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垃圾焚烧发电过程中烟气超低排放改造技术探讨

北极星电力网新闻中心  来源:《中国环保产业》  作者:张勇 蔡银科等  2018/7/6 9:25:51  我要投稿  

北极星火力发电网讯:摘要:介绍了国内外垃圾焚烧烟气处理技术和燃煤电厂超低排放改造路线,重点探讨了垃圾焚烧实施烟气超低排放改造存在的局限性,提出了今后研究的方向。

引言

随着我国经济持续快速发展,城镇化和工业化进程日益加快,大气污染物排放急剧增加,大气环境污染日益严重。2014年9月,国家发改委、环保部、国家能源局联合印发《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014-2020年)》,超低排放(6%基准氧条件下,NOx≤50mg/Nm3,SO2≤35mg/Nm3,粉尘≤5mg/Nm3)的呼声越来越高,实施超低排放逐步成为一种方向和目标,特别是经济发达及严控区,地方政府纷纷鼓励要求垃圾焚烧等行业实施超低排放改造。本文主要对目前垃圾焚烧的国内外主流烟气处理技术及燃煤机组超低排放改造路线进行介绍,探讨垃圾焚烧发电厂实施超低排放

改造的局限性,并提出今后超低排放的研究方向。

1垃圾焚烧发电厂烟气处理技术

1.1垃圾焚烧发电厂的烟气特性

垃圾焚烧发电厂烟气的主要成分是由N2、O2、CO2和H2O等四种无害物质,占烟气容积的99%。因垃圾成分的不可控和燃烧过程的多变性,焚烧烟气中还含有1%左右的有害污染物。与燃煤烟气相比,烟气具有其独特性:

1)烟气含湿量大,一般达20%~30%;

2)烟气中有毒、有害成分复杂,包含多种微量金属,如Pb、Hg、Cr等;

3)烟气成分复杂,与燃煤锅炉不同,其不但含有O2、SO2、CO2、NOx等,还含有较多的HCl、HF等酸性气体;

4)存在二英和呋喃等致癌物质;

5)烟尘粒径细、黏度高,具有强磨琢性和冲击性。

1.2垃圾焚烧发电厂烟气处理技术

垃圾焚烧发电厂的烟气处理是根据烟气排放标准对烟气中的飞灰、酸性污染物(HCl、HF、SOx)、重金属及二英等有机污染进行控制。垃圾焚烧发电厂中烟气的处理一般分两步进行:一步是脱除烟气中的酸性污染物,主要有干法工艺、半干法工艺、湿法工艺等,酸性气体脱除工艺各有其优缺点,须综合权衡工程的各因素进行选择;另一步是粉尘的脱除,其中采用布袋除尘器是公认的最佳选择[1]。

1.2.1脱酸处理工艺

目前,生活垃圾焚烧发电厂采用的脱酸处理工艺主要是半干法、湿法脱酸以及半干法与湿法的组合。半干法工艺融合干法与湿法两种工艺的优点,Ca(OH)2的活性随相对湿度的增加而增加,保持脱酸塔内相对湿度对提高脱酸效率非常重要。半干法脱酸技术与干法工艺脱酸相比,较大幅度地提高了脱酸效率;与湿法工艺相比,其设备构造简单、投资相对较低、能耗较少。

《城市生活垃圾处理及污染防治技术政策》(建城〔2000〕120号)及《生活垃圾焚烧处理工程技术规范》(CJJ90-2002)中,明确“烟气处理宜采用半干法加布袋除尘工艺”。半干法脱酸技术应用较多的主要有旋转喷雾半干法和循环悬浮式半干法两种工艺,且各有优点。与干法和湿法工艺相比,两种工艺均能使处理后的烟气达到生活垃圾烟气超低排放标准,投资运行成本较低,且本身产生的环境污染较少。目前,国内的垃圾焚烧发电厂除上海老港电厂以及在建中的杭州九峰电厂脱酸工艺采用湿法处理外,湿法工艺应用于生活垃圾焚烧发电厂的案例较少。

