垃圾焚燒發(fā)電廠SNCR投運(yùn)后白煙分析

張輝

(深圳市能源環(huán)保有限公司，廣東 深圳 518048)

0 引言

選擇性非催化還原脫硝法(SNCR)是目前在運(yùn)垃圾焚燒發(fā)電廠的主流脫硝技術(shù)。通過(guò)優(yōu)化鍋爐燃燒參數(shù)控制SNCR，可以保證垃圾焚燒發(fā)電廠煙氣排放中氮氧化物(NOx)的排放滿足GB 18485—2014《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)要求。隨著SNCR在垃圾焚燒發(fā)電廠應(yīng)用的案例越來(lái)越多，經(jīng)常有在其投運(yùn)過(guò)程中出現(xiàn)煙囪冒“白煙”的案例。

1 垃圾焚燒發(fā)電的煙氣組分與污染物去除

因?yàn)槌鞘猩罾鴣?lái)源非常復(fù)雜，對(duì)比傳統(tǒng)的燃煤或燃?xì)怆姀S而言，垃圾焚燒發(fā)電的煙氣組分也比較復(fù)雜。其煙氣含有的主要污染物有酸性氣體、煙塵、重金屬等，其中煙氣中的的酸性氣體主要由硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)、氯化氫(HCl)組成。煙氣中的SOx、HCl可以通過(guò)傳統(tǒng)的半干法、干法或者濕法工藝去除，而煙氣中的NOx多通過(guò)選擇性非催化還原脫硝法(SNCR)去除。SNCR是指無(wú)催化劑的作用下，在適合脫硝反應(yīng)的“溫度窗口”內(nèi)噴入還原劑,將煙氣中的氮氧化物還原為無(wú)害的氮?dú)夂退?。該技術(shù)一般采用氨、尿素或氫氨酸等還原劑。還原劑只和煙氣中的NOx反應(yīng)，一般不與氧反應(yīng)。由于該工藝不用催化劑，因此必須在高溫區(qū)加入還原劑。還原劑噴入850～ 1 100 ℃的爐膛，迅速熱分解成NH3，與煙氣中的NOx反應(yīng)生成N2和水。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中SNCR的反應(yīng)效率多在40%～50%，勢(shì)必存在一定量的氨逃逸。

2 “白煙”形成原因

由于垃圾焚燒電廠煙氣中硫氧化物、氯濃度較高，且在SNCR工作過(guò)程中存在一定量的氨逃逸，易生成硫酸銨與氯化銨。對(duì)比兩者的物化特性，白煙更符合氯化銨的性質(zhì)表現(xiàn)。

氯化銨(NH4Cl)煙氣中HCl來(lái)源于含氯的塑料。HCl在溫度低于120 ℃的區(qū)域，易與NH3發(fā)生化合反應(yīng)，形成白色固體氯化銨飛霧，其反應(yīng)機(jī)理如下：

因煙氣在整個(gè)煙氣凈化系統(tǒng)中的最低溫度也保持在140 ℃以上，所以只有當(dāng)煙氣從煙囪出口排出與大氣接觸發(fā)生熱交換溫度降低時(shí)，氯化銨才會(huì)生成，形成白煙。

3 氨逃逸的測(cè)量及儀器

由于氯化銨的物化特性及垃圾焚燒電廠的工作條件，實(shí)驗(yàn)無(wú)法直接對(duì)氯化銨進(jìn)行測(cè)量?？紤]到垃圾焚燒過(guò)程中氯離子的濃度相對(duì)比較穩(wěn)定，可以通過(guò)氨逃逸激光光譜分析儀比對(duì)煙氣中氨的光譜變化，從而對(duì)煙氣中的氨濃度進(jìn)行監(jiān)控。氨逃逸激光光譜分析儀采用一種高分辨率的光譜吸收技術(shù)：激光穿過(guò)煙氣時(shí)，通過(guò)快速調(diào)制激光頻率并使其掃過(guò)被測(cè)的氨氣吸收譜線的定頻率范圍，然后采用相敏檢測(cè)技術(shù)測(cè)量被氣體吸收后透射譜線中的諧波分量來(lái)分析煙氣中氨氣情況(如圖1所示)。

