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
概括：
对SNCR、SCR脱硝工艺进行了分析比较，对干法、旋转喷雾半干法、双流体喷雾半干法、湿法脱酸工艺进行了分析比较，探讨了二噁英脱除工艺技术，综合考虑各有利弊因素，结合烟气净化改造工程特点，选定了有效的烟气净化改造工艺，改造后烟气排放指标均满足国家新标准。
关键词：生活垃圾；焚烧；烟气净化；升级改造；
随着城镇化进程的加快和生活水平的不断提高，生活垃圾产生量日益增多，不少城市出现了“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，而且变废为宝、发电，具有很高的环境价值和经济价值。我国新建垃圾焚烧发电厂数量逐年增多，截至2016年底，共有250座垃圾焚烧发电厂投入运行。焚烧在生活垃圾处理中的比重也逐年增加，到2020年底，全国设市城市的垃圾焚烧处理能力将占总处理能力的50%以上。但生活垃圾在焚烧过程中不可避免地会产生含有颗粒物、HCl、SO2、NOx、二恶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2001年发布、2014年修订的《生活垃圾焚烧污染控制标准》。目前，我国焚烧厂烟气排放执行-2014标准。部分经济发达地区或大气环境承载能力较低的地区制定了更为严格的地方标准或选择执行欧盟标准（/76/EEC），近年来部分地区选择执行欧盟2010标准。烟气排放标准对比见表1。
大部分较早建成的生活垃圾焚烧厂已不能满足2014年修订的污染控制标准，特别是对粉尘、氮氧化物、氯化氢、硫氧化物、二恶英、重金属等排放要求明显提高。加之近年来雾霾天气愈发严重，较早建成的生活垃圾焚烧厂烟气净化系统升级改造势在必行。
表1 烟气污染物日均浓度排放标准对比（mg/m3）
1.烟气净化改造工艺选择
1.1 反硝化工艺
垃圾焚烧过程中产生的NOx分为燃料型、热力型、快速型三类。
生活垃圾焚烧炉产生的NOx原始浓度范围为300-360mg/m3，可以看出满足-2001年的排放要求。因此，早期建设的生活垃圾焚烧厂均未考虑脱硝措施。但随着环保意识的提高和排放标准的提高，早期建设的生活垃圾焚烧厂均需增设脱硝装置。适用于垃圾焚烧脱硝的技术主要有选择性非催化还原（SNCR）和选择性催化还原（SCR）。
1.1.1 SNCR脱硝技术
SNCR脱硝技术是在850~1100℃温度窗口内喷入氨水、尿素溶液等氨基还原剂，还原剂与待脱除NOx发生反应，SNCR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和非均相催化剂条件下，用还原剂NH3在300-400℃的温度窗口内将烟气中的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高温高尘、高温低尘、低温低尘三种。垃圾焚烧厂往往以低温低尘布置。将反应器布置在脱酸塔和袋式除尘器之后，使催化剂在低尘、低SO2的无害烟气环境中工作。这种布置方式的优点是可以减少催化剂的堵塞、腐蚀问题，也可以避免催化剂中毒问题，因此催化剂的寿命较长。但这种布置方式的主要问题是袋式除尘器出口烟气温度一般在120-180℃。 因此烟气进入SCR反应器前需加热到300-400℃，大大增加了能耗。
近年来低温SCR催化剂得到广泛研究，目前实际项目中采用的SCR催化温度有：170、190、230℃。出袋烟气经加热器加热到所需的相应温度，在相应的温度窗口内，利用还原剂NH3将烟气中的NOx还原为N2和H2O。反应原理为：
1.1.3 反硝化工艺对比
如表2所示，对于该改造项目，由于场地限制及原有引风机压力损失限制，同时考虑改造成本，采用SNCR较为合适。2014年的NOx排放要求为250mg/m3·d，SNCR的脱硝效率完全可以满足。
