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）
【摘要】对垃圾焚烧常用的选择性非催化还原（SNCR ）以及选择性催化还原（SCR ）脱硝过程进行综合工艺技术分析，建立与之匹配的技术经济模型，并以500t/d 焚烧线为例，研究不同脱硝工艺的运行费用特性。研究表明，SNCR 相比SCR 更具经济性。SNCR 运行费用中还原剂占比近70%，还原剂溶液炉内蒸发热损失不可忽略；SNCR 不同还原剂的经济优劣可通过等费用线直观分析。SCR 运行费用是SNCR 的4~5倍，烟气加热费用占50%以上，还原剂直接费用仅6%；尿素工艺费用高于氨水工艺，其耗电量是氨水工艺的2倍以上。 【关键词】垃圾焚烧；脱硝；氨水；尿素中图分类号：X701；X799.3
文献标识码：A
文章编号：1005-8206（2022）06-0034-06
DOI ：10.19841/jki.hjwsgc.2022.06.007
Techno-economic Analysis of Flue Gas DeNO x Processes in Waste Incineration SHEN Hongwei ，HU Lihua ，GUO Wushuang ，QIAN Kun
（Everbright Envirotech （China ）Co.Ltd.，Nanjing Jiangsu
210000）
【Abstract 】A comprehensive technical analysis of SNCR and SCR process was carried out and corresponding
economic model was set to analyze operation cost of different DeNO x processes for a 500t/d plant.The results showed that SNCR was much more cost effective than SCR.The cost of reductant generally accounted for about 70%of the total cost of SNCR，and the cost of heat loss caused by reductant solution evaporation in the furnace could not be ignored.The economic difference of reductants should be reasonably analyzed with help of the isocost line.The operation cost of SCR was four to five times that of SNCR，the flue gas heating cost counted over half of the total cost whil
e the direct cost of reducing agent was only 6%.The electrical consumption of urea pyrolysis process was over twice than that of ammonia process，thus ammonia solution was more cost effective than urea.
【Key words 】waste incineration；DeNO x ；ammonia solution；urea
第30卷第6期2022年12月环境卫生工程
Environmental Sanitation Engineering
Vol.30,No.6
Dec.2022
1引言
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研究过程与方法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NO x （氮氧化物）排放指标一般为欧盟2010标准的200mg/m 3，但系统
收稿日期：2022-06-09
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80mg/m
3
左右的排放值。SCR 脱硝效率高，NO x 排放标准最低可达50mg/m 3
，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
机械制图标题栏SNCR 脱硝技术是采用还原剂如氨水、尿
触摸屏手机素等在高温下（一般850~1050℃）与烟气中的
NO x （主要为NO ）反应生成N 2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）。
4NH 3+4NO+O 2¾®¾4N 2+6H 2O （1）
4NO+2CO （NH 2）2+O 2¾®¾4N 2+2CO 2+4H 2O （2）4NH 3+5O 2¾®
¾4NO+6H 2O （3）
上述反应发生在炉膛内高温区域，通过双流
体喷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1SNCR 还原剂与烟气混合反应过程示意
Figure 1Mixing process schematic between SNCR agent and配送区域
flue gas
2.1.2
SCR 脱硝技术
工业用SCR 脱硝技术多通过V 2O 5-WO 3/TiO 2或
者V 2O 5-WO 3/TiO 2系催化剂实现NH 3与NO x 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）。
4NH 3+4NO+O 2¾®
¾催化剂
4N 2+6H 2O （4）CO （NH 2）2+H 2O ¾®¾2NH 3+CO 2（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。
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
。
20%氨水
氨水储罐
双层罐+围堰设计
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 3Process schematic of gaseous ammonia production from
ammonia solution
冷空气
20℃
SGH
200℃
20%氨水
蒸发混合器
无石棉刹车片氨气至SCR
排气
沈宏伟，等.生活垃圾焚烧常见烟气脱硝工艺的技术经济分析
·
·35
环境卫生工程2022年12月第30卷第6期
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。
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NO x 原始值一般设计为200mg/m 3，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：Q r =NSR ×Q g ×C NO ×
M R M NO ×1
1-c w
（6）SNCR 脱硝水耗：Q w =n ×Q n -Q r （7）SNCR 炉内蒸发热损失等效电耗：P l =(Q w +Q r ×c w )×ΔH 1×η
（8）尿素溶解制40%溶液用水量：
Q s =Q r
40%
×(1-40%)
（9）尿素溶解过程电耗：P 2=Q r ×ΔH 2+Q s ×C pw ×Δt s
