淺析垃圾焚燒發(fā)電廠煙氣凈化中的脫硝技術(shù)

古貴州　王小紅　劉忠

【摘 要】由于新建垃圾發(fā)電廠的煙氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)已普遍執(zhí)行歐盟排放標(biāo)準(zhǔn)，本文從氮氧化物的形成、目前的脫銷技術(shù)及各個(gè)脫銷技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】脫銷；SNCR；SCR；SNCR+SCR

隨著城市人口不斷聚集，生活水平日益改善，生活垃圾產(chǎn)量隨之迅速增長。如果垃圾不能得到及時(shí)而恰當(dāng)?shù)氖占?、運(yùn)輸和處理，將帶來一系列的社會問題和矛盾，尤其是在人口集中的大城市，垃圾圍城與城市發(fā)展的矛盾越來越凸顯。垃圾焚燒技術(shù)具有占地小、垃圾減量化穩(wěn)定化無害化程度高、能量利用率高以及二次污染程度低等優(yōu)點(diǎn)，是目前國外應(yīng)用比較普遍的垃圾處理方法。

近年來，人們的環(huán)保意識不斷加強(qiáng)，由于對周圍環(huán)境的影響，垃圾發(fā)電廠作為厭惡性設(shè)施產(chǎn)生了一定的鄰避效應(yīng)， 為了回應(yīng)社會訴求，盡量規(guī)避垃圾電廠帶來的環(huán)境影響，同時(shí)順利開展項(xiàng)目建設(shè)和運(yùn)營，妥善處理社會關(guān)心的重點(diǎn)問題，各地垃圾焚燒發(fā)電廠的建造和運(yùn)營標(biāo)準(zhǔn)都大幅度提高。近兩年，新建垃圾發(fā)電廠的煙氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)已普遍執(zhí)行歐盟排放標(biāo)準(zhǔn)，即 EU2000/76/EC。

NOx的排放標(biāo)準(zhǔn)受到了很大關(guān)注，控制更為嚴(yán)格。新的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，新建項(xiàng)目按照新標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，已運(yùn)營項(xiàng)目或已通過環(huán)境評級的項(xiàng)目按照舊標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行到 2015 年 12 月 31 日，意味著自 2016 年 1月 1 日起，所有生活垃圾焚燒發(fā)電廠必須全面執(zhí)行新標(biāo)準(zhǔn)。這就要求所有的生活垃圾焚燒廠必須配備足夠的煙氣處理設(shè)施，并實(shí)現(xiàn)良好運(yùn)營。本文著重討論垃圾焚燒發(fā)電廠煙氣凈化中的脫硝技術(shù)應(yīng)用。

1 氮氧化物的形成

垃圾焚燒過程中，固態(tài)物質(zhì)經(jīng)過燃燒會變成氣態(tài)物質(zhì)或其他形式，可能對環(huán)境造成更大危害。垃圾焚燒過程中產(chǎn)生的 NOx主要是指一氧化氮（NO）以及二氧化氮（NO2），其中，NO 在較高溫度下生成，而 NO2在低溫條件下較為穩(wěn)定，NO在空氣中能與O2或 O3反應(yīng)而轉(zhuǎn)化生成 NO2。

焚燒爐內(nèi)，溫度及燃燒垃圾的化學(xué)組分是決定 NO 生成量的主要影響因素。根據(jù)氮元素來源和生成條件的不同，NOx的來源主要分為空氣中的氮（熱力型 NOx）和燃料中的氮（燃料型 NOx）。（1）熱力型 NOx是由于空氣中含有的氮和氧在高溫條件下相互反應(yīng)而產(chǎn)生的。 （2）燃料型 NOx，垃圾中含氮的化合物被分解并氧化就可生成。在燃燒過程中，這些含氮有機(jī)化合物受熱分解產(chǎn)生一些低分子量的氮化物或 NH2、CN、HCN、NH3等自由基，然后被氧化生成 NO 和水，同時(shí)，這些自由基還可以與 NO 反應(yīng)生成 N2和水。是垃圾焚燒廠脫硝的主要目標(biāo)?？刂迫剂闲?NOx需要注意燃燒中的過量空氣系數(shù)，其與這種類型的 NOx的生成呈正比，也是垃圾焚燒發(fā)電過程燃燒控制考慮的最重要的因素之一。（3）氮氧化物還可有另一種生成類型，即瞬時(shí)型 NOx，其原理為在高溫條件下，燃料中的含碳?xì)浠衔镄纬蓳]發(fā)物，分解后生成了 CH 自由基，氮?dú)馀c之發(fā)生反應(yīng)，生成 HCN 和 N 等中間產(chǎn)物基團(tuán)。N 原子再與O2反應(yīng)生成 NO，部分 HCN 分別與 O2和 NO 反應(yīng)生成 NO 和 N2。這一反應(yīng)過程因?yàn)槠浞磻?yīng)速度很快，僅需要 60ms，故稱為瞬時(shí)型 NOx，受溫度影響較小。由于瞬時(shí)型 NOx僅在碳?xì)錆舛仁指叩娜剂先紵龝r(shí)才會產(chǎn)生，需要深度富燃的條件，對于垃圾焚燒過程來說，這種類型的 NOx產(chǎn)量很小。

