劉寶宣，翟力新，卜亞明，趙聯(lián)淼，龔 燊，賈寶桐（中國城市建設研究院有限公司，北京 100120）

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爐排型垃圾焚燒爐煙氣凈化工藝優(yōu)化

劉寶宣，翟力新，卜亞明，趙聯(lián)淼，龔 燊，賈寶桐
（中國城市建設研究院有限公司，北京 100120）

摘 要：介紹了垃圾焚燒過程中煙氣污染物的構(gòu)成成分及來源，論述了國內(nèi)垃圾焚燒發(fā)電廠污染物減排凈化技術(shù)的應用及研究現(xiàn)狀。通過對比分析不同煙氣凈化工藝的特點，選擇合適的煙氣凈化處理系統(tǒng)、設備，實現(xiàn)垃圾焚燒煙氣污染物的排放要求，為垃圾焚燒發(fā)電項目的煙氣凈化工藝系統(tǒng)設計提供參考。經(jīng)對比國內(nèi)煙氣凈化工藝的現(xiàn)狀，優(yōu)化選擇出適合北京某垃圾焚燒發(fā)電廠的煙氣凈化工藝，以及煙氣凈化系統(tǒng)中脫硫、脫硝、袋式除塵等系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)。

關(guān)鍵詞：垃圾焚燒；煙氣脫硫；煙氣脫硝；袋式除塵；脫除技術(shù)

引言

目前，城市生活垃圾無害化、減容化、可資源化利用的焚燒處理技術(shù)主要有：國產(chǎn)循環(huán)流化床焚燒技術(shù)、引進的機械爐排型焚燒技術(shù)、氣化熔融焚燒技術(shù)、等離子體氣化處理技術(shù)。但因氣化熔融和等離子體氣化基礎(chǔ)投資較大，工藝及裝置的優(yōu)化、經(jīng)濟可行性等有待提高，因而尚未在我國啟用。根據(jù)毛永寧等［1］對不同城市生活垃圾焚燒技術(shù)的綜合評價分析，我國目前采用的主流技術(shù)仍為爐排型焚燒技術(shù)與流化床焚燒技術(shù)，但流化床焚燒技術(shù)對環(huán)境污染的潛值大于爐排型焚燒技術(shù)，特別是焚燒規(guī)模在2000t/d以上的垃圾焚燒廠的建設趨勢，顯示出采用爐排型焚燒技術(shù)的處理規(guī)模迅速增加，采用循環(huán)流化床技術(shù)的焚燒規(guī)模明顯趨緩，爐排型焚燒爐仍是主要趨勢。垃圾由于來源廣泛、成分復雜、性質(zhì)多樣，燃燒過程中會產(chǎn)生多種對環(huán)境和人體有危害的污染物，污染物濃度的減排技術(shù)日益受到重視。本文對煙氣中污染物的組成及其凈化處理技術(shù)進行了綜述，優(yōu)化選取了煙氣凈化技術(shù)，并分析了北京某垃圾焚燒發(fā)電廠爐排型焚燒煙氣處理技術(shù)的先進性。

1　煙氣中污染物的構(gòu)成成分

生活垃圾在焚燒過程中產(chǎn)生的煙氣成分極其復雜，主要污染物有煙塵（顆粒物）、酸性氣體（HCl、SOx、NOx、HF等）、重金屬（Hg、Pb、Cd等）、有機毒性污染物質(zhì)（PCDDs/Fs）等。煙塵是垃圾焚燒過程中產(chǎn)生的微小無機顆粒物質(zhì)，因具有較強的吸附性，吸附致癌性的有機化合物、含重金屬元素的化合物等，是多種有害物質(zhì)的載體［2］。酸性氣體主要來源于垃圾中某些特定成分的燃燒，HCl來源于垃圾中含氯塑料、廚余、紙張、布等物質(zhì)的燃燒［3］，其濃度為0.4～1.5g/Nm3，垃圾中含氮化合物的分解轉(zhuǎn)換和空氣中氮氣的高溫氧化生成NOx，垃圾中的含硫化合物氧化燃燒生成SOx［4］。重金屬類污染物主要來源于生活垃圾中的廢舊電池、電子產(chǎn)品、油漆等［5］，在焚燒爐內(nèi)經(jīng)過蒸發(fā)、表面反應、凝結(jié)成核，分布在底灰、飛灰、爐渣中［6］，垃圾成分中有機氯化物含量高時，鉻為煙氣中重金屬元素主要成分；無機氯化物含量高時，鉛為煙氣中重金屬元素主要成分［7］。焚燒爐內(nèi)二英的生成主要發(fā)生在燃燒過程中和尾部煙道再合成，若缺氧燃燒時，生成的二英前驅(qū)物與垃圾中氯化物、O2、氧離子發(fā)生復雜的反應，生成二英；尾部煙道中二英前驅(qū)物及未燃盡的環(huán)烴物質(zhì)在煙氣中重金屬（Cu、Ni、Fe等）離子的催化作用下，與煙氣中氯化物、O2反應生成二英，溫度在300℃左右時，更易于二英的生成［8］。