旋转喷雾半干法工艺流程见图1。

1.2.2脱硝处理工艺

生活垃圾焚烧发电厂中NOx的处理技术主要包括选择性非催化还原工艺(SNCR)和选择性催化还原工艺(SCR)。目前,国内的垃圾焚烧发电厂大多采用SNCR脱硝技术,新建的垃圾焚烧发电厂部分采用SCR脱硝技术。垃圾焚烧发电厂中SNCR工艺运用较多,在炉膛850℃~950℃的温度范围内,SNCR工艺的脱硝效率在30%~60%之间,但也存在脱硝效率低、锅炉结垢、水冷壁腐蚀等问题。

目前,SCR工艺脱硝效率较高,可达80%左右,用于生活垃圾焚烧发电厂的主要是低温SCR工艺,低温SCR反应器多布置在脱酸与袋式除尘系统之后,考虑到烟气温度需高于酸性气体露点温度15℃,一般运行温度在150℃~180℃。

部分生活垃圾焚烧发电厂采用SNCR/低温SCR组合脱硝工艺,脱硝效率可达80%左右,但生活垃圾烟气中的重金属以及粉尘容易导致催化剂失活,实际运行效果较差。

2烟气超低排放改造技术

《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014-2020年)》中提出:“因厂制宜采用成熟适用的环保改造技术,除尘可采用低(低)温静电除尘器、电袋除尘器、布袋除尘器等装置,鼓励加装湿式静电除尘装置;脱硫可实施脱硫装置增容改造,必要时采用单塔双循环、双塔双循环等更高效率脱硫设施;脱硝可采用低氮燃烧、高效率SCR(选择性催化还原法)脱硝装置等技术”。

2.1脱硝技术

脱硝系统多采用低NOx燃烧器+SCR催化剂组合的方式,该类系统技术成熟,运行可靠。烟气超低排放改造与常规电站相比较,脱硝系统区别主要在于SCR催化剂的填装层数,改造工程多将原有备用层直接装填,改造后系统脱硝效率可以提升至85%~90%,采用现有技术基本可以满足超低排放NOx﹤50mg/Nm3的要求。

2.2脱硫技术

脱硫装置出口SO2浓度控制与煤质的含硫量、脱硫装置脱硫效率等密切相关。其中合理控制煤质的含硫量,可有效降低脱硫装置的负荷,更加科学合理地控制SO2排放。

超低排放技术采用的新技术有:双托盘、性能增强环、增加喷淋层、增加浆液泵等;对于改造机组,可采用增加一座吸收塔的方式,改进后系统脱硫效率达到98%~99%,可以满足超低排放SO2﹤35mg/Nm3要求。

2.3除尘技术

燃煤电厂超低排放改造的重点和关键在于粉尘的达标排放[4]。针对国内燃煤电厂使用的除尘设备80%以上为电除尘器,同时借鉴发达国家先进的电除尘技术,可采用“协同控制”和“末端治理”的技术路线,如图2。

(1)以低低温ESP为核心的烟气协同治理技术路线:即通过烟气冷却器或烟气换热系统降低电除尘入口烟气温度至酸露点以下,一般为90℃左右,烟气中大部分SO3会在烟气冷却器中凝结,并被吸附在粉尘表面,使粉尘性质发生很大变化,大幅度提高除尘效率,同时除去大部分SO3。

(2)湿式电除尘技术路线:主要在脱硫塔后增加湿式电除尘装置,保证粉尘达标排放。

3垃圾焚烧发电厂超低排放改造存在的局限性

垃圾焚烧发电厂烟气净化工艺目前主要采用“半干法脱硫+活性炭喷射+布袋除尘”,并根据NOx排放情况设有选择性非催化还原(SNCR)脱硝。垃圾焚烧发电厂达到超低排放标准,参照目前燃煤锅炉采用的超低排放技术,结合《生活垃圾焚烧处理工程技术规范》(CJJ90-2009)要求,采用的组合工艺路线见图3。

湿法脱酸主要通过碱性溶液(NaOH、Ca2(OH)2等)将酸性气态污染物SO2、HCl等吸收。湿法脱酸的效率较高,对HCl的脱除效率可达99%以上,SOx脱除效率在90%以上,且部分重金属以氢氧化物的形式沉淀出来。但湿法脱酸会产生大量废水,需配置废水处理设施,设备占地面积大,投资运行费用高,普遍存在着腐蚀、结垢、阻塞、风机带水等问题[6],目前在国内的应用案例较少,一般只作为干法和半干法工艺后尾气的深度净化措施。

