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垃圾焚燒電廠煙氣超低排放路線對比與分析

  來源:鍋爐技術 | 發布時間:2019-10-15

  北斗智庫環保管家網訊:隨著環保要求的不斷提高,對垃圾焚燒電廠實施超低排放的必要性日益凸顯。以某2臺600t/d垃圾焚燒電廠為例,對其煙氣凈化系統的超低排放技術路線進行探討,通過對4種超低排放路線的系統能耗進行對比和分析,給出了垃圾焚燒煙氣超低排放系統的優化建議。
 
  前言
 
  根據住建部2018年統計數據,截至2017年底,我國共有生活垃圾無害化處理廠1013座,處理垃圾總量12 037.6萬噸,僅占產生垃圾總量的57%,焚燒電廠286座,焚燒總量為8463.3萬噸,僅占無害化處理總量的40%,垃圾焚燒發電在我國仍有較大的市場前景和空間。而垃圾焚燒發電作為新能源重要板塊,利國利民,受政策鼓勵和支持,卻頻頻因周邊鄰避問題被地方居民抵制,究其原因在于垃圾焚燒一方面有效利用能源;另一方面產生的環境污染也給周邊居民健康帶來了很大影響。為避免因能源發展而帶來環境的二次污染,我國出臺了針對垃圾焚燒的煙氣排放控制標準GB18485-2014。近年來,隨著能源行業不斷發展,垃圾焚燒電廠和各大工業污染的排放總量不斷攀升,國家和地方各級對污染物排放的控制要求也日趨嚴格。2014年9月,國家發改委、環保部、國家能源局聯合印發《煤電節能減排升級與改造行動計劃(2014-2020年)》,大力倡導煤電行業污染排放向燃氣機組排放限值(超低排放限值)靠近。在這種新形勢下,國內垃圾焚燒電廠開始逐漸推行超低排放的控制標準,并于2017年開始投運了首套垃圾焚燒發電廠煙氣超低排放系統。
 
  超低排放規定為目前世界同類行業標準中最為嚴苛的大氣污染物排放規定,其污染物限值的提出和推行,充分顯示了國家對大氣污染防治的決心與力度。
 
  本文將以某2×600t/d垃圾焚燒電廠的煙氣凈化系統為例,結合4種超低排放路線的系統能耗和系統可靠性進行分析,得出4種路線的優缺點,并結合工程應用情況,給出了合理的煙氣系統優化建議,為垃圾焚燒電廠煙氣超低排放提供了切實可行的依據。
 
  1 垃圾焚燒電廠的煙氣超低排放標準
 
  目前,我國針對垃圾焚燒發電廠的煙氣排放,主要使用的標準有:《生活垃圾焚燒污染控制標準》(GB18485-2014);《歐盟工業排放指令》(2010/75/EU);超低排放規定(GB13223--201I燃氣機組排放限值)。這三種標準所規定的煙氣污染物排放限值見表1(各標準均以標準狀態下11%O2的干煙氣為參考值換算)。
 
  由于目前我國工業排放所采用的超低排放限值均引用自《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223-2011)中有關燃氣機組的污染物排放限值規定,該標準中并未對垃圾焚燒所產生特定的污染物,如重金屬、二嗯英類、HCl、HF等進行限值規定,因此本文中對于垃圾焚燒所產生的重金屬、二嗯英、HCl、HF等的超低排放限值主要取用歐盟相關限值標準。由各排放標準對比可知,歐盟標準比GB18485--2014標準更嚴格,而煙氣超低排放限值則比歐盟標準更嚴苛。
 
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  2垃圾焚燒電廠的煙氣超低排放路線
 
  2.1余熱鍋爐煙氣排放參數
 
  以國內某垃圾焚燒電廠為例,該電廠生活垃圾入爐焚燒量為2×600t/d,產生煙氣量(濕基)為2×113220Nm3/h,余熱鍋爐排煙溫度為190℃。垃圾焚燒余熱鍋爐出口煙氣成分見表2,煙氣中污染物組分見表3。
 
