生活垃圾焚烧烟气脱硫技术应用分析

梁 梅

(中国恩菲工程技术有限公司, 北京 100038)

0 前言

根据2020年6月《第二次全国污染源普查公报》数据，2019年全国生活垃圾焚烧处理量达1.2×108t/a； 2019—2020年，我国已投产垃圾焚烧厂由401座增至455座。2021年5月，国家发展改革委、住房城乡建设部日前发布《“十四五”城镇生活垃圾分类和处理设施发展规划》(发改环资〔2021〕642号)提出，到2025年底，全国城镇生活垃圾焚烧处理能力达到80万t/d左右，城市生活垃圾焚烧处理能力约占65%。由此可见，垃圾焚烧作为无害化最彻底、减容化最显著、可资源化利用程度最高的一种处理技术，已成为我国生活垃圾处理的主要方式[1]。近些年，生活垃圾组分中可燃物含量提高，根据现有项目烟气产生量分析，每吨垃圾焚烧产生的烟气量达5 300 Nm3，垃圾焚烧烟气特性复杂，所含污染物种类较多，含水率较高(约20%)，是垃圾焚烧不容忽视的问题。

生活垃圾焚烧烟气中含有1%左右的有害污染物，主要包括酸性气体、粉尘(颗粒物)、重金属和有机剧毒性污染物(二噁英、呋喃等)等几大类。原始焚烧烟气中SO2典型含量为200～800 mg/Nm3，HCl典型含量为600～1 200 mg/Nm3，HF典型含量为1～20 mg/Nm3[2]。考虑到HCl和HF相对容易去除，而SO2较难去除，同时SO2含量也是大气污染物总量控制指标，故文章以SO2为对象进行分析。按《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB18485—2014)(以下简称《标准》)中污染物的排放日均值计算，2025年每日生活垃圾焚烧产生的SO2排放量达339.2 t，年排放量为11.29万t，数量十分可观，会对环境造成很大的污染。因此，经济适用的脱硫工艺在生活垃圾焚烧项目上的应用研究，具有十分重要的意义。

本文基于国内垃圾焚烧烟气产生情况，对比各地垃圾焚烧烟气排放标准、国家标准和国际标准，以及各地采用的脱硫工艺，介绍半干法脱硫、干法脱硫以及湿法脱硫的方法原理、脱硫影响因素、设备、优缺点以及项目中存在的问题。

1 生活垃圾焚烧污染控制标准分析

目前国内已建成运营的生活垃圾焚烧发电厂烟气排放均执行《标准》，部分项目要求执行欧盟2010/75/EU要求。2020年第十三届全国人大三次会议上，政府报告指出生态环境方面要持续推进污染防治，巩固扩大蓝天保卫战成果，SO2、NOx排放量要下降3%。为了满足日益提高的环保要求以及相关政策要求，国内很多城市已出台生活垃圾焚烧污染控制方面的地方标准及要求,详见表1。

表1 各地垃圾焚烧污染控制标准指标对比

从表1可以看出，国内大部分重要城市对于SO2、NOx及粉尘三项大气污染物总量控制指标的排放限值进一步降低。以SO2为例，上海2013年已提出SO2日均排放值需与欧盟2010/75/EU一致(SO2≤50 mg/Nm3)，随后深圳、海南、河北以及天津对新建项目的SO2日均排放限值提出更为严格的要求，甚至低于燃煤电厂的超低排放限值(SO2≤35 mg/Nm3)。

《RISN- TGO22—2016生活垃圾清洁焚烧指南》[3]中明确提出烟气污染物总体控制的三道线，即现行国标、环境影响评价批复的污染物排放指标、按切实保证达标排放的工程余量即排放指标+工程余量。

按各地标准要求，上海、深圳、海南以及河北等地的地方标准中的SO2排放浓度要求均比现行国家标准严格。

2 烟气脱硫技术分析

垃圾焚烧行业烟气中SO2的脱除技术主要包括半干法脱硫、干法脱硫以及湿法脱硫三种，三种工艺区别在于中和剂和产物的形态不同以及最终的处理效果不同[13]，各有利弊。

2.1 半干法脱硫技术

在生活垃圾焚烧烟气净化工艺中，半干法通常利用喷嘴或高速旋转的旋转雾化器将石灰浆形成粒径极细的液滴，通过导流装置使烟气在反应塔内分布均匀，强化烟气与雾滴的混合和接触，使高温烟气和石灰浆雾滴之间进行热交换及反应，在有限的时间段内获得干燥反应物。半干法脱硫具有脱硫效率高(90%左右)、流程短、运行成本低等优点，不足之处在于浆液制备系统工序相对复杂，由于中和剂品质不一，许多项目出现雾化器磨损、堵塞等问题，对石灰品质要求较高。

