河北省垃圾焚烧发电项目超低排放技改案例研究
摘要：针对目前生活垃圾焚烧发电项目排放标准的不断提高,河北地区已经运行的垃圾焚烧发电项目在现有基础上增加脱酸和脱硝处理工艺,详细分析了技改运行后对脱酸和脱硝的影响,并分析了相比原处理工艺技改后投资及运行对成本的影响。
1 概述
我国目前生活垃圾年产量1.8 亿吨，生活垃圾焚烧发电技术将废物转化为能源，近些年来取得迅猛发展，目前我国约50%的生活垃圾采用焚烧法处理；未来几年，随着更多的生活垃圾焚烧发电厂建成运行，焚烧比例所占比例将更大。《“十三五”全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设规划》中提到：截止2020 年底生活垃圾焚烧处理占无害化处理的比例将达到54%，同时2020 年全国垃圾焚烧处理能力达到59.14万吨/日。
垃圾在焚烧过程中会产生危害环境的烟气，烟气成分复杂，包含HCl、SO2、HF、NOx、二噁英、Pb、Cd、Hg 等多种组分。目前国内焚烧厂主流烟气净化采用“SNCR＋半干法脱酸＋干法＋活性炭喷射+布袋除尘器”处理工艺。我国垃圾焚烧发电厂烟气排放执行GB18458《生活垃圾焚烧污染控制标准》，该标准2014 年重新修订，现阶段我国焚烧厂烟气排放执行GB18458-2014标准。部分大气环境承载力不高和经济发达地区，采用更为严格的地方标准、欧盟标准（EU2000/76/EC）或欧盟2010标准。
2 河北某垃圾焚烧发电厂运行工艺和排放参数
2.1 当前运行工艺
目前河北省某2×300 吨/日垃圾焚烧发电厂烟气净化系统采用“SNCR＋半干法脱酸＋干法＋活性炭喷射+布袋除尘器”处理工艺。
（1）SNCR脱硝技术
脱硝采用适用选择性非催化还原法（SNCR）工艺，该脱硝技术是在850℃~1100℃的温度区间内喷入氨水或尿素等还原剂，NOX与还原剂发生反应进而被去除，SNCR 技术的脱硝效率在30%~60%之间。其反应原理如下：
（2）脱酸除尘工艺
脱酸除尘采用“半干法＋干法脱酸＋活性炭喷射+布袋除尘器”处理工艺。半干法是通过喷水量控制反应温度，在合适的温度消石灰浆液与酸性气体反应，脱除烟气中的酸性成分。旋转喷雾半干法将石灰浆液通过塔顶的高转速旋转雾化器进行雾化，石灰浆液被雾化成粒径30μm～50μm 左右的雾滴，细小的雾滴与酸性气体充分接触，在一系列的化学反应后去除烟气中绝大多数的酸性气体；在反应过程中，雾滴吸收烟气中的热量不断蒸发水分，结合脱酸塔的独特设计，塔内高温烟气使得浆液雾滴在下降的过程中得到干燥，并在到达塔底前将水分充分蒸发，形成固体反应物从塔底排出。其化学反应如下：
Ca（OH）2+SO2→CaSO3↓+H2O
Ca（OH）2+2HCl→CaCl2↓+2H2O
干法脱酸是从喷射风机来的空气将的氢氧化钙喷入脱酸塔和布袋除尘器间的烟道中，与烟气中的酸性气体SOx，HCl等进行反应。
活性炭喷射在除尘器前烟气管道内喷入活性炭，活性炭在烟道内开始吸附二噁英、Hg 等重金属污染物，随后与烟气一起进入袋式除尘器中吸附在滤袋表面上，与通过滤袋表面的烟气充分接触，最终达到去除烟气中重金属及二噁英的目的。
2.2 技改前运行排放参数
本项目根据环保部门的环评批复文件要求，烟气污染物排放标准按《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB18485-2014）执行，运行时各项指标均需满足国家规范的要求；经实地调研此2×300t/d 项目运行情况，采用“SNCR+半干法（旋转雾化反应塔）+干法（喷射氢氧化钙）+活性炭喷射+布袋除尘器”实际可达到的运行排放数据如表2。
3 超低排放技改方案
本次河北省超低排放主要针对颗粒物浓度为8mg/Nm3，SOX浓度为20mg/Nm3，NOX浓度为100mg/Nm3做了更加严格的要求，下面针对三项指标的要求详细分析。
3.1 超低排放颗粒物影响
由于河北某2x300吨/日垃圾焚烧发电厂设计时布袋除尘器选用PTFE覆膜材质，同时布袋除尘器过滤风速比较低（<0.8m/min），，目前运行中除尘器出口粉尘颗粒物排放均值低于4mg/Nm3，运行时只要保证布袋除尘器正常运行完全可以保证新的地方超低排放标准要求。
3.2 SOx指标的影响
针对酸性气体SOx的去除，从工艺设计和运行上按照由易到难顺序的应对办法如下：
（1）改造干法系统
干法系统采用反应活性更高的碳酸氢钠替代消石灰，钠碱活性高，反应效率更高；设备投资小，运行费用会增加。
（2）半干法系统增设二流体碱液系统
