垃圾焚燒煙氣超低排放全流程工藝選擇

袁伯若 程 虎

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 前言

垃圾焚燒發(fā)電將生活垃圾在高溫下燃燒，使生活垃圾中的可燃廢物轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸己退龋a(chǎn)生的余熱用于發(fā)電，產(chǎn)生的廢氣、飛灰進(jìn)行無害化處理。生活垃圾焚燒發(fā)電具有“無害化、減量化、資源化”的優(yōu)點。生活垃圾焚燒爐在焚燒垃圾后會排放大量含有污染物的煙氣。近年來，隨著生產(chǎn)水平與環(huán)保要求的逐步提高，部分省份要求嚴(yán)格管控生活垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)污染物的排放，要求在現(xiàn)有國家排放標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上進(jìn)一步提標(biāo)，引導(dǎo)行業(yè)綠色、健康、可持續(xù)發(fā)展。例如， 河北省制定了地方標(biāo)準(zhǔn)《生活垃圾焚燒大氣污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(DB 13/5325—2021)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定排放煙氣中顆粒物小于8 mg/Nm3，二氧化硫小于20 mg/Nm3，氮氧化物小于120 mg/Nm3。

1 常規(guī)煙氣凈化工藝

現(xiàn)有成熟常規(guī)煙氣凈化工藝[1]為“SNCR(尿素或氨水)+旋轉(zhuǎn)噴霧半干法(消石灰)+干法(碳酸氫鈉或消石灰)+活性炭粉噴射+布袋除塵”。垃圾焚燒煙氣經(jīng)該工藝處理后，可以達(dá)到《生活垃圾焚燒污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18485—2014)的排放要求，但無法滿足未來超低排放[2]標(biāo)準(zhǔn)下二氧化硫、氮氧化物的排放要求；同時經(jīng)常規(guī)工藝處理后的煙氣中有白煙，易造成視覺污染，引起周圍民眾恐慌。

現(xiàn)有深度脫硫技術(shù)有濕法脫硫技術(shù)，深度脫硝技術(shù)有SCR脫硝、配套聲波測溫系統(tǒng)的高效SNCR脫硝以及PNCR脫硝技術(shù)，但上述技術(shù)方案均基于對脫硫或脫硝的單獨考慮。因此，需要針對超低排放的全流程煙氣凈化需求進(jìn)行工藝組合與路線選擇。

2 幾種可行工藝路線介紹

2.1 SCR脫硝聯(lián)合濕法脫硫消白的全工藝流程

2.1.1 工藝介紹

為了進(jìn)一步脫硫脫硝[3]，可采用傳統(tǒng)SNCR工藝聯(lián)合SCR脫硝[4]與濕法脫硫的全工藝流程。按SCR系統(tǒng)布置位置的不同，該工藝可分為SCR前置與SCR后置兩種。

SCR前置流程如圖1所示：SNCR(選擇性非催化還原脫硝)+半干法脫酸(旋轉(zhuǎn)霧化器)+活性炭噴射吸附+袋式除塵器+SGH(蒸汽/煙氣加熱器)+SCR(選擇性催化還原脫硝、低溫型)+濕法脫酸+GGH(煙氣/煙氣換熱器)+SGH(蒸汽/煙氣加熱器，可選設(shè)備，用于煙氣消白)。

圖1 SCR前置全流程

SCR后置流程如圖2所示：SNCR(選擇性非催化還原脫硝)+半干法脫酸(旋轉(zhuǎn)霧化器)+活性炭噴射吸附+袋式除塵器+GGH(低溫?zé)煔?煙氣換熱器)+濕法脫酸+GGH(高溫?zé)煔?煙氣換熱器)+SGH(蒸汽/煙氣加熱器)+SCR(選擇性催化還原脫硝、低溫型)。

圖2 SCR后置全流程

無論SCR前置還是后置，催化劑均采用低溫型SCR催化劑。如果將SCR前置于濕法系統(tǒng)且采用中溫型SCR催化劑，可提高脫硝系統(tǒng)的運行可靠性，但會增加系統(tǒng)的蒸汽消耗量和運行費用。據(jù)核算，對于1條處理規(guī)模為500 t/d的焚燒線，與采用中溫型催化劑的系統(tǒng)相比，使用低溫型催化劑的SCR系統(tǒng)每年可節(jié)省運行費用約151萬元。從環(huán)保角度考慮，低溫型SCR催化劑脫除NOx和二噁英的效率均較高。如果前端采用濕式洗滌塔脫酸工藝，低溫型催化劑運行壽命更長。根據(jù)日本JFE工程公司統(tǒng)計，采用濕法工藝+低溫SCR，催化劑的使用壽命長達(dá)12年。相較而言，中溫型催化劑運行壽命一般為3年，兩者差距明顯。

