吳曰豐

(上海環(huán)境集團(tuán)，上海 200336)

某垃圾焚燒發(fā)電廠煙氣凈化系統(tǒng)優(yōu)化方案比較

吳曰豐

(上海環(huán)境集團(tuán)，上海 200336)

某地?cái)M建生活垃圾焚燒電廠，由于當(dāng)?shù)丨h(huán)境容量限制及地方政策原因，對(duì)煙氣排放指標(biāo)要求較高，常規(guī)垃圾焚燒電廠煙氣凈化工藝(SCR脫硝+干法/半干法脫硫+活性炭吸附=惡英及重金屬+布袋除塵)無(wú)法滿(mǎn)足要求，在新增濕法脫酸及SCR脫硝后可達(dá)到要求。對(duì)煙氣凈化流程進(jìn)行了優(yōu)化，比較兩個(gè)可行方案后得出較優(yōu)方案。

垃圾焚燒發(fā)電廠；煙氣凈化；方案優(yōu)化

0 引言

上海市政府為解決垃圾填埋處理時(shí)占地面積大、對(duì)周邊環(huán)境影響大等問(wèn)題，擬在市外郊建設(shè)一座日垃圾處理量6000t的生活垃圾焚燒廠，余熱用于發(fā)電及地區(qū)供熱。由于上海是中國(guó)的經(jīng)濟(jì)中心，地區(qū)人口密度大，能源消耗高，地區(qū)環(huán)境容量已達(dá)極限。因此，盡管該垃圾焚燒廠建設(shè)地為遠(yuǎn)郊，地方政府仍對(duì)該項(xiàng)目的煙氣排放指標(biāo)提出了很高要求，要求NOx排放水平應(yīng)低于80mg/m3；生活垃圾焚燒廠則進(jìn)一步提出煙氣凈化設(shè)備應(yīng)具備N(xiāo)Ox排放低于50mg/m3的能力，以滿(mǎn)足可能進(jìn)一步提升的排放要求。這一指標(biāo)要求已遠(yuǎn)低于當(dāng)前最嚴(yán)格的上海市地方排放標(biāo)準(zhǔn)及歐盟2000標(biāo)準(zhǔn)，常規(guī)的垃圾焚燒煙氣凈化工藝——SNCR脫硝+干法(半干法)脫酸+活性炭吸附二惡英及重金屬+布袋除塵——已無(wú)法達(dá)到這一要求，新增濕法脫酸及SCR脫硝工藝才能滿(mǎn)足。新增的這兩個(gè)工藝均會(huì)帶來(lái)煙氣溫度的反復(fù)變化，特別是濕法脫酸后煙氣溫度會(huì)明顯下降，而將煙氣再加熱會(huì)造成能源的損失。因此有必要對(duì)整個(gè)煙氣凈化系統(tǒng)進(jìn)行總體布置調(diào)整，在滿(mǎn)足煙氣排放要求的前提下盡量減少能量損失，最得最佳經(jīng)濟(jì)效益。

1 垃圾焚燒煙氣的主要污染物

當(dāng)前垃圾焚燒已成為生活垃圾處理的主要手段。生活垃圾焚燒后重量減量至10%、體積減量至5%以下，灰渣經(jīng)處理后可再利用或填埋，既減少了土地占用，又減少了對(duì)地下水污染的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)余熱還可以用于發(fā)電及供熱，是垃圾處理的較好途徑。

垃圾焚燒也會(huì)帶來(lái)新的問(wèn)題。我國(guó)由于垃圾分類(lèi)開(kāi)展得并不好，垃圾焚燒后除灰渣應(yīng)進(jìn)行特別處理外，煙氣中也帶有大量的污染物，在向大氣排放前應(yīng)進(jìn)行特別處理。由于垃圾成分的特殊性，垃圾經(jīng)燃燒后產(chǎn)生的煙氣中主要污染物為：煙塵、SO2、HCl、NOx、二惡英類(lèi)(PCDD/PCDF等)、重金屬等。

本項(xiàng)目考慮采用爐排爐，只在啟動(dòng)中使用輕柴油提高爐溫，正常運(yùn)行中處理垃圾時(shí)不需摻入其他可燃物。按垃圾處理量6800t/d計(jì)，設(shè)計(jì)8條焚燒線(xiàn)，每線(xiàn)處理量850t/d。由于不同廠家采用不同的燃燒技術(shù)，燃燒中投入的過(guò)量空氣系數(shù)也不相同。典型設(shè)計(jì)在基準(zhǔn)垃圾(設(shè)計(jì)熱值2000kcal/kg)情況下燃燒產(chǎn)生煙氣量為15×104m3/h，各主要污染物濃度見(jiàn)表1。

