SNCR技術(shù)在焚燒垃圾發(fā)電廠中的應(yīng)用

曹 儂

上海電氣電站集團(tuán)工程公司

0 引言

垃圾焚燒發(fā)電廠的煙氣排放因其成分很多，燃燒受垃圾成分變化而變化較大且不夠穩(wěn)定，煙氣排放的控制指標(biāo)也不同于燃煤火電發(fā)電廠，特別是在NOX指標(biāo)上低于后者[1]。因此，中國在2014 年修正了2001 的控制排放標(biāo)準(zhǔn)后重新制訂了《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB18485-2014）[2]并于2016年1 月1 日起實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)已和歐盟標(biāo)準(zhǔn)相一致。根據(jù)國家發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，在綜合能源項(xiàng)目中，垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目上馬項(xiàng)目至2035 年占比達(dá)25%，煙氣排放要求更高。因此，垃圾焚燒污染的控制技術(shù)急需提高和改進(jìn)以迎合社會和市場的需要。煙氣排放指標(biāo)中NOX值是最難控制的，而國內(nèi)和國外的控制技術(shù)不外乎是選擇性催化還原脫硝法（selective catalytic reduction，SCR）、選擇性非催化還原脫（selective non-catalytic reduction,SNCR）以及“SNCR+低溫SCR”組合脫硝法[3～6]三種技術(shù)。SNCR 技術(shù)具有投資小、占地小、運(yùn)行成本費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)被許多需要改造和新建脫硝用戶所采用。使用SNCR 技術(shù)，多在燃煤鍋爐[7～12]和循環(huán)流化床（circulating liquid boiler，CFB）[13～20]上應(yīng)用較為成熟，可以達(dá)到超低煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)[13～21]，其使用的還原劑有液氨、氨水和尿素三種。液氨屬易揮發(fā)需嚴(yán)格規(guī)范儲藏和使用，尿素成本小但水解工藝要求高，氨水則介于兩則之間使用。應(yīng)用在生活垃圾焚燒項(xiàng)目上，控制排放達(dá)到適用于垃圾焚燒的新標(biāo)準(zhǔn)，仍有別于煤電的項(xiàng)目。本文就以某3 臺600 t/d 焚燒垃圾電廠的煙氣排放控制運(yùn)行情況為例，主要在焚燒調(diào)整和噴氨脫硝調(diào)整兩個方面的經(jīng)驗(yàn)給以分析，以便供垃圾焚燒爐的煙氣排放控制的用戶參考。

1 焚燒爐系統(tǒng)介紹

焚燒爐采用機(jī)械液壓驅(qū)動爐排，分干燥級(2階)、燃燒級（3 階）、燃盡級（2 階），一次風(fēng)從垃圾池上部吸入經(jīng)蒸汽空氣預(yù)熱器加熱后再由爐排底部經(jīng)由爐排干燥級-燃燒級-燃盡級共7 路經(jīng)爐條兩側(cè)的縫隙吹入，且每級爐排又分左、中、右三個擋板調(diào)節(jié)進(jìn)入爐排底部。二次風(fēng)從鍋爐房上部吸風(fēng)，由二次風(fēng)機(jī)加壓后近輔助燃燒器下方分左右側(cè)墻一層送入爐膛。3 臺600 t/d 爐排焚燒爐，配3 臺余熱鍋爐垃圾燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨?jīng)余熱鍋爐冷卻至約200 ℃后進(jìn)入煙氣凈化系統(tǒng)。每套焚燒爐配一套煙氣凈化系統(tǒng)，采用“SNCR爐內(nèi)脫硝+半干

法脫酸+干法噴射+活性炭吸附+布袋

除塵+SCR（預(yù)留）+活性炭吸附塔（預(yù)留）”的組合工藝（詳見圖1）。

從表1可以看出，垃圾的水分高，垃圾含水率為48.13%，實(shí)際運(yùn)行范圍在40%～55%之間?？扇嘉顲含量低，有害物含有S,Cl等。焚燒爐正常運(yùn)行時，垃圾池內(nèi)有機(jī)物發(fā)酵產(chǎn)生污濁空氣，主要污染因子為H2S、NH3、甲硫醇等。表1 為該項(xiàng)目的垃圾成分分析。