2 脫銷技術(shù)

（1）SNCR 技術(shù)是選擇性非催化還原法（Selective Non-Catalytic Reduction）是在煙氣溫度 850～1100℃，在O2 共存的條件下，向爐膛中直接加入氨液或是尿素等脫硝劑，將氮氧化物還原成為氮?dú)馀c水。由于此法不需催化劑的作用，從而可避免催化劑堵塞或毒化問題的發(fā)生。其去除效率受到脫硝劑與氮氧化物接觸條件（如爐膛溫度隨垃圾特性的變化及反應(yīng)時(shí)間的影響）而有很大的變化，因此噴嘴吹入口的位置必須根據(jù)爐體形式、構(gòu)造及煙道形狀予以確定。SNCR 技術(shù)一般采用氨或尿素等作為還原劑，使用噴槍將還原劑噴入焚燒爐內(nèi)高溫區(qū)，將 NOx分解成 N2與 O2，達(dá)到去除 NOx的目的。然而在發(fā)生還原反應(yīng)的同時(shí)，作為還原劑的氨如果噴入太多，不能及時(shí)反應(yīng)完全，就會導(dǎo)致一系列后續(xù)問題。比如殘留在煙氣中，與煙氣中的 HCl 反應(yīng)，而產(chǎn)生氣態(tài)氯化銨，導(dǎo)致從煙囪排出煙氣時(shí)變成白煙，部分銨鹽沉積在鍋爐爐壁及后端布袋除塵器上，產(chǎn)生腐蝕作用，同時(shí)導(dǎo)致其他污染物的增加，因此有的研究建議NOx去除率最好限制在50%左右。

（2）SCR選擇性催化還原法脫硝技術(shù)是目前國際上應(yīng)用最為廣泛的煙氣脫硝技術(shù)，在催化劑作用下，向溫度約280～420 ℃的煙氣， SCR 技術(shù)是在催化劑的作用下，還原劑 NH3將煙氣中的NOx還原為N2的工藝。其反應(yīng)過程一般認(rèn)為是一分子 NH3與一分子 NO 反應(yīng)，會產(chǎn)生一分子 N2，同時(shí)催化劑被還原；O2的存在可以使得催化劑重新被氧化，從而完成整個(gè)催化循環(huán)過程。這也是這種工藝被稱作選擇性催化還原法的原因。

選擇性催化還原法脫硝技術(shù)是目前國際上應(yīng)用最為廣泛的煙氣脫硝技術(shù)，在日本、歐洲、美國等國家地區(qū)的大多數(shù)電廠中基本都應(yīng)用此技術(shù)，它沒有副產(chǎn)物，不形成二次污染，裝置結(jié)構(gòu)簡單，并且脫除效率高（可達(dá)90%以上），運(yùn)行可靠，便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

（3）SNCR+SCR 聯(lián)合脫硝技術(shù)

由于 SCR 和 SNCR 各自具有其優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)又各有不足，單獨(dú)使用其中任何一種技術(shù)，均不能在脫硝效果和經(jīng)濟(jì)上同時(shí)滿足項(xiàng)目要求。而 SNCR 和 SCR 并不是互斥的兩套系統(tǒng)，相反，當(dāng)兩種技術(shù)同時(shí)聯(lián)合使用時(shí)，可以有效中和兩種技術(shù)的缺點(diǎn)，在投資費(fèi)用和脫硝效率間找到最優(yōu)平衡。所以當(dāng)要在節(jié)約投資和控制運(yùn)營成本的情況下，同時(shí)保證達(dá)到超過 80%的脫硝效率，還要保證低的氨逃逸率，可采取將 SNCR和 SCR 兩種工藝組合的方式，合理分配 NOx脫除負(fù)荷，滿足排放要求，并盡可能降低造價(jià)。由于 SCR 進(jìn)口的 NOx大部分已經(jīng)被前序 SNCR 除去，所以 SCR 所需的催化劑和反應(yīng)器都將變小，投資成本也將降低很多.值得注意的是，垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目采用 SNCR+SCR 聯(lián)合脫硝技術(shù)時(shí)，為減少能量的投入，降低運(yùn)行成本，必須盡量降低布袋除塵器出口煙氣（150-190℃）的所需升溫溫度，應(yīng)選用活性溫度盡可能接近于除塵器出口溫度的催化劑。