實(shí)驗(yàn)如果不考慮白煙問(wèn)題， SNCR按照設(shè)計(jì)值運(yùn)行，電廠NOx排放的質(zhì)量濃度<200 mg/m3時(shí)，NOx轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到50%以上。此過(guò)程中由于噴入爐膛內(nèi)的氨(NH3)在爐膛內(nèi)與煙氣不能進(jìn)行充分混合，造成NH3的相對(duì)過(guò)剩，而產(chǎn)生氨逃逸，最終在煙囪出口區(qū)域與煙氣中的氯離子形成氯化銨，生成白煙[1]。

經(jīng)觀測(cè)，可以將白煙分為三個(gè)級(jí)別：極淡、淡煙、濃煙。從氨逃逸激光光譜分析儀檢測(cè)結(jié)果得出：極淡煙對(duì)應(yīng)的氨逃逸質(zhì)量濃度為<0.38 mg/m3；淡煙對(duì)應(yīng)的氨逃逸質(zhì)量濃度為0.38 mg/m3～0.76 mg/m3；濃煙對(duì)應(yīng)的氨逃逸質(zhì)量濃度為>0.76 mg/m3。

圖1 氨逃逸激光光譜分析儀工作原理

4 SNCR調(diào)節(jié)試驗(yàn)

經(jīng)試驗(yàn)分析得出SNCR噴氨量受到鍋爐進(jìn)風(fēng)量和爐膛溫度制約，進(jìn)風(fēng)量、爐膛溫度不理想或發(fā)生突變且SNCR噴氨量不進(jìn)行隨動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，煙囪就會(huì)有白煙產(chǎn)生。經(jīng)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)爐膛溫度低于850 ℃時(shí)，無(wú)論噴氨量如何調(diào)節(jié)都會(huì)有白煙生成，而且在此溫度下SNCR脫硝效果非常差；當(dāng)溫度低于860 ℃， NOx的轉(zhuǎn)化效率小于50%(如圖2所示)[2]。

圖2 尿素、氨水對(duì)NOx轉(zhuǎn)化效率與溫度之間的關(guān)系

鍋爐工況可分為穩(wěn)態(tài)工況和瞬態(tài)工況。穩(wěn)態(tài)工況中鍋爐的風(fēng)量、爐膛溫度、SNCR噴氨量、煙氣中NOx排放以及煙氣中氨逃逸的濃度相對(duì)穩(wěn)定。試驗(yàn)可以確定爐膛溫升幅度和風(fēng)量增加幅度。根據(jù)CEMS(continuous emission monitoring system，煙氣在線分析系統(tǒng))反饋的煙氣中NOx排放量結(jié)合SNCR的反應(yīng)效率計(jì)算SNCR的噴氨量；通過(guò)氨逃逸分析儀測(cè)得的氨逃逸濃度，在保證NOx排放滿足標(biāo)準(zhǔn)(氨逃逸濃度<0.76 mg/m3)的情況下，確定鍋爐不同穩(wěn)態(tài)工況下的SNCR控制策略；繪制爐膛溫升、風(fēng)量以及SNCR噴氨量的三維等高線圖(MAP圖)；通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化SNCR噴氨MAP圖，爭(zhēng)取使氨逃逸濃度<0.38 mg/m3。由于CEMS安裝在引風(fēng)機(jī)之后的煙囪入口處，煙氣從鍋爐第一煙道至CEMS需要一段時(shí)間，為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，文中試驗(yàn)規(guī)定的穩(wěn)態(tài)工況至少要維持10 min。

由于試驗(yàn)?zāi)壳暗募夹g(shù)條件無(wú)法分析鍋爐內(nèi)部溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的分布、變化情況，所以主要采用試驗(yàn)驗(yàn)證法研究鍋爐瞬態(tài)工況下鍋爐風(fēng)量與爐膛溫度的關(guān)系：當(dāng)鍋爐爐膛溫度較低，可以通過(guò)增加風(fēng)量促進(jìn)燃燒以提高爐膛溫度；當(dāng)爐膛溫度過(guò)高，則可以通過(guò)降低風(fēng)量抑制燃燒降低爐膛溫度(試驗(yàn)未考慮溫度與風(fēng)量出現(xiàn)背反關(guān)系的極端情況)。以風(fēng)量為主要的研究因素可以將瞬態(tài)工況的變化分成比原穩(wěn)態(tài)工況風(fēng)量增加和降低兩個(gè)方向。而鍋爐進(jìn)風(fēng)量無(wú)論突然增加還是突然降低，都會(huì)擾亂SNCR反應(yīng)區(qū)流場(chǎng)，造成SNCR反應(yīng)時(shí)間變短或者單位體積內(nèi)氨量的突然增加。瞬態(tài)工況下SNCR系統(tǒng)應(yīng)采取保守噴氨的控制策略，同時(shí)研究風(fēng)量隨時(shí)間及NOx排放的變化情況，確定SNCR噴氨量與風(fēng)量變化之間的關(guān)系，對(duì)SNCR的噴氨策略進(jìn)行優(yōu)化。