2.1.1 机械旋转喷雾半干法

机械旋转喷雾半干法脱硫是国内垃圾焚烧行业普遍认可的主流技术。经处理后，烟气中酸性污染物浓度指标可达到欧盟2010/75/EU要求。机械旋转雾化器属于高速旋转设备，转速高达8 000～15 000 r/min,雾滴粒径为30～50 μm，雾化器容易出现堵塞、磨损等问题。目前普遍采用国外进口设备，如丹麦NIRO旋转雾化器、比利时SEGHERS旋转雾化器及美国K- S(Komline- Sanderson)旋转雾化器，三种雾化器性能比较见表2。

表2 三种进口旋转雾化器的性能表

2.1.2 固定喷嘴半干法脱硫

固定喷嘴法烟气脱硫技术采用双流体喷嘴，与机械旋转雾化器相比，雾化效果稍差，但其设备简单，投资低。该系统选用纯度大于90%的Ca(OH)2粉末调制成低浓度的石灰浆(8%左右)，雾滴粒径80 μm左右，脱硫效率约90%。该技术适用于单条线垃圾处理量为300 t/d的小型烟气处理系统。

2.2 干法脱硫技术

干法脱硫技术主要有两种方式，一种设置干式反应塔，如传统的循环流化床脱硫工艺(CFB)、改进后的增湿灰循环脱硫工艺(NID)以及增强干法工艺(IDR)，在火电厂以及循环流化床锅炉的烟气处理应用较多；另一种是在袋式除尘器前烟道上设置喷射点，喷入中和剂，主要反应在滤袋表面完成，这种方式作为半干法脱硫的辅助手段在目前的垃圾焚烧行业应用最广泛。干法脱硫技术优势在于工艺简单，设备投资和维护量较低，但脱硫效率相对较低，为70%～80%，中和剂以消石灰和碳酸氢钠为主，钙(钠)硫比高，消耗量大[14]。

采用碳酸氢钠粉脱硫时，粉末比表面积以及反应温度是决定其脱硫效率的两大因素。碳酸氢钠粉末在仓内储存易潮解成块，且粒径过大，粉末比表面积小，直接与烟气中的SO2接触时，反应不充分，反应效率降低，因此配置研磨机，将碳酸氢钠粉末研磨至粒径为20 μm左右，以增大比表面积，提高反应效率，并降低碳酸氢钠的消耗量。碳酸氢钠的脱硫效率与反应温度也有很大关系，有研究[16]表明在140～200 ℃下灼烧碳酸氢钠后，颗粒物孔隙分布均匀丰富，脱硫效率达95%，这很可能是因为孔隙率的增加，使SO2扩散至 Na2CO3颗粒内部，增加了反应时间和提高了反应效率，但当温度升高至280 ℃时，颗粒表面明显致密，多孔碳酸氢钠有可能发生烧结和孔道损失的现象，导致脱硫效率降低。

如果选择合适的反应温度以及增加研磨设备来增大药剂的比表面积及活性，碳酸氢钠脱硫效率可媲美湿法脱硫效率，但其设备投资、运行控制要求以及运行成本却比湿法脱硫技术低，可作为超低排放的可选工艺进行深入地探索研究。

2.3 湿法脱硫技术

湿法洗涤是一种比较成熟的脱硫技术，随着生活垃圾焚烧行业对酸性污染物排放标准的提高，湿法脱硫因效率高(≥95%)被行业采用。湿法塔一般设置在除尘器下游，采用NaOH作为中和剂。经湿法脱硫处理后，烟气温度一般降为65 ℃左右，因此需要配置烟气再加热装置，增加设备投资及场地，同时该工艺会产生高浓度废水，需单独设置废水处理站。总体而言，该技术设备投资高，运营费用高，占地较大。我国垃圾焚烧行业采用的湿法工艺主要引进日本三菱及日立造船株式会社的湿法脱硫塔，这两种脱硫塔塔体内部设计有所区别，效率和投资上相差不大。