（10）SNCR 化学反应热等效电耗：P 3=Q r ×ΔH r ×η
（11）
垃圾焚烧低温SCR 技术布置在除尘器后，由
于烟气温度较低，需要蒸汽将烟气加热至180℃以
上，所需蒸汽量：Q S -SCR =Q g ×C pg Δt g
ΔH s （12）
氨水气化所需热空气温度较低，可利用低品位热
蒸汽加热，所需蒸汽量：Q S -NH =Q a ×C pa Δt an
ΔH s
（13）
尿素热解首先用蒸汽将空气加热至200℃左
右，蒸汽量同式（13），再用电加热至足够的反应温度，用电量：P 4=Q a ×C pa Δt au
（14）
式中：Q r 、Q w 、Q s 、Q n （每根喷流量）、
Q S-SCR 、Q S -NH ，kg/h ；NSR （氨氮比）为喷入的氨当量与待脱除NO x 摩尔比，无量纲；Q g 、Q a 分别为烟气流量以及SCR 制氨用空气流量，m³/h ；C NO 为
反应前NO x 浓度，mg/m³；M R 、M NO 分别为还原剂
与NO x 的摩尔质量，其中NO x 按NO 2计，g/mol ；c w
除盐水
电能
固体尿素上料尿素制备罐
尿素储存罐
保温+伴热
图4尿素储备系统Figure 4Urea storage system
20℃
冷空气SGH
200℃电加热器
40%尿素
350~600℃
热解室
混合气至SCR 管道保温~300℃
图5尿素热解示意
Figure 5Schematic of urea pyrolysis
·
·36
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 喷个数；P 1、P 2、P 3、P 4，kWh ；∆H 1、∆H 2、∆H r 、∆H s 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；C pw 、C pg 、C pa 分别为水、烟气以及空气的定压比热容，kJ/（kg·℃）；∆t g 、∆t an 、∆t au 、∆t s 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：
E =
∑a
i
×Q i +b ×∑P
j
+b ×P o +c ×Ｑca
（15）
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-NH 3；上式第2项为0；对尿素SCR 工艺，i=r ，w ，s ，S-SCR ，S-NH 3；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；P o 为系统其他设备固定电耗，kWh ；Q ca 为系统压缩空气耗量，m³/h 。3
分析与讨论
以某1×500t/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500t/d 焚烧线技术参数
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500t/d 焚烧线不同脱硝技术设备投资费用
Table 2Investment cost of different DeNO x equipment for a
不同工艺SNCR 脱硝过程的技术运行费用见图
固定顶尖6，其中，20%氨水按单价700元/t 、尿素按单价2100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/m 3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。
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
日处理垃圾量/（t/d ）焚烧烟气量/（m 3/h ）
原始NO x 浓度（按NO 2计）/（mg/m 3）SNCR 投入后NO x 浓度/（mg/m 3）SCR 投入后NO x 浓度/（mg/m 3）
SNCR 反应的氨氮比SCR 反应的氨氮比
SCR 烟气加热温升/℃
SCR 制氨空气量/（m 3/h ）热解室反应温度/℃
100000
40020050
1.200.85401500400热损失热损失
总成本
运行费用/（万元/a ）
图6不同还原剂SNCR 脱硝运行费用
Figure 6Operation cost of SNCR denitration by using
different agents
项目
沈宏伟，等.生活垃圾焚烧常见烟气脱硝工艺的技术经济分析
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环境卫生工程
2022年12月第30卷第6期
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。吊葫芦
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：
E =Q r ×a r +(a w ×Q w +b ×
∑P
j
+b ×P o +
c ×Q ca )=Q r ×a r +C
（16）
对于确定项目，其他条件不变时，上式中Q r 、
C 为常数，因此SNCR 的运行费用与还原剂价格呈正比。令E 1、E 2分别代表采用氨水和尿素SNCR
工艺运行费用，当E 1=E 2时，可得两种工艺的等费用线：
E 1=Q r1·a r1+C 1=Q r2·a r2+C 2=E 2
（17）
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。
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。
随着排放标准提高，SNCR 和SNCR+SCR 运
行费用均上升。SNCR 从200mg/m 3提标至80mg/m 3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200mg/m 3提标至80mg/m 3时，运行费用增加约15.58万
元/a ，提升比例约4.2%；从200mg/m 3提标至50
烟气加热蒸汽
运行费用/（万元/a ）
项目
制氨气用蒸汽
制氨气用电
其他用电
还原剂
电耗
水耗
压缩空气运行总成本
运行费用/（万元/a ）
项目
图7不同还原剂SCR 脱硝运行费用
Figure 7Operation 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 8Electrical and steam cost of SCR denitration by using
different agents
500
尿素颗粒价格/（元/t ）
29002700250023002100190017001500
20%氨水价格/（元/t ）
600
700
800
90010001100
y =2.8334x -165.4
氨水工艺优势区
尿素工艺优势区
运行费用/（万元/a ）
NO x 排放标准/（mg/Nm 3）
图10SNCR 与SCR 在不同排放标准下的年运行费用对比
Figure 10Comparison of the annual operation costs of SNCR and SCR under different emission standard
图9不同还原剂SNCR 运行等费用线
Figure 9SNCR isocost line by using different agents
·
·38
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