO2的去除率可達95%以上[6]，能滿足SCR催化劑的運行要求，并且通過濕法工藝可以進一步降低污染物濃度。該方案通過1 組GGH完成高、低溫煙氣的換熱，不消耗蒸汽。

圖2 煙氣凈化方案2 工藝流程

4 結果與討論

4.1 污染物超低排放技術可行性

余熱鍋爐出口煙氣主要成分為（MCR 工況下）顆粒物1500～2500mg/Nm3、SO2200～600mg/Nm3、NOx150～200mg/Nm3（經SNCR 系統處理）。通過精細化運行管理、控制濾袋品質，垃圾焚燒發電項目布袋除塵器出口顆粒物濃度可控制在5mg/Nm3以內[7]。余熱鍋爐出口各污染物濃度取上限值，計算結果分別在表2 和表3 中列出。

表2 煙氣凈化方案1 各節點污染物濃度（單位：mg/Nm3）

表3 煙氣凈化方案2 各節點污染物濃度（單位：mg/Nm3）

2 種方案都可以實現垃圾焚燒大氣污染物的超低排放，在顆粒物和NOx去除上均是通過布袋除塵器將顆粒物控制在5mg/Nm3以內、通過SCR 將NOx控制在50mg/Nm3以內，主要差異體現在SO2的去除過程。煙氣凈化方案1濕法布置在SCR 前端，經氫氧化鈣半干法和干法脫酸，SO2濃度降至120mg/Nm3，再由濕法進一步脫酸，SCR 進口處SO2的濃度已達到20mg/Nm3，但煙氣經過濕法洗滌，溫度僅為62℃，需要額外消耗2.2t/h 的蒸汽將煙溫加熱至180℃，以滿足SCR 的運行要求，該方案煙氣凈化工藝雖可靠性更好但系統更為復雜。煙氣凈化方案2 濕法布置在SCR 后端，用低溫省煤器替代半干式反應塔，將煙溫降至185℃，經碳酸氫鈉干法脫酸后SO2的濃度降至30mg/Nm3，雖高于煙氣凈化方案1，但仍滿足SCR 催化劑的運行要求，再由濕法將SO2降至20mg/Nm3，煙氣凈化方案2系統相對簡單，煙氣余熱利用更為合理、能源利用效率高，不需要額外的蒸汽加熱，發電效益更好。

脫酸藥劑選擇也是2 種方案的一項重要差異，碳酸氫鈉及其反應產物（硫酸鈉、氯化鈉）都不含結晶水，且碳酸氫鈉反應溫度更高約為180℃左右，可以防止除塵器的結露和粘灰問題，也無需在飛灰貯倉、輸送機上設置加熱器。此外，碳酸氫鈉反應活性高、當量比遠低于氫氧化鈣，藥劑的利用效率大幅提升。

4.2 運營成本比較

煙氣凈化方案2以碳酸氫鈉作為脫酸劑，雖然耗材成本有所增加，但脫酸效率顯著提高，并且可以降低約90%的濕法系統負荷[8]，減少了洗煙廢水的處理成本。低溫SCR 脫硝成本高貴，近幾年才開始在新建項目上有應用，結合項目運行數據，在SCR 后置情形下，催化劑仍需要定期再生、更換，使用壽命為3～4a[9]，因而認為2 種方案催化劑運營成本相同。表4 對比了2 種方案主要的經營指標。

表4 經營指標對比

煙氣凈化方案2 采用碳酸氫鈉作為脫酸劑，其脫酸效率高于氫氧化鈣，因此在濕法工藝段的藥劑消耗及洗煙廢水的產生量遠低于煙氣凈化方案1，但方案2 對酸劑的消耗量更多。在電耗方面，煙氣凈化方案1 的系統更為復雜能耗較高，并且SGH 消耗的蒸汽使得發電量有一定的損失，經測算煙氣凈化方案1 的電量消耗約為煙氣凈化方案2 的2 倍。

為評估2 種方案的經濟性，測算主要差異指標對運營成本的影響（見表5），各項單價為氫氧化鈣600 元/t、碳酸氫鈉2400 元/t、30%氫氧化鈉溶液1500 元/t、洗煙廢水處置成本60 元/t、上網電價0.65 元/kWh。

表5 主要運營成本比較（單位：萬元/a）

由表5 可知，煙氣凈化方案2 年運營成本低于煙氣凈化方案1。煙氣凈化方案1 的優勢是脫酸劑費用低，但整個煙氣凈化工藝復雜、設備多、能耗高，年均電量損耗高于煙氣凈化方案2，且濕法洗滌塔的洗煙廢水易造成二次污染。煙氣凈化方案2 的脫酸劑采購成本雖然較高，但可以優化煙氣凈化工藝流程、能耗較低，碳酸氫鈉脫酸效率優異，且濕法系統可以低負荷運行，總體上的環境效益和經濟效益更好。

結語

為應對垃圾焚燒超低排放的要求，以處理量500t/d 垃圾焚燒線為例，提出了2 種煙氣凈化方案，通過技術和經濟分析比較，推薦采用煙氣凈化方案2。該方案能達到顆粒物濃度5mg/Nm3、SO2濃度20mg/Nm3、NOx濃度50mg/Nm3的排放標準，利用碳酸氫鈉干法脫酸效率高的特點，取代半干法脫酸、無需蒸汽加熱器，煙氣凈化工藝流程簡潔，運行中不耗費蒸汽，每年節省4578MWh 的電量，并能降低濕法系統90%的運行負荷，減少洗煙廢水的二次污染風險。煙氣凈化方案2 的年運營成本較煙氣凈化方案1 低53.17 萬元，不僅具有更好的環境效益和經濟效益，還能提升項目的整體效益。