垃圾焚烧烟气中的烟尘含量大、烟气灰分黏度高,催化剂如布置在省煤器之后容易堵塞,且垃圾焚烧烟气中氯化氢与硫氧化物极易造成催化剂活性降低。因此SCR装置一般设置在脱酸除尘之后,多采用低温型SCR催化剂。但湿法脱硫和湿式电除尘之后烟气温度较低,烟气湿度较大,对低温催化剂的影响较大。

目前实验研究报道的低温SCR催化剂在低温条件下都具有一定的脱硝效率,但在低温条件下,催化剂容易受SO2和H2O的影响而失去活性。SO2和H2O的毒性作用是低温催化剂难以实际应用的主要原因。HuangZG等研究也表明,H2O可以和催化剂表面催化还原NOx的活性位发生竞争吸附,从而抑制NOx的脱除效率,并且会增加硫酸铵盐的累积,从而加速催化剂的中毒。

在低温SCR催化剂应用方面较为领先的是壳牌公司(Shell),该公司20世纪90年代开始研究低温DENOx系统(SDS),其包含一种专有适用垃圾焚烧发电厂的V/Ti颗粒状催化剂和一个低压降的侧流反应器(LFR),可以同步催化NOx和分解二英。典型的商业应用级SDS,在170℃~300℃条件下,可在很小的氨逃逸下达到95%的NOx转换率。SDS效果对烟气要求存在如下要求。

(1)反应温度:催化剂活性温度区间为170℃~300℃(最佳温度为240℃~280℃),焚烧烟气经湿法处理后,到达催化反应器的温度约60℃。因此,必须对焚烧烟气进行再加热处理,使烟气温度提升至200℃左右,以达到最佳催化效果,故能耗较大。

(2)SO2含量:要求进入催化反应器烟气中的SO2含量在50mg/m3(S.T.P.,干)以下。如烟气中SO2含量过高,由于反应活性位的竞争,会严重影响催化剂催化氧化脱除NOx、二英/呋喃类的效率。

(3)粉尘:要求进入催化反应器的烟气粉尘含量低于10mg/m3(S.T.P.,干),由于催化剂无法对灰尘吸附的二英/呋喃类进行催化氧化作用,经过催化反应器后,被灰尘吸附的二英/呋喃类会有一部分再次释放到烟气中。如果烟气中的灰分含量过高,则被吸附的二英/呋喃类不能通过催化剂脱除,也达不到排放限值要求。从催化剂的应用条件可看出,SDS应用于垃圾焚烧发电厂等复杂烟气成分存在一定局限性,适用于处理燃气或天然气在加热器、窑炉、锅炉、燃气发动机和燃气轮机中燃烧产生的NOx烟气。

此外,为维持催化剂的活性,需要选择在200℃以上环境中进行催化反应,但是为防止二英类再合成,要求温度不断下调,在300℃以下时,会生成氯化铵,导致催化剂中毒。

4结语

实施超低排放应充分考虑行业的实际情况循序渐进地推进,尽管相关燃煤锅炉超净排放技术已趋于成熟,但应用于垃圾焚烧烟气净化还存在一定的问题。垃圾焚烧烟气中的污染物成分复杂,目前的主流技术路线是“SNCR+半干法脱酸+活性炭喷射+布袋除尘”组合工艺,能达到现行的污染物排放标准。

随着环保要求的不断提高,垃圾焚烧实施超低排放工艺仍需做进一步研究,可从以下方面探讨:1)从源头处理,对垃圾实施分类收集运输及对垃圾进行相应的预处理,减少重金属及含氯类垃圾进炉焚烧,以减少烟气污染物的生成;2)湿法脱酸作为后续烟气的深度净化,会产生大量废水,因此应研究如何提高半干法脱酸工艺的效率以减少后续湿法废水排放;3)开发高效催化剂用于二英及NOx的综合降解,以减少系统的复杂性;4)目前低温催化剂对烟气条件要求较高,并且昂贵,对高效、经济、实用的低温催化剂需做进一步研究。

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