需要說(shuō)明的是，在焚燒爐的出口二惡英類(lèi)濃度已接近零，但由于余熱鍋爐中煙氣溫度逐漸下降，部分已分解的二噁英類(lèi)再次合成，需要在煙氣凈化系統(tǒng)中進(jìn)一步處理；在爐內(nèi)會(huì)進(jìn)行SNCR脫硝處理，爐膛出口煙氣中的NOx濃度已下降至150mg/m3，需在后續(xù)的煙氣凈化系統(tǒng)中做進(jìn)一步處理。

表1 燃燒后煙氣量及主要污染物濃度

項(xiàng) 目數(shù) 值煙氣量/m3·h-3150000SO2/mg·m-3300HCl/mg·m-3700NOx/mg·m-3280重金屬/mg·m-3未知粉塵/mg·m-32000二惡英類(lèi)/ngTEQ·m-30.06

2 垃圾焚燒煙氣污染物處理技術(shù)

本垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 垃圾焚燒煙氣排放指標(biāo) mg/m3

表中GB18485-2014為《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》；DB31/768-2013為《上海市生活垃圾焚燒大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》；各值均以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下含11%O2的干煙氣為參考值換算。DB31/768-2013中二惡英類(lèi)排放指標(biāo)為0.1ng TEQ/m3，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)二惡英類(lèi)排放值為0.05ng TEQ/m3。

2.1 煙塵

可采用靜電除塵或布袋除塵，但考慮配合后端其他煙氣凈化設(shè)備運(yùn)行及更低的煙塵排放水平，垃圾焚燒電廠更多使用布袋除塵方式。

2.2 重金屬

采用活性炭吸附，再通過(guò)布袋除塵器進(jìn)行收集，主要吸附反應(yīng)發(fā)生在布袋表面。

2.3 二惡英類(lèi)

采用活性炭吸附，再通過(guò)布袋除塵器進(jìn)行收集，最終進(jìn)入飛灰，主要吸附反應(yīng)發(fā)生在布袋表面。在合適的脫硝催化劑作用下也能脫除一部分，使最終排放濃度降至極低。

2.4 HCl/HF

這是兩種易被吸收的污染物，采用干法(通過(guò)向煙氣中噴入干性吸附劑(消石灰CaOH2))即可達(dá)到去除效率80%以上；也可通過(guò)半法噴入消石灰漿液以達(dá)到去除效率90%以上；若經(jīng)過(guò)濕法噴淋塔中噴入NaOH溶液效率可達(dá)到95%以上。

2.5 SO2

與HCl類(lèi)似，可通過(guò)干法、半干法、濕法進(jìn)行脫除，但效率差別明顯。依據(jù)已有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，通常在入口煙氣中SO2濃度為300mg/m3情況下，干法、半干法、濕法進(jìn)行脫除效率分別為50%、 70%、 95%。

2.6 NOx

去除NOx的方法分為兩種：爐內(nèi)SNCR和尾部煙氣中設(shè)置SCR。爐內(nèi)SNCR方法在原生NOx濃度約300mg/m3時(shí)脫除效率約為50%，可保證出口NOx濃度150mg/m3。尾部煙氣凈化裝置中設(shè)置SCR則需利用專(zhuān)門(mén)的催化劑。SCR是利用把氨氣噴入催化劑反應(yīng)塔內(nèi)，去除NOx的設(shè)備。SCR可以進(jìn)一步降低NOx濃度到50mg/m3以下。

脫硝催化劑選擇需考慮三個(gè)因素：入口含塵量、入口SO2濃度與運(yùn)行溫度，其中入口含塵量主要是考慮減少對(duì)催化劑的磨損與堵塞。解決此問(wèn)題有兩種方案，一是向催化劑中添加物質(zhì)降低SO2轉(zhuǎn)換率，但目前尚無(wú)一種催化劑可降低轉(zhuǎn)化率到零；二是將反應(yīng)選擇在高溫段(330～450℃)，這樣生成的NH4HSO4會(huì)馬上分解而不影響系統(tǒng)運(yùn)行。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)余熱鍋爐省煤器排煙溫度為180℃，考慮運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間(8000h)后爐內(nèi)受熱面粘污會(huì)使排煙溫度上升到約210℃，這都遠(yuǎn)低于高溫催化劑的應(yīng)用溫度段；且若將SCR放在高爐內(nèi)高溫段會(huì)因煙氣中大量的重金屬而造成催化劑中毒，系統(tǒng)也無(wú)法運(yùn)行，因此需考慮新的方案。

