垃圾焚燒電廠SCR脫硝煙氣再熱系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

姜 鵬，陳曉峰，吳 坤，車衛(wèi)彤，張 毅

（1.中國航空規(guī)劃建設(shè)發(fā)展有限公司，北京 100085；2.浙江中控研究院有限公司，浙江 杭州 310053）

1 SCR工藝簡介

生活垃圾在焚燒過程產(chǎn)生的煙氣中，含有一定量的NOx，這主要是由于垃圾中的含氮無機(jī)物及有機(jī)物在焚燒過程中形成的。NOx為酸性有害氣體，因此需要對垃圾焚燒煙氣進(jìn)行脫NOx處理。目前，主流垃圾焚燒煙氣脫硝工藝以SNCR（選擇性非催化還原）、SCR（選擇性催化還原）為主。SNCR工藝以爐膛作為反應(yīng)器，將還原劑從爐膛適合溫度區(qū)域噴入爐膛與NOx反應(yīng)生成N2，從而完成脫硝過程。該工藝投資低，運行維護(hù)費用低，但脫硝效率低。SCR工藝是在一定溫度和催化劑的作用下，將還原劑噴入設(shè)置在鍋爐尾部煙道的反應(yīng)器內(nèi)與NOx反應(yīng)將煙氣中的NOx去除。該工藝脫硝效率較高，但建設(shè)運營費用較SNCR工藝要高出很多［1-2］。

SNCR工藝通常只能達(dá)到40%～60%的脫除效率，而SCR法脫硝效率可達(dá)80%以上［3］。目前國內(nèi)焚燒廠大多采用SNCR脫硝技術(shù)，新建焚燒廠部分采用了SCR脫硝技術(shù)。SCR脫硝系統(tǒng)布置方式可采用高溫高塵、高溫低塵和低溫低塵3種方式。由于垃圾焚燒煙氣具有高含塵、強(qiáng)腐蝕性特點，SCR脫硝系統(tǒng)通常必須設(shè)置在脫硫除塵系統(tǒng)后以保證催化劑的正常運行［4］。但由于脫硫除塵后煙氣溫度約150℃左右，而SCR系統(tǒng)催化還原反應(yīng)的最佳溫度為200～250℃，因此必須增加煙氣再熱系統(tǒng)來對煙氣進(jìn)行加熱。同時，由于煙氣排放溫度增加，熱損失也會增加。因此SCR煙氣系統(tǒng)設(shè)置既要考慮催化還原反應(yīng)的徹底性，又要使熱損失盡可能小。基于此，以北京某垃圾焚燒電廠750 t/d垃圾焚燒爐煙氣數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別對幾個可行的垃圾焚燒電廠煙氣加熱系統(tǒng)和熱回收系統(tǒng)模型進(jìn)行對比分析并選取最優(yōu)模型。

2 焚燒煙氣成分及煙氣焓

生活垃圾的組成和焚燒方式?jīng)Q定了煙氣的成分和濃度，其主要成分是N2、O2、CO2和H2O等無害物質(zhì)，占煙氣容積的99%。因垃圾成分不可控和燃燒過程的多變性，焚燒煙氣中還含有1%左右的有害污染物，污染物以氣態(tài)或固態(tài)形式存在［5］。北京該垃圾焚燒電廠所接收的生活垃圾典型組分及含量見表1。

表1 2009年小武基、馬家樓轉(zhuǎn)運站及北京市

根據(jù)垃圾焚燒電廠的運行經(jīng)驗，對含水率50%以上的生活垃圾，在入爐燃燒前在垃圾儲坑內(nèi)需進(jìn)行2～3 d堆酵，這樣可除去12%左右的滲瀝液，對表1中垃圾組分的平均值進(jìn)行修正，含水率降低12%后，入爐垃圾組分含量見表2。

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根據(jù)燃料燃燒相關(guān)理論，固體燃燒時所需的理論空氣量V0（m3/kg） 為：

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下每千克收到基燃料燃燒的理論煙氣中三原子氣體的體積VRO2（m3/kg） 為：

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下每千克收到基燃料燃燒的理論煙氣中氮氣的體積VN2（m3/kg） 為：

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下每千克收到基燃料燃燒的理論煙氣中水蒸氣的體積（m3/kg）為：

煙氣經(jīng)過半干法脫酸反應(yīng)塔脫酸后，SO2的去除效率約90%。因此對公式（2）進(jìn)行修正：

在半干法脫酸塔內(nèi)需噴入濃度約15%的石灰漿溶液，此部分水在脫酸塔內(nèi)受熱蒸發(fā)變成水蒸氣進(jìn)入煙氣，根據(jù)設(shè)備廠商的設(shè)計值，進(jìn)入脫酸塔的水量約3.76 t/h，即每千克垃圾耗水約0.12 kg。因此對公式（4） 進(jìn)行修正：

