发电厂二恶英控制技术探析
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1研究对象及方法
1．1二嗯英减排技术及选定研究的技术方案
大量文献报道，大气中二嗯英的减排技术主要包括燃烧前进料控制技术、燃烧过程控制技术和末端控制技术三大类，对于垃圾焚烧发电厂尤其需要燃烧过程控制技术和末端控制技术的结合才能保证有效控制二嗯英的排放。燃烧过程控制技术主要是对燃烧条件(包括温度、时间、湍流度、氧气量等参数)的控制使其达到阻止二嗯英前驱物的生成；还包括通过添加抑制剂达到控制二嗯英的目的。末端控制技术从控制原理的不同可以分为抑制二嗯英从头合成的烟气急冷技术、吸附转移技术和催化分解技术。二嗯英的减排需要多种技术，采取综合控制的手段进行控制。对于大型垃圾焚烧发电厂，可通过自动监控装置对燃烧条件起到很好的控制。烟气急冷技术由于其结合一般烟气处理技术后达到0．1ngI—TEQ／m的排放要求还有一段距离，仅能作为综合控制的一个必须环节，不单独评价此类技术。因此，对目前常用的以活性炭喷射吸附二嗯英(简称活性炭喷射方案)和选择性催化分解二嗯英(简称催化分解方案)为主导的2种方案进行比较分析。这2种方案在结合常规尾气处理技术(如脱酸装置、布袋除尘器)后均能达到二嗯英排放限值0．1ngI—TEQ／m的要求。一般垃圾焚烧发电厂采用以上2种方案减排二嗯英的流程见。
1．2研究方法
对2种方案进行比较时，主要从环境及技术和经济两方面进行评价，环境及技术、经济性能的评价因素见。2种方案的环境及技术性能主要采取定性描述和部门相关报道的定量数据进行比较。这主要是由于催化分解方案在我国的垃圾焚烧发电厂还没有应用，对其环境及技术性能的描述主要来自国外文献，很难完全采用定量打分的方法对2种方案进行评价，因此评价方法以定性比较为主。对2种方案进行经济性能评价时，虽然布袋除尘、烟气脱酸等烟气控制措施对二嗯英的减排起到很好的作用，但由于其最初设计目的及主要功能并非针对二嗯英的减排。因此，尽管其有协同去除的作用，但本研究不把这部分的费用列入减排二嗯英产生的费用。
22种方案的环境及技术性能分析
活性炭喷射方案是目前使用最广泛的二嗯英控制方式。大量研究发现，该方案下二嗯英的去除效率受到烟气温度、活性炭喷射量、活性炭性能、喷射方式和除尘装置的影响I6]。TEJIMA等研究证实，当烟气温度在160、190℃时，喷人活性炭后二嗯英的去除效率可达到97～98；但当烟气温度达到220℃时，去除效率下降为90。CHI等在某大型垃圾焚烧发电厂用椰壳活性炭吸附二嗯英，喷射速率为100mg／m~时，尾气排放的二噫英为0．031ngI—TEQ／m，活性炭喷射加布袋除尘可达到95．5％的二嗯英去除效率。ABAD等J证实，在垃圾焚烧发电厂仅依赖布袋除尘和半干法脱酸装置达不到0．1ngI—TEQ／m的二嗯英排放限值，当以100mg／m~的喷射速率喷入活性炭时，二嗯英的去除效率较以前提高92～96，出口质量浓度降低到0．036ngI-TEQ／m。CHANG等研究了不同活性炭喷射速率下二嗯英的去除效率，并得出了两者关系的方程。当喷射速率小于65mg／m~时，去除效率随着喷射速率的提高而提高，呈近线性关系；当喷射速率达到150mg／m~时，去除效率提高到95以上时，随喷射速率变化而趋于稳定口。。。根据该方程，在已知入口二嗯英浓度的情况下，可以计算达到排放值所需的最小活性炭喷射速率，这将有效地减少活性炭的喷入成本。