當(dāng)煙氣中的SO2濃度極低時(shí)，即使在較低溫度下SO2轉(zhuǎn)化率較高，也不會(huì)形成大量的NH4HSO4而影響系統(tǒng)運(yùn)行，因此控制SCR入口SO2濃度就成為一種合適的方法。使用催化劑在合適工況下運(yùn)行，SCR的脫硝效率可達(dá)95%，同時(shí)還可脫除部分二惡英類(lèi)，使二惡英排放水平降至0.05ngTEQ/m3以下。

3 垃圾焚燒煙氣凈化方案及經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

3.1 方案的形成

為了除去煙塵及吸附重金屬、二惡英類(lèi)，通常會(huì)布置布袋除塵器，且位于活性碳噴射、干法噴射后、其他煙氣凈化設(shè)施前。為了降低總體排放水平，同時(shí)減少運(yùn)行成本，考慮用干法(或半干法)配合濕法進(jìn)行除酸。由于SCR催化反應(yīng)需要較低的SO2濃度，SCR反應(yīng)器通常位于脫酸設(shè)施后方。

濕法脫酸有著更好的效果，但也有著更高的運(yùn)行物料成本、煙氣溫度的大幅下降，會(huì)給其他煙氣凈化設(shè)施帶來(lái)一定影響，煙氣再加熱升溫會(huì)帶來(lái)能量損失，因此在系統(tǒng)中的布置位置需全面考慮。使用改性PTFE材料的GGH可以在過(guò)程中最大程度地回收熱能，同時(shí)避免煙氣腐蝕的影響。

NOx的去除分為兩階段：先通過(guò)爐內(nèi)SNCR降低煙氣中NOx含量至150mg/m3，再通過(guò)尾部SCR反應(yīng)器將排煙NOx降至50mg/m3。

綜合以上考慮，設(shè)計(jì)如下兩個(gè)全煙氣凈化流程：

方案一：爐內(nèi)SNCR+ 減溫塔降溫 + 活性碳噴射 + 干法(Ca(OH)2粉末)噴射 + 布袋 + 濕法塔(中間使用GGH回收熱量) +SGH+SCR，其中在SGH前再增加一套金屬管式換熱器回收部分熱量。具體流程見(jiàn)圖1。

方案二：爐內(nèi)SNCR+ 半干法(減溫塔內(nèi)噴Ca(OH)2漿液)+ 活性碳噴射 + 干法(噴小蘇打或Ca(OH)2粉末)+ 布袋 + 管式換熱器 +SGH+SCR+ 濕法塔(中間使用GGH回收熱量)。具體流程見(jiàn)圖2。

3.2 方案對(duì)比

方案一：煙氣進(jìn)入減溫塔前約180～210℃，減溫且噴入干粉后進(jìn)入布袋前降到干法適合的反應(yīng)溫度160℃，出布袋達(dá)到155℃，此時(shí)煙氣中重金屬及二惡英類(lèi)隨煙塵一并被去除，HCl及SO2被去除大部分，經(jīng)GGH降溫后進(jìn)入濕法塔，去除絕大部分酸性污染物，SO2含量低于5mg/m3，煙氣溫度降至60℃，經(jīng)GGH、熱管換熱器及SGH加熱升溫至180℃進(jìn)入SCR催化反應(yīng)，去除最后的NOx及二惡英類(lèi)，降溫至140℃后清潔排放。煙氣凈化方案一過(guò)程參數(shù)見(jiàn)表3。

圖1 煙氣凈化組合工藝流程方案一(濕法塔在前)

圖2 煙氣凈化組合工藝流程方案二(濕法塔在后)

優(yōu)點(diǎn)：煙氣經(jīng)過(guò)干法及濕塔后SO2含量已很低，完全滿(mǎn)足SCR催化劑要求，脫硝催化反應(yīng)溫度可以降到較低(180℃)。缺點(diǎn)：煙氣溫度經(jīng)過(guò)濕法塔后降至較低溫度，為保證進(jìn)入SCR催化反應(yīng)溫度需對(duì)煙氣進(jìn)行再加熱，消耗較多蒸汽。進(jìn)入煙囪排放的煙氣溫度較高，造成能量浪費(fèi)。

方案二特點(diǎn)：煙氣進(jìn)入減溫塔前約180～210℃，使用半干法在減溫塔內(nèi)噴入石灰漿液，同時(shí)對(duì)煙氣進(jìn)行減溫至合適反應(yīng)溫度，再在管道內(nèi)使用干法噴入碳酸氫鈉及活性碳，在布袋上反應(yīng)去除煙氣中重金屬及二惡英類(lèi)，HCl及SO2也較方案一中去除更多。此時(shí)煙氣中SO2含量約為35mg/m3，基本達(dá)到SCR催化劑允許運(yùn)行范圍(但需提高反應(yīng)溫度至230℃)，經(jīng)SGH加熱煙氣后進(jìn)入SCR催化反應(yīng)，去除NOx及二惡英類(lèi)。再視煙氣指標(biāo)情況進(jìn)入濕法塔進(jìn)行進(jìn)一步的煙氣凈化脫酸，最后根據(jù)需要使用GGH(PTFE材料)提高煙氣溫度或使用鈦合金煙囪內(nèi)筒排煙。方案二過(guò)程參數(shù)見(jiàn)表4。

