生活垃圾焚燒濕法脫酸工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

侯霞麗，沈宏偉，王麗霞，胡利華

（光大環(huán)境科技（中國(guó)）有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

生活垃圾焚燒煙氣中的酸性污染物主要有HCl、SOx、HF 等，其中HCl 的原始含量約為600～1 200 mg/m3，SOx以SO2為主、含少量SO3，SOx的原始含量約為200～800 mg/m3，HF 含量約為1～20 mg/m3，為防止煙氣對(duì)環(huán)境造成二次污染，必須采取嚴(yán)格的煙氣凈化措施，保證污染物達(dá)標(biāo)排放［1］。

酸性氣體凈化工藝按照吸收劑狀態(tài)和有無(wú)廢水排出可分為干法、半干法和濕法［2-3］。垃圾焚燒行業(yè)中“半干法+干法”脫酸工藝可以滿(mǎn)足歐盟2010 排放標(biāo)準(zhǔn)，但隨著國(guó)家環(huán)保要求的提高和民眾環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，某些項(xiàng)目提出更高的“超低排放”要求，即NOx≤50 mg/m3、SO2≤10 mg/m3、HCl≤5 mg/m3、煙塵≤5 mg/m3，基于“半干法+干法”的常規(guī)脫酸工藝無(wú)法滿(mǎn)足此要求，而高效、穩(wěn)定的濕法脫酸工藝逐漸成為超低排放項(xiàng)目的主流選擇。

目前，垃圾焚燒行業(yè)面臨國(guó)補(bǔ)退坡、垃圾量不足等壓力，對(duì)技術(shù)的降本增效有迫切需求。對(duì)于煙氣脫酸工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，現(xiàn)有研究成果主要集中在各工藝組合間的經(jīng)濟(jì)性比較，著重于工藝選擇的優(yōu)化，對(duì)垃圾焚燒的具體技術(shù)以及其在不同技術(shù)工藝體系下的運(yùn)行研究極少［4-5］。本研究針對(duì)濕法脫酸工藝，以某400 t/d 垃圾焚燒項(xiàng)目為例，全面分析不同技術(shù)工藝體系、不同工況下的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)特性以及影響因素，為工藝的選擇、優(yōu)化運(yùn)行方式、降低運(yùn)行成本提供理論與數(shù)據(jù)支撐。

1 工藝與方法

1.1 濕法脫酸工藝

濕法脫酸工藝是指采用堿性吸收劑在濕狀態(tài)下與酸性氣體反應(yīng)并脫除反應(yīng)產(chǎn)物，生活垃圾焚燒項(xiàng)目中通常采用NaOH 溶液作為吸收劑，其與煙氣中的酸性氣體發(fā)生的主要反應(yīng)方程式如式（1）～式（5）所示［6-7］：

濕法脫酸系統(tǒng)主要由濕法塔、冷卻循環(huán)泵、減濕循環(huán)泵、減濕水箱、換熱器、堿液供應(yīng)系統(tǒng)等組成，如圖1 所示。

圖1 濕法脫酸系統(tǒng)示意Figure 1 Schematic of wet deacidification system

濕法塔為單塔雙循環(huán)模式，下部為冷卻部，上部為減濕部，二者相互獨(dú)立。經(jīng)煙氣-煙氣換熱器（Gas Gas Heater，GGH）換熱后的原煙氣（約100～110 ℃）從濕法塔下部進(jìn)入濕法塔，自下而上流動(dòng)，與冷卻循環(huán)液接觸后被冷卻至飽和溫度（約60～70 ℃）。堿液送至冷卻循環(huán)泵管道中，冷卻循環(huán)液與煙氣中的HCl、SO2等污染物反應(yīng)生成NaCl、Na2SO3、NaHSO3、Na2SO4等鹽類(lèi)，通過(guò)調(diào)節(jié)濕法塔底部的洗煙廢水排出量以控制冷卻循環(huán)液中鹽濃度不超過(guò)3%～5%［8］，避免冷卻液中鹽析出。

煙氣經(jīng)冷卻部降溫和脫除大部分酸性氣體后，向上進(jìn)入減濕部，減濕水箱中的減濕循環(huán)液經(jīng)換熱器降溫后與煙氣接觸，將煙氣進(jìn)一步冷卻并析出水分，煙氣的含水量有效降低，氣相污染物濃度也進(jìn)一步降低。減濕部多出的水一部分用作冷卻部補(bǔ)水，剩余減濕水排放至水處理系統(tǒng)。凈化后的煙氣（約45～65 ℃）從濕法塔出口流出，進(jìn)入GGH 與原煙氣換熱。