2.4 组合工艺

根据烟气的不同特性和环保排放要求，可对上述烟气脱硫处理工艺进行不同的组合。

上海市共有生活垃圾焚烧发电厂11 座，焚烧处理设计能力1.38万t/d，其中江桥一期、金山一期以及崇明一期烟气净化工艺采用“SNCR+半干法+干法+活性炭吸附+布袋除尘”；江桥二期、老港一期及松江一期烟气净化采用“SNCR+干法+活性炭吸附+布袋除尘+湿法+烟气再热”工艺；黎明项目烟气净化采用“SNCR+干法+活性炭喷射+袋式除尘器+湿式洗涤塔+蒸汽加热器+活性炭吸附”工艺[17]。由此可以看出，上海市已建成的垃圾焚烧厂中，少部分焚烧烟气处理系统采用“半干法+干法”脱硫工艺，自2013年发布DB 31/768—2013生活垃圾焚烧大气污染物排放标准后，投运的项目均采用“干法+湿法”脱硫工艺。

深圳市已建及在建生活垃圾焚烧厂共13 座，焚烧处理设计能力2.635万t/d。其中平湖能源生态园一期和二期项目烟气处理采用“SNCR+半干法+干法+活性炭吸附+布袋除尘”工艺；南山能源生态园、盐田能源生态园、宝安能源生态园一期和二期烟气处理采用“SNCR+半干法+干法+活性炭吸附+布袋除尘+SCR”工艺；龙岗能源生态园、宝安三期、光明能源生态园以及龙华生态园烟气处理采用“SNCR+半干法+干法+活性炭吸附+布袋除尘+湿法+SCR”工艺。深圳近期建设项目烟气净化系统均采用“半干法+干法+湿法”的脱硫工艺，确保SO2排放浓度满足当地污染物控制标准要求。

海南省已有13座垃圾焚烧厂，生活垃圾焚烧处理能力达1.157 5万t/d，其中2018年后建设的9座垃圾焚烧厂的烟气净化处理均采用“SNCR+半干法+干法+活性炭吸附+布袋除尘+湿法+SCR”工艺，确保SO2排放浓度满足当地污染物控制标准要求。

根据《河北省生活垃圾焚烧发电中长期专项规划(2018—2030年)》(修订版)，2020年全省建成垃圾焚烧发电项目65项，已建垃圾焚烧发电厂烟气处理绝大部分采用“SNCR+半干法+干法+活性炭吸附+布袋除尘”工艺。雄安新区作为河北省管辖的国家级新区，正在建设的生活垃圾焚烧发电厂(3×750 t/d)烟气净化处理工艺为“SNCR+炉内干法+预除尘+碱液喷射+备用干法+活性炭吸附+布袋除尘+湿法+SCR”，确保雄安新区烟气污染物的达标排放。

浙江伊布提出“双干法+双袋式除尘器”的组合工艺，SO2排放浓度可达到超低排放要求，但目前在国内还没有应用业绩。

综上，我国早期城市生活垃圾焚烧项目多采用“半干法+干法”的脱硫工艺，而后期建设项目基本都增设湿法工艺来确保烟气中SO2稳定达标排放。

组合工艺处理效果好，但占地面积大、设备投资和运行成本高，各工艺在整体运行中如何分担达到最佳的运行效果，同时控制最优的运行成本尚在摸索之中。

3 结束语

生活垃圾焚烧行业主流的“机械旋转雾化半干法+干法”组合工艺能够满足SO2≤50 mg/Nm3的排放要求，但随着环保要求的提高，如地方标准的出台、环境影响评价的要求加严，生活垃圾焚烧项目多数选择配置湿法脱硫工艺来保证污染物的排放要求，虽然SO2的排放量将大大降低，但同时项目的投资及运行成本也将大幅提高，导致生活垃圾处理成本增加。经济效益与环境效益的和谐统一，将是生活垃圾焚烧厂烟气脱硫处理工艺的发展趋势，探索组合工艺中各技术的最佳分担比例、干法脱硫药剂以及稳定控制的最佳反应条件都可作为满足超低排放工艺进行深入研究的课题。