實際燃燒都是在過量空氣的條件下進(jìn)行的，固體燃料燃燒實際煙氣量Vy為：

式中：α為過量空氣系數(shù)，對于該項目垃圾焚燒爐排爐，α=1.9；1.016 1（α-1）V0代表了每千克燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣中空氣的體積。

將公式（1）、（3）、（5）、（6）、（7）代入垃圾成分?jǐn)?shù)據(jù)，計算得到焚燒煙氣中RO2、N2、H2O、空氣的體積百分?jǐn)?shù)分別為：7.0%、32.1%、23.8%、37.1%。

因此一定溫度時混合煙氣的焓值hy（kJ/m3）可通過下式計算：

式中： （ct）RO2、（ct）N2、（ct）H2O、（ct）K分別為一定溫度下三原子氣體、氮氣、水蒸氣、空氣的單位體積焓。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1 m3三原子氣體、氮氣、水蒸氣、空氣的體積焓見表3。對于任意溫度下的體積焓可根據(jù)表3的數(shù)據(jù)由內(nèi)插法求得［6］。

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對于該焚燒爐煙氣，經(jīng)過計算得到一些溫度下的煙氣焓值見表4所示。

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3 煙氣再熱模型設(shè)計

對于垃圾焚燒電廠可選擇的煙氣再加熱熱源有垃圾焚燒余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽、鍋爐點火及輔助燃燒用輕柴油或天然氣。加熱系統(tǒng)可采用以下3種換熱器：①SGH （蒸汽-煙氣換熱器），蒸汽和煙氣換熱的熱交換器；②DGH （直接煙氣加熱器），采用燃料燃燒直接與煙氣混合加熱 （輕柴油或天然氣）；③GGH （煙氣-煙氣換熱器），煙氣和煙氣換熱的熱交換器。

焚燒廠煙囪出口有時會出現(xiàn)“冒白煙”現(xiàn)象。冒白煙主要與入爐垃圾含水率、排煙溫度、大氣溫度及大氣相對濕度有關(guān)。入爐垃圾含水率越高、排煙溫度越低、大氣溫度越低、大氣相對濕度越高就越容易產(chǎn)生白煙［7］。根據(jù)前面煙氣組分的計算，垃圾焚燒煙氣水蒸氣含量較高，排煙溫度過低時會出現(xiàn)“冒白煙”現(xiàn)象，此次模型設(shè)計中采用在SCR脫硝后的煙氣中補(bǔ)入熱空氣的方式作為防白煙的措施，每條處理線煙氣在進(jìn)入煙囪前的主煙道前通入約200℃的熱空氣，以降低煙氣的絕對濕度，達(dá)到防白煙的目的。每條煙氣處理線需要設(shè)置1臺防白煙空氣風(fēng)機(jī)和1臺SAH（空氣-蒸汽加熱器），由鍋爐來的主蒸汽加熱空氣。當(dāng)達(dá)到產(chǎn)生白煙條件時，需要投運防白煙系統(tǒng)來提高排煙溫度防止出現(xiàn)白煙。

北京該項目750 t/d垃圾焚燒爐額定工況時余熱鍋爐排煙溫度約200℃，經(jīng)脫硫除塵布袋除塵器后煙氣溫度150℃，布袋除塵器出口煙氣量約180 000 m3/h。

3.1 模型1：SGH

SGH煙氣加熱模型見圖1。

如圖1所示，引風(fēng)機(jī)出口150℃煙氣經(jīng)過SGH（蒸汽-煙氣換熱器） 與400℃鍋爐主蒸汽換熱，煙氣被加熱至230℃進(jìn)入SCR反應(yīng)器脫硝，經(jīng)脫硝反應(yīng)后，反應(yīng)器出口煙氣溫度225℃，此模型排煙溫度較高不需要設(shè)置防白煙系統(tǒng)，可直接經(jīng)煙囪排入大氣。

單條焚燒線每小時180 000 m3煙氣由150℃加熱至230℃，根據(jù)表4的煙氣焓值計算約需要熱量20 495 MJ。加熱蒸汽來自鍋爐主蒸汽（4.0 MPa，400℃）與煙氣換熱后凝結(jié)成250℃飽和水，取換熱效率95%，經(jīng)換熱計算約需要蒸汽10.9 t/h。此部分蒸汽若進(jìn)入汽輪機(jī)發(fā)電，按照汽輪機(jī)汽耗5 kg/（kW·h），此部分可發(fā)電2 180 kW·h。

3.2 模型2：SGH+GGH

SGH+GGH煙氣加熱模型見圖2。

如圖2所示，引風(fēng)機(jī)出口150℃煙氣經(jīng)過GGH（煙氣-煙氣換熱器） 被SCR反應(yīng)器出口的熱煙氣加熱至180℃，再經(jīng)過SGH （蒸汽-煙氣換熱器）間接換熱加熱至230℃進(jìn)入SCR反應(yīng)器脫硝，經(jīng)脫硝反應(yīng)后，反應(yīng)器出口煙氣溫度225℃又回到GGH與未脫硝的低溫?zé)煔鈸Q熱。此模型可部分回收利用高溫?zé)煔獾臒崃俊０幢本┑臍夂驐l件，此模型煙囪出口煙氣溫度約190℃，多數(shù)時間防白煙系統(tǒng)不需要投運，在氣溫較低且空氣相對濕度較大時才需投運。