2014年頒布的《生活垃圾焚燒污染控制標準》規(guī)定了顆粒物、二氧化硫、氮氧化物、氯化氫等常規(guī)污染物的排放要求，二英類排放限值與歐盟標準一致，均為0.1ngTEQ/m3，對垃圾焚燒發(fā)電廠污染物的排放要求更加嚴格，更接近歐盟2000/76/EC排放標準，部分國內(nèi)運行年久的垃圾焚燒發(fā)電廠需進行凈化工藝技術(shù)改造、新廠優(yōu)化選擇凈化工藝以減少污染物的排放濃度，達到新的污染物排放標準。

2　國內(nèi)煙氣凈化系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

2.1脫硫系統(tǒng)

國內(nèi)對垃圾焚燒發(fā)電廠煙氣脫硫系統(tǒng)已有深入的研究，已建成的垃圾焚燒發(fā)電廠大多采用機械旋轉(zhuǎn)噴霧半干法工藝、循環(huán)流化法和干法凈化工藝［7］。高翔等［9］分析了半干法循環(huán)懸浮式脫硫工藝，半干法煙氣脫硫工藝既具有濕法脫硫反應速度快、脫硫效率高的優(yōu)點，又有干法無污水廢酸排出、脫硫后產(chǎn)物易處理的優(yōu)點。董珂［10］等均推薦采用半干式反應塔脫硫裝置，但陳善平等［11］研究發(fā)現(xiàn)采用“噴嘴或旋轉(zhuǎn)噴霧器半干法+活性炭噴射+袋式除塵器”煙氣凈化工藝可達到歐盟1992標準，是目前垃圾焚燒煙氣凈化的主流選擇，但不能滿足更嚴格的排放標準（如歐盟2000標準）。光大環(huán)保能源吳凱等［12］研究得到“SNCR脫硝+（半干法+干法）脫酸 +活性炭+袋式除塵器”的組合工藝，凈化后的煙氣各項指標達到歐盟2000標準。潘海東等［13］對上海環(huán)境不同項目垃圾發(fā)電煙氣排放進行對比分析，不久應該會逐步采用“SNCR+半干法（固定噴頭噴NaOH或固定噴頭噴石灰漿或旋轉(zhuǎn)噴霧）+干法（石灰干粉和活性炭）+袋式除塵器”的煙氣處理工藝滿足國內(nèi)日益趨嚴環(huán)保要求的提高。天津泰達環(huán)保閆志海等［14］比較了幾種不同半干法脫酸塔形式，表明噴霧干燥吸收塔比增濕灰吸收法、循環(huán)灰吸收法脫酸效率高。曾紀進等［15］分析對比了旋轉(zhuǎn)噴霧半干法、石灰石—石膏濕法及煙氣循環(huán)流化床（CFB）三種脫硫工藝，表明旋轉(zhuǎn)噴霧干法脫硫是最有效的煙氣凈化技術(shù)。

2.2活性炭噴入系統(tǒng)

