生活垃圾焚烧常见烟气脱硝工艺的技术经济分析
沈宏伟，胡利华，郭无双，钱 琨
（光大环境科技（中国）有限公司，江苏 南京 210000）
生活垃圾焚烧烟气脱硝技术以选择性非催化还原（SNCR）以及选择性催化还原（SCR）为主。随着我国垃圾焚烧行业的多年发展，SNCR 与SCR已实现广泛应用，相应研究较多［1-3］，但针对性的技术经济分析不够全面。郭娟［4］对比了尿素与氨水的特性并分析了垃圾焚烧SNCR 采用不同还原剂的运行费用，认为氨水更具经济优势，但没有考虑其他的运行费用以及还原剂价格的影响。李茂东等［5］分析了SNCR 不同还原剂对垃圾焚烧热效率的影响，得出较全面的结果，但其测算模型未结合SNCR 脱硝的技术特点。高劲豪等［6］对比分析了4 种垃圾焚烧脱硝超低排放技术的经济性，但缺乏详细的理论分析过程。
垃圾焚烧行业面临国补退坡、垃圾量不足、排放要求提高等诸多压力，对现有技术的降本增效需求升高。但现有研究成果在技术经济建模以及分析方面研究较少，无法有效地从经济数据角度为企业提供指导。在脱硝技术经济研究方面，存在经济模型与工艺模型耦合不足，分析内容不具普适性和全面性等问题。同时，对还原剂价格波动的相关性影响研究不足，对垃圾焚烧项目的指导意义有限。针对上述问题，建立垃圾焚烧SNCR 与SCR 的技术经济耦合模型，研究SNCR 与SCR 脱硝过程中的技术运行费用及其影响因素，为垃圾焚烧行业脱硝技术高效应用以及还原剂的选择、脱硝技术的优化提供模型与数据支撑。
2.1 垃圾焚烧常见脱硝技术
垃圾焚烧常用脱硝技术中，常规SNCR 受限于外部条件脱硝效率不高，对应NOx（氮氧化物）排放指标一般为欧盟2010 标准的200 mg/m3，但系统简单，投资费用低，应用广泛。结合智能控制、声波测温等技术，并优化混合效果，SNCR 处理效率有望达80% 以上［7］，有一定潜力达到80 mg/m3左右的排放值。SCR 脱硝效率高，NOx排放标准最低可达50 mg/m3，甚至满足火电行业的超低排放要求。但垃圾焚烧项目粉尘中含较多碱金属，SCR催化剂需布置在布袋后，避免碱金属中毒，导致需要采用低温催化剂以及烟气加热设备，投资运行费用较大。SCR 一般不单独使用，而是采用SNCR+SCR 的组合工艺，既提高达标稳定性，又减少催化剂用量，降低成本。
2.1.1 SNCR 脱硝技术
SNCR 脱硝技术是采用还原性药剂如氨水、尿素等在高温下（一般850～1 050 ℃）与烟气中的NOx（主要为NO）反应生成N2的一种技术，其总包反应如下，其中以氨为还原剂、以尿素为还原剂、副反应的化学方程式分别见式（1）、式（2）、式（3）。
上述反应发生在炉膛内高温区域，通过双流体喷枪将氨水或尿素溶液雾化成小液滴喷入炉膛，液滴行进过程中不断释放还原剂进行反应。还原剂与烟气的混合受炉膛固定结构、流场以及喷枪位置影响，混合效果受限，导致一般脱硝效率不高，且易造成氨逃逸升高。SNCR 还原剂与烟气混合反应过程示意见图1。
图1 SNCR 还原剂与烟气混合反应过程示意Figure 1 Mixing process schematic between SNCR agent and flue gas
2.1.2 SCR 脱硝技术
工业用SCR 脱硝技术多通过V2O5-WO3/TiO2或者V2O5-WO3/TiO2系催化剂实现NH3与NOx低温过程反应。对于垃圾焚烧，一般采用180 ℃左右的低温催化剂［8］，其主要反应方程式见式（4）、式（5），其中氨水为还原剂的反应见式（4）、尿素需先分解为氨的反应见式（5）。
反应过程为气相反应，需将氨水或尿素转化为氨气后再与烟气混合。
2.2 不同还原剂应用于垃圾焚烧的工艺技术分析
常见脱硝还原剂包括液氨、氨水、尿素。垃圾焚烧项目规模较小，使用液氨安全风险较大，一般以氨水或尿素为主。根据式（1）～式（5），采用氨水或尿素作为还原剂时储运以及制备工艺不同，经济费用也不同。
采用市售20%～25%的氨水作为还原剂时，氨水一般通过罐车运输，用户端采用储罐直接储存。20%的氨水凝固点约为-35 ℃，在大部分地区，储罐无需保温。供SNCR 系统时，设置输送泵将氨水输送至SNCR 系统直接参与反应。供SCR 系统时，设置输送泵将氨水输送至蒸发混合器蒸发成氨气后进入SCR 系统反应。蒸发混合器通过蒸汽加热器（SGH）将空气加热至200 ℃左右与经喷枪雾化后的氨水液滴接触将其蒸发生成氨气。氨水储运系统示意见图2、氨水制氨气工艺示意见图3。
