梁 梅

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司, 北京 100038)

0 前言

根據(jù)2020年6月《第二次全國(guó)污染源普查公報(bào)》數(shù)據(jù)，2019年全國(guó)生活垃圾焚燒處理量達(dá)1.2×108t/a； 2019—2020年，我國(guó)已投產(chǎn)垃圾焚燒廠由401座增至455座。2021年5月，國(guó)家發(fā)展改革委、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部日前發(fā)布《“十四五”城鎮(zhèn)生活垃圾分類(lèi)和處理設(shè)施發(fā)展規(guī)劃》(發(fā)改環(huán)資〔2021〕642號(hào))提出，到2025年底，全國(guó)城鎮(zhèn)生活垃圾焚燒處理能力達(dá)到80萬(wàn)t/d左右，城市生活垃圾焚燒處理能力約占65%。由此可見(jiàn)，垃圾焚燒作為無(wú)害化最徹底、減容化最顯著、可資源化利用程度最高的一種處理技術(shù)，已成為我國(guó)生活垃圾處理的主要方式[1]。近些年，生活垃圾組分中可燃物含量提高，根據(jù)現(xiàn)有項(xiàng)目煙氣產(chǎn)生量分析，每噸垃圾焚燒產(chǎn)生的煙氣量達(dá)5 300 Nm3，垃圾焚燒煙氣特性復(fù)雜，所含污染物種類(lèi)較多，含水率較高(約20%)，是垃圾焚燒不容忽視的問(wèn)題。

生活垃圾焚燒煙氣中含有1%左右的有害污染物，主要包括酸性氣體、粉塵(顆粒物)、重金屬和有機(jī)劇毒性污染物(二噁英、呋喃等)等幾大類(lèi)。原始焚燒煙氣中SO2典型含量為200～800 mg/Nm3，HCl典型含量為600～1 200 mg/Nm3，HF典型含量為1～20 mg/Nm3[2]?？紤]到HCl和HF相對(duì)容易去除，而SO2較難去除，同時(shí)SO2含量也是大氣污染物總量控制指標(biāo)，故文章以SO2為對(duì)象進(jìn)行分析。按《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB18485—2014)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《標(biāo)準(zhǔn)》)中污染物的排放日均值計(jì)算，2025年每日生活垃圾焚燒產(chǎn)生的SO2排放量達(dá)339.2 t，年排放量為11.29萬(wàn)t，數(shù)量十分可觀，會(huì)對(duì)環(huán)境造成很大的污染。因此，經(jīng)濟(jì)適用的脫硫工藝在生活垃圾焚燒項(xiàng)目上的應(yīng)用研究，具有十分重要的意義。

本文基于國(guó)內(nèi)垃圾焚燒煙氣產(chǎn)生情況，對(duì)比各地垃圾焚燒煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，以及各地采用的脫硫工藝，介紹半干法脫硫、干法脫硫以及濕法脫硫的方法原理、脫硫影響因素、設(shè)備、優(yōu)缺點(diǎn)以及項(xiàng)目中存在的問(wèn)題。

1 生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)分析

目前國(guó)內(nèi)已建成運(yùn)營(yíng)的生活垃圾焚燒發(fā)電廠煙氣排放均執(zhí)行《標(biāo)準(zhǔn)》，部分項(xiàng)目要求執(zhí)行歐盟2010/75/EU要求。2020年第十三屆全國(guó)人大三次會(huì)議上，政府報(bào)告指出生態(tài)環(huán)境方面要持續(xù)推進(jìn)污染防治，鞏固擴(kuò)大藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)成果，SO2、NOx排放量要下降3%。為了滿(mǎn)足日益提高的環(huán)保要求以及相關(guān)政策要求，國(guó)內(nèi)很多城市已出臺(tái)生活垃圾焚燒污染控制方面的地方標(biāo)準(zhǔn)及要求,詳見(jiàn)表1。

表1 各地垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)對(duì)比

從表1可以看出，國(guó)內(nèi)大部分重要城市對(duì)于SO2、NOx及粉塵三項(xiàng)大氣污染物總量控制指標(biāo)的排放限值進(jìn)一步降低。以SO2為例，上海2013年已提出SO2日均排放值需與歐盟2010/75/EU一致(SO2≤50 mg/Nm3)，隨后深圳、海南、河北以及天津?qū)π陆?xiàng)目的SO2日均排放限值提出更為嚴(yán)格的要求，甚至低于燃煤電廠的超低排放限值(SO2≤35 mg/Nm3)。