優(yōu)點(diǎn)：減少了煙氣溫度反復(fù)變化，降低加熱煙氣的能耗；半干法及干法的使用減少濕法中NaOH溶液用量及洗煙廢水的生成量。缺點(diǎn)：半干法除酸工藝增加了一套設(shè)備，造價(jià)增加；進(jìn)入SCR反應(yīng)器中煙氣SO2濃度可能會(huì)超標(biāo)，催化劑脫硝運(yùn)行存在一定的風(fēng)險(xiǎn)；排入煙囪煙溫過(guò)低可能會(huì)產(chǎn)生“白霧” 。

表3 煙氣凈化方案一中各環(huán)節(jié)煙氣污染物指標(biāo)(設(shè)計(jì)值)

項(xiàng) 目煙氣溫度/℃煙塵/mg·m-3重金屬/mg·m-3NOx/mg·m-3SO2/mg·m-3HCl/mg·m-3二惡英類(lèi)/TEQng·m-3原始值2000有2803007000.06省煤器出口11802000有1503007003布袋除塵器入口21606000有1503007003布袋除塵器出口315510無(wú)1501501400.06GGH1出口410710無(wú)1501501400.06濕法塔出口5605無(wú)150550.06GGH1出口61085無(wú)150550.06GGH2出口71355無(wú)150550.06SGH出口81805無(wú)150550.06SCR出口91755無(wú)50550.03GGH2出口101405無(wú)50550.03

表4 煙氣凈化方案二中各環(huán)節(jié)煙氣污染物指標(biāo)(設(shè)計(jì)值)

項(xiàng) 目煙氣溫度/℃煙塵/mg·m-3重金屬/mg·m-3NOx/mg·m-3SO2/mg·m-3HCl/mg·m-3二惡英類(lèi)/TEQng·m-3原始值2000有2803007000.06省煤器出口11802000有1503007003布袋除塵器入口21606000有1503007003布袋除塵器出口315510無(wú)15035140.06GGH1出口419510無(wú)15035140.06SGH出口523010無(wú)15035140.06SCR出口622510無(wú)5035140.03GGH1出口718010無(wú)5035140.03GGH2出口813010無(wú)5035140.03濕法塔出口9605無(wú)50550.03GGH2出口101105無(wú)50550.03

4 結(jié)語(yǔ)

從上述分析可以看出，兩種垃圾焚燒煙氣凈化方案均是可行的。雖然方案二比較節(jié)能，用于煙氣再加熱的蒸汽量會(huì)更少些；但對(duì)于垃圾焚燒廠蒸汽參數(shù)均不高的情況下，煙氣加熱到230℃必須要使用主蒸汽或是飽和蒸汽，而加熱到200℃使用高壓抽汽就可以了。

另外，為了確保SCR催化劑的正常運(yùn)行，方案一中經(jīng)濕法塔后煙氣中SO2濃度較低，對(duì)提高系統(tǒng)可靠性有利。因此，選擇煙氣凈化方案一。方案一中排煙溫度較高(約140℃)，后期運(yùn)行中可以考慮進(jìn)一步的節(jié)能措施，對(duì)方案一進(jìn)行優(yōu)化。

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[2]住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)定額研究所.生活垃圾焚燒廠安全性評(píng)價(jià)技術(shù)指導(dǎo)[M]. 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.

[3]彭祖輝.江蘇重點(diǎn)區(qū)域小鍋爐大氣污染影響及控制治理對(duì)策[J].電力科技與環(huán)保,2013,29(4):31-34.

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[5]金 山.生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電技術(shù)的探討[J].電力科技與環(huán)保,2015,31(1):50-52.

Comparison of optimization schemes for flue gas purification system of a garbage incineration
power plant

A garbage incineration power plant is proposed to be built in somewhere. Due to the capacity of the local environment and local policy, the flue gas emission targets require much higher, conventional garbage incineration power plant flue gas purification process cannot reach the mission. In adding new wet deacidification and SCR denitration technology can meet the requirements. It optimizes the flue gas purification process, and choses the better one after comparing the two feasible schemes.

garbage incineration power plant; flue gas purification; optimizing

X701

B

1674-8069(2017)02-022-04

2016-10-22；

2016-11-07

吳曰豐(1977-)，男，從事垃圾焚燒項(xiàng)目建設(shè)管理工作。E-mail：wintonwu@126.com