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以下文章來(lái)源于上海環(huán)境衛生工程設計院,作者宋學(xué)頂。
一、生活垃圾焚燒煙氣工藝應用情況
我國生活垃圾焚燒行業(yè)從“十二五”開(kāi)始快速發(fā)展,進(jìn)入“十四五”時(shí)期,全國地級以上城市基本實(shí)現了以焚燒為主的生活垃圾處置方式,整個(gè)行業(yè)也逐漸由建設高峰期過(guò)渡到運營(yíng)高峰期。據不完全統計,截止至2021年12月底,全國生活垃圾焚燒總項目存量已達到1050座,投運項目達到746座,預計到“十四五”末期,全國投運的焚燒項目將超過(guò)1200座以上,焚燒能力缺口也將基本補齊。垃圾焚燒行業(yè)規模增長(cháng)帶來(lái)的紅利已基本釋放殆盡,相關(guān)企業(yè)的后續發(fā)展將直面垃圾分類(lèi)帶來(lái)的焚燒垃圾量縮減、環(huán)保標準進(jìn)一步趨嚴和雙碳目標下能效提升減碳降耗等多重壓力,促使行業(yè)進(jìn)一步總結運營(yíng)經(jīng)驗,進(jìn)一步開(kāi)展工藝技術(shù)提升和優(yōu)化的研究與應用。
從焚燒煙氣凈化工藝來(lái)看,分為脫酸、脫硝、除塵、除二噁英和重金屬等,其中除塵、二噁英和重金屬去除技術(shù)已較為成熟穩定。脫酸工藝主要有濕法、半干法和干法,脫硝工藝主要有SCR、SNCR、ICR/PNCR(高分子脫硝)和煙氣再循環(huán),投資運行費用及脫硝效率均依次降低,并且各廠(chǎng)煙氣工藝的差異主要為脫酸脫硝工藝的不同。截止2019年底,國內焚燒廠(chǎng)應用最多的煙氣組合工藝為“SNCR+半干法+干法+活性炭+布袋除塵器”,占比達到50%以上(見(jiàn)圖1),可滿(mǎn)足GB18485-2014規定的排放要求。但是,國內區域性污染物濃度限值有較大差異,部分地方環(huán)保指標也逐步趨嚴,例如,天津、東莞、洛陽(yáng)等地將氮氧化物排放限值提標到100mg/Nm3,上述常用組合工藝若想滿(mǎn)足新的排放要求將有一定難度。
圖1 生活垃圾焚燒廠(chǎng)煙氣配置情況逐年統計圖
二、焚燒煙氣工藝優(yōu)化路線(xiàn)簡(jiǎn)析
(一)脫酸工藝優(yōu)化
目前大多數脫酸工藝中仍采用半干法,其早期核心設備高速旋轉霧化器以進(jìn)口為主,近期技術(shù)引進(jìn)和自主研發(fā)的國產(chǎn)化霧化器也得到一定程度的工程應用。干法脫酸在國內一般與半干法組合使用為主,獨立干法方式由于系統設計、藥劑使用和停留時(shí)間等方面未達到設計標準,實(shí)際使用效率相對較低。濕法脫酸效率最高,投資及運行費用也最高,并且因其工藝系統復雜,產(chǎn)生的洗煙廢水還需單獨處置,因此并未普遍應用于工程中,主要應用在沿海經(jīng)濟條件較好的省市。而且從工程實(shí)踐中可知,半干法和濕法工藝進(jìn)一步優(yōu)化提升的空間有限,做好運行管理,降低故障、減少單位藥劑消耗才是優(yōu)化的主要方面。
在干法工藝和藥劑使用方面,國內技術(shù)應用相對粗放,可在以下兩方面進(jìn)行提升優(yōu)化:
第一,設備系統的優(yōu)化。目前國內應用的干法技術(shù)以在煙道中直接噴入碳酸氫鈉或消石灰干粉為主,因煙道較短,干粉藥劑在煙道中停留時(shí)間相對就短,很快就被布袋除塵器截留下來(lái),并隨布袋清灰進(jìn)入飛灰,因此大量未充分反應的藥劑進(jìn)入飛灰中,使其脫酸效率不達預期。從運行效果看,還有3個(gè)不利影響:(1)噸垃圾干粉藥劑消耗量偏高;(2)飛灰產(chǎn)量相對較高;(3)飛灰pH值偏高。針對上述問(wèn)題,可以考慮引入干式反應器提升干法效率,從而降低藥劑消耗和飛灰產(chǎn)量。干式反應器技術(shù)起源于歐洲,它具有結構簡(jiǎn)單、占地面積小、投資運行成本低和無(wú)廢水等優(yōu)點(diǎn),在歐洲焚燒項目上應用較多(見(jiàn)表1)。
表1 歐洲垃圾焚燒廠(chǎng)脫酸工藝配置統計表(單位:個(gè))
第二,干粉藥劑的優(yōu)化。常用的脫酸藥劑為消石灰,目前國內消石灰的品質(zhì)不一,實(shí)際噸垃圾耗量大;脫酸效率較高的碳酸氫鈉也存在藥劑成本高,易潮解板結等問(wèn)題。從藥劑選擇方面,主要在提升藥劑品質(zhì)和降低成本上下功夫,可采用的方法有兩種:(1)活性石灰的應用。消石灰在制備過(guò)程中通過(guò)提高其比表面積和活性,可大幅提升脫酸效率,降低噸垃圾藥耗,減少飛灰產(chǎn)量。目前在歐洲應用相對較多。(2)降低碳酸氫鈉成本。通過(guò)增設碳酸氫鈉研磨系統,一方面可大幅降低采購成本,另一方面可避免高細度碳酸氫鈉長(cháng)時(shí)間貯存而潮解板結問(wèn)題。