活性炭噴射通常與袋式除塵器配套使用，半干式脫硫塔后噴入活性炭，活性炭通過重量計量，采用給料螺旋投料，進入文丘里系統(tǒng)，煙氣與活性炭強烈混合，活性炭吸附煙氣中的重金屬、PCDD/Fs等污染物質(zhì)，進入袋式除塵器，繼續(xù)吸附與捕集分離，吸附污染物的活性炭從煙氣中分離出來?；钚蕴繃娚湎到y(tǒng)及袋式除塵系統(tǒng)配套使用，可以剝離煙氣中99%的PCDD/Fs，并且吸附牢固，是目前大型垃圾焚燒工藝中應用最多的技術(shù)［16］。

2.3除塵器系統(tǒng)

閆志海等［14］對靜電除塵和袋式除塵的煙氣凈化進行綜合分析對比得到采用袋式除塵器比靜電除塵器有利，現(xiàn)在已基本不再采用靜電除塵器作為垃圾焚燒發(fā)電廠的粉塵處理裝置［17］，國標GB18485-2001中也規(guī)定生活垃圾焚燒爐除塵裝置必須采用袋式除塵器。張文斌等［18］對垃圾焚燒發(fā)電廠袋式除塵器濾袋材質(zhì)選擇的分析，表明針對垃圾焚燒的復雜和惡劣的工況條件，垃圾焚燒爐配套用的袋式除塵器濾料采用PTFE針刺氈濾料是比較合理的。

2.4煙氣脫硝系統(tǒng)

目前，國內(nèi)關(guān)于垃圾焚燒爐煙氣脫硝工藝的研究報道甚少，蔡潔聰?shù)龋?9］、胡利華等［20］研究了溫度、氨氮比（NSR）、還原劑噴射速度和液滴粒徑對爐排焚燒爐內(nèi)脫硝效果的影響，研究表明最佳脫硝溫度在960℃～1000℃，最佳氨氮比為1～1.5。賀毅等［21］、鄒金生等［22］分析得到垃圾焚燒系統(tǒng)發(fā)電廠SNCR系統(tǒng)的各運行參數(shù)全部能達到設計要求，NOx排放濃度可長期穩(wěn)定在150mg/Nm3以下；范海燕等［23］表明國內(nèi)爐排爐焚燒系統(tǒng)必須更加合理地采用SNCR脫硝技術(shù)，必要時仍需采用SCR脫硝技術(shù)以達到更嚴格的環(huán)保標準。劉廣濤等［24］提出垃圾焚燒發(fā)電低溫SCR脫硝技術(shù)，可避免SNCR脫硝技術(shù)可能存在的脫硝效率低、鍋爐結(jié)垢、水冷壁腐蝕等弊端，并且無需加熱、節(jié)約能源。徐青［25］等對垃圾焚燒發(fā)電廠煙氣脫硝技術(shù)模糊綜合評價為，在達到現(xiàn)有環(huán)保標準的情況下，可以采用更經(jīng)濟的SNCR脫硝技術(shù)，采用SNCR/SCR聯(lián)合脫硝工藝，可滿足更高的環(huán)保標準?？凳缇辏?6］等綜合了垃圾焚燒煙氣脫硝技術(shù)工藝現(xiàn)狀，指出反應溫度較低、脫除效率高、工藝設備緊湊、運行可靠及無二次污染的選擇性催化還原（SCR）脫硝工藝是將來垃圾焚燒脫硝的首選工藝，并且催化劑仍是脫硝領(lǐng)域的發(fā)展方向。

3　煙氣凈化新型高效組合工藝

隨著國內(nèi)垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)的發(fā)展，垃圾焚燒爐日處理垃圾量不斷增加。垃圾焚燒爐煙氣污染物控制系統(tǒng)需要不斷優(yōu)化，達到污染物排放控制標準，甚至更嚴格的標準，煙氣凈化系統(tǒng)的發(fā)展就顯得尤為重要，以脫除煙氣中酸性氣體（SOx、NOx、HCl等）、重金屬（Pb、Hg、Cd等）、二英等有毒有害氣體。國內(nèi)煙氣凈化組合工藝系統(tǒng)有多重方案，主要采用脫酸系統(tǒng)與除塵系統(tǒng)的不同組合工藝以減少煙氣中污染物的排放。北京某電廠焚燒爐排采用比利時Seghers多級爐排，煙氣凈化組合工藝為：（爐內(nèi)SNCR-去除NOx）+（旋轉(zhuǎn)噴霧反應塔-凈化酸性氣體）+（干法NaHCO3噴射-凈化酸性氣體）+（活性炭噴射-吸附重金屬、二英）+（袋式除塵器-除塵）+ 煙氣再加熱 +（SCR-進一步去除NOx）+ 防白煙氣系統(tǒng) +〔煙氣在線監(jiān)測裝置（CEMS）〕。煙氣凈化工藝流程如下圖所示。

