河北省垃圾焚燒發電項目超低排放技改案例研究
摘要：針對目前生活垃圾焚燒發電項目排放標準的不斷提高,河北地區已經運行的垃圾焚燒發電項目在現有基礎上增加脫酸和脫硝處理工藝,詳細分析了技改運行后對脫酸和脫硝的影響,并分析了相比原處理工藝技改后投資及運行對成本的影響。
1 概述
我國目前生活垃圾年產量1.8 億噸，生活垃圾焚燒發電技術將廢物轉化為能源，近些年來取得迅猛發展，目前我國約50%的生活垃圾采用焚燒法處理；未來幾年，隨著更多的生活垃圾焚燒發電廠建成運行，焚燒比例所占比例將更大。《“十三五”全國城鎮生活垃圾無害化處理設施建設規劃》中提到：截止2020 年底生活垃圾焚燒處理占無害化處理的比例將達到54%，同時2020 年全國垃圾焚燒處理能力達到59.14萬噸/日。
垃圾在焚燒過程中會產生危害環境的煙氣，煙氣成分復雜，包含HCl、SO2、HF、NOx、二噁英、Pb、Cd、Hg 等多種組分。目前國內焚燒廠主流煙氣凈化采用“SNCR＋半干法脫酸＋干法＋活性炭噴射+布袋除塵器”處理工藝。我國垃圾焚燒發電廠煙氣排放執行GB18458《生活垃圾焚燒污染控制標準》，該標準2014 年重新修訂，現階段我國焚燒廠煙氣排放執行GB18458-2014標準。部分大氣環境承載力不高和經濟發達地區，采用更為嚴格的地方標準、歐盟標準（EU2000/76/EC）或歐盟2010標準。
2 河北某垃圾焚燒發電廠運行工藝和排放參數
2.1 當前運行工藝
目前河北省某2×300 噸/日垃圾焚燒發電廠煙氣凈化系統采用“SNCR＋半干法脫酸＋干法＋活性炭噴射+布袋除塵器”處理工藝。
（1）SNCR脫硝技術
脫硝采用適用選擇性非催化還原法（SNCR）工藝，該脫硝技術是在850℃~1100℃的溫度區間內噴入氨水或尿素等還原劑，NOX與還原劑發生反應進而被去除，SNCR 技術的脫硝效率在30%~60%之間。其反應原理如下：
（2）脫酸除塵工藝
脫酸除塵采用“半干法＋干法脫酸＋活性炭噴射+布袋除塵器”處理工藝。半干法是通過噴水量控制反應溫度，在合適的溫度消石灰漿液與酸性氣體反應，脫除煙氣中的酸性成分。旋轉噴霧半干法將石灰漿液通過塔頂的高轉速旋轉霧化器進行霧化，石灰漿液被霧化成粒徑30μm～50μm 左右的霧滴，細小的霧滴與酸性氣體充分接觸，在一系列的化學反應后去除煙氣中絕大多數的酸性氣體；在反應過程中，霧滴吸收煙氣中的熱量不斷蒸發水分，結合脫酸塔的獨特設計，塔內高溫煙氣使得漿液霧滴在下降的過程中得到干燥，并在到達塔底前將水分充分蒸發，形成固體反應物從塔底排出。其化學反應如下：
Ca（OH）2+SO2→CaSO3↓+H2O
Ca（OH）2+2HCl→CaCl2↓+2H2O
干法脫酸是從噴射風機來的空氣將的氫氧化鈣噴入脫酸塔和布袋除塵器間的煙道中，與煙氣中的酸性氣體SOx，HCl等進行反應。
活性炭噴射在除塵器前煙氣管道內噴入活性炭，活性炭在煙道內開始吸附二噁英、Hg 等重金屬污染物，隨后與煙氣一起進入袋式除塵器中吸附在濾袋表面上，與通過濾袋表面的煙氣充分接觸，最終達到去除煙氣中重金屬及二噁英的目的。
2.2 技改前運行排放參數
本項目根據環保部門的環評批復文件要求，煙氣污染物排放標準按《生活垃圾焚燒污染控制標準》（GB18485-2014）執行，運行時各項指標均需滿足國家規范的要求；經實地調研此2×300t/d 項目運行情況，采用“SNCR+半干法（旋轉霧化反應塔）+干法（噴射氫氧化鈣）+活性炭噴射+布袋除塵器”實際可達到的運行排放數據如表2。
3 超低排放技改方案
本次河北省超低排放主要針對顆粒物濃度為8mg/Nm3，SOX濃度為20mg/Nm3，NOX濃度為100mg/Nm3做了更加嚴格的要求，下面針對三項指標的要求詳細分析。
3.1 超低排放顆粒物影響
由于河北某2x300噸/日垃圾焚燒發電廠設計時布袋除塵器選用PTFE覆膜材質，同時布袋除塵器過濾風速比較低（<0.8m/min），，目前運行中除塵器出口粉塵顆粒物排放均值低于4mg/Nm3，運行時只要保證布袋除塵器正常運行完全可以保證新的地方超低排放標準要求。
3.2 SOx指標的影響
針對酸性氣體SOx的去除，從工藝設計和運行上按照由易到難順序的應對辦法如下：
（1）改造干法系統
干法系統采用反應活性更高的碳酸氫鈉替代消石灰，鈉堿活性高，反應效率更高；設備投資小，運行費用會增加。
（2）半干法系統增設二流體堿液系統
半干法系統反應塔頂的二流體噴槍原設計是用于脫酸塔降溫，可增設一套氫氧化鈉堿液供應系統作為備，用二流體鈉堿聯合旋噴消石灰共同脫酸，鈉堿脫硫效率更高，確保SOX全時段達標。
