生活垃圾焚烧厂烟气净化系统提标改造工艺选择及工程案例分析

摘要：

对SNCR、SCR脱硝工艺进行分析、比较，对干法、旋转喷雾半干法、二流体喷雾半干法、湿法脱酸工艺进行分析、比较，并探讨了二噁英脱除工艺技术，综合考虑各方面有利、不利因素，结合烟气净化改造工程的特点，选择了切实有效的烟气净化改造工艺，改造后烟气排放指标满足新国标。

关键词：生活垃圾；焚烧；烟气净化；提标改造；

随着城市化进程的加快，以及生活水平的不断提升，生活垃圾的产生量与日俱增，多城市出现了“垃圾围城”现象。利用垃圾焚烧发电，不仅解决了垃圾处理问题，同时变废为宝，产生电能，其环境价值、经济价值较高。我国新建的垃圾焚烧发电厂数量逐年增加，2016年底已运行的垃圾焚烧发电厂为250座，焚烧法在生活垃圾处理方式中所占的比例也逐年上升，到2020年底，全国设市城市垃圾焚烧处理能力占总处理能力的50%以上。但不可避免的生活垃圾在焚烧过程中会产生含有颗粒物、HCl、SO2、NOx、二噁英等有害物质的烟气。

我国垃圾焚烧发电厂烟气排放主要执行GB18458《生活垃圾焚烧污染控制标准》，该标准2001年发布，2014年重新修订，现阶段我国焚烧厂烟气排放执行GB18458-2014标准。部分经济发达地区或大气环境承载力不高的地区，制定了更为严格的地方标准或选择执行欧盟标准(EU2000/76/EEC)。近年来，有部分地区选择执行欧盟2010标准，烟气排放标准对比见表1。

早期建设的生活垃圾焚烧厂多数已无法达到2014年重新修订的污染控制标准，特别是粉尘、NOx、HCl、SOx、二噁英及重金属的排放要求显著提高。且近年来雾霾愈来愈额严重，对早期建设的生活垃圾焚烧烟气净化系统进行提标改造势在必行。

表1 烟气中污染物日均浓度(mg/m3)排放标准对比

1、烟气净化改造工艺选择

1.1 脱硝工艺

垃圾焚烧过程产生的NOx分为3类：燃料型、热力型、快速型。

生活垃圾焚烧炉产生的NOx原始浓度范围：300～360mg/m3，可见其满足GB18485-2001的排放要求，因此早期建设的生活垃圾焚烧厂并未考虑脱硝措施，但随着环保意识及排放标准的提高，对早期建设的生活垃圾焚烧厂需增设脱硝装置。适用于垃圾焚烧脱硝技术主要有选择性非催化还原法(SNCR)和选择性催化还原法(SCR)。

1.1.1 SNCR脱硝技术

SNCR脱硝技术是在850～1100℃的温度窗口内喷入氨水、尿素溶液等氨基还原剂，还原剂与NOx发生反应而被去除。SNCR的脱硝效率在30%～60%之间。

1.1.2 SCR脱硝技术

SCR脱硝技术是在O2和非均相催化剂存在条件下，在300～400℃温度窗口内，用还原剂NH3将烟气中的NOx还原为N2和H2O，SCR的脱硝效率可达80%以上。SCR反应器的布置方式有3种：高温高尘、高温低尘、低温低尘。垃圾焚烧厂倾向于低温低尘布置，将反应器布置于脱酸塔和布袋除尘器之后，使催化剂工作在低尘、低SO2的无害烟气环境中，这样布置的好处是可以减少催化剂的堵塞和腐蚀问题，也可以避免催化剂的中毒问题，因此催化剂的寿命较长。但这样布置的主要问题是：布袋除尘器出口的烟气温度一般在120～180℃，因此，在烟气进入SCR反应器之前需加热至300～400℃，这样大幅度的增加了能源消耗。

近年来，低温SCR催化剂得到了广泛研究，目前应用于实际项目的SCR催化温度有：170、190、230℃。出布袋的烟气经加热器加热至所需相应温度，在相应温度窗口内，用还原剂NH3将烟气中的NOx还原为N2和H2O，反应原理：

1.1.3 脱硝工艺比较

由表2知，对于改造项目，受场地限制以及原引风机压损限制，同时，考虑改造费用，SNCR较为适用。GB18485-2014中NOx的排放要求为日均250mg/m3，SNCR的脱硝效率可完全满足。