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  2.2煙氣凈化工藝路線設計
 
  目前,我國大部分垃圾焚燒電廠煙氣凈化系統配置為:選擇非催化脫硝系統(SNCR)+旋轉噴霧干燥脫酸(SDA)+于法脫酸+活性炭吸附+布袋除塵器,此煙氣凈化工藝可使煙氣污染物的排放滿足國家標準GB 18485—2014和歐盟2010/75/EU標準(見表1)要求,若要使煙氣中的污染物排放進一步達到超低排放限值規定,則需要進一步將煙氣中的SO2和NOx,含量分別降低到35 mg/Nm3和50 mg/Nm3,煙塵排放從30 mg/Nm3降低到10 mg/Nm3。為進一步降低煙氣污染物排放,則需要對傳統工藝流程進行改進,并疊加后段煙氣深度凈化工藝。
 
  考慮到垃圾焚燒煙氣特點及前段煙氣凈化工藝流程,煙塵超低排放可通過提高布袋除塵器材質和性能進一步達標,酸性氣體和氮氧化物則需要增加配置濕法煙氣洗滌系統和SCR脫硝系統來實現,工藝路線見圖1和圖2。
 
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  濕法煙氣洗滌主要采用高效NaOH溶液,與煙氣中的酸性氣體充分接觸并快速反應,達到除去SOx和HCl、HF的目的。同時,煙氣中的少量煙塵和部分Hg的化合物也將在洗滌過程中得到進一步吸收去除。煙氣洗滌系統產生少量廢水,可用于半干法脫酸的石灰漿液制備,達到洗煙廢水零排放效果。
 
  SCR脫硝系統,根據催化劑的活性溫度區間,可分為中溫SCR和低溫SCR。中溫SCR主要采用催化劑活性溫度區間為210℃~250℃,低溫SCR采用的催化劑活性溫度區間為180℃~210℃。由于煙氣經過SDA急降溫和布袋除塵之后,煙氣溫度在145℃~160℃,而SCR所需溫度為180℃~250℃,因此為確保脫硝反應的正常進行,需要將煙氣系統溫度整體提升到SCR的反應溫度區間。
 
  目前主要采用的煙氣升溫方法有2種:(1)通過煙氣煙氣換熱器(GGH)有效利用系統自身熱量來調節系統進出口煙溫;(2)利用蒸汽煙氣換熱器(SGH),抽取汽包蒸汽或汽輪機蒸汽來加熱煙氣。而SGH所用蒸汽作為電廠的高品質熱量,其消耗量將直接影響到煙氣系統能耗和整廠熱效率。因此如何合理控制蒸汽的消耗量,同時滿足煙氣系統需求,則是我們要研究的重點問題。
 
  2.3煙氣超低排放技術路線對比
 
  對于傳統的垃圾焚燒煙氣凈化工藝,技術成熟,運行穩定可靠,本文將不再贅述,下面將重點討論后段濕法煙氣洗滌+SCR脫硝系統,來研究垃圾焚燒煙氣超低排放系統的能耗及運行可靠性問題。
 
  2.3.1超低排放進口煙氣參數
 
  經煙氣系統物料計算(含系統漏風),布袋除塵器出口煙氣量:119 900 Nm3/h,溫度:155℃,煙氣組分見表4,污染物濃度見表5。
 
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  2.3.2超低系統能耗分析
 
  在超低排放系統中,GGH為煙氣系統內部熱量合理利用,SGH為外部能量補人,主要用于SCR脫硝系統的煙氣升溫。通過對SGH所消耗能量的對比,可看出超低排放系統的能耗情況。
 
  (1)路線1A:低溫SCR+濕法酸洗
 
  為更好利用布袋出口的煙氣熱量,減少系統補充能耗,將SCR系統前置。按照SCR運行溫度200℃進行計算,則系統溫度分布情況見圖3。
 
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  SGH能耗:煙氣量Q=119900Nm3/h,△T=25℃,蒸汽消耗量:207℃,1.8MPa,2.66 t/h,煙氣吸熱量:1187.5 kW。
 
  (2)路線1B:濕法酸洗+低溫SCR
 
  煙氣先經過濕式洗滌,脫除酸性氣體后,再進入SCR系統進行脫硝。在酸洗過程中,煙氣溫度降低,濕度增加,煙氣量上升,系統溫度分布見圖4。
 
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  SGH能耗:煙氣量Q=122546Nm3/h,△T=30℃,蒸汽消耗量:207℃,1.8MPa,3.27t/h,煙氣吸熱量:1460 kW。
 