欧盟在其焚烧行业最佳可行性技术参考文件中建议，通常活性炭的喷人计量在0．5～1．0kg／t(喷射速率约100～200mg／m~，以每吨垃圾产生烟气量5000m计算)，能满足0．1ngI-TEQ／m的二嗯英排放限值L1l_。。结合以往研究可以得出，在其他烟气处理措施很好运行的基础上，活性炭的喷射速率达到100mg／m~时，出口二嗯英质量浓度可以达到0．05～0．10ngI-TEQ／m。活性炭喷射在去除二嗯英的同时，对烟气中燃烧形成的不完全产物(PICs)如多氯联苯(PCB)、氯苯、氯酚和多环芳烃(PAH)等物质也能达到9O的去除E]，同时对重金属汞也能高效吸附去除使其达到排放限值[1引。然而吸附了污染物的活性炭被下端的除尘装置捕集，转移到了固相飞灰中。金宜英等[1对城市生活焚烧炉飞灰的实验研究表明，布袋除尘器前喷射活性炭粉末后，飞灰中二嗯英类污染物的质量浓度为460ng／g，是没有喷射时(254ng／g)的1．8倍。因此，该方案中的飞灰要根据危险废物处置要求安全处置。催化分解方案的技术源于NO的催化还原技术。有大量研究证实，最初用来催化还原No的催化剂能有效地分解二嗯英类物质l_】"]。催化分解技术可以将气态二嗯英分解效率达到98．0％99．9oA，结合布袋除尘，出口二嗯英质量浓度可以达到0．050～0．002ngI-TEQ／ml_1l_弘。大多数研究采用VO一wO。一TiO。催化剂进行二嗯英的氧化分解，温度在240300℃有较好的分解效果。在商业应用领域，Shell公司提供的二嗯英催化分解系统(sDDS)由于其良好的低温催化分解效果，被欧洲和日本的垃圾焚烧发电厂广泛使用。本研究对催化分解二嗯英技术进行评价时以Shell提供的SDDS技术为例。该技术在烟气温度达到150℃时，二嗯英的去除效率可以达到98．0～99．7，同时对其他有机污染物如五氯苯酚(PCP)、PCB和PAH也可以起到有效分解，再结合脱氮反应后，NO的排放可小于50mg／maL1。为保持催化剂的性能防止其中毒，SDDS技术要求位于其前端的除尘技术需满足烟尘排放限值(小于10mg／m。)。这比我国目前烟尘排放最高地方标准DB11／502-2008中要求的30mg／m。高许多。因此，对于我国目前大多数垃圾焚烧处理厂烟气处理效率还不能满足该技术的要求。
32种方案的经济性能分析
对2种方案进行经济性能评价时，以700t／d垃圾焚烧发电厂为评价对象。此规模的垃圾焚烧发电厂和我国正在及即将建设的大多数垃圾焚烧发电厂规模相当，具有普适性。
3．1活性炭喷射方案
3．1．1设备成本
700t／d垃圾焚烧发电厂一般需要2条生产线，据调查，每条的投资成本(包括活性炭储仓、体积计量给料器、空气压缩装置和喷嘴)需约5O万元，2条的投资成本为100万元。若采用进口设备，一般为国产设备的1．8倍，约180万元。
3．1．2运行成本
运行成本受活性炭用量和品质影响。列出了活性炭喷射方案的参数、喷射量及成本。选用国产活性炭时，按每吨10000元计算；若选用进口活性炭，以世界最大的活性炭公司N0RIT提供的产品为例，按每吨3000美元计算。此外，喷入的活性炭由于吸附二嗯英等污染物，其收集的飞灰属于危险废物。垃圾焚烧飞灰安全处置收费多数地区还没有指定价格标准，公布的可查标准来自无锡市，因此按照无锡市收费标准1．7元／kg计算，可得由于喷射活性炭所增加的飞灰处置费用为198900元／a。因此，该方案的运行成本为1368900元(国产)或2585700元(进口)。能耗和维护费用所占比例很少，因此忽略不计。
