垃圾焚烧烟气超低排放技术路线与协同脱除.pdf

第53卷第2 期2024年2 月垃圾焚烧烟气超低排放技术路线与协同脱除李晓杰,洪晓玲,和润楠,葛思尚,高瀚，闫东杰（1.中国城市建设研究院有限公司西北分院西北环境所，陕西西安7 10 0 0 0；2.西安建筑科技大学环境与市政工程学院陕西省环境工程重点实验室，陕西西安7 10 0 55）摘要：综述了垃圾焚烧烟气脱硫、脱硝、颗粒物和二嗯英脱除技术的发展，总结了3种垃圾焚烧烟气超低排放路线（路线1,SNCR炉内脱硝机械旋转喷雾半干法脱酸辅助干法脱酸活性炭吸附袋式除尘器湿法洗涤塔/SCR脱硝一SCR脱硝/湿法洗涤塔；路线2,PNCR脱硝一半干法脱酸袋式除尘器湿法洗涤塔；路线3，干法脱酸袋式除尘器蒸汽加热器一SCR脱硝湿法洗涤塔一湿式电除尘器）。通过分析路线中各个目标污染物脱除设备对其他污染物的协同脱除机制，发现各个路线中的烟气净化设备彼此之间的影响较小,在此基础上,介绍了几种垃圾焚烧烟气多污染物协同脱除的一体化技术，并展望了未来垃圾焚烧烟气多污染物协同脱除技术的发展方向。关键词：垃圾焚烧；超低排放；协同脱除；颗粒物；二嗯英中图分类号：TQ426;X511Waste incineration flue gas ultra-low emission technicalLI Xiao-jie,HONG Xiao-ling,HE Run-nan,GE Si-shang,GAO Han,YAN Dong-jie?(1.China Urban Construction Design&Research Institute,Xi an 710000,China;2.Shaanxi Key Laboratory of Environmental Engineering,College of Environmental and MunicipalEngineering,Xian University of Architecture and Technology,Xi an 710055,China)Abstract:The development of waste incineration flue gas desulfurization,denitrification,particulate matterand dioxin removal technologies was reviewed,and three current ultra-low emission routes of waste incin-eration flue gas were summarized,namely route 1,SNCR furnace denitrification mechanical rotary spraysemi-dry deacidification assisted dry deacidification-activated carbon adsorption bag filter wetscrubber/SCR denitrification SCR denitration/wet scrubber;route 2,PNCR denitrification-semi-drydeacidification bag filter wet scrubber;route 3,dry deacidification bag filter steam heaterSCR out-of-stock wet scrubber wet electrostatic precipitator.By analyzing the collaborative removalmechanism of each target pollutant removal equipment on other pollutants in the route,it is found that theflue gas purification equipment in each route has less influence on each other.On this basis,several inte-grated technologies for the coordinated removal of multiple pollutants from waste