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某垃圾焚烧发电厂烟气净化系统优化方案比 燃煤锅炉

发布日期:2021-07-20 13:00:20浏览次数:

某地拟建生活垃圾焚烧电厂,由于当地环境容量限制及地方政策原因,对烟气排放指标要求较高,常规垃圾焚烧电厂烟气净化工艺(SCR脱硝+干法/半干法脱硫+活性炭吸附=恶英及重金属+布袋除尘)无法满足要求,在新增湿法脱酸及SCR脱硝后可达到要求。对烟气净化流程进行了优化,比较两个可行方案后得出较优方案。

上海市政府为解决垃圾填埋处理时占地面积大、对周边环境影响大等问题,拟在市外郊建设一座日垃圾处理量6000t的生活垃圾焚烧厂,余热用于发电及地区供热。由于上海是中国的经济中心,地区人口密度大,能源消耗高,地区环境容量已达极限。

因此,尽管该垃圾焚烧厂建设地为远郊,地方政府仍对该项目的烟气排放指标提出了很高要求,要求NOx排放水平应低于80mg/m3;生活垃圾焚烧厂则进一步提出烟气净化设备应具备NOx排放低于50mg/m3的能力,以满足可能进一步提升的排放要求。

这一指标要求已远低于当前最严格的上海市地方排放标准及欧盟2000标准,常规的垃圾焚烧烟气净化工艺———SNCR脱硝+干法(半干法)脱酸+活性炭吸附二恶英及重金属+布袋除尘———已无法达到这一要求,新增湿法脱酸及SCR脱硝工艺才能满足。

新增的这两个工艺均会带来烟气温度的反复变化,特别是湿法脱酸后烟气温度会明显下降,而将烟气再加热会造成能源的损失。因此有必要对整个烟气净化系统进行总体布置调整,在满足烟气排放要求的前提下尽量减少能量损失,最得最佳经济效益。

1垃圾焚烧烟气的主要污染物

当前垃圾焚烧已成为生活垃圾处理的主要手段。生活垃圾焚烧后重量减量至10%、体积减量至5%以下,灰渣经处理后可再利用或填埋,既减少了土地占用,又减少了对地下水污染的风险,同时余热还可以用于发电及供热,是垃圾处理的较好途径。垃圾焚烧也会带来新的问题。

我国由于垃圾分类开展得并不好,垃圾焚烧后除灰渣应进行特别处理外,烟气中也带有大量的污染物,在向大气排放前应进行特别处理。由于垃圾成分的特殊性,垃圾经燃烧后产生的烟气中主要污染物为:烟尘、SO2、HCl、NOx、二恶英类(PCDD/PCDF等)、重金属等。

本项目考虑采用炉排炉,只在启动中使用轻柴油提高炉温,正常运行中处理垃圾时不需掺入其他可燃物。按垃圾处理量6800t/d计,设计8条焚烧线,每线处理量850t/d。由于不同厂家采用不同的燃烧技术,燃烧中投入的过量空气系数也不相同。

典型设计在基准垃圾(设计热值2000kcal/kg)情况下燃烧产生烟气量为15×104m3/h,各主要污染物浓度见表1。

表1燃烧后烟气量及主要污染物浓度

需要说明的是,在焚烧炉的出口二恶英类浓度已接近零,但由于余热锅炉中烟气温度逐渐下降,部分已分解的二噁英类再次合成,需要在烟气净化系统中进一步处理;在炉内会进行SNCR脱硝处理,炉膛出口烟气中的NOx浓度已下降至150mg/m3,需在后续的烟气净化系统中做进一步处理。

2垃圾焚烧烟气污染物处理技术

本垃圾焚烧发电项目烟气排放标准见表2。

表2垃圾焚烧烟气排放指标

表中GB18485-2014为《生活垃圾焚烧污染控制标准》;DB31/768-2013为《上海市生活垃圾焚烧大气污染物排放标准》;各值均以标准状态下含11%O2的干烟气为参考值换算。DB31/768-2013中二恶英类排放指标为0.1ngTEQ/m3,本项目设计二恶英类排放值为0.05ngTEQ/m3。

2.1烟尘

可采用静电除尘或布袋除尘,但考虑配合后端其他烟气净化设备运行及更低的烟尘排放水平,垃圾焚烧电厂更多使用布袋除尘方式。

2.2重金属

采用活性炭吸附,再通过布袋除尘器进行收集,主要吸附反应发生在布袋表面。

2.3二恶英类

采用活性炭吸附,再通过布袋除尘器进行收集,最终进入飞灰,主要吸附反应发生在布袋表面。在合适的脱硝催化剂作用下也能脱除一部分,使最终排放浓度降至极低。

2.4 HCl/HF

这是两种易被吸收的污染物,采用干法(通过向烟气中喷入干性吸附剂(消石灰CaOH2))即可达到去除效率80%以上;也可通过半法喷入消石灰浆液以达到去除效率90%以上;若经过湿法喷淋塔中喷入NaOH溶液效率可达到95%以上。

2.5 SO2

与HCl类似,可通过干法、半干法、湿法进行脱除,但效率差别明显。依据已有运行经验,通常在入口烟气中SO2浓度为300mg/m3情况下,干法、半干法、湿法进行脱除效率分别为50%、70%、95%。

2.6 NOx

去除NOx的方法分为两种:炉内SNCR和尾部烟气中设置SCR。炉内SNCR方法在原生NOx浓度约300mg/m3时脱除效率约为50%,可保证出口NOx浓度150mg/m3。尾部烟气净化装置中设置SCR则需利用专门的催化剂。SCR是利用把氨气喷入催化剂反应塔内,去除NOx的设备。SCR可以进一步降低NOx浓度到50mg/m3以下。