在保證爐內(nèi)燃燒工況良好的情況下，符合爐內(nèi)燃燒的3T燃燒控制條件［27］。焚燒爐燃燒的熱煙氣經(jīng)過爐內(nèi)SCR脫硝后，進入余熱鍋爐換熱，余熱鍋爐出口的排煙溫度為190℃（清潔狀態(tài)）至210℃（臟污狀態(tài)），再進入半干法機械旋轉(zhuǎn)霧化反應塔，NaHCO3作為脫酸劑噴入煙道，活性炭噴射吸附，再經(jīng)過袋式除塵器除塵系統(tǒng)、選擇性催化還原（SCR）脫硝等煙氣凈化處理系統(tǒng)。焚燒爐出口的煙氣經(jīng)過脫酸處理帶有大量固體顆粒的煙氣與噴入的活性炭高速混合，進入袋式除塵器，二英及重金屬被吸附在袋式除塵器外側(cè)，煙氣再經(jīng)過SCR脫硝系統(tǒng)進一步凈化，潔凈的煙氣通過引風機排入煙囪。

煙氣凈化工藝流程圖

3.1半干式反應塔和旋轉(zhuǎn)霧化器

煙氣凈化中的脫酸系統(tǒng)采用GEA/NIRO的高速旋轉(zhuǎn)霧化器，霧化平均粒徑可達45μm。煙氣進入反應塔與霧化后的石灰漿顆粒混合，通過旋轉(zhuǎn)霧化器的高速旋轉(zhuǎn)保證霧化顆粒的細度和冷卻水的霧化細度。由于霧化程度高，旋轉(zhuǎn)噴霧器將約15%的Ca（OH）2漿液噴入反應器中，形成粒徑極小的液滴，石灰漿與煙氣中的酸性成分充分反應。由于水分的蒸發(fā)從而降低煙氣的溫度并提高其濕度，同時不會弄濕塔壁及造成結(jié)垢，使酸性氣體與石灰漿反應成為鹽類，掉落至底部的灰斗，半干式反應塔內(nèi)未反應完全的石灰，可隨煙氣進入除塵器，部分未反應物將附著于濾袋上與通過濾袋的酸性氣體再次反應，使脫酸效率進一步提高，同時提高了石灰漿的利用率。NaHCO3噴粉干法工藝系統(tǒng)，有在反應塔入口煙道和布袋除塵器前的煙道兩種噴入方式，可使得煙氣凈化系統(tǒng)有半干法運行、干法替代運行（在半干法旋轉(zhuǎn)霧化設備故障時），半干法與干法聯(lián)合運行等多種運行模式。在合理運行成本條件下，可以充分保證系統(tǒng)的脫酸效果，確保排放值達標。半干式旋轉(zhuǎn)噴霧反應塔的技術(shù)參數(shù)見表1。

表1　旋轉(zhuǎn)噴霧半干法脫硫技術(shù)參數(shù)

霧化石灰液滴既要冷卻煙氣降溫，又要與煙氣中的硫氧化物發(fā)生中和反應，在煙氣經(jīng)過反應塔時必須保證煙氣反應塔中停留時間至少20s，以保證石灰液霧滴與煙氣中的酸性氣體更好地接觸，達到更高效地脫除煙氣中的酸性氣體。

3.2袋式除塵器系統(tǒng)

