噴氨調(diào)整和濃水回噴對NOx脫除的應(yīng)用研究

邵偉濤 賀 毅 張煥亨 徐愛杰

（廣州環(huán)投設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣東廣州 510330）

引言

目前我國主要采用垃圾焚燒和垃圾填埋的方式來處理日常產(chǎn)生的生活垃圾，其中垃圾焚燒所占的比重在逐年增加，但是垃圾焚燒會產(chǎn)生 NOx、SOx、HCL、HF、重金屬、粉塵，二噁英等污染物[1]。針對NOx的脫除主要有SNCR和SCR脫硝技術(shù)，大多數(shù)垃圾焚燒發(fā)電廠都采用SNCR脫硝技術(shù)來脫除NOx，對于一些排放指標(biāo)比較嚴(yán)格的地區(qū)也會采用SNCR+SCR聯(lián)合脫硝技術(shù)來脫除NOx。SNCR脫硝技術(shù)是在爐內(nèi)850～1050℃溫度區(qū)間范圍內(nèi)噴入氨水，以此與垃圾焚燒生成的NOx發(fā)生氧化還原反應(yīng)達(dá)到裂解NOx的目的，脫硝效率一般情況下在30～50%之間，SCR脫硝技術(shù)需要借助催化劑，反應(yīng)溫度控制在120～450℃之間，根據(jù)溫度的高低可以分為高溫，中溫和低溫SCR脫硝技術(shù)，脫硝效率一般能夠達(dá)到80%以上[2]。

由于垃圾組分不盡相同，垃圾中含有的C、H、O、N、S、灰分、揮發(fā)分，低位發(fā)熱量也不相同，因此進(jìn)行焚燒時，生成NOx的原始濃度也存在一定的差別。除此之外，垃圾焚燒生成的原始NOx濃度還與負(fù)荷、燃燒氧量、爐溫等因素有關(guān)，因此不同燃燒工況下產(chǎn)生的原始NOx濃度也存在很大的不同，這對SNCR脫硝消耗的氨水用量也帶來較大的影響。

對SNCR脫硝技術(shù)而言，反應(yīng)溫度是影響脫硝效率的最主要因素，如果反應(yīng)溫度偏離了最佳溫度區(qū)域，將會極大的降低脫硝效率。同時，濃水回噴爐內(nèi)燃燒，會對爐溫產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)而會對SNCR脫硝的反應(yīng)溫度帶來一定的影響，進(jìn)而會影響到脫硝效率。另外，為了追蹤SNCR反應(yīng)的最佳溫度，垃圾焚燒電廠通常會設(shè)置3層噴槍，采用哪層噴槍噴射濃水，哪層噴槍噴射氨水，都會對爐膛溫度、脫硝效率產(chǎn)生影響。本文在一臺750t/d垃圾焚燒爐上進(jìn)行SNCR噴氨方式和濃水回噴對垃圾焚燒發(fā)電廠NOx排放和物耗的試驗(yàn)研究，另外，此垃圾焚燒發(fā)電廠采用SNCR+SCR聯(lián)合脫硝工藝，可以綜合對比采用SNCR+SCR聯(lián)合脫硝技術(shù)和單獨(dú)采用SNCR脫硝技術(shù)，以此為實(shí)現(xiàn)電廠的節(jié)能降耗提供參考。

1 脫硝效率影響因素分析

1.1 溫度

溫度是影響SNCR脫硝效率的最大影響因素，為了達(dá)到最佳脫硝效率，一般使NOx的還原反應(yīng)設(shè)定在特定的溫度區(qū)間范圍內(nèi)，試驗(yàn)表明，反應(yīng)溫度區(qū)間控制在850℃～1050℃可以達(dá)到理想的脫硝效率。當(dāng)溫度低于此區(qū)間時，由于反應(yīng)溫度較低，使得還原劑不能得到充分反應(yīng)，并且反應(yīng)速率比較緩慢，同時也會增加氨逃逸率[3]。當(dāng)溫度高出此區(qū)間時，由于反應(yīng)溫度過高，在爐內(nèi)可能發(fā)生NH3的氧化反應(yīng)，生成NOx，因此反應(yīng)溫度對爐膛出口NOx的排放和氨水耗量有著重要的影響。