《RISN- TGO22—2016生活垃圾清潔焚燒指南》[3]中明確提出煙氣污染物總體控制的三道線，即現(xiàn)行國(guó)標(biāo)、環(huán)境影響評(píng)價(jià)批復(fù)的污染物排放指標(biāo)、按切實(shí)保證達(dá)標(biāo)排放的工程余量即排放指標(biāo)+工程余量。

按各地標(biāo)準(zhǔn)要求，上海、深圳、海南以及河北等地的地方標(biāo)準(zhǔn)中的SO2排放濃度要求均比現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格。

2 煙氣脫硫技術(shù)分析

垃圾焚燒行業(yè)煙氣中SO2的脫除技術(shù)主要包括半干法脫硫、干法脫硫以及濕法脫硫三種，三種工藝區(qū)別在于中和劑和產(chǎn)物的形態(tài)不同以及最終的處理效果不同[13]，各有利弊。

2.1 半干法脫硫技術(shù)

在生活垃圾焚燒煙氣凈化工藝中，半干法通常利用噴嘴或高速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)霧化器將石灰漿形成粒徑極細(xì)的液滴，通過(guò)導(dǎo)流裝置使煙氣在反應(yīng)塔內(nèi)分布均勻，強(qiáng)化煙氣與霧滴的混合和接觸，使高溫?zé)煔夂褪覞{霧滴之間進(jìn)行熱交換及反應(yīng)，在有限的時(shí)間段內(nèi)獲得干燥反應(yīng)物。半干法脫硫具有脫硫效率高(90%左右)、流程短、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，不足之處在于漿液制備系統(tǒng)工序相對(duì)復(fù)雜，由于中和劑品質(zhì)不一，許多項(xiàng)目出現(xiàn)霧化器磨損、堵塞等問(wèn)題，對(duì)石灰品質(zhì)要求較高。

2.1.1 機(jī)械旋轉(zhuǎn)噴霧半干法

機(jī)械旋轉(zhuǎn)噴霧半干法脫硫是國(guó)內(nèi)垃圾焚燒行業(yè)普遍認(rèn)可的主流技術(shù)。經(jīng)處理后，煙氣中酸性污染物濃度指標(biāo)可達(dá)到歐盟2010/75/EU要求。機(jī)械旋轉(zhuǎn)霧化器屬于高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備，轉(zhuǎn)速高達(dá)8 000～15 000 r/min,霧滴粒徑為30～50 μm，霧化器容易出現(xiàn)堵塞、磨損等問(wèn)題。目前普遍采用國(guó)外進(jìn)口設(shè)備，如丹麥NIRO旋轉(zhuǎn)霧化器、比利時(shí)SEGHERS旋轉(zhuǎn)霧化器及美國(guó)K- S(Komline- Sanderson)旋轉(zhuǎn)霧化器，三種霧化器性能比較見(jiàn)表2。

表2 三種進(jìn)口旋轉(zhuǎn)霧化器的性能表

2.1.2 固定噴嘴半干法脫硫

固定噴嘴法煙氣脫硫技術(shù)采用雙流體噴嘴，與機(jī)械旋轉(zhuǎn)霧化器相比，霧化效果稍差，但其設(shè)備簡(jiǎn)單，投資低。該系統(tǒng)選用純度大于90%的Ca(OH)2粉末調(diào)制成低濃度的石灰漿(8%左右)，霧滴粒徑80 μm左右，脫硫效率約90%。該技術(shù)適用于單條線垃圾處理量為300 t/d的小型煙氣處理系統(tǒng)。

2.2 干法脫硫技術(shù)

干法脫硫技術(shù)主要有兩種方式，一種設(shè)置干式反應(yīng)塔，如傳統(tǒng)的循環(huán)流化床脫硫工藝(CFB)、改進(jìn)后的增濕灰循環(huán)脫硫工藝(NID)以及增強(qiáng)干法工藝(IDR)，在火電廠以及循環(huán)流化床鍋爐的煙氣處理應(yīng)用較多；另一種是在袋式除塵器前煙道上設(shè)置噴射點(diǎn)，噴入中和劑，主要反應(yīng)在濾袋表面完成，這種方式作為半干法脫硫的輔助手段在目前的垃圾焚燒行業(yè)應(yīng)用最廣泛。干法脫硫技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備投資和維護(hù)量較低，但脫硫效率相對(duì)較低，為70%～80%，中和劑以消石灰和碳酸氫鈉為主，鈣(鈉)硫比高，消耗量大[14]。