（3）濕法系統
在布袋除塵器之后增設濕法系統，采用氫氧化鈉作為吸收劑，確保二氧化硫全時段超低排放。濕法設備投資大，運行費用高，且有廢水處理問題。
（4）綜合考慮SOX指標擬采取的應對辦法
考慮到設備投資以及項目目前的實際情況，改造干法系統需要停爐周期較長，增加濕法系統設備投資過大，經各方面綜合考慮采用在半干法系統中增設二流體堿液系統作為備用，堿液系統由氫氧化鈉溶液儲存罐、輸送泵及管路閥組組成。運行時把氫氧化鈉溶液從制備罐輸送到半干式反應塔頂部的雙流體型噴嘴，噴霧溶液霧化后與煙氣均勻接觸反應，從而煙氣中的酸性氣體與氫氧化鈉溶液反應后被去除。
3.3 NOX指標的影響
針對NOX指標的去除，從工藝設計和運行上按照由易到難順序的應對辦法如下：
（1）煙氣再循環
煙氣再循環本身是一種低氮燃燒技術，從引風機出口煙道抽取部分低溫煙氣返回焚燒爐內，參與二燃室輔助燃燒和流場的擾動整合。其反應核心在于利用煙氣本身低溫低氧特點（溫度140～150 度，氧含量6%～10%），將部分煙氣循環噴入爐膛內，降低爐膛內平均溫度和助燃空氣中的氧含量，有效抑制了NOX的生成。通過煙氣再循環技術可實現對燃燒溫度、氧濃度的控制，進一步改善爐膛內的溫度場和流場，從而達到降低NOX排放的目的。煙氣再循環技術脫硝效率在現有SNCR 脫硝后的基礎上NOX可再降低30%左右。
（2）低溫SCR
近年來隨著低溫催化劑材料的發展，低溫SCR 技術得到了廣泛應用。低溫SCR 脫硝技術是在催化劑存在條件下，在合適的溫度反應區間用還原劑NH3將煙氣中的NOX還原為N2和H2O，低溫SCR 技術的脫硝效率可達80%以上；目前國內應用成熟的垃圾焚燒發電項目SCR 催化應用溫度區間主要在170℃-230℃，這就要求對出布袋除塵器的150度左右的煙氣溫度加熱，同時使催化劑在低粉塵、低SOX的環境中進行相應的低溫催化脫氮反應；同時可以減少催化劑的堵塞和腐蝕，以避免催化劑的中毒問題。
（3）綜合考慮SOX指標擬采取的應對辦法
煙氣再循環技術實施的前提是：在鍋爐正常燃燒工況下，爐膛溫度在950℃-1070℃范圍內，同時僅運行SNCR時NOX排放可控制在140mg/Nm3以內；經現場調研，河北此項目的NOX排放在200mg/Nm3，而且在冬季由于垃圾熱值偏低爐溫控制在950℃-1070℃范圍內有困難，僅依靠SNCR 和煙氣再循環難以保證達到100mg/Nm3的新標準。因此此次技改優選采用SCR 技術，可確保NOX排放穩定達到100mg/Nm3的新地方標準。
SCR工藝流程如下：氨水罐（25%氨水）→氨水泵→加熱混合器→SCR脫硝塔。
布袋除塵器出口的煙氣，經過GGH、SGH 加熱達到230℃。SCR脫硝塔的催貨劑采用中溫反應催化劑，反應溫度在210℃-230℃，中溫催化劑正常使用壽命為5~10 年；同時系統能夠適應額定煙氣量50％～120％的變化，脫硝系統能夠根據煙氣量及煙氣成分波動自動調節，保證脫硝后煙氣指標始終低于排放限值。
4 技改后投資及運行成本
本次河北某2×300 噸/日垃圾焚燒發電廠技改需要增設脫酸堿液系統和SCR脫硝系統，預計新增投資1800 萬元。其中建筑工程費300 萬元，設備購置和安裝工程費1500萬元，其中運營成本主要分為原材料可變成本以及折舊利息等費用。
4.1 堿液和SCR的運營成本（見表3）
4.2 營運成本合計
考慮到折舊和銀行貸款等，折舊期按20 年考慮，銀行貸款按照現有利息執行，貸款年限按15 年考慮，其中折舊攤銷費用4.41 元/噸垃圾，利息費用0.86 元/噸垃圾，同時堿液和SCR的運營成本為18.86 元/噸垃圾，因此折合每噸垃圾總營運成本24.13元/噸垃圾。
5 結束語
隨著中國城市化水平的不斷提高，各地建設生活垃圾焚燒廠的運行和在建數量不斷增長，考慮到各地環保排放標準的不斷提升，在建和已運行的垃圾焚燒發電廠非常有必要實施更高效的脫硫脫硝除塵工藝；本文在現有已運行垃圾焚燒廠煙氣凈化工藝基礎上，在半干法系統增設二流體堿液脫酸系統作為備用，同時在布袋除塵器后增設SCR系統的技術應用于生活垃圾焚燒發電廠，使得改造后的SOx排放濃度低于30mg/Nm3和NOX排放濃度低于100mg/Nm3，全面優于GB18458-2014 國家的排放標準，同時滿足河北省超低排放標準的要求，為已運行和在建的垃圾焚燒發電項目提供了有效的脫硫脫硝除塵參考實施方法。
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