1.2 氨氮摩爾比

氨氮摩爾比NSR是影響NOx排放和脫硝效率的重要影響因素，根據(jù)NH3和NOx的反應(yīng)公式來看，NSR的理論值為1，但由于不能達(dá)到100%的脫硝效率，因此NSR的實(shí)際設(shè)定值要大于1。NSR設(shè)置過高，雖然可以最大化的脫除NOx，但氨逃逸率也會隨之增大，同時也增加了氨水的耗量，NSR設(shè)置過小，又達(dá)不到理想的脫硝效果，因此根據(jù)不同的爐型、反應(yīng)溫度，NSR存在一個最佳的控制范圍[4]。目前垃圾焚燒電廠普遍將氨逃逸率控制在5ppm以下或者甚至更低，結(jié)合電廠實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，一般將NSR控制在1.0～1.6范圍內(nèi)較好，最高不高于2。

1.3 停留時間

停留時間是指NH3和NOx在爐內(nèi)發(fā)生反應(yīng)的有效時間，在此時間內(nèi)，完成NOx的裂解反應(yīng)。停留時間是達(dá)到較高脫硝效率的保證，其受鍋爐煙道截面積和煙氣流速的影響，流速越高，煙道截面積越小，停留時間就越短，此時的脫硝效率也會降低。另外，停留時間也不易過長，這樣會容易在鍋爐尾部煙道產(chǎn)生積灰，因此設(shè)置合適的停留時間十分必要，試驗(yàn)表明，SNCR的反應(yīng)停留時間超過1.2S時，就可以達(dá)到理想的脫硝效率[5]。

1.4 混合程度

NH3與NOx在爐內(nèi)反應(yīng)區(qū)間的混合程度是影響SNCR脫硝效率的重要影響因素，混合的越充分，NH3對NOx的選擇性就越高，進(jìn)而脫硝效率也就越高，由于NH3和NOx在爐內(nèi)的停留時間較短，因此NH3與煙氣的混合必須要迅速。同時，高的射流動量與煙氣氣流的動量比，以及煙氣氣流的湍流程度對提高NH3和NOx的混合程度有較大的促進(jìn)作用。

2 試驗(yàn)工況設(shè)置及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)工況設(shè)置

試驗(yàn)工況根據(jù)SNCR設(shè)置的3層噴槍進(jìn)行展開設(shè)計(jì)，依次設(shè)計(jì)5組工況，具體工況設(shè)置如表1所示。其中工況1～4采用單獨(dú)投運(yùn)SNCR的方式進(jìn)行脫硝，而工況5采用SNCR+SCR聯(lián)合的方式進(jìn)行脫硝。

表1 氨水和濃水回噴位置

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)期間，確保試驗(yàn)工況運(yùn)行穩(wěn)定，盡量焚燒組分、熱值相近的垃圾，按照試驗(yàn)設(shè)定的位置，每小時向爐內(nèi)噴射2t濃水，同時在DCS上將SCR出口的NOx排放濃度設(shè)定在110 mg/m3以內(nèi)。試驗(yàn)工況調(diào)整期間，按照穩(wěn)定1小時，測試2小時的原則進(jìn)行測試。然后通過DCS表盤依次記錄每個工況下NOx排放和氨水的消耗數(shù)據(jù)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖1 不同工況下的噸垃圾氨水耗量

