SNCR在城市生活垃圾焚燒發(fā)電廠中的應(yīng)用

摘 要 國內(nèi)城市生活垃圾焚燒發(fā)電廠煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格，很多地區(qū)都執(zhí)行了歐盟2000的排放標(biāo)準(zhǔn)。為了達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)，本文詳細(xì)介紹了SNCR還原NOx的原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及該系統(tǒng)在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的問題。

關(guān)鍵詞 城市生活垃圾焚燒發(fā)電廠；煙氣凈化；NOx；SNCR

中圖分類號(hào) TM621 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1673-9671-(2012)052-0144-02

根據(jù)《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GWKB3-2000），生活垃圾焚燒發(fā)電廠煙氣中氮氧化物的排放濃度為400 mg/m3，但隨著人們對(duì)環(huán)保要求的不斷提高，很多經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)及人口密度高度集中的地區(qū)，如北京、上海、廣州等城市，都要求生活垃圾焚燒發(fā)電廠的煙氣氮氧化物排放濃度執(zhí)行歐盟2000的標(biāo)準(zhǔn)，即排放濃度需達(dá)到200 mg/m3。依照傳統(tǒng)的生活垃圾焚燒發(fā)電廠控制NOx的3T+E燃燒技術(shù)，即合理的停留時(shí)間（Time）、爐膛燃燒溫度（Temperature）、爐膛空氣湍流度（Tempest）及過量空氣系數(shù)（Excess air ratio），NOx的濃度可控制在

300 mg/m3-400 mg/m3。如果要達(dá)到歐盟2000的標(biāo)準(zhǔn)，則必須采用另外的措施來減少NOx的排放濃度。選擇性非催化還原（SNCR）技術(shù)，裝置簡單、設(shè)備投資及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低、操作方便、是目前新建城市生活垃圾發(fā)電廠中經(jīng)常采用的一種脫硝措施。

1 SNCR的脫硝原理

選擇性非催化還原（SNCR）脫除NOx技術(shù)是把含有NHx基的還原劑（如氨水、尿素等）噴入爐膛煙氣溫度為850℃-1 100℃的區(qū)域，在O2共存的條件下，該還原劑迅速熱分解成NH3和其他副產(chǎn)物，隨后NH3與煙氣中的NOx進(jìn)行SNCR反應(yīng)而生成N2。

采用NH3作為還原劑，還原NOx的化學(xué)反應(yīng)方程式主

要為：

4NH3+4NO+O2=4N2+6H2O

同時(shí)，還發(fā)生如下反應(yīng)：

4NH3+5O2=4NO+6H2O

4NH3+3O2=2N2+6H2O

采用尿素溶液的化學(xué)反應(yīng)原理為：

2（NH2）2CO+ H2O→NH3+CO2

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

SNCR的反應(yīng)機(jī)理非常復(fù)雜，目前仍未能完全了解，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為NHx基還原劑按圖1所示的途徑反應(yīng)。

SNCR技術(shù)由于不使用催化劑，要達(dá)到NO和NH3反應(yīng)所需的活化能，需要適合的溫度窗口，一般認(rèn)為理想的溫度范圍為800℃-1 100℃，并隨反應(yīng)器的類型的變化而有所不同。當(dāng)反應(yīng)溫度低于800℃時(shí)，NH3的反應(yīng)速率下降，NOx還原率較低，同時(shí)氨的逃逸量增加；但當(dāng)溫度高于1 100℃，NH3的氧化反應(yīng)開始起主導(dǎo)作用：

4NH3+5O2→4NO+6H2O

從而，NH3的作用成為氧化并生成NO，而不是還原NO為N2?？傊?，SNCR還原NO的過程是上述兩類反應(yīng)相互競(jìng)爭，共同作用的結(jié)果。如何選取合適的溫度條件同時(shí)兼顧減少還原劑的逃逸成為SNCR技術(shù)成功應(yīng)用的關(guān)鍵。

2 SNCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其影響因素

2.1 采用氨水為還原劑的SNCR系統(tǒng)

噴射氨水的SNCR脫硝系統(tǒng)由氨水卸載、存儲(chǔ)、計(jì)量、分配及氨水泵等構(gòu)成，其流程圖詳見圖2。采用氨水系統(tǒng)時(shí)，生活垃圾焚燒發(fā)電一般選擇的氨水濃度在8%-25%之間，通過氨水泵以

0.3 MPa-0.7 MPa的壓力加入爐膛內(nèi)。

2.2 采用尿素為還原劑的SNCR系統(tǒng)