incineration flue gas areintroduced,and the development direction of the multi-pollutant collaborative removal technology of wasteincineration flue gas is prospected in the future.Key words:garbage incineration;ultra-low emissions;collaborative elimination;particulate matter;diox-ins由于垃圾焚烧的处理能力更好,故焚烧逐渐成为主要的垃圾处理方式 。中国统计年鉴2 0 2 2 中统计了2 0 2 1年垃圾焚烧处理厂58 3座，日处理能力7 19533t/d,结合生活垃圾焚烧污染物控制标准（按1t垃圾产生50 0 0 m烟气）,2 0 2 1年垃圾焚烧产生的污染物年排放量分别约为PM1.06万t,SO24.3万t和NO,13.4万t,数量可观 2 ；同时污染物中二嗯英、重金属和氯化氢等 34 危害较大,地方政府鼓励垃圾焚烧行业实施超低排放改造。收稿日期：2 0 2 2-12-19修改稿日期：2 0 2 3-0 6-2 1基金项目：陕西省自然科学基金项目（2 0 2 3-JC-YB-401）；中国城市建设研究院有限公司自立科研项目（YJ17H22017）；陕西省现代建筑研究院科研项目（XDKY-2022-04）作者简介：李晓杰（198 4），男，山东烟台人，高级工程师。电话：18 6 0 2 943192,E-mail：7 45541456 q q.c o m通信作者：闫东杰（198 1），男，山西大同人，副教授，博士。E-mail：y a n d o n g j i e _2 0 0 0 16 3.c o m应用化工Applied Chemical Industry1文献标识码：A文章编号：16 7 1-32 0 6(2 0 2 4)0 2-0 49 9-0 6route and collaborative removalVol.53 No.2Feb.2024我国垃圾焚烧烟气的脱除装置间缺乏整体协同的理念，造成不必要的损失和浪费。为实现超低排放,既要提高各个环节相应的脱除效率,更要考虑设备之间的协同作用。1垃圾焚烧烟气污染物控制技术1.1垃圾焚烧烟气脱硝技术的发展目前垃圾焚烧厂主要采用的烟气脱硝技术有SNCR、SC R、SNC R+SC R联合技术和高分子选择性500还原脱硝（PNCR）等，各标准的主要污染物限值见氮氧化物/污染物（日均值）(mg m-3)国标GB18485201420欧盟2 0 10/7 5/EC10上海 DB 31/768201310深圳（新建）SZDB/Z23320178海南DB45/48420198河北DB13/532520218Table 2Comparison of four denitration technologies脱硝工艺反应温度/SNCR850 1 150SCR120400SNCR+SCR一PNCR800950SNCR技术具有设备适应性好、成本低廉以及经济性较好等优势。SNCR技术结合烟气再循环的低氮燃烧技术，可以利用烟气本身低温低氧特点，降低炉膛内的燃烧温度、氧浓度，从而达到抑制氮氧化物生成的目的。脱硝效率在现有SNCR脱硝后的基础上NO,可再降低30%左右 7SCR技术在垃圾焚烧过程中容易引起催化剂中毒，且成本较高 8-9。但SCR工艺的脱硝效率较高，在理想条件下（温度在8 7 5 10 50），脱硝效率可达到6 0%8 0%，但实际应用中仅有30%50%,且温度对效率的影响较大,难以达到超低排放的要求 10-。在垃圾焚烧工艺中,SCR脱硝设备一般放在脱酸塔和除尘器之后，一是防止SO,与NH;或者催化剂反应,使催化剂堵塞、中毒；二是防止烟尘对催化剂的附着 12 。SCR技术运行可靠，且氨逃逸率低。但不同催化剂的活性温度有差异，要维持催化剂的活性,势必增加能耗和投资成本。为避免这些问题,低温和超低温SCR脱硝技术的研究尤为重要 13SNCR+SCR的联合技术既能发挥两种技术的优点，也能尽量避免它们的不足。合理分配NO,脱除负荷,可以有效中和两者的劣势。SNCR技术在前,实现初步脱硝,SCR技术在垃圾焚烧烟气脱酸和除尘后进行深度脱硝，同时可以减轻氨逃逸的现象。