垃圾焚燒發電超低排放煙氣處理工藝分析
摘要： 垃圾焚燒發電煙氣排放指標日趨嚴苛,對煙塵、SO2、NOx的脫除工藝在原有"SNCR爐內脫氮+半干法脫酸+干法脫酸+活性炭吸附+布袋除塵"的基礎上,增加了低溫SCR和濕法洗滌塔,本文就SCR和濕法塔的布置位置進行了系統的分析和方案比選.
1 概述
采用爐排爐焚燒垃圾、余熱利用進行發電是目前比較主流的垃圾減量化、資源化處理方式。焚燒后垃圾減容量可達90%、減重量可達80% 以上，大大減少了垃圾填埋處置用地，節約土地資源，降低環境污染，提高環保效益。隨之而來，煙氣能否達標排放、灰渣能否安全處置就成了最關鍵的問題。煙氣中含有煙塵、二噁英、重金屬、酸性氣體等有害物質，對居民健康、生存環境影響深遠，必須有效去除。隨著近年來煙氣的處理工藝不斷發展，普遍認同的較為經濟可靠的煙氣凈化工藝為：SNCR爐內脫氮+半干法脫酸+干法脫酸+活性炭吸附+布袋除塵”，它具有凈化效率高、無須對反應產物進行二次處理的優點，處理后的煙氣，可滿足《生活垃圾焚燒處理污染控制標準》(GB18485-2014)，部分指標可達到歐盟2010/75/EC 要求。隨著國家對環保要求的進一步提高，一些大中型城市的環保部門對煙氣排放指標提出了更高的要求。以杭州為例，新建垃圾焚燒發電項目的煙塵、SO2、NOx的排放指標分別要求控制在10mg/Nm3、50mg/Nm3、75mg/Nm3以下，并且要求煙囪脫白(消除冬季氣溫較低時煙囪冒白煙現象)。針對不斷提標的排放指標，煙氣處理工藝也相應增加。
2 煙氣處理工藝
上述三個指標中，采用布袋除塵器對飛灰的脫除效率是能夠滿足要求的，但是對SO2、NOx 就需要采取進一步的脫除設施。針對SO2主要是在干法或半干法(消石灰)基礎上增加濕法(NaOH)煙氣脫酸工藝，針對NOx主要是在SNCR 基礎上增加低溫SCR，即對應每一種污染物均有2～3級工藝對其進行深度脫除，以確保達到煙氣排放指標。除塵采用2 級脫除：布袋除塵+ 濕法;脫硫采用3級脫除：半干法+干法+濕法;脫硝采用2 級脫除：SNCR+SCR;二噁英采用2級脫除：活性炭吸附+SCR。目前主流的工藝方案均為如此，本文對具體的脫除工藝不再贅述，但是系統布置順序是采用“前催化劑工藝”還是“后催化劑工藝”仍有較大的爭議。下面通過詳細的分析、計算來比較其利弊，推薦較優的工藝。
3 論述工藝方案
針對上述處理工藝，有多種組合順序，目前較多采用的方案為以下三種：方案一(圖1)：煙氣凈化工藝為：爐內SNCR+ 半干法+ 活性碳吸附+ 干法+ 布袋除塵+GGH+ 濕法塔+SGH+SCR。
從余熱鍋爐出口煙氣溫度約200℃，進入半干法脫酸塔，出布袋達到150℃，此時煙氣中重金屬及二噁英類隨煙塵一并被去除，HCl 及SO2被去除大部分，經GGH降溫后進入濕法塔，去除絕大部分酸性污染物，煙氣溫度降至65℃，經SGH加熱升溫至175℃進入SCR催化反應，去除最后的NOx及二噁英后清潔排放。該方案排煙溫度較高，可達170℃，排煙溫度高雖然可保證脫白效果，但對能源利用來說有些浪費，在此基礎上發展了方案二。方案二(圖2)：煙氣凈化工藝為：爐內 SNCR+ 半干法+ 活性碳噴射+ 干法+ 布袋+GGH1+ 濕法塔+GGH2+SGH+SCR。
方案二仍是SCR 在濕法塔后，是在方案一的基礎上增加了二級GGH，充分利用煙氣的余熱，減少為了滿足SCR 反應溫度所需的加熱蒸汽量。排煙溫度為150℃，可保證全年無白煙。方案三(圖3：SCR在濕法塔前)：煙氣凈化工藝為：爐內 SNCR+ 半干法+ 活性碳噴射+ 干法+ 布袋除塵+SGH1+SCR+GGH+ 濕法塔+SGH2。
方案三的SCR 在濕法塔前，脫硫除塵后的煙氣溫度約150℃，此時煙氣中SO2含量基本達到SCR 催化劑允許運行范圍，先由SGH 加熱至175℃進入SCR 催化反應，去除NOx及二噁英，再進入濕法塔進一步脫酸，使用GGH 提高煙氣排放溫度至135℃。該方案在春秋季可不脫白，僅在冬季需要二級SGH 將煙氣加熱至150℃ , 使煙囪出口無白煙。