半干法系统反应塔顶的二流体喷枪原设计是用于脱酸塔降温，可增设一套氢氧化钠碱液供应系统作为备，用二流体钠碱联合旋喷消石灰共同脱酸，钠碱脱硫效率更高，确保SOX全时段达标。
（3）湿法系统
在布袋除尘器之后增设湿法系统，采用氢氧化钠作为吸收剂，确保二氧化硫全时段超低排放。湿法设备投资大，运行费用高，且有废水处理问题。
（4）综合考虑SOX指标拟采取的应对办法
考虑到设备投资以及项目目前的实际情况，改造干法系统需要停炉周期较长，增加湿法系统设备投资过大，经各方面综合考虑采用在半干法系统中增设二流体碱液系统作为备用，碱液系统由氢氧化钠溶液储存罐、输送泵及管路阀组组成。运行时把氢氧化钠溶液从制备罐输送到半干式反应塔顶部的双流体型喷嘴，喷雾溶液雾化后与烟气均匀接触反应，从而烟气中的酸性气体与氢氧化钠溶液反应后被去除。
3.3 NOX指标的影响
针对NOX指标的去除，从工艺设计和运行上按照由易到难顺序的应对办法如下：
（1）烟气再循环
烟气再循环本身是一种低氮燃烧技术，从引风机出口烟道抽取部分低温烟气返回焚烧炉内，参与二燃室辅助燃烧和流场的扰动整合。其反应核心在于利用烟气本身低温低氧特点（温度140～150 度，氧含量6%～10%），将部分烟气循环喷入炉膛内，降低炉膛内平均温度和助燃空气中的氧含量，有效抑制了NOX的生成。通过烟气再循环技术可实现对燃烧温度、氧浓度的控制，进一步改善炉膛内的温度场和流场，从而达到降低NOX排放的目的。烟气再循环技术脱硝效率在现有SNCR 脱硝后的基础上NOX可再降低30%左右。
（2）低温SCR
近年来随着低温催化剂材料的发展，低温SCR 技术得到了广泛应用。低温SCR 脱硝技术是在催化剂存在条件下，在合适的温度反应区间用还原剂NH3将烟气中的NOX还原为N2和H2O，低温SCR 技术的脱硝效率可达80%以上；目前国内应用成熟的垃圾焚烧发电项目SCR 催化应用温度区间主要在170℃-230℃，这就要求对出布袋除尘器的150度左右的烟气温度加热，同时使催化剂在低粉尘、低SOX的环境中进行相应的低温催化脱氮反应；同时可以减少催化剂的堵塞和腐蚀，以避免催化剂的中毒问题。
（3）综合考虑SOX指标拟采取的应对办法
烟气再循环技术实施的前提是：在锅炉正常燃烧工况下，炉膛温度在950℃-1070℃范围内，同时仅运行SNCR时NOX排放可控制在140mg/Nm3以内；经现场调研，河北此项目的NOX排放在200mg/Nm3，而且在冬季由于垃圾热值偏低炉温控制在950℃-1070℃范围内有困难，仅依靠SNCR 和烟气再循环难以保证达到100mg/Nm3的新标准。因此此次技改优选采用SCR 技术，可确保NOX排放稳定达到100mg/Nm3的新地方标准。
SCR工艺流程如下：氨水罐（25%氨水）→氨水泵→加热混合器→SCR脱硝塔。
布袋除尘器出口的烟气，经过GGH、SGH 加热达到230℃。SCR脱硝塔的催货剂采用中温反应催化剂，反应温度在210℃-230℃，中温催化剂正常使用寿命为5~10 年；同时系统能够适应额定烟气量50％～120％的变化，脱硝系统能够根据烟气量及烟气成分波动自动调节，保证脱硝后烟气指标始终低于排放限值。
4 技改后投资及运行成本
本次河北某2×300 吨/日垃圾焚烧发电厂技改需要增设脱酸碱液系统和SCR脱硝系统，预计新增投资1800 万元。其中建筑工程费300 万元，设备购置和安装工程费1500万元，其中运营成本主要分为原材料可变成本以及折旧利息等费用。
4.1 碱液和SCR的运营成本（见表3）
4.2 营运成本合计
考虑到折旧和银行贷款等，折旧期按20 年考虑，银行贷款按照现有利息执行，贷款年限按15 年考虑，其中折旧摊销费用4.41 元/吨垃圾，利息费用0.86 元/吨垃圾，同时碱液和SCR的运营成本为18.86 元/吨垃圾，因此折合每吨垃圾总营运成本24.13元/吨垃圾。
5 结束语
随着中国城市化水平的不断提高，各地建设生活垃圾焚烧厂的运行和在建数量不断增长，考虑到各地环保排放标准的不断提升，在建和已运行的垃圾焚烧发电厂非常有必要实施更高效的脱硫脱硝除尘工艺；本文在现有已运行垃圾焚烧厂烟气净化工艺基础上，在半干法系统增设二流体碱液脱酸系统作为备用，同时在布袋除尘器后增设SCR系统的技术应用于生活垃圾焚烧发电厂，使得改造后的SOx排放浓度低于30mg/Nm3和NOX排放浓度低于100mg/Nm3，全面优于GB18458-2014 国家的排放标准，同时满足河北省超低排放标准的要求，为已运行和在建的垃圾焚烧发电项目提供了有效的脱硫脱硝除尘参考实施方法。
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