圖1 煙氣凈化工藝流程圖

據(jù)該爐所在地區(qū)常年的有關(guān)分析資料及檢測報告，推算其垃圾低位熱值在6 000 kJ/kg 左右，且一年內(nèi)垃圾呈夏季熱值最低，冬季最高，相差500～1 000 kJ/kg。焚燒爐在后拱上部標(biāo)高約9 m 處布置有兩只天然氣燃燒器（單根最大容量為650 Nm3/h）供啟動升溫用，而在爐膛出口標(biāo)高約18 m和21 m 錯層分兩側(cè)各有一只輔助燃燒器（單根最大容量為2 038 Nm3/h）供垃圾熱值低時助燃用。表2為該爐的技術(shù)參數(shù)。

表2 焚燒爐主要參數(shù)（單臺）

2 煙氣中NOX控制的理論依據(jù)

2.1 脫硝反應(yīng)

SNCR法是向煙氣中噴還原劑，采用氨液（20%濃度）與除鹽水混合后成氨水濃度在約5%后經(jīng)噴槍再空氣（壓力為0.7 MPa）霧化分三層噴入爐膛（見圖2）：標(biāo)高27.8 m分側(cè)墻左右各3支（共6支）；標(biāo)高 31.1 m 分側(cè)墻左右各 3 支和前槍 2 支（共 8支）；標(biāo)高32.8 m前墻2支。整個爐膛共設(shè)置16支噴氨槍(單支槍最大容量為12.375 L/h)入爐脫氮。噴槍水平深入，槍頭進(jìn)爐膛30～50 mm。

圖2 氨水入爐示意圖

還原劑分解產(chǎn)生的氨自由基與NOx反應(yīng)，在還原溫度時間窗口[22]（煙溫在850～1 100 ℃）下，使其還原成 N2、H2O 和 CO2，達(dá)到脫除 NOx 的目的。其反應(yīng)原理為：

在溫度低于800 ℃時，上述還原反應(yīng)速度變慢，而煙溫高于1 100 ℃時，氨水會被氧化成NO[23]，脫氮率降低。

表1 設(shè)計(jì)入爐垃圾成分分析

2.2 在線監(jiān)測的要求和精度

本系統(tǒng)的監(jiān)測項(xiàng)目有SO2、NOx、HCl、HF、CO、CO2、粉塵、O2、H2O、NH3、煙氣流量、煙氣溫度、煙氣壓力等。煙氣凈化系統(tǒng)由就地工業(yè)計(jì)算機(jī)自動控制。設(shè)有在線監(jiān)測的煙氣取樣探測器、SO2、NOx、HCl、HF、CO、NH3、粉塵等分析儀、煙氣流量計(jì)以及其它監(jiān)測信息均通過傳感器傳送至中央控制室，經(jīng)計(jì)算機(jī)根據(jù)排放控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行折算后顯示。

2.3 煙氣凈化后排放標(biāo)準(zhǔn)

表3 是國家最新（2016 年1 月起實(shí)施）煙氣排放控制標(biāo)準(zhǔn)與歐盟標(biāo)準(zhǔn)的對比。

從表3 中可以看出，垃圾焚燒煙氣排放的控制也是總量控制和濃度控制的原則，并分實(shí)時、小時均值、日均值的要求顯示了過程控制的重要性。同時，相比歐盟標(biāo)準(zhǔn)，我國還增加了有害重金屬等的排放控制指標(biāo)，反映了這個標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)性。一般控制實(shí)時測量值應(yīng)該小于日均值，則便于從總量上易于控制日均值。

3 實(shí)際檢測的數(shù)據(jù)情況

3.1 生活垃圾焚燒爐的特點(diǎn)