4 方案比選
(1)三種方案優缺點對比如下：方案一和方案二采用的是濕法塔在SCR前，其優點一是煙氣經過半干法及濕法塔后酸性氣體和粉塵含量已經很低，完全滿足SCR 催化劑使用要求，催化劑使用壽命有保證;二是排煙溫度高，煙囪全年可脫白。缺點也比較明顯：煙氣溫度經過濕法塔后降至較低溫度，為保證進入SCR 催化反應溫度需對煙氣進行再加熱，煙溫起伏較大，需消耗較多蒸汽。方案一較方案二的煙囪排放溫度更高，造成能量浪費，而方案二較方案一增加了一級GGH，煙道系統復雜，設備占地比較大。方案三采用的是濕法塔在SCR 后，其優點主要體現在減少了煙氣溫度反復變化，降低了加熱煙氣的能耗。其缺點一是進入SCR 反應器中煙氣SO2 濃度可能會超標，一旦超標會導致催化劑中毒，催化劑就需要全部更換，長期穩定運行存在一定的風險;二是排入煙囪的煙溫較低可能會產生“白霧”，為脫白還需增加一級SGH，煙氣系統復雜，設備占地較大。
(2)消耗的能源比較。由于工藝相同，因此脫硫、除塵、脫氮、脫白的系統類似，所需電負荷略有不同，但差別不大。從運行的經濟性角度，主要核算三種方案所需蒸汽量以及更換催化劑的費用。以入爐垃圾低位熱值為7537kJ/kg，單臺入爐垃圾量為500 t/d 為例，單臺焚燒爐的煙氣量約為92000Nm3/h。
為滿足低溫SCR使用溫度，SGH耗汽量：
方案一從115℃加熱到175℃ , 所需煙氣加熱量折算成汽機一抽蒸汽(1.22MPa，280℃)合計3.5t/h;
方案二從135℃加熱到175℃ , 所需煙氣加熱量折算成汽機一抽蒸汽合計2.3t/h;
方案三從150℃加熱到175℃ , 所需煙氣加熱量折算成汽機一抽蒸汽合計1.4t/h。
對于脫白，運行成本主要分為三部分：脫白冷卻塔運行費用、蒸汽加熱器運行費用以及脫白廢水處理費用。方案一中，SCR之后排煙溫度在170℃，在保證煙氣含濕量為45℃下飽和(含水率約9.5%)，此時已滿足全年無白煙，不需加熱蒸汽;方案二排煙溫度控制在150℃，基本滿足全年無白煙;方案三，冬季排煙溫度需從135℃加熱到150℃ , 所需煙氣加熱量折算成汽機一抽蒸汽合計0.9t/h。
初步估算，三個方案全年的耗汽量如下：
方案一：全年耗汽量3.5×8000=28000t/a，合計蒸汽費用約504萬元;
方案二：全年耗汽量2.3×8000=18400t/a，合計蒸汽費用約331萬元;
方案三：全年耗汽量1.4×6560+(1.4+0.9)×1440=10704t/a(脫白按兩個月計)，合計蒸汽費用約225萬元。
由于濕法塔在SCR 后，重金屬和酸性污染物可能導致催化劑中毒，催化劑使用壽命較濕法塔在SCR前的工藝短。考慮其壽命減半，正常可使用4年的催化劑，現在兩年即需更換。即折算到每年的運行費用三個方案分別為200萬元、200萬元、400萬元，加上消耗蒸汽的費用，合計三個方案分別為704萬、531萬元和625萬元。
綜上可見，若不考慮催化劑失效的成本，濕法塔在SCR之后的運行成本較優;若考慮催化劑失效的成本，則濕法塔在SCR之前較優。
從目前實際運行來看，工程中可以采取有效的措施防止催化劑中毒，主要如下：
(1)選擇可靠的煙氣凈化系統供應商和設備，運行調節可靠，以保證進入SCR反應器中煙氣SO2濃度不會超標；
(2)增加在線催化劑再生系統，在催化劑使用半年到一年后活性降低時，利用再生風機從除塵器出口抽取預定量煙氣，用加熱電爐循環加熱該部分煙氣，直至將煙氣加熱到250～450℃，在此溫度下保持12～56小時，完成催化劑再生。
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