由于經(jīng)過(guò)濕法脫酸之后的煙氣通常是飽和濕煙氣，含有大量水蒸氣，如果直接排入溫度較低、飽和濕度較低的空氣環(huán)境中，煙氣中的水蒸氣會(huì)凝結(jié)形成濕煙羽，出現(xiàn)煙囪冒白煙的現(xiàn)象［9］。目前越來(lái)越多的項(xiàng)目要求“脫白”，即消除白煙，通常采用先冷凝再加熱的方法，即在濕法塔減濕部對(duì)煙氣進(jìn)行降溫，大量水蒸氣發(fā)生冷凝，隨后較低含水率的煙氣進(jìn)入GGH 和蒸汽-煙氣換熱器（Steam Gas Heater，SGH）進(jìn)一步加熱，實(shí)現(xiàn)“脫白”。

1.2 濕法脫酸工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析模型

濕法脫酸系統(tǒng)的投資成本主要由煙氣量、脫白需求等因素決定，較為固定。而運(yùn)行成本影響因素較多，且對(duì)于垃圾焚燒項(xiàng)目而言，運(yùn)行協(xié)議期較長(zhǎng)，因此主要研究濕法脫酸系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)特性。

根據(jù)物料和能量平衡，建立濕法脫酸工藝計(jì)算模型，考慮的主要方程式如式（1）～式（5）所示。計(jì)算模型中忽略粉塵、HF 等對(duì)濕法脫酸的影響，SOx均以SO2計(jì)，假設(shè)N2、CO2、NOx等都不參與化學(xué)反應(yīng)，得到主要計(jì)算模型如式（6）～式（15）所示。

理論NaOH 耗量：

理論Na2SO3產(chǎn)生量：

理論NaCl 產(chǎn)生量：

堿液（30%NaOH）耗量：

將30%NaOH 稀釋為10%NaOH 所需除鹽水：

工藝水耗量，即冷卻部補(bǔ)水量：

冷卻循環(huán)水耗量：

洗煙廢水產(chǎn)生量：

減濕廢水產(chǎn)生量：

循環(huán)泵電耗：

式 中：mNaOH、mNa2SO3、mNaCl分 別 為NaOH 耗 量 和Na2SO3、NaCl 產(chǎn)生量，mg/h；cin(SO2)、cout(SO2)、cin(HCl)、cout(HCl)分別為入口SO2濃度、出口SO2濃度、入口HCl 濃度、出口HCl 濃度，mg/m3；Vin、Vout分別為入口煙氣流量、出口煙氣流量，m3/h；MSO2、MHCl、MNaOH、MNa2SO3、MNaCl分 別 為SO2、HCl、NaOH、Na2SO3、NaCl 的摩爾質(zhì)量，g/mol；Q1～Q6分別為堿液耗量、除鹽水耗量、工藝水耗量、冷卻循環(huán)水耗量、洗煙廢水產(chǎn)生量和減濕廢水產(chǎn)生量，t/h；α為堿液的化學(xué)當(dāng)量比，無(wú)量綱；Qe、Qc分別為冷卻部蒸發(fā)水量和減濕部冷凝析出水量，t/h；ΔH為減濕部煙氣降溫放出的熱量，kJ/h；r為水的汽化潛熱，kJ/kg；Cp為水的定壓比熱容，kJ/（kg·℃）；Δt為循環(huán)冷卻水的溫升，℃；cw為洗煙廢水的鹽濃度，一般取3%～5%；P為功率，kW；K為電機(jī)安全系數(shù)；ρ為泵輸送流體密度，kg/m3；Qp為泵的流量，m3/h；H為泵的揚(yáng)程，m；η1、η2分別為泵的效率和泵的傳動(dòng)效率，%。

根據(jù)上述模型，將濕法脫酸過(guò)程中的各項(xiàng)物料消耗、電耗、壓縮空氣消耗、廢水產(chǎn)出乘以各自單價(jià)，再扣除減濕廢水回用獲得的收益，即可得到運(yùn)行費(fèi)用如下：

式中：E為運(yùn)行費(fèi)用，元/h；a1～a6分別為堿液?jiǎn)蝺r(jià)、除鹽水單價(jià)、工藝水單價(jià)、循環(huán)冷卻水單價(jià)、洗煙廢水處理單價(jià)和減濕廢水處理單價(jià)，元/t；b為儀用空氣單價(jià)，元/m3；Q7為儀用空氣耗量，m3/h；c為電價(jià)，元/kWh；d為減濕廢水回用收益，元/t。