采用尿素維還原劑的SNCR系統(tǒng)，主要由尿素溶液制備、存儲(chǔ)系統(tǒng)、尿素溶液在線混合、稀釋系統(tǒng)和噴射系統(tǒng)三部分組成，詳見圖3。尿素溶液配置、儲(chǔ)存系統(tǒng)是為了實(shí)現(xiàn)尿素儲(chǔ)存、溶液配制的功能，袋裝的尿素顆粒通過人工投入到溶解池中，溶解池設(shè)置有攪拌器和加熱器，以便有效地溶解尿素顆粒。配置好的溶液（濃度一般為40%）由尿素溶液輸送泵輸送到尿素溶液存儲(chǔ)罐緩存。當(dāng)SNCR就地控制系統(tǒng)接收DCS發(fā)送過來的指令，尿素溶液給料泵啟動(dòng)，把緩存在儲(chǔ)存罐的尿素溶液輸送到各個(gè)噴嘴。為了適應(yīng)不同的鍋爐運(yùn)行工況，配備了尿素溶液在線稀釋系統(tǒng)，由DCS系統(tǒng)檢測(cè)到爐膛內(nèi)的NOx濃度，然后將信號(hào)傳到SNCR控制系統(tǒng)，經(jīng)計(jì)算后調(diào)節(jié)稀釋給水泵的水量，進(jìn)行精確給料，使SNCR的效率最高，同是也避免噴入過量的尿素溶液，造成氨的逃逸。

2.3 SNCR系統(tǒng)脫硝過程中的影響因素

SNCR還原NO的化學(xué)反應(yīng)效率主要取決于煙氣溫度、高溫下停留時(shí)間、含氨化合物即還原劑注入的類型和數(shù)量、混合效果以及煙氣NOx和O2的含量等因素：

1）溫度對(duì)SNCR的還原反應(yīng)的影響。溫度對(duì)SNCR的還原反應(yīng)影響最大。當(dāng)溫度低于溫度窗口時(shí)，NH3的反應(yīng)速率下降，受停留時(shí)間的限制，還原反應(yīng)進(jìn)行的不充分，NOx脫除率下降，同時(shí)氨的逃逸量可能也在增加；當(dāng)溫度高于溫度窗口時(shí)，NOx的脫除率由于氨氣的

熱分解而降低。由于爐膛內(nèi)的溫度分布受到鍋爐負(fù)荷、燃料的低位發(fā)熱值、爐膛內(nèi)的空氣動(dòng)力流場(chǎng)等多種因素影響，在生活垃圾焚燒發(fā)電廠中，需要在各面爐墻上設(shè)置2~3層噴嘴以適應(yīng)不同的溫度工況。不同標(biāo)高的噴嘴切換是基于燃燒室的溫度測(cè)量值。

2）停留時(shí)間。SNCR系統(tǒng)中，NH3與NO的反應(yīng)需要充足的時(shí)間。如果停留時(shí)間過短，NH3與NO反應(yīng)不完全，造成NO脫除率下降。當(dāng)使用NH3作還原劑時(shí)，SNCR的停留時(shí)間一般控制在0.001 s-10 s之間。SNCR所有的反應(yīng)從NH3注入點(diǎn)開始，在200 ms之內(nèi)發(fā)生，NO的還原反應(yīng)在NH3消失時(shí)停止。Sowo等通過化學(xué)動(dòng)力學(xué)計(jì)算，停留時(shí)間超過200 ms時(shí)，NO的還原不再受停留時(shí)間的影響。但是實(shí)際工程中，如果停留時(shí)間過長，過量的NH3會(huì)與O2發(fā)生反應(yīng)生成NO，也會(huì)造成NO脫除率下降。目前，一般SNCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)的停留時(shí)間在0.3 s-0.5 s之間。

3）SNCR工藝所用的還原劑類型。SNCR系統(tǒng)常用的兩種工質(zhì)為氨水和尿素溶液。為了盡可能去除NOx，噴入的氨水或尿素溶液必須比理論計(jì)算量的要大。大部分過量的氨水或尿素溶液在高溫下會(huì)分解為氮?dú)夂虲O2。但是也會(huì)有少量的氨和CO會(huì)生成，混合在尾氣中，這就是所謂的氨的逃逸問題。為了減少氨的逃逸，一般通過DCS系統(tǒng)檢測(cè)煙囪處的煙氣流量、NOx的濃度信號(hào)，然后通過與焚燒爐設(shè)計(jì)NOx濃度相比較，計(jì)算需要噴入的氨水和尿素溶液量。

為了提高SNCR對(duì)NOx的去除率，降低氨的逃逸量，還必須綜合考慮以下幾個(gè)關(guān)鍵的工藝參數(shù)：入爐生活垃圾的特性、鍋爐運(yùn)行的各種工況、焚燒爐的爐膛結(jié)構(gòu)、余熱鍋爐的受熱面布置、送入的過量空氣量、設(shè)計(jì)工況下的NOx濃度、爐膛內(nèi)的溫度場(chǎng)分布、爐膛的氣動(dòng)流場(chǎng)分布等。

