作者：中城环境张蒙雨、翟力新、龚燊
近年来，很多省市提出了垃圾焚烧烟气排放的地标要求，生活垃圾焚烧项目普遍面临NOx提标改造的问题。
本文在阐述活性焦的特性、脱硝原理与脱硝效率的基础上，深入分析活性焦脱硝工艺在垃圾焚烧领域的可行性，并从技术与经济角度，将活性焦脱硝工艺与常用的深度脱硝工艺SCR和PNCR工艺进行对比分析。
经济分析的结果表明，活性焦脱硝工艺的吨垃圾运行成本比SCR工艺低约 25%，比PNCR低约15%。活性焦脱硝的投资运行总成本比PNCR高，静态总成本高约20%，动态总成本高约12%；但比SCR低，静态与动态总成本均低约 6%。
01 引言
近年来，我国多地生活垃圾焚烧行业烟气排放标准不断提高，如河北、河南、福建等地。多地地标中，对于氮氧化物的排放标准均比国标有所提高。我国生活垃圾焚烧常规烟气处理工艺主要为 “选择性非催化还原 SNCR +半干法脱酸 + 干法脱酸 + 活性炭喷射 + 布袋除尘器”，其中，脱硝工艺仅为SNCR，即可达到GB18485—2014《生活垃圾焚烧污染控制标准 》的要求，但基本无法达到地标要求。因此，生活垃圾焚烧项目普遍面临NOx处理系统亟需提标改造的问题 ，常用改造技术为在 SNCR的基础上，叠加选择性催化还原SCR技术或者高分子脱硝技术PNCR。然而SCR技术的投资与运行费用较高，运行费约为SNCR的4 ~ 5倍，且其催化剂容易中毒。
生活垃圾焚烧深度脱硝时，采用中温或者低温 SCR工艺，其运行温度约为240 和180℃。SCR常设置于布袋除尘器后端，而布袋除尘器出口处烟气温度仅为150 ℃，因此，需采用蒸汽将布袋除尘器出口烟气温度加热至180~240℃，才能满足低温或者中温SCR催化剂对运行温度的要求，导致能耗高，造成大量蒸汽浪费，降低了生活垃圾焚烧电厂的发电量。
PNCR技术工程应用时，虽然经济性优于SCR 技术，但控制氨逃逸的难度较高，故障率高，对运行操作人员的要求高。综上，生活垃圾焚烧行业需持续探索技术可靠、运行稳定，且更加经济的深度脱硝工艺。
活性焦脱硝工艺目前常应用于焦炭、钢铁等行业的烟气脱硝处理中。活性焦价格低易得，且不易中毒，其最优运行温度为与生活垃圾焚烧常规烟气处理工艺出口温度接近，无需对布袋除尘器出口烟气进行升温或者降温，即可直接进入活性焦脱硝工艺进一步脱硝，其在脱硝的同时，还具备去除重金属与二噁英的能力。现有报道中，鲜见其在生活垃圾焚烧领域中的工程应用，研究将从技术、经济等领域多视角地深入探讨其在生活垃圾焚烧烟气处理领域应用的可行性。
02 活性焦脱硝效率
活性焦本身由煤炭制备而成，具有一定的浅化活性，可在脱硝反应中作为碳基催化剂；此外，活性焦还具有一定的强度与耐磨性，可在实际工程中进行应用。
活性焦的脱硝原理主要是烟气中的NOx与H2O，O2 在活性焦的催化作用下反应生成HNO2，其再与加入反应器中的脱硝剂NH3反应生成NH4NO2。然而，NH4NO2的化学性质不稳定， 在活性焦的催化作用下易分解为N2和H2O，从而实现对烟气中NOx的脱除。
CHEN Y等的研究表明在150～210℃下，负载有MNOx的活性焦脱硝率高于 90%。付亚利等研究发现在200~260℃时，活性焦脱硝率可达99%。解炜等研究60万t/a 焦炉，其烟气量为14万m3/h，填装了650t（1000 m3）的活性焦，脱硝效率为89. 9%。