2 結(jié)果與討論

該項(xiàng)目為典型的“SNCR+干法+半干法+活性炭+布袋除塵+SCR+GGH+濕法”工藝組合，SCR布置于濕法脫酸前，由于SO2會(huì)使SCR 催化劑失效，因此由半干法脫除大部分酸性污染物，進(jìn)入濕法脫酸系統(tǒng)的污染物濃度已經(jīng)較低。項(xiàng)目主要設(shè)計(jì)及運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 某400 t/d 焚燒項(xiàng)目濕法脫酸工藝參數(shù)Table 1 Technical parameters of wet deacidification process of a 400 t/d incineration project

本研究按“脫白”和“非脫白”兩種工況對(duì)濕法脫酸運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行分析，“脫白”工況表示濕法塔出口溫度要降低到一定數(shù)值，降低煙氣中含水率，以保證煙囪出口無(wú)白煙，通常在冬季應(yīng)用較多；“非脫白”工況表示對(duì)濕法塔出口溫度沒(méi)有要求，此時(shí)減濕部不承擔(dān)減濕的作用，僅用作進(jìn)一步脫除污染物。

2.1 濕法脫酸過(guò)程運(yùn)行費(fèi)用分布

針對(duì)某400 t/d 項(xiàng)目運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到不同工況下濕法脫酸過(guò)程的運(yùn)行費(fèi)用分布如圖2所示（本研究中運(yùn)行費(fèi)用均以噸垃圾計(jì)）。其中，堿液按1 100 元/t、除鹽水按10 元/t、循環(huán)冷卻水按0.11 元/t、儀用空氣按0.1 元/m3、電價(jià)按0.65元/kWh、洗煙廢水處理費(fèi)按10 元/t、減濕廢水處理費(fèi)按3.5 元/t、減濕廢水回用收益按1.5 元/t 計(jì)。

圖2 脫白與非脫白工況下濕法脫酸運(yùn)行費(fèi)用Figure 2 Operating cost of wet deacidification under de-whitening and non de-whitening operating conditions

由圖2 可計(jì)算得出，“脫白”工況運(yùn)行費(fèi)用約為“非脫白”工況的1.6 倍?！胺敲摪住惫r下，循環(huán)泵電費(fèi)占總運(yùn)行費(fèi)用比例達(dá)77%，其余各項(xiàng)費(fèi)用均較少。“脫白”工況下，由于需要大量的冷卻循環(huán)水對(duì)減濕循環(huán)液進(jìn)行降溫、降低煙氣溫度，會(huì)析出大量減濕廢水，降低煙氣含水率，因此運(yùn)行費(fèi)用中循環(huán)冷卻水費(fèi)用和減濕廢水處理費(fèi)用大幅增加，分別占運(yùn)行總費(fèi)用的33%和12%；此外，循環(huán)泵電費(fèi)依然占比較大，約為47%。而由于入口污染物濃度較低，不論哪種工況下，堿液費(fèi)用均較少，僅占10%左右。

對(duì)于此類(lèi)入口污染物濃度較低的項(xiàng)目，合理選擇“脫白”工況運(yùn)行時(shí)間、降低循環(huán)泵電耗是降低運(yùn)行成本的關(guān)鍵。由于要保證“脫白”效果，減濕部通常會(huì)選擇較大液氣比，導(dǎo)致減濕循環(huán)泵流量大、電耗高，而“非脫白”工況下，大流量的減濕循環(huán)泵長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)使耗電量大幅增加。若將減濕循環(huán)泵改為變頻，或者將1 臺(tái)大流量減濕循環(huán)泵改為2 臺(tái)較小流量的泵并聯(lián)，“脫白”工況下2 臺(tái)同時(shí)開(kāi)啟，“非脫白”工況下只開(kāi)啟1 臺(tái)，可大幅降低運(yùn)行成本，提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

2.2 濕法塔出口溫度對(duì)運(yùn)行成本的影響

在2.1 節(jié)中，“脫白”工況濕法塔出口溫度為45.0 ℃，“非脫白”工況濕法塔出口溫度為63.2 ℃，設(shè)定其他參數(shù)不變，僅變動(dòng)濕法塔出口溫度，得到運(yùn)行費(fèi)用曲線(xiàn)如圖3 所示。

圖3 不同濕法塔出口溫度下的運(yùn)行費(fèi)用Figure 3 Operating cost at different outlet temperatures of wet tower