图2 氨水储运系统Figure 2 Ammonia solution storage and transport system
图3 氨水制氨气工艺示意Figure 3 Process schematic of gaseous ammonia production from ammonia solution
采用尿素作为还原剂，尿素为固体，一般以袋装或罐车来料，用户端需设置上料系统以及相应的尿素溶液制备罐、储存罐。尿素溶解吸热，罐体需设置加热和保温系统。为确保溶解以及输送过程无结晶，溶解水温度宜设置在40～50 ℃［9］。尿素储备系统示意见图4。
图4 尿素储备系统Figure 4 Urea storage system
供SNCR 系统时，设置输送泵将一定比例的尿素溶液输送至SNCR 系统直接参与反应。供SCR系统时，设置输送泵将尿素溶液输送至热解或水解反应器生成氨气后进入SCR 系统反应。热解技术相比水解能耗更高、运行费用更高，但无需高压容器，制氨响应速度更快［10］，在投资以及运行管理上更有优势，目前垃圾焚烧主要还是以热解为主。由于热解反应温度较高，热解风需通过蒸汽加热器以及电加热器两个加热系统进行加热，且由于反应过程吸热，进入热解室的温度需要大于出热解室温度。尿素热解示意见图5。
图5 尿素热解示意Figure 5 Schematic of urea pyrolysis
2.3 垃圾焚烧SNCR 与SCR 脱硝的技术经济分析模型
结合2.2 所述工艺模型建立与之耦合的经济分析模型。SNCR、SCR 运行过程中受原始条件、运营管理等影响很大，不同项目的运行费用差异化明显，若按特定案例分析，往往会使结果不具备代表性、普适性。因此分析时结合目前垃圾焚烧的常规技术水平，作出如下合理设定：
1）不考虑SNCR 反应过程中的副反应，仅考虑主反应的化学反应热。SNCR 反应过程复杂，受影响因素较多［11］，且还原剂反应过程中存在副反应、过量喷射等现象［12］，完整计算过程中的化学反应热难度极大，考虑到副反应需要很高的温度，且对于经济分析对比结果影响不大，因此此处暂时忽略。
2）氨水与尿素溶液在炉膛内雾化效果相同，即氨水与尿素溶液进入炉膛内时的液体总流量相同，压缩空气耗量相同。蔡洁聪等［13］研究表明，不同雾化粒径与喷射速度对脱硝效率影响显著，因此在效率一致的假设下，应保持喷枪的雾化效果一致。
3）根据目前行业惯例，采用SCR 时，同时也使用SNCR 确保脱硝效率，并降低SCR 的投资运行费用，因此SCR 入口NOx原始值一般设计为200 mg/m3，且还原剂储备系统的运行费用计算在SNCR 内，SCR 系统不重复计算。
4）SCR 制氨气过程采用空气加热，氨水采用直接蒸发技术，尿素采用热解技术，两者所需热空气量相同。
基于上述设定，建立SNCR 和SCR 运行过程中的物料以及能量消耗模型，见式（6）～式（14）。
脱硝还原剂耗量：
SNCR 炉内蒸发热损失等效电耗：
尿素溶解制40%溶液用水量：
尿素溶解过程电耗：
SNCR 化学反应热等效电耗：
式中：Qr、Qw、Qs、Qn（每根喷枪流量）、QS-SCR、QS-NH3，kg/h；
NSR（氨氮比）为喷入的氨当量与待脱除NOx摩尔比，无量纲；
Qg、Qa分别为烟气流量以及SCR 制氨用空气流量，m³/h；
CNOx为反应前NOx浓度，mg/m³；
MR、MNOx分别为还原剂与NOx的摩尔质量，其中NOx按NO2计，g/mol；
cw为还原剂质量含水率，氨水一般为20%～25%，尿素固体为0；
n为SNCR 喷枪个数；
P1、P2、P3、P4，kWh；
ΔH1、ΔH2、ΔHr、ΔHs分别为水的相变潜热、尿素溶解热、SNCR 还原剂化学反应热以及蒸汽的气化潜热，kJ/kg；
η为热电转化效率，文中按20%计算；
Cpw、Cpg、Cpa分别为水、烟气以及空气的定压比热容，kJ/（kg·℃）；