采用碳酸氫鈉粉脫硫時(shí)，粉末比表面積以及反應(yīng)溫度是決定其脫硫效率的兩大因素。碳酸氫鈉粉末在倉(cāng)內(nèi)儲(chǔ)存易潮解成塊，且粒徑過(guò)大，粉末比表面積小，直接與煙氣中的SO2接觸時(shí)，反應(yīng)不充分，反應(yīng)效率降低，因此配置研磨機(jī)，將碳酸氫鈉粉末研磨至粒徑為20 μm左右，以增大比表面積，提高反應(yīng)效率，并降低碳酸氫鈉的消耗量。碳酸氫鈉的脫硫效率與反應(yīng)溫度也有很大關(guān)系，有研究[16]表明在140～200 ℃下灼燒碳酸氫鈉后，顆粒物孔隙分布均勻豐富，脫硫效率達(dá)95%，這很可能是因?yàn)榭紫堵实脑黾?，使SO2擴(kuò)散至 Na2CO3顆粒內(nèi)部，增加了反應(yīng)時(shí)間和提高了反應(yīng)效率，但當(dāng)溫度升高至280 ℃時(shí)，顆粒表面明顯致密，多孔碳酸氫鈉有可能發(fā)生燒結(jié)和孔道損失的現(xiàn)象，導(dǎo)致脫硫效率降低。

如果選擇合適的反應(yīng)溫度以及增加研磨設(shè)備來(lái)增大藥劑的比表面積及活性，碳酸氫鈉脫硫效率可媲美濕法脫硫效率，但其設(shè)備投資、運(yùn)行控制要求以及運(yùn)行成本卻比濕法脫硫技術(shù)低，可作為超低排放的可選工藝進(jìn)行深入地探索研究。

2.3 濕法脫硫技術(shù)

濕法洗滌是一種比較成熟的脫硫技術(shù)，隨著生活垃圾焚燒行業(yè)對(duì)酸性污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，濕法脫硫因效率高(≥95%)被行業(yè)采用。濕法塔一般設(shè)置在除塵器下游，采用NaOH作為中和劑。經(jīng)濕法脫硫處理后，煙氣溫度一般降為65 ℃左右，因此需要配置煙氣再加熱裝置，增加設(shè)備投資及場(chǎng)地，同時(shí)該工藝會(huì)產(chǎn)生高濃度廢水，需單獨(dú)設(shè)置廢水處理站?？傮w而言，該技術(shù)設(shè)備投資高，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用高，占地較大。我國(guó)垃圾焚燒行業(yè)采用的濕法工藝主要引進(jìn)日本三菱及日立造船株式會(huì)社的濕法脫硫塔，這兩種脫硫塔塔體內(nèi)部設(shè)計(jì)有所區(qū)別，效率和投資上相差不大。

2.4 組合工藝

根據(jù)煙氣的不同特性和環(huán)保排放要求，可對(duì)上述煙氣脫硫處理工藝進(jìn)行不同的組合。

上海市共有生活垃圾焚燒發(fā)電廠11 座，焚燒處理設(shè)計(jì)能力1.38萬(wàn)t/d，其中江橋一期、金山一期以及崇明一期煙氣凈化工藝采用“SNCR+半干法+干法+活性炭吸附+布袋除塵”；江橋二期、老港一期及松江一期煙氣凈化采用“SNCR+干法+活性炭吸附+布袋除塵+濕法+煙氣再熱”工藝；黎明項(xiàng)目煙氣凈化采用“SNCR+干法+活性炭噴射+袋式除塵器+濕式洗滌塔+蒸汽加熱器+活性炭吸附”工藝[17]。由此可以看出，上海市已建成的垃圾焚燒廠中，少部分焚燒煙氣處理系統(tǒng)采用“半干法+干法”脫硫工藝，自2013年發(fā)布DB 31/768—2013生活垃圾焚燒大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)后，投運(yùn)的項(xiàng)目均采用“干法+濕法”脫硫工藝。