1.2 脱酸工艺

适用于生活垃圾焚烧厂的烟气脱酸工艺主要有：干法、半干法、湿法。

1.2.1 干法脱酸

垃圾焚烧余热锅炉出口的烟气温度为200℃左右，烟气经冷却塔/反应塔喷水降温至150℃左右进入布袋除尘器，干法脱酸是在冷却塔下游和布袋除尘器上游烟道内喷入消石灰干粉或碳酸氢纳粉末，烟气中的酸性气体与消石灰干粉或碳酸氢纳粉末发生反应而被脱除，干法投资省，设备简单，但由于是气固反应，净化效率低。

1.2.2 半干法脱酸

半干法是用消石灰浆液或氢氧化钠碱液与酸性气体反应，并通过喷水控制反应温度，在吸收中和反应过程中水分蒸发，产生固体反应物，集中收集。半干法根据雾化器形式可分为旋转喷雾半干法和二流体喷雾半干法。

表2 脱硝技术比较

旋转喷雾半干法是利用喷雾干燥的原理将石灰浆送入旋转雾化器，旋转雾化器转速为8000～15000r/min，将石灰浆液雾化成平均滴径30～40μm的雾滴喷入反应塔内，烟气中的酸性物质在液滴表面被吸收，发生气相与液相反应为主的化学吸收反应，生成硫酸钙等盐类，同时，烟气中的热量与雾滴之间通过强制性对流传热，使雾滴充分蒸发，形成固态反应产物。其化学反应如下。

二流体喷雾半干法是将氢氧化钠碱液经气液二流体喷嘴喷入反应塔内，雾滴直径70μm左右，碱液雾滴与酸性物质发生酸碱中和反应而去除，同时烟气中的热量与雾滴对流换热，使雾滴充分蒸发，形成固态反应产物。其化学反应如下。

1.2.3 湿法脱酸

湿法脱酸是烟气出布袋除尘器之后进入湿式洗涤塔，在洗涤塔内，烟气由下至上，碱液由上至下，烟气与碱液逆流接触，进行传热传质，经降温、酸碱中和反应去除烟气中的酸性污染物。出洗涤塔的烟气，为防止白烟需设置烟气升温装置。湿法是气液反应，净化效率极高。

1.2.4 脱酸工艺比较

由表3知，对于改造项目，需考虑场地限制、原引风机压损及功率、改造成本、运行成本、改造后执行的排放标准等因素，综合考虑选择改造脱酸工艺。

1.3.1 活性炭吸附

通过在进除尘器前的烟气管道内喷入活性炭，用活性炭吸附重金属及二噁英，保证重金属及二噁英的排放浓度达到排放标准。由于活性炭具有极大的比表面积，因此只要活性炭与烟气混合均匀且达到足够的接触时间就可以达到要求的净化效率。活性炭喷入烟道后，即在烟道内开始吸附二噁英、Hg等重金属污染物，但并没有达到饱和，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。该工艺目前已广泛应用于生活垃圾焚烧厂。

表3 脱酸工艺比较

1.3.2 SCR脱硝协同脱除二噁英

SCR主要用于去除NOx，SCR系统可协同催化氧化降解二噁英。

1.3.3 湿法协同脱除二噁英

湿法主要用于去除酸性污染物及粉尘，湿法系统可协同吸收去除二噁英。

2.烟气净化改造工程案例分析

2.1 改造项目情况概述

位于山东某市的生活垃圾焚烧厂2008年建成投产，规模为：500t/d，共2条线，采用循环流化床锅炉，锅炉出口烟气参数见表4，原烟气净化工艺见图1，原烟气净化系统采用“降温+干法脱酸+布袋除尘”工艺，未设脱硝装置。提标改造前烟气排放检测值见表5，由表5可知，烟气排放指标满足GB18458-2001排放标准，但不满足GB18458-2014排放标准。改造目标：达到GB18458-2014排放标准，该项目布袋除尘器运行良好，粉尘达标，因此布袋除尘器不改造，NOx、SOx、HCl排放不达标，考虑增设脱硝措施，改造脱酸措施。

表4 锅炉出口烟气中污染物浓度/(mg/m3)参数

表5 改造前烟气中污染物浓度/(mg/m3)检测值

图1 改造前烟气净化工艺

2.2 改造方案

2.2.1 增设SNCR系统

针对该项目实际情况，NOx排放不满足新标准，综合考虑场地限制、引风机不更换、投资成本、运行费用等条件，脱硝采用SNCR系统，增设SNCR系统设备1套，用尿素作为还原剂，尿素溶液制备系统公用，输送至2台焚烧炉。