  (3)路線2A:中溫SCR+濕法酸洗
 
  SCR系統前置,按照SCR運行溫度230℃進行計算,則系統溫度分布情況見圖5。
 
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  SGH能耗:煙氣量Q=119900Nm3/h,△T=35℃,蒸汽消耗量:260℃,4.7MPa,4.23t/h,煙氣吸熱量:167 kW。
 
  (4)路線2B:濕法酸洗+中溫SCR
 
  濕法煙氣洗滌前置,脫除酸性氣體后進入SCR系統脫硝。SCR運行溫度按照中溫230℃進行計算,則系統溫度分布情況見圖6。
 
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  SGH能耗:煙氣量Q=122546Nm3/h,△T=40℃,蒸汽消耗量:260℃,4.7MPa,4.95 t/h,煙氣吸熱量:1 960 kW。
 
  小結:4種技術路線的SGH能耗對比見表6。
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  2.3.3系統可靠性分析
 
  根據中、低脫硝催化劑運行特點,當SCR系統入口SOx含量小于50mg/Nm3時,可保證催化劑在200oC以下運行的脫硝效率及催化劑壽命,防止催化劑中毒發生。當SCR系統人口SOx,含量小于80mg/Nm3時,可保證催化劑在230℃以下運行的脫硝效率及催化劑壽命,防止催化劑中毒發生。因此,煙氣超低排放系統路線的選擇與前段傳統工藝路線的脫酸效率及入口SOx總量密切相關。
 
  (1)當鍋爐出口SOx濃度超過500mg/Nm3時,半干法+干法系統很難將布袋出口的SOx濃度降到50 mg/Nm3以下,此時應采用技術路線1B或者2A;
 
  (2)當鍋爐出口SOx濃度小于500mg/Nm3時,通過提高半干法+干法系統效率,將布袋出口的SOx濃度降到50mg/Nm3以下,此時推薦采用技術路線1A,可大大降低SCR系統能耗;
 
  (3)技術路線2B系統能耗較高,相對保守,并不推薦使用。
 
  2.3.4綜合分析
 
  根據以上分析,得出結論:
 
  (1)SCR前置+濕法酸洗后置技術路線,可有效利用布袋出口余溫,減少SCR系統的蒸汽能耗,提高全廠效率。當低溫SCR催化劑運行溫度要求低于170℃時,蒸汽消耗量更少,系統節能更為明顯。(延展:2019年4月,國內某垃圾焚燒煙氣處理系統公開招標,明確要求采用超低溫催化劑,SCR運行溫度不超過170oc)。
 
  (2)中溫催化劑相較于低溫催化劑,其性能較為穩定,價格相對較低,但是在長期運行過程中的蒸汽能耗高,SGH設備對于蒸汽品質的要求高,設備造價相對較高。
 
  (3)當布袋出口的SOx含量小于50 mg/Nm3時,推薦優選低溫SCR+濕法酸洗路線,減少系統運行能耗。但低溫SCR對于前端脫硫系統的要求較高,對煙氣波動的適應性較差,因此在系統設計及催化劑性能選擇方面應進行綜合考慮。
 
  3 結語
 
  隨著國家對環保要求的不斷提高,垃圾焚燒實施超低排放已經進人市場運營化階段,但對于垃圾焚燒煙氣的超低排放路線研究仍然有較大的可優化空間,包括對濕法酸洗工藝、脫硝催化劑研究,對煙氣凈化設備的優化設計,系統能耗優化等方面仍有較大的擴展空間。
 
  (1)在選擇工藝路線時,兼顧全廠系統能耗和工藝設備性能以及運維投入,綜合考慮垃圾焚燒電廠全維度周期的經濟性、合理性。
 
  (2)提高半干法+干法組合工藝的脫酸效率,提高催化劑的可靠性和使用壽命,減少后續濕法廢水排放,降低煙氣系統運維成本。
 
  (3)進一步加強超低溫催化劑(運行溫度約為170℃)在垃圾焚燒煙氣治理領域內的研究和推廣。

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