相较于SCR、SNCR技术更具有经济性。高分子非催化还原脱硝法(PNCR）核心为高分子还原剂,其与烟气中的NO,充分混合反应,生成无害的N，和H,O14,反应方程为：C,H.N,+NO,CO2+N2+H,OPNCR技术的要点是：(1)合理选择喷枪的位置和间距;(2)合理的脱硝剂与NO的比例；（3)活性高、有效成分高的高分子脱硝剂；（4）良好的储存和气力输送设备系统 15。与低温(17 0 2 0 0)SCR应用化工表1,4种脱硝技术的比较见表2 56 。表1各标准的主要污染物限值Table 1 Limits for major pollutants for each standard颗粒物/催化剂无有有无第53卷二氧化硫/氯化氢/(mg m)(mg:m-3)25080200502005080301202012020表2 4种脱硝技术比较还原剂脱硝效率/%尿素、氨水3060水80水80C,H.N.80 99工艺相比,PNCR工艺保证相同的脱硝效率条件下，可节约运行成本，更具有适应性和推广性。1.2垃圾焚烧烟气脱酸技术的发展垃圾焚烧烟气中的酸性气体主要有SO，和HCl以及NO，常见的脱酸技术有干法脱酸、半干法脱酸以及湿法脱酸，三者的对比见表3。表3干法、半干法、湿法的优缺点对比Table 3 Comparison of advantages and disadvantagesof dry,semi-dry and wet methods工艺反应速度污染物去除效率工艺流程难易程度石灰耗量有无废水产生运行维护投资成本在干法脱酸的研究中,Pozzo等用两座欧洲垃圾焚烧发电厂进行比较，研究了在焚烧炉中直接注入白云石吸附剂16 。结果显示白云石吸附剂适用于配有单级处理的欧洲垃圾焚烧电厂,对高浓度SO2适应性高,成本相对较低。碳酸氢钠是干法处理垃圾焚烧烟气中的脱酸剂之一,Hwang等以粗碳酸氢钠和粉状碳酸氢钠为原料 17 ，利用真空热处理，得到高比表的多孔碳酸钠,提高了碳酸氢钠对酸性气体的去除率。孙向军等对干法的药剂熟石灰和碳酸氢钠进行了对比 18 ,结果显示虽然碳酸氢钠的脱酸的效果好，但其总成本是熟石灰的1.7 6 倍。半干法脱酸的主要技术为循环流化床技术、旋转喷雾干燥法、循环半干法脱酸等，近年来半干法得到了广泛的应用 19。王保银对半干法脱酸进行改造 2 0 ，在原来的垃圾焚烧电厂上增加干法处理设施，对比物耗指标,结果显示，干法与半干法的协同处理,提高了对酸性气体的去除性能，使酸性气体满足了排放指标。二嗯英(mg m3)(mg m)500.1100.1100.180.0580.05100.1氨逃逸量/(mg Nm-3)运行成本10较低3较高（催化剂需定期更换）80较高13 度较高技术成熟98.6度较低耗电多，90实验研设备昂贵究阶段去除效一42一424546502泛的有以下几种,SNCR炉内脱硝一机械旋转喷雾半干法脱酸一辅助干法脱酸活性炭吸附袋式除尘器湿法洗涤塔一SCR脱硝，以及湿法洗涤塔后置的SNCR炉内脱硝一机械旋转喷雾半干法脱酸辅助干法脱酸活性炭吸附袋式除尘器SCR脱硝一湿法洗涤塔 47 。湿法洗涤塔前置工艺的烟气需分别经过三次升温,最终SCR出口的18 0 烟气与烟气/烟气换热器换热降到140 后经引风机和烟卤排人环境中。湿法洗涤塔后置工艺，其烟气SCR口项目排放指标工艺区别湿法洗涤塔前置湿法洗涤塔+SCR湿法洗涤塔后置SCR+湿法洗涤塔2.2技术路线2传统的SCR工艺复杂，前期投资成本高，高分子脱硝工艺（PNCR脱硝工艺）系统简单，造价与运行成本均比 SCR低,PNCR 的工艺原理是将氮氧化物还原成氮气和水。技术路线2 工艺流程为PNCR（炉内脱硝）+传统的湿法脱酸全工艺流程 48 。该技术路线适用于改造项目和新的扩建项目，投资成本明显较低。2.3技术路线3垃圾焚烧烟气超低排放技术路线3 49，烟气进人干法脱酸系统后再进入袋式除尘器，再经过蒸汽加热器(SGH)加热达到2 30 后进人 SCR,经SCR脱硝后的烟气进入湿法洗涤塔和湿式电除尘器，从湿式电除尘器出来后的烟气，经过烟气/烟气换热器升温至145后,经引风机和烟排人环境中。以垃圾焚烧后主要污染物浓度典型数据为例,计算经新型技术路线处理后的各污染物浓度,结果见表6。