2.2.2 改造脱酸系统

HCl、SOx排放不满足新标准，综合考虑场地限制、引风机不更换、投资成本、运行费用等条件，因旋转喷雾半干法反应塔塔体尺寸较大，占地大，现场场地位置紧张，且旋转雾化器投资较大，因此本改造项目不采用旋转喷雾半干法。而二流体喷雾半干法塔体直径小，占地小，投资省，因此本改造项目采用“二流体喷雾半干法+干法”系统，改造现有的干法反应塔(见图1)，原干法塔烟气从底部进入，经冷却，喷消石灰粉脱酸反应，烟气从顶部出来引至布袋除尘器。因原反应塔直径不满足设计要求，重新设计反应塔(见图2)，烟气经锅炉引至反应塔，烟气从顶部进入反应塔，从底部锥斗出反应塔，进布袋除尘器，碱液从反应塔顶部的二流体喷嘴喷入，其雾化液滴粒径均匀，平均雾滴直径为50～80μm，与烟气中的酸性污染物反应，同时烟气被降温，反应塔内的喷水量的调节是根据反应塔出口温度的变化进行自动调节。在反应塔和布袋除尘器间的烟道内喷入消石灰粉中和酸性气体，未反应的部分消石灰随烟气流进入除尘器内，被截留在除尘器的布袋表面，因此在除尘器布袋表面又形成了1层吸收剂过滤层，继续与烟气中的酸性气体反应。

图2 改造后烟气净化工艺

碱液制备输送系统由氢氧化钠储罐、稀释罐、氢氧化钠喷射计量泵、氢氧化钠混匀器等组成。根据需要，把氢氧化钠溶液从氢氧化钠溶液贮槽(30%)输送到稀释罐，经稀释的溶液，用计量泵输送至混合器，在此与适量的水混合成为向反应塔喷的喷雾液。根据需要，喷雾溶液被送到半干式反应塔顶部的二流体喷嘴。喷雾溶液经过喷嘴后呈雾状，再与烟气均匀接触。在反应塔里，烟气中的二氧化硫等有害气体与氢氧化钠溶液反应后被吸收而去除。

干法喷射系统主要使用消石灰干粉与烟气中酸性气体反应，去除二氧化硫等酸性污染物。消石灰供应系统由储料仓、计量斗、气力输送风机等组成。该系统主要作用是完成脱硫所需石灰粉的储存及投加等功能。氢氧化钙粉末(粒径75μm，纯度大于90%)从厂外运来，并通过槽车的气力输送至石灰储料仓。为防止石灰输送过程中到处飞扬，储料仓顶设有除尘器收集粉尘。通过称量系统控制消石灰粉投加量。

根据烟囱测得的HCl、SO2排放浓度指标，通过输送、计量控制消石灰的投加量。消石灰落入喷射管道内，通过罗茨风机将石灰粉送入反应烟道内。

当HCl、SO2排放浓度超标时，补充喷入氢氧化钠碱液。

2.2.3 增设活性炭喷射系统

为使二噁英排放达到新标准，综合考虑场地限制、投资成本等条件，采用活性炭喷射吸附系统，通过在进除尘器前的烟气管道内喷入活性碳，用活性碳吸附重金属及二噁英，保证重金属及二噁英的排放浓度达到国家排放标准。

由于活性碳具有极大的比表面积，因此只要活性碳与烟气混合均匀且达到足够的接触时间就可以达到要求的净化效率。活性碳喷入烟道后，即在烟道内开始吸附二噁英、Hg等重金属污染物，但并没有达到饱和，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。

每一条烟气净化线均配备1套活性炭喷射系统。在袋式除尘器前由罗茨风机喷入活性炭。吸附杂质后的活性炭粉末在袋式除尘器中收集。通过称量系统控制活性炭粉投加量。

2.3 改造效果

上述“SNCR+半干法+干法”改造之后，系统稳定运行近1a，由表6知，各项污染物得到了有效控制，并稳定、持续、全面达到GB18458-2014排放标准。

表6 改造后烟气中污染物浓度/(mg/m3)检测值

3.结论

垃圾焚烧烟气净化改造受场地、原引风机、投资成本、运行成本、操作稳定性等条件影响，通过比较各种适用的脱硝工艺、脱酸工艺，结合工程实际情况，综合考虑各方面因素，采用“SNCR+半干法+干法”工艺，对原有的烟气净化系统进行改造，稳定运行近1年，各项污染物稳定、持续、全面达到GB18458-2014排放标准，有利于保护环境，为垃圾焚烧厂烟气净化系统改造提供了参考。