隨著濕法塔出口溫度由60 ℃降至45 ℃（圖3），濕法脫酸系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用（以噸垃圾計(jì)）由10.0 元增至14.6 元，增幅達(dá)46%，出口溫度每下降1 ℃，運(yùn)行費(fèi)用增加約0.2～0.4 元。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)循環(huán)冷卻水的流量來(lái)控制濕法塔出口溫度，循環(huán)冷卻水流量越大，煙氣降溫越多，濕法塔出口溫度越低，同時(shí)產(chǎn)生的減濕廢水越多。隨著濕法塔出口溫度降低，運(yùn)行費(fèi)用的增加主要是由冷卻循環(huán)水費(fèi)用和減濕廢水處理費(fèi)用的增加造成的，冷卻循環(huán)水費(fèi)用（以噸垃圾計(jì)）由1.3 元增至4.9 元，減濕廢水處理費(fèi)用（以噸垃圾計(jì)）由0.04 元增至1.00 元，這兩項(xiàng)費(fèi)用總和占總運(yùn)行費(fèi)用的比例由13% 提高至40%，而其他各項(xiàng)運(yùn)行費(fèi)用基本不變。由此可見(jiàn)，濕法塔出口溫度對(duì)運(yùn)行費(fèi)用影響較大。對(duì)于“脫白”工況，在滿(mǎn)足“脫白”要求的前提下，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧鉁?、濕度?shí)時(shí)調(diào)整冷卻循環(huán)水流量，盡可能提高濕法塔出口溫度，有利于降低濕法脫酸系統(tǒng)運(yùn)行成本。

2.3 用水成本對(duì)運(yùn)行模式選擇的影響

在“脫白”工況下，減濕部析出的冷凝水除用于減濕部補(bǔ)水，使得系統(tǒng)無(wú)需額外補(bǔ)充工藝水外，剩余的減濕水經(jīng)簡(jiǎn)單處理后可用于全廠的補(bǔ)水；而“非脫白”工況下，循環(huán)冷卻水停用，也無(wú)減濕廢水產(chǎn)生，系統(tǒng)需要補(bǔ)充工藝水。對(duì)于確定項(xiàng)目，其他條件不變時(shí)，堿液費(fèi)用、除鹽水費(fèi)用、儀用空氣費(fèi)用、電費(fèi)和洗煙廢水處理費(fèi)為定值，若令“脫白”工況下費(fèi)用Ea與“非脫白”工況下費(fèi)用Eb相等，根據(jù)式（16）可得等費(fèi)用線(xiàn)：

式中：假設(shè)d= 0.4a3，可得到如圖4 所示等費(fèi)用曲線(xiàn)，在曲線(xiàn)上方，按“脫白”模式運(yùn)行費(fèi)用更低，在曲線(xiàn)下方，按“非脫白”模式運(yùn)行費(fèi)用更低。

圖4 不同工藝水價(jià)格和濕法塔出口溫度下的等費(fèi)用線(xiàn)Figure 4 Isocost line under different process water price and outlet temperatures of wet tower

根據(jù)圖4，結(jié)合當(dāng)?shù)毓に囁畠r(jià)格，可以直觀比較兩種運(yùn)行模式的經(jīng)濟(jì)性，有助于選擇合適的濕法塔出口溫度、優(yōu)化運(yùn)行方式、降低運(yùn)行成本。當(dāng)工藝水價(jià)格高于8 元/t 時(shí)，按“脫白”方式運(yùn)行費(fèi)用可能會(huì)低于“非脫白”運(yùn)行方式，工藝水價(jià)格越高，可選擇越低的濕法塔出口溫度，此時(shí)，減濕水回用獲得的收益也越高，可抵消增加的循環(huán)冷卻水費(fèi)用和減濕廢水處理費(fèi)，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性更佳。對(duì)于2.1 節(jié)中的案例，“脫白”工況下濕法塔出口溫度45 ℃，只有當(dāng)工藝水價(jià)格高于19 元/t時(shí)，按“脫白”模式運(yùn)行才具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。顯然，對(duì)于一般地區(qū)，工藝水價(jià)格較低，“脫白”工況下運(yùn)行成本高于“非脫白”工況。但是對(duì)于極度缺水地區(qū)的項(xiàng)目，用水成本增加，減濕廢水的回用可大幅緩解電廠的用水缺口、減少額外的補(bǔ)水量，故選擇合適的濕法塔出口溫度，按“脫白”工況運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性將優(yōu)于“非脫白”工況。