Δtg、Δtan、Δtau、Δts分别为SCR 烟气所需的加热温升、热解蒸汽加热空气所需的加热温升、电加热空气所需的加热温升以及尿素溶解水的温升，其中，氨水工艺只需蒸汽加热空气，尿素工艺需要电加热至更高温度，℃。
将脱硝过程中的物料消耗、能耗、压缩空气、其他设备固定电耗汇总乘以各自单价，即可得SNCR、SCR 脱硝过程的费用，如式（15）所示：
对氨水SNCR 工艺，i=r，w；
j=1，3，若还原剂为尿素，j=1，2，3。对氨水SCR 工艺，i=r，w，S-SCR，S-NH3；
上式第2 项为0；
对尿素SCR 工艺，i=r，w，s，S-SCR，S-NH3；
j=2，4。
式中：a为对应物料单价，元/t；
b为电价，元/kWh；
c为压缩空气单价，元/m³；
Po为系统其他设备固定电耗，kWh；
Qca为系统压缩空气耗量，m³/h。
以某1×500 t/d 垃圾焚烧项目为例，结合技术经济模型，对不同脱硝技术进行研究。项目主要设计运行参数见表1。
表1 某500 t/d 焚烧线技术参数Table 1 Technical parameter of a 500 t/d incineration line
该条线采用不同工艺时设备投资费用见表2，尿素工艺由于储运以及制备系统更为复杂，投资费用略高。SCR 的投资费用远高于SNCR，但选择SCR 或SNCR 主要取决于项目的脱硝需求。对于垃圾焚烧项目而言，由于运行协议期长，对长期的运行费用关注度更高。
表2 某500 t/d 焚烧线不同脱硝技术设备投资费用Table 2 Investment cost of different DeNOx equipment for a 500 t/d incineration line
3.1 SNCR 脱硝过程中运行费用的分布
不同工艺SNCR 脱硝过程的技术运行费用见图6，其中，20% 氨水按单价700 元/t、尿素按单价2 100 元/t、电价按0.65 元/kWh、除盐水价按10元/t、压缩空气价格按0.10 元/m3计；
SCR 脱硝过程同SNCR。SNCR 系统简单，运行水电气耗较少，还原剂费用占总费用比例接近70%，是影响SNCR运行费用的最关键因素。液滴在炉膛内蒸发造成的发电损失不可忽略，降低喷射溶液量可有效减少热损失，但会导致还原剂混合效果变差，脱硝效率下降，需要研究高效混合技术。SNCR 反应过程放出热量，适当提高了能量利用率。当前计算案例下，尿素工艺运行费用略高于氨水工艺，主要由于尿素价格略高以及尿素溶解稀释过程水电消耗稍多，但差距并不明显。根据技术经济模型，提高还原剂利用率，降低还原剂耗量，采用更高效低成本的混合技术是SNCR 降低成本的关键。
图6 不同还原剂SNCR 脱硝运行费用Figure 6 Operation cost of SNCR denitration by using different agents
3.2 SCR 脱硝过程中运行费用的分布
SCR 脱硝过程中的运行费用分布见图7。对比图6，SCR 运行费用远高于SNCR，其中蒸汽成本与电耗占比最高（50% 以上），还原剂费用仅占6% 左右。氨水与尿素工艺蒸汽加热成本分别占SCR 脱硝运行费用的73% 和60%；
使用尿素相比氨水年运行费用增加约73 万元。图8 对蒸汽和用电的费用进一步拆解，烟气加热的能耗远远大于其他运行费用；
另外，SCR 系统压损较大，因此引风机电耗（图8 中“其他用电”）较高。采用尿素的运行费用显著高于氨水，两者的差距主要源于尿素热解过程加热需求大于氨水，导致整体用电费用是氨水的2 倍以上。研究更低温的SCR催化剂，或者提高进入SCR 的烟气温度，是降低SCR 运行成本的关键；
此外，对SCR 而言，应尽量采用氨水工艺。
图7 不同还原剂SCR 脱硝运行费用Figure 7 Operation cost of SCR denitration by using different agents
图8 不同还原剂SCR 脱硝用电与蒸汽费用分布Figure 8 Electrical and steam cost of SCR denitration by using different agents
3.3 还原剂价格因素对SNCR 脱硝费用的影响