煙氣經(jīng)過旋轉(zhuǎn)高速霧化器脫硫塔及活性炭噴入系統(tǒng)進入除塵器，除塵器內(nèi)的分配板使煙氣中較重的顆粒立即掉落進接收漏斗里，并且使煙氣均勻分配后進入布袋。煙氣由布袋的外側(cè)進入，煙氣與灰塵和固體顆粒物分離出來，出口處為清潔的煙氣。布袋外側(cè)不斷累積過濾層，包括脫硫反應塔中被煙氣攜帶出的石灰、NaHCO3和活性炭，煙氣中的酸性污染物在半干反應塔后，仍能被中和，煙氣中的重金屬和二英被捕集在布袋的外側(cè)，減少了污染物的排放。除塵器外側(cè)的過濾層不斷增厚，根據(jù)袋式除塵器壓差增大的程度，定期采用干燥的壓縮空氣脈沖由內(nèi)向外吹灰，布袋外側(cè)的殘余灰塵掉落入排料斗。煙氣中的酸性成分在布袋濾層上發(fā)生中和反應，對更換脫硫塔內(nèi)旋轉(zhuǎn)高速霧化器尤其重要，可減少酸性氣體排放。布袋的選型也應滿足由于霧化器的關(guān)閉，煙氣未被冷卻而造成的短時間高溫（260℃）。袋式除塵器的參數(shù)見表2。

表2　袋式除塵器工藝特性參數(shù)

袋式除塵器的濾袋采用表面具有過濾功能、透氣性好、耐腐蝕和耐高溫的PTFE材料，PTFE材料經(jīng)覆膜處理，除塵效率可達99.9%以上，在240℃的連續(xù)運行溫度、瞬間260℃的溫度條件下，能耐全部pH值范圍內(nèi)的酸堿侵蝕；袋式除塵器充分考慮了垃圾焚燒發(fā)電廠煙氣排放標準的嚴格要求，并且采用了伴熱、旁路、保溫等保護措施。

3.3SNCR+SCR脫硝系統(tǒng)

通過優(yōu)化燃燒和煙氣凈化工藝，北京某垃圾焚燒發(fā)電廠焚燒爐內(nèi)采用SNCR系統(tǒng)以減少氮氧化物的產(chǎn)生，同時在尾部煙道袋式除塵器后布置了SCR脫系統(tǒng)，以進一步降低NOx排放量。3.3.1SNCR脫硝系統(tǒng)

選擇性催化還原法（SNCR）是在煙氣溫度850℃～1100℃，向爐內(nèi)直接加入氨液或尿素脫硝劑，將氮氧化物還原成為氮氣與水氣的方法。焚燒爐噴入氨液的反應原理為：

4NH3＋4NO＋O2→4N2＋6H2O

4NH3＋5O2→4NO＋6H2O

4NH3＋3O2→2N2＋6H2O

在850℃～1100℃高溫下，噴入尿素與氧化氮進行如下反應：

4NO＋2CO（NH2）2＋O2→4N2＋2CO2＋4H2O

采用SNCR法對NOx的去除效率在50%以上，若為了提高氮氧化物的去除效率而增加藥劑的噴入量，氨的漏失率也會相應增加，剩余的氨和氯化氫及三氧化硫化合成氯化銨及硫酸氫氨而沉淀在鍋爐尾部受熱面，會導致余熱鍋爐尾部受熱面結(jié)垢和堵塞，同時會使煙氣形成白煙。

3.3.2SCR脫硝系統(tǒng)

在袋式除塵器下游設置SCR系統(tǒng)以進一步去除煙氣中的NOx，同時還可以部分氧化二英（PCDD/Fs）。SCR系統(tǒng)包括GGH（煙氣-煙氣換熱器）、GSH（煙氣-蒸氣換熱器）、尿素制氨設備（分解室）、氨噴射裝置和SCR反應塔。SCR裝置的主要功能是為NOx與氨中和創(chuàng)造最佳的反應條件，包括充足的停留時間、煙氣通過時與催化劑的接觸面積。催化反應與溫度有關(guān)，最佳反應溫度設為230℃。袋式除塵器后的增壓風機出口煙氣溫度約為140℃，因此采用兩個串接的換熱器。第一階段：SCR反應塔出來的熱煙氣通過GGH（煙氣-煙氣換熱器）與煙氣進行熱交換，煙氣升溫。第二階段，煙氣通過GSH（煙氣-蒸氣換熱器）利用汽包內(nèi)的高壓蒸氣進一步加熱到反應溫度。