2.4 入口污染物濃度對(duì)運(yùn)行成本的影響

部分垃圾焚燒項(xiàng)目由于摻燒工業(yè)垃圾等原因，SO2、HCl 等酸性污染物濃度遠(yuǎn)大于單純焚燒生活垃圾的項(xiàng)目，此時(shí)若不設(shè)置SCR 或者SCR 布置于濕法脫酸之后，則前端的干法或者半干法不會(huì)承擔(dān)大部分的酸性污染物脫除任務(wù)，導(dǎo)致濕法脫酸系統(tǒng)入口污染物濃度增高。參考部分項(xiàng)目的入口污染物濃度，設(shè)定其他條件不變，對(duì)不同入口污染物濃度下濕法脫酸的運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行研究，結(jié)果如圖5 所示。為計(jì)算方便，根據(jù)式（1）～式（5），定義入口污染物當(dāng)量濃度為：

圖5 不同入口污染物濃度下的運(yùn)行費(fèi)用Figure 5 Operating cost for different inlet pollutant concentrations

式中：cin為入口污染物當(dāng)量濃度，mmol/m3。

由圖5 可以看出，隨著入口污染物當(dāng)量濃度的增長(zhǎng)，“脫白”和“非脫白”兩種工況下的運(yùn)行費(fèi)用均隨之呈線(xiàn)性增長(zhǎng)。進(jìn)一步分析運(yùn)行費(fèi)用分布發(fā)現(xiàn)，隨著入口污染物當(dāng)量濃度的增加，堿液費(fèi)用（以噸垃圾計(jì)）呈線(xiàn)性增長(zhǎng)，由1.12 元增至55.60元，占總運(yùn)行費(fèi)用比例由8%上升至73%，且增長(zhǎng)速率隨著入口污染物濃度的升高而逐步放緩，在入口污染物當(dāng)量濃度達(dá)到10 mmol/m3時(shí)，堿液費(fèi)用占比已達(dá)33%，與循環(huán)泵電費(fèi)總和相當(dāng)?？梢?jiàn)，隨著入口污染物濃度的升高，需要加大堿液流量，消耗大量的堿液來(lái)脫除污染物，故運(yùn)行費(fèi)用的增加主要是由于堿液費(fèi)用的增加造成的，且堿液費(fèi)用遠(yuǎn)大于其他各項(xiàng)費(fèi)用。對(duì)于入口污染物濃度較高的項(xiàng)目，降低運(yùn)行費(fèi)用的關(guān)鍵在于降低堿液耗量，如果采用“半干法+干法”聯(lián)合脫除污染物，且半干法在前端脫除約90% 的污染物。則當(dāng)入口污染物當(dāng)量濃度為60 mmol/m3時(shí)，“半干法+濕法”組合工藝的運(yùn)行成本為26.95 元［5］，遠(yuǎn)小于采用純濕法工藝的運(yùn)行成本68.50 元，這也是目前“半干法+濕法”組合工藝成為主流選擇的原因。

在其他條件不變的情況下，本研究中的分析與結(jié)論同樣適用于600 t/d、850 t/d 等規(guī)模更大的項(xiàng)目。

3 結(jié)論

1）對(duì)于入口污染物濃度較低的項(xiàng)目，“脫白”工況運(yùn)行費(fèi)用遠(yuǎn)大于“非脫白”工況，循環(huán)泵電費(fèi)是濕法脫酸工藝主要的運(yùn)行費(fèi)用，“非脫白”工況下約占77%，“脫白”工況下約占47%，降低電耗是降低運(yùn)行成本的關(guān)鍵。

2）濕法塔出口溫度對(duì)運(yùn)行費(fèi)用影響較大，出口溫度每下降1 ℃，運(yùn)行費(fèi)用增加約0.2～0.4 元。

3）用水成本會(huì)影響運(yùn)行方式的選擇。對(duì)于干旱缺水地區(qū)，當(dāng)工藝水價(jià)格高于8 元/t 時(shí)，選擇合適的濕法塔出口溫度，按“脫白”工況運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性將優(yōu)于“非脫白”工況，工藝水價(jià)格越高，可選擇越低的濕法塔出口溫度。

4）隨著入口污染物濃度的增長(zhǎng)，濕法脫酸運(yùn)行費(fèi)用均隨之呈線(xiàn)性增長(zhǎng)，其中最主要的費(fèi)用為堿液費(fèi)用，最高可占73%，選擇“半干法+濕法”組合工藝可大幅降低運(yùn)行成本，提高經(jīng)濟(jì)性。