2.1.2 工藝對比和應(yīng)用

SCR前置和后置兩種方案的全流程設(shè)備配置對比見表1，技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比見表2。

上述兩種工藝流程在國內(nèi)均有應(yīng)用案例，例如黃島區(qū)靜脈產(chǎn)業(yè)園垃圾焚燒發(fā)電項目一期采用SCR前置全流程，雄安新區(qū)垃圾綜合處理設(shè)施一期工程采用SCR后置全流程工藝。這兩種方案的煙氣排放指標(biāo)均優(yōu)于國標(biāo)《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18485—2014)和歐盟標(biāo)準(zhǔn)(2010/75/EU)，并滿足未來行業(yè)超低排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時可以解決煙氣脫白問題。從實際運行情況來看，SCR前置工藝存在催化劑中毒和反應(yīng)區(qū)堵塞的現(xiàn)象，催化劑需要半年左右再生一次，系統(tǒng)維護(hù)工作量較SCR后置工藝大，同時存在除塵器濾袋破損導(dǎo)致SCR催化劑層堵塞的嚴(yán)重風(fēng)險。從目前國內(nèi)新上項目的實施情況來看，深圳、廣州、上海、海南等地新建的垃圾焚燒煙氣凈化全工藝流程均采用“濕法+SCR”的SCR后置流程，行業(yè)內(nèi)對SCR后置工藝運行可靠性的認(rèn)可度更高。

另外，含濕法脫酸的全工藝流程可取消常規(guī)流程中的輔助干法脫酸系統(tǒng)，采用半干法+濕法脫酸即可實現(xiàn)包括旋轉(zhuǎn)霧化器檢修期間在內(nèi)的所有工況煙氣達(dá)標(biāo)排放要求。因此，增設(shè)濕法脫酸后，原有干法脫酸系統(tǒng)可以取消。

表1 SCR前置與后置全流程設(shè)備配置對比

表2 SCR前置與后置全流程技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比

2.2 配套聲波測溫系統(tǒng)的高效SNCR脫硝聯(lián)合濕法脫酸的全工藝流程

聲波測溫系統(tǒng)是采用聲波法對爐膛二維溫度場進(jìn)行連續(xù)在線監(jiān)測的系統(tǒng)，它有別于溫度場模擬技術(shù)和其他測溫技術(shù)，是全自動燃燒或熱加工過程中一種連續(xù)、準(zhǔn)確、實時、非接觸的氣體溫度測量技術(shù)。它采用基于層析算法的多路徑溫度測量系統(tǒng)，可以得到完整的爐內(nèi)二維空間溫度場分布構(gòu)象。

配套聲波測溫系統(tǒng)的高效SNCR脫硝技術(shù)是通過改進(jìn)SNCR系統(tǒng)反應(yīng)區(qū)域溫度的實時在線監(jiān)測系統(tǒng)(采用聲波測溫系統(tǒng))，使噴槍處于合適的反應(yīng)溫度窗口，從而提高脫硝的效率，降低還原劑用量，并有效地控制氨逃逸。

為實現(xiàn)SNCR脫硝系統(tǒng)噴氨量的更優(yōu)控制，使控制目標(biāo)與環(huán)?？己四繕?biāo)相一致，根據(jù)垃圾焚燒爐爐膛溫度場溫度信息，利用過程數(shù)據(jù)與NOx生成量的耦合關(guān)系，建立動態(tài)模型。在鍋爐負(fù)荷波動的情況下，于垃圾焚燒爐出口處判斷氮氧化物的濃度生成量，從而有效控制非催化還原法脫硝裝置的噴氨量，并根據(jù)實測NOx數(shù)據(jù)，不斷修正并給出當(dāng)前時刻的最優(yōu)控制量。同時根據(jù)垃圾焚燒爐負(fù)荷情況、給料量、煙氣流量校核溫度場，提高控制響應(yīng)時間和精度。

基于準(zhǔn)確快速的爐膛內(nèi)部二維溫度場分布監(jiān)測和合理的算法控制邏輯，SNCR控制系統(tǒng)可實現(xiàn)對每支噴槍的獨立精細(xì)控制，達(dá)到更高的脫硝效率，并實現(xiàn)將NOx穩(wěn)定控制在90 mg/Nm3以內(nèi)；在保證高脫硝效率前提下，還原劑耗量減少20%～40%；NH3逃逸量小于8 mg/Nm3。

配套聲波測溫系統(tǒng)的高效SNCR脫硝聯(lián)合濕法脫酸的全工藝流程為：高效SNCR(爐內(nèi)脫硝，配套聲波測溫系統(tǒng))+半干法脫酸+活性炭噴射吸附+袋式除塵器+濕法脫酸+ GGH(煙氣/煙氣換熱器)+SGH(蒸汽/煙氣加熱器，可選設(shè)備，用于煙氣消白)。外排進(jìn)入煙囪的煙氣溫度及濕式洗滌塔出口煙氣溫度應(yīng)最終根據(jù)項目所在地實際大氣環(huán)境及消白要求確定，調(diào)節(jié)范圍分別為120～160 ℃和45～60 ℃。