表6 经新型技术路线处理后的各污染物浓度Table 6Concentration of each pollutant aftertreatment by new technical route污染物颗粒物/类型(mg m-3)(mg:m-3)(mg:m-3)原始值2.500排放值5装置SNCR半干法脱酸几乎无耦合作用干法脱酸几乎无耦合作用活性炭吸附吸附脱除部分颗粒物粒子粒径为1 m以上袋式除尘的颗粒，去除效率较高颗粒物在催化剂表面实现NO.直接脱除，效率约SCR沉积结垢脱硫浆液洗涤部分颗湿法脱酸几乎无耦合作用粒物除了SCR装置、活性炭吸附装置可以在脱除氮应用化工只经过两次升温，相较于前置工艺少一级烟气换热器(GGH),可减少前期投资成本。这两种工艺都能够满足垃圾焚烧烟气超低排放的要求，表5为这两种工艺的比较。虽然湿法洗涤塔前置工艺初期投人高，但在催化剂方面的成本低，系统可靠；为了后期可以稳定运行，建议采用湿法洗涤塔前置工艺作为垃圾焚烧烟气超低排放的技术路线。表5湿法洗涤塔前后置路线比较Table 5Comparison of front and rear routes of wet scrubbers最终出口SCR人口烟气量/SO2浓度/(Nm3.h-1)(mg:Nm=3)175 000通常小于10175 00050NO./SO2/)(mg m-3)(mg m-3)280350350450505Table 7 Synergy of different pollutant control devices颗粒物几乎无耦合作用第53卷最终出口SO2浓度/NO浓度/(mg Nm-3)(mg Nm-3)8200102002.4路线分析以上3种技术路线均能达到超低排放标准，路线1湿法洗涤塔的前置和后置工艺的烟气系统由于频繁变温，稳定性较差，而且可能会发生SO，被氧化为 SO,和 SCR系统中未反应 NH,的逃逸,该系统对SO,和 NH,的脱除缺乏必要的处理,但相较于湿法脱酸塔后置工艺，湿法脱酸塔前置工艺稳定性略好。路线2 中的PNCR工艺烟气阻力小,系统简单，前期投资成本均较低，脱硝过程中的催化剂成本不高,具有广阔的应用发展前景。路线3在湿法洗涤塔后设置湿电除尘,能够稳定脱除烟气中的 SO,和逃逸的NH3，可以解决路线1系统的缺陷,并能够有效率地捕捉PM2.和气溶胶。且经路线3处理后的污染物浓度都比超低排放指标低。2.5超低排放技术路线的协同机制根据上述垃圾焚烧超低排放路线中的各个污染物脱除装置，通过综合考虑脱硝系统、脱二嗯英系统、除尘系统和脱酸系统之间的协同关系，在每个装置脱除其主要目标污染物的同时，协同脱除其HCI/二英类/700350.03表7 不同污染物控制装置的协同关系NO.实现NO直接脱除，效率较低几乎无耦合作用几乎无耦合作用吸附脱除部分NO%添加还原剂NH，可脱除NO.，设备复杂，效率低为90%NO浓度/(mg:Nm=3)8090他污染或有利于下一阶段污染物的脱除。对于上述3种不同的技术路线所采用的装置，将各个污染物与不同污染物脱除技术的协同关系整理见表7。SO2二嗯英几乎无耦合作用几乎无耦合作用HCI的去除率达到钙基吸收剂脱除SO2几乎无耦合作用95%左右脱硫效果与Ca/S有同时脱除部分HCI关，脱除效率较低吸附脱除部分SO2几乎无耦合作用抑制SO2向SO3的转化高效脱除SO2氧化物、二嗯英的同时，对其他污染物的脱除产生催化剂年成本/万元110220HCI几乎无耦合作用几乎无耦合作用吸附气相二嗯英转吸附脱除部分HCI为固相几乎无耦合作用固相二嗯英的脱除催化剂可以催化氧几乎无耦合作用化脱除二嗯英可将HCI控制在几乎无耦合作用10 mg/Nm3第2 期有利影响外，其他装置之间的相互影响作用较小 50 2.6多污染物协同脱除技术为了简化工艺、减少占地面积，降低污染物脱除的治理成本，多污染物协同脱除的一体化技术已经被用于燃煤、生物质烟气等的控制过程中。目前我国的垃圾焚烧烟气多污染物协同控制技术有炭脱除技术低温等离子体协同脱兑有效协同脱除 NO、SO 2、H CI、H g 除技术和二嗯英等炭基材料协同脱除主要协同脱除Hg和二嗯英，对技术NO,、SO 2、H CI也有脱除作用脱除NO的同时,也可以脱除酸性氧化 NO,后采用碱性溶液脱氧化法协同脱除技术气体复合催化滤料协同脱协同脱除颗粒物、二嗯英、NO、重除技术金属等3结语与展望(1)垃圾焚烧厂氮氧化物控制技术主要包括烟气再循环技术和尾部烟气的SNCR、SCR、SNCR+SCR的联合技术以及PNCR技术。