1.2 脱酸工艺
适用于城市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烟气温度在200℃左右，烟气经冷却塔/反应塔喷水降温至150℃左右后进入布袋除尘器。干法脱酸是在冷却塔下游、布袋除尘器上游的烟道内喷洒熟石灰粉或小苏打粉，烟气中的酸性气体与熟石灰粉或小苏打粉发生反应而被除去。干法投资少，设备简单，但因为是气固反应，净化效率较低。
1.2.2半干法脱酸
半干法采用熟石灰浆或氢氧化钠碱液与酸性气体发生反应，通过喷水控制反应温度，在吸收中和反应过程中，水分蒸发生成固体反应物，集中收集。半干法根据雾化器形式又可分为旋转喷雾半干法、双流体喷雾半干法。
表2 脱硝技术对比
旋转喷雾半干法利用喷雾干燥的原理，将石灰浆料送入旋转雾化器，旋转雾化器以8000～/min的转速旋转，将石灰浆料雾化成液滴，平均液滴直径为30～40μm，喷入反应塔内。烟气中的酸性物质被吸附在液滴表面，发生主要在气相和液相之间的化学吸收反应，生成硫酸钙等盐类。同时，烟气中的热量与液滴之间被迫通过对流进行热量传递，使液滴充分蒸发，生成固体反应产物。其化学反应如下。
双流体喷淋半干法是将氢氧化钠碱液通过气液双流体喷嘴喷入反应塔内，液滴直径约为70μm，碱液液滴与酸性物质发生酸碱中和反应而除去，同时烟气中的热量与液滴进行对流交换，使液滴充分蒸发，生成固体反应产物，其化学反应如下。
1.2.3 湿法脱酸
湿法脱酸是烟气离开袋式除尘器后进入湿式洗涤器，在洗涤器中烟气自下而上流动，碱溶液自上而下流动，烟气与碱溶液逆流接触，传热传质，通过冷却、酸碱中和反应去除烟气中的酸性污染物。离开洗涤器的烟气需加装烟气加热装置，防止产生白烟。湿法为气液反应，净化效率极高。
1.2.4 脱酸工艺对比
如表3所示，对于改造项目，需考虑场地限制、原引风机压力损失及功率、改造成本、运行费用、改造后执行的排放标准等因素，综合考虑改造脱酸工艺的选择。
1.3.1活性炭吸附
通过在进入除尘器前的烟气管道内喷洒活性炭，重金属和二恶英被活性炭吸附，保证重金属和二恶英的排放浓度达到排放标准。由于活性炭具有很大的比表面积，只要活性炭与烟气混合均匀，并达到足够的接触时间，就能达到要求的净化效率。活性炭喷入烟道后，开始吸附烟气中的二恶英、Hg等重金属污染物，但还未达到饱和状态，随后随烟气一起进入袋式除尘器，吸附在滤袋表面，与穿过滤袋表面的烟气充分接触，最终达到去除烟气中重金属和二恶英的目的。此工艺在生活垃圾焚烧厂得到广泛应用。
表3 脱酸工艺对比
1.3.2 SCR脱硝及二恶英去除
SCR主要用于去除NOx，SCR系统可以协同催化和氧化二噁英。
1.3.3 湿法协同脱除二恶英
湿法工艺主要去除酸性污染物和粉尘，湿式系统可协同吸收和去除二恶英。
2 烟气净化改造项目案例分析
2.1 改造工程概况
位于山东某市的生活垃圾焚烧厂于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。原烟气净化工艺流程见图1，原烟气净化系统采用“降温+干法脱酸+布袋除尘”工艺，未加装脱硝装置。升级改造前烟气排放检测值见表5。从表5可以看出，烟气排放指标满足-2001排放标准，但不满足-2014排放标准。改造目标：实现-2014排放标准。本项目布袋除尘器运行良好，粉尘达标。因此，不改造布袋除尘器，NOx、SOx、HCl排放不达标。 考虑增加脱氮措施、改造脱酸措施。
表4 锅炉出口烟气污染物浓度（mg/m3）参数
表5 改造前烟气中污染物浓度检测值（mg/m3）
图1 改造前烟气净化工艺流程
2.2 改造方案
2.2.1增设SNCR系统
针对项目实际情况，NOx排放不满足新标准，考虑到场地限制、需更换引风机、投资费用、运行费用等条件，采用SNCR系统进行脱硝，增设1套SNCR系统设备，以尿素为还原剂，共用尿素溶液制备系统，输送至2座焚烧炉。