可以認為,將干式反應器和高效藥劑有機結合并工程應用,是行業(yè)集約低碳發(fā)展的方向之一。正如表1中所示,在歐洲約有1/3的焚燒廠(chǎng)僅通過(guò)干法工藝即可實(shí)現煙氣達標排放。對于新建項目和有改造需求的老項目,面對較高的環(huán)保指標時(shí),在不能配置濕法組合工藝情況下,也可考慮通過(guò)“半干法+高效干法”工藝組合來(lái)實(shí)現較好的脫酸效果。
(二)脫硝工藝優(yōu)化
國內垃圾焚燒廠(chǎng)應用較多的脫硝工藝有SNCR、SCR和煙氣再循環(huán),近幾年還出現了一種高分子脫硝技術(shù)(ICR/PNCR),并逐漸有一些工程應用。下文分別論述:
第一,煙氣再循環(huán)。從工程經(jīng)驗可知,應用效果較好的再循環(huán)系統能單獨將氮氧化物降低100-150mg/Nm3左右,同時(shí)其也屬于低碳燃燒技術(shù),減污同時(shí)也能降低系統能耗,上海環(huán)境在國內首先應用了該技術(shù)并進(jìn)行了推廣。
第二, SNCR。 該技術(shù)是當前最為廣泛使用的脫硝技術(shù),脫硝效率約在40-50%,并且效率高低直接受爐膛一通道溫度分布影響。隨著(zhù)生活垃圾分類(lèi)及多源固廢摻燒等因素影響,爐膛溫度分布變化較大,SNCR噴槍位置也需作相應調整。為解決這一難題,我院利用從歐洲專(zhuān)門(mén)定制的水冷式溫度探針,可對爐膛一通道不同的縱向高度位置和橫向深度位置的溫度分布情況進(jìn)行現場(chǎng)實(shí)測和在線(xiàn)診斷(見(jiàn)圖),判斷噴槍位置是否處于SNCR最佳反應溫度區間,以達到最大脫硝效率。
溫度探針測試
第三,SCR。 該系統脫硝效率最高,可達到60%左右,但是投資及運行費用也最高,因此其應用項目多在經(jīng)濟條件較好的地區。該工藝需配置蒸汽煙氣換熱器SGH,通過(guò)消耗大量本可用于發(fā)電的蒸汽來(lái)將煙氣溫度提升到SCR催化劑合適的反應溫度區間。此外,SCR催化劑的使用壽命通常為3-5年左右,而且價(jià)格昂貴,整體更換一次的代價(jià)較高,且更換下來(lái)的催化劑屬于危廢,需專(zhuān)門(mén)處置。SCR催化劑在使用過(guò)程中,隨著(zhù)灰塵和硫酸氫銨(ABS)在催化劑表面的逐漸富集,其效率也會(huì )逐漸降低,壓差也隨之提高。針對這一問(wèn)題,可配置催化劑再生裝置,定期對催化劑進(jìn)行再生處理。
第四,ICR/PNCR。該技術(shù)近幾年才開(kāi)始在垃圾焚燒廠(chǎng)應用,其系統配置簡(jiǎn)單,通過(guò)氣力輸送裝置將固體粉狀或顆粒狀脫硝劑噴入高溫爐膛內后,在850-1050℃條件下生成活性氨和氨基化合物等有效成分,與氮氧化物反應生成氮氣、水、CO2等。該工藝溫度區間與SNCR相近,噴槍位置也可與SNCR噴槍交錯布置。該技術(shù)在早期存在氨逃逸超標及管道堵塞等問(wèn)題,經(jīng)過(guò)近幾年的工程實(shí)踐和改進(jìn),在工程上得以快速推廣。
上海環(huán)境依托燃燒調整、爐內溫度和動(dòng)力場(chǎng)的模擬與檢測技術(shù),形成了“煙氣再循環(huán)+SNCR+ICR”專(zhuān)有組合技術(shù)(簡(jiǎn)稱(chēng)SCR+),并在部分項目上得到應用。如某廠(chǎng)所在地方標準要求100mg/Nm3,實(shí)際運行可將氮氧化物穩定控制在80mg/Nm3以下(見(jiàn)圖3),且NOx排放濃度波動(dòng)更加平緩,同時(shí)藥劑消耗大幅降低,氨逃逸也較低。
某廠(chǎng)使用ICR前后的氮氧化物對比(綠色線(xiàn)條代表氮氧化物)
綜上所述,隨著(zhù)地方性污染物排放標準趨嚴,對于脫硝系統只配置SNCR的焚燒企業(yè),穩定達標和氨逃逸控制更加困難。基于大量的基礎研究和工程實(shí)踐,上海環(huán)境提出了SCR+高效脫硝工藝,其核心即是基于爐型的煙氣再循環(huán)定制化設計+SNCR各層溫度窗口優(yōu)化投用+寬溫度區間的ICR高效配合,以實(shí)現綜合脫硝藥耗最低的高效經(jīng)濟目標,可實(shí)現80mg/Nm3甚至更低的標準下穩定運行,同時(shí)氨逃逸也能得到更好控制。
三、 總結
在多重壓力下,垃圾焚燒煙氣工藝路線(xiàn)優(yōu)化會(huì )越來(lái)越明確,不斷出現并逐步在工程應用上取得較好效果的煙氣凈化新工藝、新設備、新材料和新產(chǎn)品也將為行業(yè)內的企業(yè)提供更多選擇,各家企業(yè)可“因地制宜”,最終目標是既能兼顧經(jīng)濟效益,也能保證環(huán)保達標。