3 脫硝技術(shù)可比性分析

SNCR 技術(shù)較 SCR 系統(tǒng)簡單，占地面積小，投資少，約為 SCR 工藝總投資的1/7～1/3，不需要催化劑，能量消耗少，運(yùn)行成本較低，工藝改造難度較小，僅需對垃圾發(fā)電廠余熱鍋爐煙道加以改造即可。SNCR 工藝的脫硝效率一般情況下只有30～40%，如工藝設(shè)計(jì)達(dá)到一定要求，可達(dá) 60～80%，但脫硝效率越高，要求的運(yùn)行條件也就越高，且難以保證整套系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。對于南京江南垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目來說，要確保穩(wěn)定達(dá)標(biāo)運(yùn)行，僅采用 SNCR 脫硝工藝，是不能滿足 NOx的排放限值要求的。

SCR 技術(shù)的脫硝效率更高，單獨(dú)使用該系統(tǒng)脫硝效率可達(dá)到 80%以上。但該工藝需要在爐外添加獨(dú)立的催化脫硝系統(tǒng)，占地面積比 SNCR 系統(tǒng)所需的面積大。同時(shí)，燃煤火電廠使用的 SCR 高溫催化劑的活性溫度為 300-420℃，如垃圾焚燒的SCR 系統(tǒng)采用相同的催化劑，則需要將布袋除塵器出口的煙氣（150-190℃）升溫至320℃左右。處理規(guī)模為 500t/d 的垃圾焚燒系統(tǒng)，其布袋除塵器出口煙氣溫度每提升 10℃，消耗主蒸汽的量約 0.95t/h，占主蒸汽量的近 2%，如果將煙氣溫度從150℃升溫至 320℃，所需的主蒸汽量將達(dá)到 16.15t/h，意味著要損失 33%的主蒸汽，這將大大增加生產(chǎn)能耗，降低垃圾電廠的運(yùn)行效益。所以這種高溫 SCR 脫硝工藝不適用于垃圾焚燒電廠。

與單獨(dú)使用 SNCR 技術(shù)相比，SNCR+SCR 聯(lián)合脫硝技術(shù)既可以提高脫硝效率又可以減少氨逃逸；與單獨(dú)使用 SCR 技術(shù)相比具有藥劑使用少、投資和安裝費(fèi)用少、反應(yīng)器小、煙氣脫硝控制范圍大等優(yōu)點(diǎn)。還可以顯著提升煙氣凈化效果，特別是明顯持續(xù)降低二噁英的排放量，并實(shí)現(xiàn)除白煙效果，且實(shí)際建設(shè)和運(yùn)行成本較為可控。因此，SNCR+SCR 聯(lián)合脫硝技術(shù)在經(jīng)濟(jì)次發(fā)達(dá)、但排放要求較高的情況下可以選用。值得注意的是，垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目采用 SNCR+SCR 聯(lián)合脫硝技術(shù)時(shí)，為減少能量的投入，降低運(yùn)行成本，必須盡量降低布袋除塵器出口煙氣（150-190℃）的所需升溫溫度，應(yīng)選用活性溫度盡可能接近于除塵器出口溫度的催化劑。工業(yè)生產(chǎn)的低溫催化劑活性溫度在 160-250℃左右。使用低溫催化劑系統(tǒng)，在布袋除塵器出口煙氣溫度為 150-190℃的區(qū)間，不需要加熱，煙氣直接與還原劑混合，在催化劑的作用下，脫除 NOx。而在中溫催化劑的系統(tǒng)中，需要對煙氣進(jìn)行再加熱，才能發(fā)生還原反應(yīng)。在系統(tǒng)布置上要增加蒸汽預(yù)熱器以及煙氣-煙氣換熱器。所以使用低溫催化劑的建造和運(yùn)營成本都更低，在脫硝效率方面，經(jīng)過持續(xù)不斷的研究，低溫催化劑的效率與中溫催化劑相比，脫硝效率相當(dāng)，而使用壽命更長。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]