脱硝催化剂选择需考虑三个因素:入口含尘量、入口SO2浓度与运行温度,其中入口含尘量主要是考虑减少对催化剂的磨损与堵塞。解决此问题有两种方案,一是向催化剂中添加物质降低SO2转换率,但目前尚无一种催化剂可降低转化率到零;二是将反应选择在高温段(330~450℃),这样生成的NH4HSO4会马上分解而不影响系统运行。

本项目设计余热锅炉省煤器排烟温度为180℃,考虑运行较长时间(8000h)后炉内受热面粘污会使排烟温度上升到约210℃,这都远低于高温催化剂的应用温度段;且若将SCR放在高炉内高温段会因烟气中大量的重金属而造成催化剂中毒,系统也无法运行,因此需考虑新的方案。

当烟气中的SO2浓度极低时,即使在较低温度下SO2转化率较高,也不会形成大量的NH4HSO4而影响系统运行,因此控制SCR入口SO2浓度就成为一种合适的方法。使用催化剂在合适工况下运行,SCR的脱硝效率可达95%,同时还可脱除部分二恶英类,使二恶英排放水平降至0.05ngTEQ/m3以下。

3垃圾焚烧烟气净化方案及经济性对比

3.1方案的形成

为了除去烟尘及吸附重金属、二恶英类,通常会布置布袋除尘器,且位于活性碳喷射、干法喷射后、其他烟气净化设施前。为了降低总体排放水平,同时减少运行成本,考虑用干法(或半干法)配合湿法进行除酸。由于SCR催化反应需要较低的SO2浓度,SCR反应器通常位于脱酸设施后方。

湿法脱酸有着更好的效果,但也有着更高的运行物料成本、烟气温度的大幅下降,会给其他烟气净化设施带来一定影响,烟气再加热升温会带来能量损失,因此在系统中的布置位置需全面考虑。使用改性PTFE材料的GGH可以在过程中最大程度地回收热能,同时避免烟气腐蚀的影响。

NOx的去除分为两阶段:先通过炉内SNCR降低烟气中NOx含量至150mg/m3,再通过尾部SCR反应器将排烟NOx降至50mg/m3。综合以上考虑,设计如下两个全烟气净化流程:方案一:炉内SNCR+减温塔降温+活性碳喷射+干法(Ca(OH)2粉末)喷射+布袋+湿法塔(中间使用GGH回收热量)+SGH+SCR,其中在SGH前再增加一套金属管式换热器回收部分热量。具体流程见图1。

图1烟气净化组合工艺流程方案一(湿法塔在前)

方案二:炉内SNCR+半干法(减温塔内喷Ca(OH)2浆液)+活性碳喷射+干法(喷小苏打或Ca(OH)2粉末)+布袋+管式换热器+SGH+SCR+湿法塔(中间使用GGH回收热量)。具体流程见图2。

图2烟气净化组合工艺流程方案二(湿法塔在后)

3.2方案对比

方案一:烟气进入减温塔前约180~210℃,减温且喷入干粉后进入布袋前降到干法适合的反应温度160℃,出布袋达到155℃,此时烟气中重金属及二恶英类随烟尘一并被去除,HCl及SO2被去除大部分,经GGH降温后进入湿法塔,去除绝大部分酸性污染物,SO2含量低于5mg/m3,烟气温度降至60℃,经GGH、热管换热器及SGH加热升温至180℃进入SCR催化反应,去除最后的NOx及二恶英类,降温至140℃后清洁排放。烟气净化方案一过程参数见表3。

表3烟气净化方案一中各环节烟气污染物指标(设计值)

优点:烟气经过干法及湿塔后SO2含量已很低,完全满足SCR催化剂要求,脱硝催化反应温度可以降到较低(180℃)。缺点:烟气温度经过湿法塔后降至较低温度,为保证进入SCR催化反应温度需对烟气进行再加热,消耗较多蒸汽。

进入烟囱排放的烟气温度较高,造成能量浪费。方案二特点:烟气进入减温塔前约180~210℃,使用半干法在减温塔内喷入石灰浆液,同时对烟气进行减温至合适反应温度,再在管道内使用干法喷入碳酸氢钠及活性碳,在布袋上反应去除烟气中重金属及二恶英类,HCl及SO2也较方案一中去除更多。

此时烟气中SO2含量约为35mg/m3,基本达到SCR催化剂允许运行范围(但需提高反应温度至230℃),经SGH加热烟气后进入SCR催化反应,去除NOx及二恶英类。再视烟气指标情况进入湿法塔进行进一步的烟气净化脱酸,最后根据需要使用GGH(PTFE材料)提高烟气温度或使用钛合金烟囱内筒排烟。方案二过程参数见表4。

表4烟气净化方案二中各环节烟气污染物指标(设计值)

优点:减少了烟气温度反复变化,降低加热烟气的能耗;半干法及干法的使用减少湿法中NaOH溶液用量及洗烟废水的生成量。缺点:半干法除酸工艺增加了一套设备,造价增加;进入SCR反应器中烟气SO2浓度可能会超标,催化剂脱硝运行存在一定的风险;排入烟囱烟温过低可能会产生“白雾”。

4结语

从上述分析可以看出,两种垃圾焚烧烟气净化方案均是可行的。虽然方案二比较节能,用于烟气再加热的蒸汽量会更少些;但对于垃圾焚烧厂蒸汽参数均不高的情况下,烟气加热到230℃必须要使用主蒸汽或是饱和蒸汽,而加热到200℃使用高压抽汽就可以了。

另外,为了确保SCR催化剂的正常运行,方案一中经湿法塔后烟气中SO2浓度较低,对提高系统可靠性有利。因此,选择烟气净化方案一。方案一中排烟温度较高(约140℃),后期运行中可以考虑进一步的节能措施,对方案一进行优化。

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