每小時180 000 m3煙氣由180℃加熱至230℃，根據(jù)表4的煙氣焓值計算約需要熱量12 881 MJ。加熱蒸汽來自鍋爐主蒸汽（4.0 MPa，400℃）與煙氣換熱后凝結(jié)成250℃飽和水，取換熱效率95%，經(jīng)換熱計算約需要蒸汽6.85 t/h。此部分蒸汽若進(jìn)入汽輪機(jī)發(fā)電，按照汽輪機(jī)汽耗5 kg/（kW·h），此部分蒸汽可發(fā)電1 370 kW·h。

3.3 模型3：DGH+GGH

DGH+GGH煙氣加熱模型見圖3。

如圖3所示，引風(fēng)機(jī)出口150℃煙氣經(jīng)過GGH（煙氣-煙氣換熱器） 被SCR反應(yīng)器出口的熱煙氣加熱至180℃，再經(jīng)過DGH （直接煙氣加熱器）直接混合加熱至230℃進(jìn)入SCR反應(yīng)器脫硝，反應(yīng)器出口煙氣溫度225℃又到GGH與未脫硝的低溫?zé)煔鈸Q熱。模型3與模型2的區(qū)別在于用DGH替代了SGH，采用輕柴油或天然氣通過燃燒器直接加熱煙氣。同樣此模型煙囪出口煙氣溫度約190℃，多數(shù)時間防白煙系統(tǒng)不需要投運，在氣溫較低且空氣相對濕度較大時才需投運。

每小時180 000 m3煙氣由180℃加熱至230℃，計算約需要熱量12 881 MJ。取加熱效率98%，采用輕柴油為燃料時，輕柴油熱值42.9 MJ/kg，需用輕柴油約306.4 kg/h。采用天然氣為燃料時，參考北京地區(qū)所用陜、京線天然氣熱值為35.16 MJ/m3，需用天然氣約373.8 m3/h。

4 經(jīng)濟(jì)性對比分析

模型1不設(shè)置GGH，煙道系統(tǒng)整體阻力小，引風(fēng)機(jī)耗電較少，不設(shè)置防白煙系統(tǒng)，此部分無用電負(fù)荷且不耗蒸汽。模型2及模型3需要設(shè)置GGH，煙道系統(tǒng)整體阻力大，引風(fēng)機(jī)耗電較多，設(shè)置防白煙系統(tǒng)需要消耗蒸汽及電能。

參考北京市當(dāng)前油、氣價，取天然氣價格2.67元/m3、輕柴油價格8 550元/t；垃圾焚燒電廠全國統(tǒng)一上網(wǎng)電價為0.65元/（kW·h）；焚燒線按年運行8 000 h計，對于模型2和模型3部分時間需要投運防白煙系統(tǒng)，防白煙系統(tǒng)年運行時間按1 000 h估算［7］，表5為單條750 t/d焚燒線采用不同模型時年運行費用對比。

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從表5可以看出：模型1（SGH） 雖然系統(tǒng)簡單、設(shè)備少，引風(fēng)機(jī)等設(shè)備耗電較少，但煙氣以較高的溫度排放沒有進(jìn)行余熱回收，經(jīng)濟(jì)性較差。模型2（SGH+GGH） 系統(tǒng)增加GGH對煙氣余熱進(jìn)行回收，煙氣系統(tǒng)阻力增加，引風(fēng)機(jī)耗電增加，且需增加防白煙系統(tǒng)，但年運行費用最小。模型3（DGH+GGH） 系統(tǒng)同模型2設(shè)置了GGH對煙氣余熱進(jìn)行回收，不同之處在于用DGH取代SGH，即用輕柴油或天然氣來加熱煙氣。采用輕柴油燃料后，燃料成本迅速上升，年運行費用較高；另外，輕柴油燃燒會產(chǎn)生較多NOx及SOx帶來煙氣再污染的問題，因此不宜采用。采用天然氣為燃料時，運行成本相對較低，但從建設(shè)投資角度除需增設(shè)換熱器及部分煙道外，還需增設(shè)若干支燃燒器，燃燒器通常需要進(jìn)口設(shè)備，設(shè)備投資較大。

5 結(jié)論

綜上所述，SGH模型排煙溫度高、無余熱回收，最不節(jié)能；SGH+GGH模型只需增設(shè)換熱器（GGH）及部分煙道，設(shè)備投資增加不多，但年運行費用明顯降低，為首選方案；對于垃圾焚燒電廠，若工程所在地天然氣資源豐富、氣價較低且接入方便則可考慮采用DGH+GGH模型。

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