因此，活性焦脱硝效率在理论上可以达到 99%以上，在工程上可达到 90%左右。钢铁行业产生的烟气组分与生活垃圾行业的烟气组分类似， 主要污染物为SO2等酸性污染物、NO与NO2为主的 NOx、颗粒物。而生活垃圾焚烧行业对于深度脱硝的效率要求仅在50%左右，远低于钢铁行业。且我国多地对钢铁行业的排放要求为超净排，对 NOx的标准比生活垃圾焚烧行业更为严格。因此，在生活垃圾焚烧行业应用活性焦脱硝工艺作为深度脱硝工艺，可以达到地标对于NOx的排放要求。
03 工艺流程设计
生活垃圾烟气净化组合工艺流程为“SNCR＋半干法脱酸＋干法脱酸+活性炭喷射 ＋ 袋式除尘器＋活性焦脱硝”。除尘器出口烟气进入活性焦脱硝反应器时，入口烟气SO2质量浓度约为50mg/m3，由于活性焦对SO2有吸附作用，因此活性焦在反应器内需一直以较低的速度循环，约为0.1t/h。吸附SO2后的活性焦采用蒸汽或者电为热源进行再生后送回活性焦反应器，再生产生的废气收集后输送回烟气净化入口处。活性焦脱硝工艺示意见图 1。
图 1 活性焦脱硝工艺示意
04 活性焦脱硝工艺与SCR、PNCR对比分析
4.1 工艺技术与处理效果
PNCR是将高分子脱硝剂喷射在锅炉的高温区中，通过合理设置喷射位置、喷射流速与角度，使高分子脱硝剂与烟气能够充分接触，高分子脱硝剂在高温下释放出NH3，与NOx反应生成N2。然而为保障与烟气的充分接触，会采用较高的投药系数，因此，释放出的NH3无法全部与NOx反应，容易形成“氨逃逸”的现象，导致NH3排放量超标。
SCR主要是在催化剂的作用下，使得还原剂（生活垃圾焚烧行业中为尿素溶液或者稀氨水）与烟气中的 NOx反应生成NH3。生活垃圾焚烧领域中，SCR主要采用低温（反应温度约为180 ℃）或中温（反应温度约为240 ℃）催化剂。催化剂以钒钛钨类氧化物为主，价格昂贵，且烟气中的酸性污染物———SO2容易致使催化剂中毒失效，因此，对于进入SCR系统的烟气中SO2含量有较高的要求。低温催化剂对SO2更为敏感，大多数低温催化剂对SCR入口烟气中SO2的耐受上限为60mg/m3， 高于GB18485—2014《生活垃圾焚烧污染控制标准》中的排放标准，因此，SCR对其前序脱酸工艺有比国标更高的SO2脱除要求，增加了脱酸成本。
活性焦脱硝与SCR脱硝工艺较为相似，均是在催化剂的作用下，通过还原剂将 NOx还原。两者的主要差异在于催化剂的不同， 活性焦脱硝工艺为直接以活性焦作为催化剂。活性焦脱硝最佳反应温度为110～180 ℃。钢铁等工程行业中采用的活性焦脱硝反应温度为140~150 ℃，这与布袋除尘器出口烟气温度相近，因此可以不经过烟气升温过程，直接在布袋除尘器后使用。
活性焦脱硝反应器对HCl较为敏感，但由于前序工艺采用“半干法+干法”的组合脱酸工艺，对HCl的脱除效率较高，达到95%以上，因此，布袋除尘器出口烟气中的HCl 浓度可以满足活性焦脱硝的需求。活性焦脱硝、SCR与PNCR 工艺对比见表 1。
表 1 活性焦脱硝与 SCR、PNCR 的工艺参数对比
4.2 投资与运行成本