深圳市已建及在建生活垃圾焚燒廠共13 座，焚燒處理設(shè)計(jì)能力2.635萬(wàn)t/d。其中平湖能源生態(tài)園一期和二期項(xiàng)目煙氣處理采用“SNCR+半干法+干法+活性炭吸附+布袋除塵”工藝；南山能源生態(tài)園、鹽田能源生態(tài)園、寶安能源生態(tài)園一期和二期煙氣處理采用“SNCR+半干法+干法+活性炭吸附+布袋除塵+SCR”工藝；龍崗能源生態(tài)園、寶安三期、光明能源生態(tài)園以及龍華生態(tài)園煙氣處理采用“SNCR+半干法+干法+活性炭吸附+布袋除塵+濕法+SCR”工藝。深圳近期建設(shè)項(xiàng)目煙氣凈化系統(tǒng)均采用“半干法+干法+濕法”的脫硫工藝，確保SO2排放濃度滿(mǎn)足當(dāng)?shù)匚廴疚锟刂茦?biāo)準(zhǔn)要求。

海南省已有13座垃圾焚燒廠，生活垃圾焚燒處理能力達(dá)1.157 5萬(wàn)t/d，其中2018年后建設(shè)的9座垃圾焚燒廠的煙氣凈化處理均采用“SNCR+半干法+干法+活性炭吸附+布袋除塵+濕法+SCR”工藝，確保SO2排放濃度滿(mǎn)足當(dāng)?shù)匚廴疚锟刂茦?biāo)準(zhǔn)要求。

根據(jù)《河北省生活垃圾焚燒發(fā)電中長(zhǎng)期專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃(2018—2030年)》(修訂版)，2020年全省建成垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目65項(xiàng)，已建垃圾焚燒發(fā)電廠煙氣處理絕大部分采用“SNCR+半干法+干法+活性炭吸附+布袋除塵”工藝。雄安新區(qū)作為河北省管轄的國(guó)家級(jí)新區(qū)，正在建設(shè)的生活垃圾焚燒發(fā)電廠(3×750 t/d)煙氣凈化處理工藝為“SNCR+爐內(nèi)干法+預(yù)除塵+堿液噴射+備用干法+活性炭吸附+布袋除塵+濕法+SCR”，確保雄安新區(qū)煙氣污染物的達(dá)標(biāo)排放。

浙江伊布提出“雙干法+雙袋式除塵器”的組合工藝，SO2排放濃度可達(dá)到超低排放要求，但目前在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有應(yīng)用業(yè)績(jī)。

綜上，我國(guó)早期城市生活垃圾焚燒項(xiàng)目多采用“半干法+干法”的脫硫工藝，而后期建設(shè)項(xiàng)目基本都增設(shè)濕法工藝來(lái)確保煙氣中SO2穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放。

組合工藝處理效果好，但占地面積大、設(shè)備投資和運(yùn)行成本高，各工藝在整體運(yùn)行中如何分擔(dān)達(dá)到最佳的運(yùn)行效果，同時(shí)控制最優(yōu)的運(yùn)行成本尚在摸索之中。

3 結(jié)束語(yǔ)

生活垃圾焚燒行業(yè)主流的“機(jī)械旋轉(zhuǎn)霧化半干法+干法”組合工藝能夠滿(mǎn)足SO2≤50 mg/Nm3的排放要求，但隨著環(huán)保要求的提高，如地方標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)、環(huán)境影響評(píng)價(jià)的要求加嚴(yán)，生活垃圾焚燒項(xiàng)目多數(shù)選擇配置濕法脫硫工藝來(lái)保證污染物的排放要求，雖然SO2的排放量將大大降低，但同時(shí)項(xiàng)目的投資及運(yùn)行成本也將大幅提高，導(dǎo)致生活垃圾處理成本增加。經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益的和諧統(tǒng)一，將是生活垃圾焚燒廠煙氣脫硫處理工藝的發(fā)展趨勢(shì)，探索組合工藝中各技術(shù)的最佳分擔(dān)比例、干法脫硫藥劑以及穩(wěn)定控制的最佳反應(yīng)條件都可作為滿(mǎn)足超低排放工藝進(jìn)行深入研究的課題。