2.2.2 脱酸系统改造
HCl、SOx排放达不到新标准要求。考虑到场地限制、引风机更换不足、投资费用、运行费用等条件，本改造工程不采用旋转喷雾半干法，因为旋转喷雾半干法塔体直径大、占地面积大、场地位置紧张、旋转雾化器投资大，而双流体喷雾半干法塔体直径小、占地面积小、投资少。因此本改造工程采用“双流体喷雾半干法+干法”系统对现有的干法反应塔进行改造（见图1）。原干塔烟气从底部进入，经冷却、喷洒熟石灰粉进行脱酸反应，烟气从顶部出来，通入布袋除尘器。因原反应塔直径达不到设计要求，对反应塔重新设计（见图2）。 烟气经锅炉引至反应塔，烟气由顶部进入反应塔，由底部锥斗离开反应塔，进入袋式除尘器。碱溶液由反应塔顶部的二流体喷嘴喷淋，雾化液滴粒径均匀，平均液滴直径为50-80μm，与烟气中的酸性污染物发生反应，同时对烟气进行冷却。反应塔内喷水量的调节根据反应塔出口温度的变化而自动调节。在反应塔与袋式除尘器之间的烟道内喷入消石灰粉，用以中和酸性气体。未反应完的部分消石灰随烟气流进入除尘器，被截留在除尘器袋面上。 因此在除尘器袋面形成一层吸收过滤层，继续与烟气中的酸性气体发生反应。
图2 改造后烟气净化流程
碱溶液配制及输送系统由氢氧化钠储罐、稀释罐、氢氧化钠注入计量泵、氢氧化钠混合器等组成。根据需要，将氢氧化钠溶液由氢氧化钠溶液储罐（30%）输送至稀释罐，稀释液由计量泵输送至混合器，在混合器中与适量的水混合形成喷淋液喷入反应塔。根据需要，将喷淋溶液送至半干法反应塔顶部的二流体喷嘴，喷淋溶液经过喷嘴后呈雾状，然后均匀地与烟气接触。在反应塔中，烟气中的二氧化硫等有害气体与氢氧化钠溶液发生反应并被吸收去除。
干喷系统主要是利用干燥的熟石灰粉与烟气中的酸性气体发生反应，去除二氧化硫等酸性污染物。熟石灰供给系统由储料仓、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和添加。氢氧化钙粉（粒径75μm，纯度大于90%）由厂外运输，通过槽车气力输送至石灰储料仓。为防止运输过程中石灰到处飞扬，储料仓顶部安装有收尘器，收集粉尘。熟石灰粉的添加量由称重系统控制。
根据烟囱测量的HCl、SO2排放浓度指标，通过输送计量控制消石灰的加入量，消石灰落入喷入管，石灰粉经罗茨风机送入反应烟道。
当HCl、SO2排放浓度超标时，应增喷氢氧化钠溶液。
2.2.3增设活性炭喷射系统
为了使二恶英排放达到新标准，综合考虑场地限制、投资成本等条件，采用活性炭喷入吸附系统，在进入除尘器前，将活性炭喷入烟气管道，吸附重金属和二恶英，确保重金属和二恶英的排放浓度达到国家排放标准。
由于活性炭具有较大的比表面积，只要活性炭与烟气混合均匀，接触时间足够，就能达到所要求的净化效率。活性炭喷入烟道后，开始吸附烟气中的二恶英、Hg等重金属污染物，但未达到饱和状态，随后随烟气一起进入袋式除尘器，吸附在滤袋表面，与穿过滤袋表面的烟气充分接触，最终达到去除烟气中重金属和二恶英的目的。
每条烟气净化线均设有活性炭喷入系统，通过罗茨风机将活性炭喷入袋式除尘器内，吸附杂质后的活性炭粉末被收集在袋式除尘器内，活性炭粉末的加入量由称重系统控制。
2.3 变换效果
经过上述“SNCR+半干法+干法”改造后，系统已稳定运行近1年，如表6所示，各项污染物均得到有效控制，并稳定、连续、全面达到了2014年排放标准。
表6 改造后烟气中污染物浓度检测值（mg/m3）
3 结论
垃圾焚烧烟气净化改造受场地、原有引风机、投资费用、运行费用、运行稳定性等条件影响，通过比较各种适用的脱硝工艺、脱酸工艺，结合项目实际情况，综合考虑各方面因素，采用“SNCR+半干法+干法”工艺对原有烟气净化系统进行改造，已稳定运行近一年，各项污染物稳定、持续、全面满足-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借鉴。