現(xiàn)在的垃圾焚燒爐膛大，為了保證爐膛溫度，投垃圾直接推送垃圾就是近滿負(fù)荷的量。再者，垃圾的焚燒會因垃圾的成分復(fù)雜和水分大，焚燒垃圾不穩(wěn)定，氧量變化大，較難控制在小范圍波動，因?yàn)闊煔獗O(jiān)測的一次探頭在煙囪的進(jìn)口（見圖1），尾部有許多設(shè)備的介入也使煙氣流程較長到達(dá)煙囪進(jìn)口。焚燒垃圾完全燃燒是需要時間的積累，所以，調(diào)節(jié)煙氣排放各控制參數(shù)遲滯性也較大，一般風(fēng)量調(diào)節(jié)后，NOX濃度折算顯示約滯后10 min，CO顯示要滯后約5 min 左右。環(huán)保部門檢測的要求也高，煙囪進(jìn)口的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)，并直接對外開放有大屏顯示，從開始投用垃圾就受到全社會的監(jiān)督。

一般情況下，粉塵排放只要布袋除塵投入且完好無損，基本不會超標(biāo)。

SO2和HCI通過投入石灰漿系統(tǒng)或干粉等脫硫系統(tǒng)，在投入濃度達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)后，一般也比較易控制。

垃圾焚燒時產(chǎn)生的二惡英等重金屬測量指標(biāo)，可通過爐膛溫度出口溫度不低于850 ℃和活性炭按設(shè)計(jì)量投入來控制。

困難的是NOx 的控制，雖然能根據(jù)焚燒調(diào)整和氨水噴射量來控制，根據(jù)國內(nèi)同類型的焚燒爐實(shí)踐：需要將氧量維持在4%～6%，但垃圾焚燒爐由于垃圾焚燒不穩(wěn)定，氧量變化大，比較難控制。氧量超過6%，NOx 會增大超標(biāo)，加大氨水噴射量可以控制，但爐膛溫度會下降，同時氨逃逸量會上升，氧量低于4%，NOx 會明顯減少，而CO 含量會劇增而超標(biāo)。

表3 《生活垃圾焚燒處理污染控制標(biāo)準(zhǔn)》的日均值標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)在的大型垃圾焚燒爐由于爐膛面積大，垃圾量70%以下無法維持爐膛溫度，因此，沒有特殊要求時，一般初始投料在80%以上，同時也為了節(jié)約用氣，希望盡早退出燃燒器，因此往往是直接投入100%垃圾量來運(yùn)行。

3.2 焚燒調(diào)整數(shù)據(jù)分析

前提條件：分析測的垃圾低位熱值為7 100～7 610 kJ/kg,保持一次風(fēng)壓（空預(yù)器出口為1.7～2.0 kPa 投自動,爐墻冷卻風(fēng)占一次風(fēng)比為17%投自動，二次風(fēng)風(fēng)門開度40%，負(fù)荷在100%(以蒸汽量為準(zhǔn)，下同),保持噴氨量手動，使NOX不超過200 mg/m3（為實(shí)測值，下同）,標(biāo)準(zhǔn)是日測值小于250 mg/m3(一般都要求實(shí)測值嚴(yán)格小于日測值)，對爐排下各級一次風(fēng)門調(diào)整，原則上同級三個風(fēng)門保持一致調(diào)整開度，記錄氧量、NOX、CO 間關(guān)系如圖3 所示。

圖3 氧量、NOX、CO間關(guān)系曲線

從圖3 可以看出，在保證CO< 10 mg/m3,NOx<200 mg/m3的要求下，氧量在4%～6%范圍是可保證NOX和CO的濃度不超標(biāo)的。圖4為爐排轉(zhuǎn)速與負(fù)荷的關(guān)系曲線。

圖4 為設(shè)計(jì)各運(yùn)行工況下轉(zhuǎn)速與負(fù)荷間的關(guān)系。表明自干燥級-燃燒級-燃盡級的轉(zhuǎn)速與負(fù)荷匹配是同一工況下，各級轉(zhuǎn)速是依次遞減的，隨負(fù)荷的升高，各級轉(zhuǎn)速是同步增加的，這是有利于垃圾完全燃燒的。圖5為在高負(fù)荷下爐排各級風(fēng)量的對應(yīng)關(guān)系曲線。