当排放限值要求NO,200mg/m时,可采用“烟气再循环+SNCR”技术;NO,150mg/m时,可采用“SNCR+SCR”技术；NO,80mg/m时,可采用“烟气再循环+SNCR+SCR的联合技术。(2)垃圾焚烧烟气脱酸技术仍然以湿法脱酸、半干法脱酸、干法脱酸为主，对于脱酸技术的改造方向主要有吸附剂的改性,如增加药剂的比表面积等。根据排放要求的差异，可采用组合工艺，当 SO2和HCI排放要求低时,采用“半干法+干法”工艺；当SO,和HCl排放要求高时,采用“干法+湿法”工艺，该工艺酸性气体脱除效率高，且抗波动性强。（3）垃圾焚烧烟气颗粒物脱除技术通常采用袋式除尘器，复合催化滤料协同脱除技术可实现颗粒物、氮氧化物和二嗯英的协同高效脱除。(4)垃圾焚烧烟气中二嗯英的脱除技术众多，其中主流的工艺是“活性炭吸附+袋式除尘”，通过对布袋的优化、增设SCR技术等方法来满足排放要求。“活性炭吸附+袋式除尘+SCR”工艺,在深度脱硝的同时，可协同脱除二嗯英，且脱除效率可达到95%。（5）传统的烟气净化处理工艺污染物排放浓度虽然能够满足国标GB184852014的排放限值，但无法达到超低排放要求。路线1:SNCR炉内脱硝机械旋转喷雾半干法脱酸一辅助干法脱酸一活性炭吸附袋式除尘器湿法洗涤塔/SCR脱硝SCR脱硝/湿法洗涤塔；路线2:PNCR脱硝一传统的湿法洗涤塔全工艺流程；路线3：干法脱酸袋式除尘器蒸汽加热器SCR脱硝湿法洗涤塔湿李晓杰等：垃圾焚烧烟气超低排放技术路线与协同脱除表8 多污染物协同脱除技术Table 8 Multi-pollutant collaborative removal technology脱除污染物503基材料协同脱除技术、氧化法协同脱除技术、低温等离子体协同脱除技术等，各技术的比较见表850。实际上不管是单独脱除技术,还是一体化协同脱除的技术，都不能避免产生其他副产物、运行成本较高等问题,且一些多污染物协同脱除的技术存在技术不成熟、污染物脱除效率较低等问题呕需解决。机理激发强氧化性活性粒子和自由基与烟气污染物反应吸附并催化氧化污染物除酸性气体重物理过滤脱除颗粒物，催化氧可使二嗯英出口浓度化脱除其他污染物0.1 ngTEQ/Nm3式电除尘器,这3种路线均可满足垃圾焚烧烟气超低排放要求。（6)垃圾焚烧烟气超低排放工艺普遍采用多级脱除污染物的形式，导致系统结构复杂、所需成本过高，并且各个烟气净化设备之间的协同作用较小,研究和应用多污染物协同脱除技术具有较好的发展前景。复合催化滤料协同脱除技术、低温等离子体协同脱除技术、氧化法协同脱除技术等可实现多污染物的协同脱除,并且能简化工艺、降低烟气脱除成本。然而,目前多污染物协同脱除技术在垃圾焚烧厂的应用较少，且存在脱除效率不稳定、不同污染物之间的竞争和抑制作用不清楚，反应机理不明确等问题，还需要更深层次的研究和讨论。参考文献：1国家统计局.中国统计年鉴M.北京：中国统计出版社,2 0 2 2:8-18.2朱润孺，黄云，万玮，等.生活垃圾焚烧厂超低排放的改造路线 J.中国环境科学,2 0 2 0,40（3）：117 6-118 2.3 LU J W,ZHANG S K,HAI J,et al.Status and perspec-tives of municipal solid waste incineration in China:Acomparison with developed regions J.Waste Manage-ment,2017,69:170-186.4MCKAY G.Dioxin characterisation formation and minimi-sation during municipal solid waste(MSW)incineration:Review J.Chemical Engineering Journal,2002,86(3):343-368.5 方熙娟.SNCR-SCR脱硝技术在50 0 t/d垃圾焚烧炉的应用研究 D.北京：清华大学,2 0 15.6朱传强，茹晋波，扈明东，等.垃圾焚烧电厂高分子非催化还原(PNCR)脱硝技术应用分析 J.工程热物理学报,2 0 2 1,42(6):16 0 0-16 0 7.7冯波.河北省垃圾焚烧发电项目超低排放技改案例研究 J.科技创新与应用,2 0 19（2 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