高分子脫硝在垃圾焚燒爐脫硝上的應用

文_劉家林 李炳偉 李明玉

1 廣州綠華環(huán)保科技有限公司 2 廣州暨南大學

近年來，隨著全國各行業(yè)大氣治理的全方位深化，越來越多的各種小型窯爐的煙氣脫硝面臨提標改造的任務。特別是原來已上了SNCR脫硝裝置的垃圾焚燒爐，提標改造需要考慮場地、脫硝效率、投資運營成本等諸多因素。近年來，垃圾焚燒爐采用高分子選擇性還原脫硝（PNCR)進行提標改造，取得了良好的效果。該方法不僅可輔助解決氨水、尿素溶液等液體脫硝劑進行SNCR脫硝所存在的穿透力不夠、噴射深度不夠、脫硝效率低、氨逃逸高及腐蝕性大、氨水有危險性等一系列問題，而且可避免上SCR脫硝裝置所存在的投資大、運行成本高、占地面積大、改造工期長的問題。

1 PNCR脫硝工藝原理

高分子脫硝以高分子材料為載體，把氨基成分聚合負載在高分子材料上的固體粉料和粒料的混合體。高分子脫硝劑是一種脫硝效率高且不燃不爆、無刺激性氣味的安全環(huán)保型材料。PNCR脫硝技術即利用氣力輸送裝置將高分子脫硝劑固體原料均勻噴入850～1100℃的爐膛中。高溫下氨基和高分子連接的化學鍵斷裂，釋放出大量的氨氣，氨氣與爐膛內的煙氣均勻混合并發(fā)生還原反應，達到脫除NOx目的。

PNCR脫硝的反應方程式如下：

2 PNCR脫硝技術要點

根據PNCR脫硝技術多個應用案例的工程實踐經驗，要應用好PNCR脫硝技術需要把握三個方面的關鍵點：一是脫硝劑的性能和噴入爐膛后能與煙氣NOx化生有效還原反應的有效劑量；二是儲存和氣力輸送設備系統(tǒng)的性能；三是爐膛噴槍的科學布置，既確保噴入點符合脫硝反應的溫度窗口，同時改善噴入爐膛后脫硝劑熱解出的氣氨與煙氣混合的流場，并確保足夠的停留反應時間，這是爐內脫硝的普遍性要求。

2.1 噴槍的科學布置

合理選擇噴入點，科學布置噴槍的數量和間距,不僅能提高脫硝效率，還能減少脫硝劑的用量(用小的NSR)和降低氨逃逸。

2.1.1 反應溫度

當溫度高于1200℃時, NH3會被氧化成NO,反而造成NOx排放濃度增大；當溫度低于800℃時，反應不完全，會造成“氨穿透”，氨逃逸率高，造成新的污染。因此，最佳的溫度區(qū)間是兩種趨勢對立統(tǒng)一的結果，一般控制在850～1100℃，噴槍需選擇在這個溫度區(qū)間進行布置。

2.1.2 停留時間

停留時間指反應物在反應器內停留的總時間；在此時間內，還原劑與煙氣的混合、水的蒸發(fā)、還原劑的分解和NOx的還原等步驟必須完成；停留時間的大小取決于鍋爐氣路的尺寸和煙氣流經鍋爐氣路的氣速；PNCR脫硝系統(tǒng)中，停留時間一般為0.001～10s。

2.1.3 脫硝劑和煙氣混合程度

要發(fā)生還原反應，還原劑必須與煙氣分散和混合均勻；爐內高溫脫硝的混合程度取決于鍋爐的形狀與氣流通過鍋爐的方式，因爐膛內的流場復雜，需要采取流場模擬和工程經驗等科學手段來布置噴槍。

2.2 脫硝劑與NOx的比例

氨氮比NSR是NH3/NOx反應物體系中氨與NOx濃度的比值，對反應進行的速度和程度至關重要。根據化學動力學原理，反應物濃度越大，反應速率越快。但NSR超過一定范圍時,NOx的轉化率不再增加，造成還原劑NH3的浪費，泄漏量增大,造成二次污染。因此,實際工程中應控制在1.0～2.0范圍內比較合適。

2.3 高分子脫硝劑的性能

2.3.1 活性高、有效成分含量高

高分子脫硝劑要求活性高，能在溫度窗口內全部熱解氣化，另外脫硝劑的有效成分含量要高，在較少的噴射量條件下，熱解后能夠產生足夠的活性氨，以滿足PNCR脫硝系統(tǒng)單獨運行時，脫硝效率≥60%，處理每噸垃圾脫硝劑使用量低于1.5kg/t，且氨逃逸量≤8mg/Nm3。