垃圾在焚燒爐內(nèi)進(jìn)行燃燒并釋放出熱量，在爐排上部形成高溫區(qū)域，高溫?zé)煔馀c爐墻四周布置的水冷壁進(jìn)行換熱，用以加熱給水，同時降低煙氣的溫度，因此，煙氣從爐膛中心流經(jīng)下、中、上3層噴槍位置區(qū)域時的溫度亦是逐漸降低的。由圖1可知，工況1、工況2的噸垃圾氨水耗量最高，分別為5.16Kg/t和4.43Kg/t，工況3、工況4的噸垃圾氨水耗量相對較少，分別為3.12Kg/t、2.73Kg/t，而工況5的噸垃圾氨水耗量最少為1.7Kg/t。分析其原因是由于工況1、工況2采用上層噴槍噴射氨水，采用下層噴氨噴射濃水，濃水回噴會降低爐膛中心的溫度[6,7]，會對SNCR反應(yīng)的脫硝效率產(chǎn)生負(fù)面影響，另外采用上層噴槍噴射氨水時，縮短了NOx和NH3在爐內(nèi)的反應(yīng)時間，進(jìn)而降低脫硝效率，使得噸垃圾氨水耗量較高。工況3、工況4雖然采用下層噴槍噴射濃水，也會減低爐膛中心的溫度，但其是采用中層噴槍噴射氨水的，相比于工況1、工況2延長了NOx和NH3在爐內(nèi)的反應(yīng)時間，脫硝效率較高，進(jìn)而消耗的氨水相對較少。而工況5采用的是上層噴射濃水，其對爐膛中心溫度的影響相對較少，進(jìn)而對SNCR的最佳反應(yīng)溫度也相對較少，同時采用中層噴槍噴射氨水，使得NOx和NH3在爐內(nèi)的反應(yīng)時間相對較長，因此脫硝效率相比于其它工況高，另外，工況5采用SNCR+SCR聯(lián)合脫硝的方式，因此噸垃圾氨水耗量最低。

3 SNCR+SCR協(xié)同脫硝

工況5相比于其它工況而言采用的是SNCR+SCR聯(lián)合脫硝技術(shù)，也即是垃圾焚燒產(chǎn)生的NOx首先經(jīng)過爐內(nèi)的SNCR進(jìn)行一級脫硝，然后再經(jīng)過煙氣處理系統(tǒng)尾端布置的低溫SCR進(jìn)行二級脫硝，最后達(dá)標(biāo)排放的煙氣由煙囪排入大氣。

表2 爐膛出口和SCR出口NOx排放量

表2所示的為工況5爐膛出口和SCR出口NOx的排放濃度，由表可知，爐膛出口的NOx濃度為143.06 mg/m3，SCR出口的NOx濃度為46.62 mg/m3，由此可知，要想僅僅依靠SNCR脫硝技術(shù)，來滿足NOx控制在110 mg/m3以內(nèi)的要求時，需要消耗大量的氨水，就如同工況1～4所示，使得噸垃圾氨水耗量較高。而當(dāng)采用SNCR+SCR聯(lián)合脫硝技術(shù)時，由于SCR可以承擔(dān)一部分NOx的去除，加上SCR脫硝效率較高，使得達(dá)到相同排放要求時，消耗的氨水耗量最低。

結(jié)語

（1）垃圾組分對爐膛出口NOx的排放濃度產(chǎn)生較大的影響，垃圾含氮量越高，產(chǎn)生的NOx就越多，進(jìn)而消耗的氨水耗量也就越大。

（2）SNCR噴氨區(qū)域的反應(yīng)溫度對脫硝效率產(chǎn)生的影響很大，如果偏離SNCR脫硝的最佳反應(yīng)溫度，就會降低脫硝效率，增加噸垃圾氨水耗量。

（3）濃水回噴位置和SNCR噴氨位置對爐內(nèi)溫度、脫硝效率產(chǎn)生較大的影響，試驗(yàn)表明，采用中層噴射氨水、上層噴射濃水時，噸垃圾氨水耗量最低。

（4）采用SNCR+SCR聯(lián)合脫硝技術(shù)相比于單獨(dú)采用SNCR脫硝技術(shù)而言，脫硝效率更高，使得達(dá)到相同的排放要求下，噸垃圾氨水耗量較低。