以单台焚烧炉生活垃圾处理量为750t/d，烟气量为150000m3/h， 采用SNCR 基础上的深度脱硝（将烟气中的NOx质量浓度从200mg/m3降至100mg/m3），以采用氨水为还原剂为例，对3种深度脱硝工艺的投资与运行成本进行分析。
4.2.1 活性焦脱硝投资与运行成本
生活垃圾焚烧行业中，活性焦脱硝的空速值为400~500h-1。按照500h-1计算，需要的活性焦为150000/500 =300（m3）。活性焦脱硝可以多模块在高度上进行叠加，有效塔高为30m时，设备高度整体与半干法反应塔近似，约37m，活性焦脱硝系统占地约为15m2。
活性焦脱硝设备含有活性焦再生系统、 活性焦循环系统、再生烟气收集与回流系统。整体设备初始投资约为2300万元。考虑到生活垃圾焚烧项目特许经营期限一般为30年，其中建设期约为2年。活性焦脱硝的运行成本以及考虑整个生命周期下的静态和动态总成本的计算结果见表 2。
表 2 活性焦脱硝投资、运行成本
由表2可以看出，运行费用中，占比最高的为引风机增加电耗，占比29%；其次为还原剂消耗费用，占比26%；电费、催化剂再生所需能源费用各占比20%，共计 40%。
4.2.2 成本对比分析
活性焦脱硝与SCR、PNCR的投资运行费用对比情况见表3。从表3可以看出，工艺选择对吨垃圾运行费的影响较大。采用活性焦脱硝工艺时，吨垃圾运行成本明显低于SCR工艺和PNCR工艺，比SCR工艺低25%左右，比PNCR低15%左右。
活性焦工艺的设备投资最高，其投资运行成本比PNCR高，静态总成本高约 20%，动态总成本高约12%，但PNCR所用的高分子脱硝剂，属于专利产品，供应商的议价权较大，成本控制的风险高。与SCR相比，活性焦脱硝的投资运行静态总成本大约低6%，动态总成本大约也低6%。因此，活性焦工艺在生活垃圾焚烧领域在经济上具备应用可行性。
表 3 投资运行成本对比分析
05 结论
（1）活性焦脱硝工艺在生活垃圾焚烧领域可以作为深度脱硝工艺，烟气净化组合工艺为“SNCR＋半干法＋干法+活性炭吸附＋袋式除尘器＋活性焦脱硝”。 活性焦价格低廉，容易获取，且不容易中毒，可加热再生，使用寿命长，同时具备一定的二噁英及重金属的吸附脱除作用，可降低粉末活性炭的喷射量。
（2）以750 t/d规模的单条焚烧线，烟气量为15000m3/h 为例。经计算，活性焦脱硝工艺的吨垃圾运行成本明显低于SCR及PNCR 工艺，较SCR工艺低 25%，较PNCR低15%。30年全生命周期分析结果表明，活性焦脱硝的投资运行总成本比 PNCR高，静态总成本高20%，动态总成本高12%；活性焦脱硝的投资运行总成本比SCR低，静态和动态总成本均低 6%。
（3）活性焦脱硝作为深度脱硝工艺应用在生活垃圾焚烧领域时，需要注意以下几点：①烟气中的水蒸气含量对活性焦脱硝效率的影响较大，建议水蒸气含量控制在 12%以下；②活性焦具有易爆性，因此，需要 N2保护装置，需要为活性焦脱硝设备单独配置制 N2站或外接N2 ③活性焦具有易爆性，建议大体量的活性焦烟气净化塔露天设置。
作者简介：张蒙雨，现就职中城环境第一事业部，博士，高级工程师，注册咨询工程师，注册环保工程师。主要从事固体废弃物处理方面的科研、咨询和设计工作，先后承担和参与工程咨询与设计项目40余项，多个项目获得省市级勘察设计和咨询奖；负责和参与多项国家课题和企业课题，获得10余项专利授权，发表多篇论文。