4）煙氣中的氧含量。在SNCR反應(yīng)開始時(shí)，氧氣的存在是至關(guān)重要的。在沒有氧氣的條件下，NO的脫除率很小。有研究表明，當(dāng)O2含量從2%增加到4%時(shí)，NOx的脫除率受影響減弱，NO去除率一直保持在較高的水平。

氧氣對(duì)SNCR反應(yīng)的影響化學(xué)機(jī)理如下：

NH3 + OH →NH2 +H2O

NH3 + O →NH2+OH

NH2+ NO = NNH + ON

NH2+ NO = N2+ H2O

H + O2=O+OH

O + H2O = OH+OH

綜上可見SNCR系統(tǒng)中OH存在是必須的，隨著反應(yīng)的不斷進(jìn)行，OH的濃度會(huì)不斷降低。因此，必須要保證在整個(gè)反應(yīng)中不斷有OH基團(tuán)產(chǎn)生，才能保證SNCR反應(yīng)能持續(xù)進(jìn)行，而O2的存在才能為OH的產(chǎn)生提供條件。

3 SNCR系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的問題

3.1 氨的腐蝕與噴射系統(tǒng)

氨液是無色透明的揮發(fā)性液體，有刺鼻的臭氣，且有腐蝕性。氨屬于劇毒物品，需要特別小心，萬一泄漏，將造成公害，顧存儲(chǔ)和使用上必須滿足國家的相關(guān)規(guī)范要求。在氨存儲(chǔ)間需考慮合適的通風(fēng)措施及氨氣濃度監(jiān)測(cè)及報(bào)警系統(tǒng)，確保生產(chǎn)安全。噴射系統(tǒng)應(yīng)該能耐高溫沖擊，耐磨損耐腐蝕，抗熱變形，而且容易維護(hù)與更換。氨的噴射應(yīng)與煙氣中NOx含量相互適應(yīng)，也即要有好的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

3.2 鍋爐中氣流分布問題

在SNCR工藝中，NH3與NOx混合的越充分，反應(yīng)進(jìn)行的越好，NOx的去除率越高。如果混合不充分，則會(huì)造成局部的NOx和NH3濃度比例不相配，過量的NH3會(huì)與氧氣發(fā)生反應(yīng)，造成二次污染，氨的利用率也會(huì)降低，從而導(dǎo)致NOx去除率降低。另外，由于受到爐膛結(jié)構(gòu)尺寸的限制，氨在高溫爐內(nèi)生存時(shí)間很短，這也要求氨與煙氣的必須迅速地充分混合，否則噴入爐內(nèi)的氨就會(huì)被氧化，生成NO或N2。

在鍋爐中氨與煙氣的混合程度主要取決于噴嘴的設(shè)計(jì)。通常，為了使氨水或尿素溶液與煙氣充分混合，在噴嘴上都設(shè)計(jì)了壓縮空氣作為霧化劑，另外壓縮空氣也可以冷卻噴嘴，避免噴嘴被燒毀。為了提高NH3與煙氣的混合效果，提高NOx的去除率，通常采取以下措施：①通入過量的壓縮空氣，使氨水或尿素溶液得到更好的霧化效果；②增加噴嘴的數(shù)量，垃圾焚燒爐至少都設(shè)計(jì)2層噴嘴；③改進(jìn)霧化噴嘴的設(shè)計(jì)，以便得到更好的霧化效果，同時(shí)也合理布置噴嘴，得到不同的噴射角度和方向，增加NH3與煙氣的混合程度。

3.3 氨逃逸問題

SNCR系統(tǒng)中氨的利用率并不很高，為了還原NOx必須使用過量的氨，因此容易形成過量的氨逃逸。氨逃逸不僅會(huì)造成環(huán)境的污染，而且會(huì)和煙氣中的HCl及三氧化硫合成氯化銨及硫酸氫氨而沉淀在鍋爐尾部受熱面，導(dǎo)致余熱鍋爐尾部受熱面結(jié)垢和堵塞，同時(shí)使煙囪排氣形成白煙。所以在設(shè)計(jì)中，必須采取有效的措施，精確控制入爐的氨量，減少氨的逃逸。

4 結(jié)束語

SNCR雖然脫硝效率不高，大約為30%-60%之間，但由于焚燒采用了3T+E的燃燒技術(shù)，再增加一套SNCR系統(tǒng)，是可以達(dá)到歐盟2000的煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)的。又因?yàn)槠涔に嚵鞒毯唵?、設(shè)備少、占地面積少、對(duì)鍋爐的正常運(yùn)行影響小，是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的脫硝技術(shù)，被廣泛用于城市生活垃圾焚燒發(fā)電廠中。

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