3．1．3等值年成本
根据式(1)，r取6％，取15年(不考虑设备残值)。活性炭喷射方案在15年内的等值年成本为147万～276万元。从计算可以看出，活性炭喷射方案的运行成本占到等值年成本的9O％以上，即活性炭的购买费用和飞灰处置费用占主导。这些费用均是由于活性炭的喷人量决定，因此等值年成本对活性炭用量这个参数最为敏感。假定其他因素不变，仅考虑活性炭喷入量变化对等值年成本的影响程度见(以国产设备+国产活性炭为例)。
3．2催化分解方案
3．2．1设备成本
以Shell提供的SDDS技术为例，需要装有催化剂、规格为2．7m×1．42m×1．43m的侧流反应器模块4个。700t／d垃圾焚烧发电厂投资约为50万～120万美元。考虑增值税(17％)和进口税(6．5)后，投资约为62万～150万美元。该装置中催化剂费用占6O，钢筑的反应器费用占40。
3．2．2运行成本
SDDS装置运行中不需要额外再添加任何物质。由于其在温度160℃就可达到对二嗯英的高效催化分解作用，因此不需要对烟气进行加热，不需要额外能耗，维护费用也较低。该技术运行成本可忽略。
3．2．3等值年成本
SDDS设备中催化剂和反应模块的使用寿命不同，因此等值年成本需分别计算。催化剂成本计算中为5年，反应模块取为15年，r均取6，可得催化剂的等值年成本为8．83万～21．37万美元，反应器的等值年成本为2．55万～6．18万美元，则总和为11．38万～27．55万美元，约77万～187万元。从计算可以看出，催化分解方案的费用主要集中在设备成本。位于设备前端的烟气处理设施效率越高，催化剂的使用寿命相对较长(一般为5年)，所需等值年成本就越低。
42种方案对垃圾焚烧发电厂的影响2种方案由于设备成本和运行成本相差很大，对垃圾焚烧发电厂的经济影响也大相径庭。为了反映其影响程度，本研究在对垃圾焚烧发电厂投资费用、收入、利润分析的基础上，计算了2种方案对企业建设和运行中的影响。
4．1垃圾焚烧发电厂投资费用
《城市生活垃圾焚烧处理工程项目建设标准》中将垃圾焚烧发电厂投资指标估算定为2O万～65万元／(t•d)。不同技术投资有所不同，目前一般分为四大类型，包括引进设备炉排炉焚烧厂、引进技术炉排炉焚烧厂、国产炉排炉焚烧厂和国产流化床焚烧厂。以国产炉排炉为例，投资指标约为35万元／(t•d)。700t／d垃圾焚烧发电厂投资费用约为2．45亿元。以为20年、r为6计算，其年投资费用为2136万元。
4．2垃圾焚烧发电厂收入
垃圾焚烧发电厂收入主要来自政府垃圾补贴和上网售电两大部分。受投资费用、运行成本和地区经济差异影响，补贴费用各地区、各厂不一。上海和深圳补贴最高，一般中等城市如成都、绍兴、温州等补贴约7O元／t。根据国家发改委《可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法》规定，2006年以后建设的新电厂，上网电价执行2005年脱硫燃煤机组标杆上网电价加补贴电价组成，电价补贴标准为0．25元／(kw•h)。同时，垃圾焚烧发电厂在增值税和所得税方面均有优惠。按照每吨垃圾补贴70元、上网电价0．60元／(kw•h)、每吨垃圾上网电量200kw•h来计算，700t／d垃圾焚烧发电厂主要年收入约为4433万元。
4．3垃圾焚烧发电厂利润