NOx與氨在奧地利CERAM產(chǎn)的TiO2/V2O5/WO3或等同催化劑［28］上反應，在適當?shù)臏囟葪l件下，發(fā)生如下反應［29］：

4NO＋4NH3＋O2→（TiO2/V2O5/WO3）→4N2＋6H2O

4NO2＋8NH3＋2O2→（TiO2/V2O5/WO3）→6N2+ 12H2O

SCR工藝要求氨投加量精確度高及與主煙氣混合的均勻度高，以保證有效去除NOx，并使氨逃逸降到最低。煙氣中NOx與氨的反應發(fā)生在裝有蜂窩式催化劑的反應塔里，反應塔體為單倉，裝有兩層活性催化劑層。SCR脫硝系統(tǒng)凈化工藝技術(shù)參數(shù)見表3。

表3　SCR脫硝系統(tǒng)工藝技術(shù)參數(shù)

目前，我國垃圾焚燒發(fā)電廠煙氣脫硝系統(tǒng)的研究和應用尚處于起步階段，國內(nèi)新建及改造的垃圾焚燒發(fā)電廠大都是布置SNCR脫硝系統(tǒng)，SCR比SNCR法具有更高的煙氣脫硝效率，脫硝效率可達80%以上［23］，但從長遠看，在經(jīng)濟條件許可的條件下，SNCR＋SCR技術(shù)會成為主流［21］。煙氣經(jīng)過換熱器離開煙囪的溫度相對較高（額定點溫度201℃），在環(huán)境溫度為5℃，60% RH（濕度）條件下，不會有白煙產(chǎn)生（不透光率＜10%）及白煙的擴散，即使有可能旁通SCR裝置，煙氣仍可以通過GSH換熱器升溫，可在一定條件下控制白煙，減少二次污染的產(chǎn)生；白煙產(chǎn)生與氣象條件的變化密切相關(guān)，每條焚燒線需預留一套防白煙裝置，并根據(jù)氣象條件變化確定是否開啟。4 結(jié)語

垃圾焚燒發(fā)電廠在建造時，應考慮本地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展具體情況，結(jié)合國家頒布的垃圾焚燒發(fā)電煙氣排放標準進行設計建造。對國內(nèi)垃圾焚燒發(fā)電廠目前所采用的煙氣凈化工藝進行總結(jié)，垃圾焚燒發(fā)電主要通過控制爐內(nèi)焚燒條件外，還采用爐內(nèi)SNCR脫硝系統(tǒng)，尾部煙道凈化采用旋轉(zhuǎn)噴霧干燥半干法煙氣脫硫系統(tǒng)、活性炭噴射系統(tǒng)、袋式除塵器來控制污染物排放，以達到排放標準。本文介紹了北京某垃圾焚燒發(fā)電廠主要采用“爐內(nèi)SNCR＋半干法（Ca（OH）2）+ 干法（NaHCO3）+ 活性炭噴射＋袋式除塵＋煙氣再加熱＋SCR”的煙氣凈化工藝以及技術(shù)參數(shù)、脫除效率估算等。今后需要深入研究適合我國生活垃圾成分的燃燒煙氣凈化技術(shù)工藝，以滿足更嚴格的煙氣排放標準。同時，煙氣凈化工藝仍還需要結(jié)合當?shù)氐木唧w情況，從經(jīng)濟和技術(shù)方面科學合理地選擇。

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Optimization of Flue Gas Purification Technology for Grate Type Refuse Incinerator

LIU Bao-xuan， ZHAI Li-xin， BU Ya-ming， ZHAO Lian-miao， GONG Shen， JIA Bao-tong
（China Academy of Urban Construction Co.， Ltd， Beijing 100120， China）

Abstract:The paper introduces the components and sources of fue gas pollutants in the process of waste incineration，discusses the application and domestic research on the pollutant emission reduction and purifcation technology in refuse incineration power plant. Through the comparative analysis of different characteristics of fue gas purifcation process， the paper selects the appropriate treatment system， equipment in the process of fue gas purifcation to realize the requirements of fue gas pollutant emissions of refuse incineration， and provides the references for the design of fue gas purifcation technology system of refuse incineration power generation project.

Keywords:refuse incineration； FGD； fue gas denitration； bag hose precipitation； removal technology

中圖分類號：X701.3

文獻標志碼：A

文章編號：1006-5377（2016）05-0031-06