从3.1 可以看出，SNCR 采用不同还原剂时运行成本差异较小，不同还原剂的经济优劣受各地还原剂价格影响不同。将式（15）变化得到式（16），如下所示：
对于确定项目，其他条件不变时，上式中Qr、C为常数，因此SNCR 的运行费用与还原剂价格呈正比。令E1、E2分别代表采用氨水和尿素SNCR工艺运行费用，当E1=E2时，可得两种工艺的等费用线：
以3.1 中计算工况为例，设定其他参数不变，仅变动还原剂价格，可得该工况下的等费用线如图9 所示。
图9 不同还原剂SNCR 运行等费用线Figure 9 SNCR isocost line by using different agents
等费用线将图9 清晰地划分为两个区域，当尿素/氨水价格数据点位于曲线左方，则采用氨水长期经济性更好，且越靠左，氨水的优势越大；
反之，则尿素长期经济性更佳。通过运行总费用线，结合当地氨水与尿素的价格，即可直观分析两种工艺的经济优劣，不过实际选择时还应考虑尿素具有储运安全性好、运输过程对环境影响小等优点。对于采用SCR 的项目，理论上也存在一条等费用线，但由于尿素制氨气费用远高于氨水制氨气费用，实际很难存在尿素工艺优于氨水工艺的情况，不再赘述。
3.4 不同排放标准下脱硝费用的变化
合理选择脱硝技术是应对不同排放标准降低成本的首要问题。SNCR+SCR 技术适应几乎所有标准，而单独SNCR 应对高标准的技术研究尚不成熟，参考胡利华等［14］给出的氨氮摩尔比对脱硝效率影响的数据，仅考虑还原剂变化的影响，进行对比研究，结果如图10 所示。
图10 SNCR 与SCR 在不同排放标准下的年运行费用对比Figure 10 Comparison of the annual operation costs of SNCR and SCR under different emission standard
随着排放标准提高，SNCR 和SNCR+SCR 运行费用均上升。SNCR 从200 mg/m3提标至80 mg/m3时，运行费用增加约50.21 万元/a，提升比例达83.4%，主要增加的费用为还原剂费用，且还原剂耗量随标准提高快速上升。SNCR+SCR 从200 mg/m3提标至80 mg/m3时，运行费用增加约15.58 万元/a，提升比例约4.2%；
从200 mg/m3提标至50 mg/m3时，运行费用增加约23.56 万元/a，提升比例不足7%，主要增加的费用为少量还原剂以及设备阻力造成的电耗。SNCR 运行费用上升量与幅度均大于SNCR+SCR，但总费用仍远小于SNCR+SCR。
目前我国多地的地方标准如河北、天津、海南等NOx日均值均为120 mg/m3，同时要求氨逃逸不大于8 mg/m3。应对上述要求，从经济性来说，SNCR 是首选方案，但需要注意目前高效SNCR 技术在垃圾焚烧方面的应用案例很少，尚不成熟，若仅是通过提高还原剂耗量来提高效率，可能导致锅炉堵塞、氨逃逸超标等问题，仍然无法满足要求，还需深入研究。至于NOx标准进一步提高至80 mg/m3乃至数值更低，目前暂无SNCR 稳定达标的案例支撑，建议仍以SCR 技术为主，或者研究应用其他高效低成本新技术如烟气再循环、有机高分子非催化还原脱硝（PNCR）等。
基于垃圾焚烧常用SNCR、SCR 脱硝技术的全面工艺模型分析，建立与之耦合的技术经济模型，并以500 t/d 焚烧线为例研究，得出如下结论：
1）还原剂和蒸发热损失是SNCR 的主要运行费用，其中还原剂费用占比接近70%。
2）氨水工艺SNCR 经济性并不是总优于尿素，不同地区可根据当地的尿素/氨水价格比对照等费用线选择更经济的还原剂。
3）氨水与尿素工艺蒸汽加热成本分别占SCR脱硝运行费用的73% 和60%；
使用尿素相比氨水年运行费用增加73 万元；
降低SCR 能耗，尽量使用氨水作为还原剂是降低SCR 运行成本的关键。
4）排放标准从200 mg/m3提高至80 mg/m3，SNCR+SCR 运行费用上升4.2%、 SNCR 上升83.4%，但整体费用SNCR 仍远低于SNCR+SCR；
SNCR 技术对于达到河北、天津、海南等地地方标准具有较大的经济效益，是值得重点研究的方向，但需要同时考虑氨逃逸达标以及堵塞问题。