2.3 PNCR脫硝聯(lián)合濕法脫酸的全工藝流程

PNCR脫硝聯(lián)合濕法脫酸[5]工藝流程如圖3所示： PNCR(爐內(nèi)脫硝)+半干法脫酸+活性炭噴射吸附+袋式除塵器+濕法脫酸+ GGH(煙氣/煙氣換熱器)+SGH(蒸汽/煙氣加熱器，可選設(shè)備，用于煙氣消白)。

該工藝采用氣力輸送裝置將高分子脫硝劑(活性氨粉末)直接送入鍋爐，使氨基和高分子化學(xué)鍵斷裂釋放出大量含氨基能團(tuán)(NH2-)，然后氨基與煙氣中NOx反應(yīng)，從而達(dá)到脫硝的目的。所用的高分子脫硝劑是以聚丙烯鹽為載體，把氨基成分聚合在高分子材料上形成的粉末狀材質(zhì)。PNCR脫硝聯(lián)合濕法脫酸技術(shù)的脫硝率大于80%，煙氣排放可滿足河北省地方標(biāo)準(zhǔn)，且在一定程度上可取代SNCR+SCR聯(lián)合脫硝系統(tǒng)，形成新的脫硝工藝路線。

相對于傳統(tǒng)SCR系統(tǒng)的昂貴造價及高運行成本，該脫硝工藝系統(tǒng)簡單，煙氣阻力小，造價與運行成本均較低，建設(shè)周期短，運行中不需要使用昂貴的催化劑，具有應(yīng)用優(yōu)越性。

圖3 基于PNCR脫硝技術(shù)的全工藝流程

3 推薦技術(shù)路線

通過分析上述煙氣凈化全流程工藝方案，并結(jié)合超低排放發(fā)展趨勢，推薦采用以下3條技術(shù)路線，以實現(xiàn)煙氣脫白與氮氧化物、硫化物的進(jìn)一步減排。

1)技術(shù)路線一：配套聲波測溫系統(tǒng)的高效SNCR脫硝+濕法脫硫技術(shù)的全工藝流程，系統(tǒng)運行阻力約為6 800 Pa，引風(fēng)機全壓為9 000 Pa。該技術(shù)路線既適用于提標(biāo)改造項目，也適用于新擴建項目，尤其對于改建項目，投資成本優(yōu)勢明顯。

2)技術(shù)路線二：PNCR脫硝+濕法脫硫的全工藝流程，系統(tǒng)運行阻力約為6 800 Pa，引風(fēng)機全壓為9 000 Pa。該技術(shù)路線既適用于提標(biāo)改造項目，也適用于新擴建項目，尤其對于改建項目，投資成本優(yōu)勢明顯。

上述兩種技術(shù)路線均兼具SCR和SNCR兩者的優(yōu)點，既具有SCR技術(shù)的高脫硝率，又具有SNCR技術(shù)建設(shè)投資費用和運行費用低的優(yōu)勢，并適用于占地受限的項目，具有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景。特別是技術(shù)路線一，在運行成本上有著其他技術(shù)路線無法比擬的優(yōu)勢，且自動化程度高，結(jié)合人工智能技術(shù)，貼近現(xiàn)代智慧工廠的發(fā)展趨勢。

3)技術(shù)路線三：濕法脫硫+SCR后置全工藝流程，系統(tǒng)運行阻力約為9 200 Pa，引風(fēng)機全壓為12 000 Pa，引風(fēng)機電耗較大。該技術(shù)路線采用的SNCR聯(lián)合SCR脫硝工藝為現(xiàn)行主流成熟脫硝技術(shù)，項目運行無風(fēng)險，且濕式洗滌塔的設(shè)置位置，綜合考慮了催化劑使用壽命和系統(tǒng)運行可靠性兩個方面。

4 結(jié)束語

綜上所述，盡管傳統(tǒng)常規(guī)煙氣凈化處理工藝成熟且滿足國標(biāo)要求，但無法適應(yīng)未來更加嚴(yán)苛的排放標(biāo)準(zhǔn)與環(huán)保發(fā)展趨勢，因此應(yīng)當(dāng)合理選擇與組合煙氣凈化技術(shù)方案，本文推薦了配套聲波測溫系統(tǒng)的高效SNCR+濕法脫酸、PNCR脫硝+濕法脫硫、濕法脫硫+SCR后置3種全流程工藝路線，以求進(jìn)一步去除煙氣污染物，確保煙氣超低排放。