2.3.2 安全環(huán)保性能好

高分子脫硝劑可皮膚接觸，不燃燒爆炸，不屬于?；罚邷叵驴赏耆珰饣?，不增加粉塵，其它煙氣指標不受影響。

2.3.3 防潮性好

高分子脫硝劑應具有防潮性，不易吸潮，置于空氣中能保持原有物料形態(tài)。

2.3.4 流動性好

高分子脫硝劑顆粒表面光潔，具備一定硬度，確保藥劑在料倉內、管道中及噴嘴等處不板結、不搭橋、不堵塞，確保設備能夠連續(xù)穩(wěn)定運行。

2.3.5 粒度范圍

高分子脫硝劑粒徑范圍達到0.5～3.0mm，則噴入爐膛時能夠為覆蓋最大的噴射幅度，使脫硝劑和煙氣混合程度達到最佳的狀態(tài)。

2.4 儲存和氣力輸送設備系統(tǒng)的性能

傳統(tǒng)SNCR脫硝系統(tǒng)，雖有噴槍噴射的穿透力不夠、脫硝效率較低、脫硝劑含水率高、對煙氣換熱設備腐蝕性較大等缺陷，但也具有輸送穩(wěn)定可靠、分配均勻、噴槍霧化效果好、覆蓋面廣、便于實現自動化等優(yōu)點，對于脫硝劑為固體粉粒料狀態(tài)的PNCR脫硝系統(tǒng)而言，需要達到如下技術要求，才能在提高脫硝效率的同時，達到傳統(tǒng)SNCR脫硝系統(tǒng)較高的穩(wěn)定性和可靠性。

2.4.1 料倉的設計

料倉的上料系統(tǒng)要能夠方便快捷、節(jié)省人力，料倉錐度小于60°，要有防止倉壁掛料、架橋的破拱設施，要有干燥防潮設施。

2.4.2 給料系統(tǒng)

給料系統(tǒng)是整套系統(tǒng)的核心部位，要求不僅能夠根據脫硝指標準確定量地調節(jié)給料流量，還要能避免堵料、卡澀、反氣等影響連續(xù)穩(wěn)定給料的情況發(fā)生。

2.4.3 輸送風機選型

風機的風量要滿足所有噴槍的噴射風速達到20m/s以上的要求，全壓要求達到50kPa以上，否則會影響噴槍的噴射效果和造成噴頭堵塞。

2.4.4 噴射器

噴射器是連接風機、給料機和輸送主管的關鍵部件，如高分子脫硝劑含有少量粉料，則建議選用合適的文丘里噴射器，使給料機內形成微負壓狀態(tài)，避免正壓反風至給料機和料倉，導致不下料、堵料現象的發(fā)生。

2.4.5 噴射系統(tǒng)

噴射系統(tǒng)包括主管、大彎頭等管件、氣料分配器、噴槍等。該系統(tǒng)要達到連續(xù)穩(wěn)定地輸送，不堵料、不受潮，要有相應的壓縮空氣吹掃防堵設施；至各噴槍的氣料分配器制作精良，分配均勻、不堵料；噴槍最好有冷卻風，以防溫度過高而使脫硝劑在噴頭處熔化凝結和堵塞，噴槍的噴射范圍和噴射距離處于最佳狀態(tài)。

3 PNCR脫硝技術在垃圾焚燒爐上的應用情況

新鄉(xiāng)市首創(chuàng)環(huán)境能源有限公司2020年11月投產運行的2×750t/d垃圾焚燒爐，按照環(huán)保設施三同時的原則，配套建設和投運了SNCR脫硝系統(tǒng)，但脫硝指標只能達到2018年的指標，如表1所示。

表1 SNCR脫硝的排放標準

2020年因河南省對垃圾焚燒爐的煙氣排放標準進行了修訂，垃圾焚燒爐煙氣的NOX濃度和氨逃逸指標需要分別達到100mg/Nm3，8mg/Nm3以下才允許垃圾焚燒爐運行，因此該廠經過研究后，緊急在2#爐上增設一套PNCR脫硝裝置。該裝置從爐膛讓管改造到裝置達標運行，總計1個月左右的時間。該裝置即按PNCR脫硝系統(tǒng)的技術要求進行設計的，運行情況良好，單獨運行即能將NOx控制在100mg/Nm3以下，氨逃逸控制在8mg/Nm3以下。