圖4 爐排轉(zhuǎn)速與負(fù)荷的關(guān)系

圖5 （高）負(fù)荷與爐排下各級一次風(fēng)量的關(guān)系

從圖5 可以看出：隨著負(fù)荷升高，一次風(fēng)壓趨于平穩(wěn)（1.7～2.0 kPa）；干燥級 1～2、燃燒級 1和燃燒級3 的爐排下風(fēng)量變動幅度（最大與最小只差，下同）較?。?.9～2.9 m/s）；燃燒級 2 的幅度為 4.4 m/s,燃盡級 1 為 5.9 m/s,最大是燃盡級2 的風(fēng)量變動幅度達(dá)9 m/s，這是為了在進(jìn)入除渣斗前能充分燒盡而作的配風(fēng)調(diào)整以利于低NOX的燃燒。

圖6 一、二次風(fēng)量與氧量、NOx、噴氨量、負(fù)荷的關(guān)系

圖6表明，負(fù)荷與一、二次風(fēng)量的變動斜率趨于水平平行，說明它們之間變化趨勢一致且波動范圍小。而噴氨氨量與NOx的變化趨勢較陡，說明NOx受噴氨量的變化影響較大。

3.3 噴氨調(diào)整數(shù)據(jù)分析

在焚燒調(diào)整完成后保持相關(guān)設(shè)定的自動設(shè)定并投入自動，再進(jìn)行噴氨調(diào)整以最終達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)。圖7、圖8是煙氣溫度與NOX、噴氨量、負(fù)荷等的相關(guān)曲線。

圖7 煙氣溫度與NOX、噴氨量、蒸汽量、煙氣量的關(guān)系

圖7表明，煙氣量與蒸汽量的趨勢是一致的，可以用煙氣量或蒸汽量來作為負(fù)荷，只是前者響應(yīng)快于后者。因此，再看圖8，在考慮到煙溫過高會引起氨水的再氧化生成NO，與投氨量過大使氨逃逸量增大以及對尾部煙道內(nèi)設(shè)備的腐蝕等影響因素后，得出煙溫在900～970 ℃是對NOx的排放更有利。

圖8 煙氣溫度與NOx、負(fù)荷、噴氨量的關(guān)系

圖9表明，噴氨量最適合控制的量應(yīng)該在100～150 L/h，根據(jù)氨槍單只最大容量為12.375 L/h（取12）對應(yīng)的噴氨槍是約9支到12支是比較經(jīng)濟(jì)可控的，結(jié)合現(xiàn)場的具體投運(yùn)情況，則選擇兩側(cè)墻錯層投運(yùn)9 支，前墻兩層至少投運(yùn)3 支是和試驗(yàn)調(diào)整的結(jié)果相吻合。

圖9 噴氨量與NOx的的關(guān)系

4 結(jié)論

焚燒調(diào)整和脫硝噴氨的調(diào)整結(jié)果表明，垃圾焚燒調(diào)試隨垃圾的熱值變化影響較大，不同于燃煤火電脫硝操作，且排放標(biāo)準(zhǔn)的控制也低于后者，但是保持一次風(fēng)壓的恒定結(jié)合二風(fēng)量（風(fēng)門）的調(diào)整是對低氮焚燒垃圾是有益的。SNCR 脫硝調(diào)整是以噴氨按調(diào)整為主，一、二次風(fēng)的焚燒調(diào)整為輔，結(jié)合煙氣溫度、氧量的配合響應(yīng)，是可以使NOx 的濃度排放值控制在新國標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值以內(nèi)，但是隨著超低排放要求的到來，即等同于燃煤和流化床的排放標(biāo)準(zhǔn)，SNCR 的脫硝則出現(xiàn)瓶頸，需要“SNCR+SCR”組合法脫硝將是大勢所趨。因此，本項(xiàng)目也預(yù)留了升級改造的接口，不失為前瞻性的設(shè)計(jì)，值得推廣。