因?yàn)闊煔庵蠳Ox排放與SNCR噴氨量及SNCR白煙存在背反關(guān)系，即要保證NOx低排放就要多噴氨，這勢(shì)必會(huì)增加白煙產(chǎn)生的幾率；若為了保證煙囪不冒白煙而少?lài)姲?，電廠煙氣中的NOx就會(huì)有超標(biāo)排放的可能。所以SNCR控制策略第一原則為在保證煙氣中NOx排放達(dá)標(biāo)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于250 mg/m3)的情況下，控制SNCR的噴氨量，從而抑制白煙的生成。

5 SNCR運(yùn)行效果

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在SNCR運(yùn)行過(guò)程中NOx排放僅在極少數(shù)情況下瞬時(shí)值排放超過(guò)250 mg/m3。通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)，SNCR控制程序減白煙效果明顯，由原來(lái)的長(zhǎng)時(shí)間排放濃煙(白煙排放時(shí)間占全天時(shí)間的70%～80%)，到現(xiàn)在絕大多數(shù)情況下無(wú)白煙(不可見(jiàn))、偶爾排放淡煙并在極少數(shù)的極端情況下才會(huì)有濃煙排出(可見(jiàn)白煙排放時(shí)間占全天時(shí)間的5%～10%)。

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)氨逃逸數(shù)據(jù)在某些情況下急劇升高，經(jīng)測(cè)算甚至高于該時(shí)刻爐膛內(nèi)噴氨總值。經(jīng)排查，部分原因?yàn)闊煔鉂穸却?，部分水汽覆于儀器光電吸收端鏡頭片上形成霧滴，煙氣中的NH3溶解于霧滴中，導(dǎo)致激光穿過(guò)鏡頭的過(guò)程中對(duì)NH3生成錯(cuò)誤數(shù)據(jù)；部分原因懷疑為垃圾中混有含NH3的物質(zhì)在燃燒過(guò)程中釋放出來(lái)[3-4]。

在穩(wěn)態(tài)工況下，電廠CEMS系統(tǒng)對(duì)SNCR系統(tǒng)有很好的反饋?zhàn)饔?，可以有效地幫助SNCR確定噴氨量，從而抑制煙氣中的NOx排放量；在瞬態(tài)工況中由于煙氣從爐膛至CEMS需要一定的時(shí)間，CEMS反饋的NOx排放值信號(hào)對(duì)SNCR噴氨量的控制意義不大，建議瞬態(tài)工況過(guò)程中SNCR采用開(kāi)環(huán)控制方式。同時(shí)，煙氣對(duì)氨逃逸儀器有明顯的腐蝕，在后續(xù)試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)儀器的維護(hù)必須考慮。

6 結(jié)論

(1)垃圾焚燒廠煙氣中含有NOx，脫除NOx需要在爐膛噴入氨或者尿素，少部分氨未參與反應(yīng)，逃逸后在后續(xù)煙道和煙氣凈化系統(tǒng)中被吸收，負(fù)荷變化時(shí)偶爾會(huì)有少量的氨通過(guò)煙囪進(jìn)入大氣，一般進(jìn)入大氣的氨質(zhì)量濃度小于0.76 mg/m3。

(2)垃圾焚燒煙氣中氯的成分較多，在煙囪出口溫度低于120 ℃的區(qū)域逃逸的氨易與煙氣中的氯反應(yīng)產(chǎn)生氯化銨，產(chǎn)生可見(jiàn)白煙。但產(chǎn)生的氯化銨濃度很小。

(3)在不考慮氨逃逸及白煙的情況下，SNCR運(yùn)行可以保證脫硝效率≥50%，NOx排放量低于200 mg/m3。

(4)通過(guò)調(diào)試與長(zhǎng)期的試運(yùn)行，目前SNCR控制程序所執(zhí)行的控制策略可以保證電廠煙氣中NOx排放滿足現(xiàn)行最新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(<250 mg/m3)的情況下，有效降低白煙的產(chǎn)生濃度和排放時(shí)間。