我国绝大多数垃圾焚烧发电厂采取BOT经营模式，销售收入年利润率一般保持1o。为达到该利润，在年投资费用为2136万元、年收入为4433万元情况下，年运行及维护费用需要控制在1854万元，每吨垃圾运行成本需控制在79元。
4．42种方案对垃圾焚烧发电厂的影响
活性炭喷射方案一次投资(设备成本)在垃圾焚烧发电厂总投资所占比例较少，约为0．4，占环保投资比例为2．0(环保投资约为总投资的20)。但该方案在运行成本中所占比例较显著，其运行成本占总运行维护成本的7．4～13．99／6。催化分解方案一次投资(设备成本)较活性炭喷射方案高，约占总投资的1．7～4．2，占环保投资比例为8．6～2O．8。由于其运行过程中不需要额外物耗、能耗，对垃圾焚烧发电厂的运行成本不造成影响。但考虑到其催化剂使用寿命，每5年需要更换，每次费用约为253万～612万元。
4．5估算垃圾焚烧发电厂二嗯英处理成本
随着土地资源的紧张，我国对垃圾焚烧发电厂的建设也在加大。合理估算二嗯英类污染物的控制费用是建设前期需要考虑的因素，根据对700t／d垃圾焚烧发电厂的估算，可计算不同规模的企业其控制二嗯英的成本。若采取活性炭喷射方案，喷射速率为100rng／ma，则DC和OC计算如下：VDC一1×1o×()×(2)OC=0．167×y×(P+P2)(3)式中：y为企业焚烧规模，t／d；为规模指数，当建设项目扩大或缩减规模主要靠增减机器设备的规格尺寸、容量时，e取0．6～0．7，当建设项目扩大规模主要靠增加相同机器设备数量的方式时，取0．8～1．0；为物价调整系数；P为活性炭价格，元／t；P。为飞灰处置费用，元／t。等值年成本结合DC和0C根据式(1)进行计算。由于Shell提供的SDDS技术的催化剂和反应器均需进口，随着应用项目的扩展，其价格可能会发生一定的波动，目前可以按照生产规模指数法对其直接投资成本进行估算。
5讨论
列出了2种方案在技术、经济方面的比较。由可以看出，从技术指标分析，2种方案均可满足国际最严格的0．1ngI—TEQ／m二嗯英排放限值。但活性炭喷射方案对污染物由大气转移到飞灰，因此从总体排放强度来看，催化分解方案所排放的二嗯英更少。从经济指标分析，活性炭喷射方案更适合初期投资资金较有限的企业和地区。长期来看，催化分解方案的等值年费用和活性炭喷射方案相差不多，因此在经济发达地区和环境质量要求更高的区域可试行催化分解方案。除上述提到的显性成本外，监管成本在评价2种方案时也是一显著因素。由于活性炭喷射方案的费用主要体现在运行成本中，这是由喷入的活性炭数量和品质所决定。如果企业为了追求效益，在监管不利的情况下，对活性炭少用或者以次充好来节省成本。如何确保企业在实际运行中能稳定、足量地喷入高效的活性炭，这需要环境监管部门投入大量的监管成本。但实际运行中，大多数垃圾焚烧发电厂对烟气排放的二嗯英每年仅进行1～2次监测，对活性炭的喷入量环境监管部门也无法做到实时监管，需要企业自觉投入，因此加大了环境中二嗯英排放的风险。催化分解方案一次投入后，运行中所需监管成本少。综合来看，在将来二嗯英排放限制越来越严的情况下催化分解方案更具有吸引力。
6结语
针对垃圾焚烧行业，对以活性炭喷射吸附二嗯英和选择性催化分解二嗯英为主导的2种方案进行了环境及技术性能比较，计算了2种方案的设备成本、运行成本及等值年成本，提出了垃圾焚烧发电厂建设前期估算控制二嗯英类污染物所需费用的公式。今后，垃圾焚烧发电厂在建设时设计、选择二嗯英类污染物的控制方案过程中，采用本研究提出的公式将较准确地估算出不同方案的各种成本，是多方案比选、优化设计、合理确定项目投资的基础。