3.1 PNCR脫硝裝置的配置情況

本項目的PNCR脫硝裝置系按照上述技術要點進行設計、制造和安裝的，主要包含：①投料（上料）裝置：可采用真空上料機或電動葫蘆吊將物料吊至料倉頂部投料孔投料；②料倉：存儲高分子脫硝劑原料，料倉錐度小于60°；③料倉破拱設施：倉底配置了振動活化錐，確保物料不起拱；④料倉干燥系統(tǒng)：防止料倉和給料系統(tǒng)中的脫硝劑吸潮、板結和管道堵塞的除濕裝置；⑤定量計量裝置：螺旋失重式喂料設備；⑥輸送單元：包含正壓輸送風機、噴射器、管道、分配器、噴槍；⑦控制系統(tǒng)：集成式控制柜，PLC+觸摸屏，可方便實現流程及系統(tǒng)控制，也可與上層MES系統(tǒng)通訊。

3.2 PNCR脫硝裝置特點

本項目PNCR脫硝裝置的主要特點是工藝系統(tǒng)簡單、脫硝率高、運行維護成本較低、建設周期短、改造容易，脫硝劑運輸、儲存和使用都非常安全、環(huán)保、便捷。

3.2.1 精確定量加料

脫硝劑的定量輸出，采用失重式喂料模塊實現精確加料。物料進入帶稱重模塊的料斗，并通過雙螺旋輸送機喂料，隨著物料從失重稱中流出，控制系統(tǒng)對秤體的重量信號進行一個高速、高頻的采集，得出單位時間內計量斗內物料減少的重量，再通過控制系統(tǒng)特有的濾波、優(yōu)化處理，得出失重稱的實際流速，同時控制系統(tǒng)會將此給料速度與預設的給定速度比較，并將比較結果計算后反饋給失重稱的給料機構，以自動修正給料機構的給料速度，形成閉環(huán)控制，以此讓實際流速無限逼近給定流速，從而達到控制要求。

3.2.2 防潮、不結塊、不堵料

料倉設置了防潮除濕機，對料倉內的空氣進行干燥，從源頭上防止料倉內的脫硝劑吸潮；料倉內底部設置了活化錐，計量料斗內設置犁刀式攪拌槳，可保證物料順暢下料；采用螺旋喂料器喂料，精確、穩(wěn)定、不堵料，物料在氣力輸送及末端噴射過程中保持連續(xù)穩(wěn)定狀態(tài)；輸送管道轉彎處均配置5倍徑的大彎頭，最大程度降低管道壓損，確保料流平穩(wěn)；分配器按顆粒狀脫硝劑的流場進行科學設計和制作，分配均勻、耐磨、不堵料。

3.2.3 模塊化設計、安裝快捷

本裝置將料倉、投料及輸送裝置、定量計量機構、輸送風機、除濕機及控制單元等進行模塊化集成設計和制作，安裝快捷，運維方便，占地面積小。硬件層面上實現模塊內部的機械和線纜連接，接入電氣即可開機。軟件層面控制系統(tǒng)已實現數據采集、設備控制、測量、參數調整以及各類信號報警等功能，同時起到接駁上級生產管理系統(tǒng)（MES和ERP）的物理層設備。

3.2.4 噴槍的設計和布置科學合理

噴槍采用直通式的，避免堵料。噴槍選擇最佳的溫度區(qū)間和最佳的流場進行布置，爐膛上布置2層噴槍，每層15支，并與SNCR噴槍有一定錯位，使噴入爐膛的PNCR脫硝劑和SNCR脫硝劑充分與煙氣進行均勻混合和反應，達到最高的脫硝效率、最低的脫硝劑消耗和氨逃逸。

3.3 PNCR脫硝運行情況

鍋爐蒸發(fā)量平均值為71t/h，插PNCR噴槍處的爐膛煙氣溫度小時平均值1009℃，運行時只開一層PNCR噴槍14支，所用高分子脫硝劑為粉粒料結合的脫硝劑，其脫硝的活性、有效成分含量、防潮性和輸送的流動性等均滿足技術要求，PNCR脫硝裝置投運后，能夠連續(xù)穩(wěn)定的達標，具體脫硝指標如表2所示。

表2 脫硝運行數據表

4 結語

從PNCR脫硝應用案例來看，只要系統(tǒng)設計和設備選型合理，所用高分子脫硝劑的性能滿足要求，則能夠在氨逃逸不超標的情況下大大提高爐內脫硝的效率，達到現有生活垃圾焚燒污染控制標準的NOX和氨逃逸的排放指標。

如已有SNCR脫硝系統(tǒng)，則可根據高分子脫硝劑和SNCR脫硝劑的的采購成本、綜合運行成本、脫硝指標等各廠的實際情況聯合運行或PNCR單獨運行。