生活垃圾焚燒煙氣脫硝技術(shù)對(duì)比

文_鄧靖 羅慧 劉玉坤

1 上海環(huán)境工程設(shè)計(jì)研究院有限公司 2 華能海南昌江核電有限公司

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，生活垃圾快速增長(zhǎng)，焚燒發(fā)電技術(shù)成為生活垃圾減量化、無害化、資源化的首選方案。根據(jù)《“十四五”城鎮(zhèn)生活垃圾分類和處理設(shè)施發(fā)展規(guī)劃》（發(fā)改環(huán)資〔2021〕642號(hào)），“十三五”期間，全國(guó)共建成生活垃圾焚燒廠254座，累計(jì)在運(yùn)行生活垃圾焚燒廠超過500座，焚燒設(shè)施處理能力58萬t/d。全國(guó)城鎮(zhèn)生活垃圾焚燒處理率約45%。但垃圾焚燒處理能力仍有較大缺口，全國(guó)約50%的城市（含地級(jí)市和縣級(jí)市）尚未建成焚燒設(shè)施。總體目標(biāo)，到2025年底，全國(guó)城鎮(zhèn)生活垃圾焚燒處理能力達(dá)到80萬t/d左右，城市生活垃圾焚燒處理能力占比65%左右。

但生活垃圾焚燒發(fā)電處理過程中含氮有機(jī)質(zhì)的分解及助燃空氣中氮?dú)庋趸傻拇罅康趸铮∟Ox），因此分析、研究生活垃圾焚燒煙氣脫硝技術(shù)，具有重要意義。

1 生活垃圾焚燒發(fā)電排放標(biāo)準(zhǔn)

目前，我國(guó)生活垃圾焚燒發(fā)電廠執(zhí)行的煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)為GB18485-2014《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》，NOx的排放質(zhì)量濃度極限值為250mg/m3。隨著環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提升，不少經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)執(zhí)行更為嚴(yán)苛的地方標(biāo)準(zhǔn)或歐盟2010/75/E標(biāo)準(zhǔn)，部分地區(qū)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)見表1。近年新頒布的標(biāo)準(zhǔn)中NOx日均排放濃度不超過120mg/m3，相比GB18485-2014中的要求減排量超過50%，對(duì)生活垃圾焚燒的NOx的排放要求日益嚴(yán)格。

表1 生活垃圾焚燒煙氣NOx排放值 單位：mg/Nm3（干基、標(biāo)態(tài)、11%O2）

2 生活垃圾焚燒煙氣凈化工藝特點(diǎn)

生活垃圾在高溫環(huán)境下，經(jīng)過焚燒由固態(tài)物質(zhì)轉(zhuǎn)變成飛灰、煙氣和可利用的熱量，達(dá)到廢物資源化利用的目的。生活垃圾焚燒后煙氣中的污染物可分為顆粒物（粉塵）、酸性氣體（HCl、HF、SO2等）、氮氧化物、重金屬（Hg、Pb、Cr等）和有機(jī)劇毒性污染物（二噁英、呋喃等）五大類，其中NOx平均含量為342mg/m3。

為了控制生活垃圾焚燒煙氣污染物的量，必須在后續(xù)配置煙氣凈化工藝設(shè)施，如脫硝、脫酸、吸附重金屬、除二噁英、除塵的措施。目前，國(guó)內(nèi)垃圾焚燒煙氣凈化工藝常采用SNCR法脫硝、半干法噴入石灰漿脫酸、活性炭吸附二噁英和重金屬、袋式除塵工藝脫除粉塵。

3 生活垃圾焚燒煙氣脫硝技術(shù)

根據(jù)生成機(jī)理不同，焚燒過程中所產(chǎn)生的NOx分為熱力型、燃料型和快速型，垃圾焚燒的溫度一般低于1200℃，不足以形成熱力型NOx，大多是燃料型NOx。目前主流的煙氣脫硝技術(shù)分有吸附脫硝、吸收脫硝和還原脫硝3種。相比另外兩種技術(shù)，還原脫硝技術(shù)由于反應(yīng)速度快、投資費(fèi)用和運(yùn)維成本較低等優(yōu)勢(shì)，更適合用于生活垃圾焚燒煙氣的脫硝。而生活垃圾焚燒煙氣還原脫硝技術(shù)主要有選擇性非催化脫硝技術(shù)（SNCR）、選擇性催化脫硝技術(shù)（SCR）及SNCR和SCR聯(lián)合脫硝技術(shù)。

3.1 SNCR技術(shù)

SNCR技術(shù)最初由美國(guó)Exxon公司開發(fā)，1974在日本實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，是以溫度為反應(yīng)驅(qū)動(dòng)力，在不采用催化劑的條件下，通過噴槍直接將還原劑噴入焚燒爐內(nèi)高溫區(qū)，與NOx發(fā)生選擇性還原反應(yīng)，生成對(duì)環(huán)境無害的N2和H2O等物質(zhì)。

SNCR技術(shù)脫硝效率主要受反應(yīng)溫度、氨氮比、混合均勻度和反應(yīng)時(shí)間等因素影響。采用還原劑不同，最佳反應(yīng)溫度區(qū)間略有差別，氨水最佳反應(yīng)溫度區(qū)間為870～1100℃，尿素最佳反應(yīng)溫度為900～1150℃。

該技術(shù)由于無需催化劑和反應(yīng)器，工藝簡(jiǎn)單、造價(jià)低、占地少，已成為生活垃圾焚燒的常規(guī)配置。但對(duì)溫度依賴性強(qiáng)，脫硝率較低，氨的逃逸量大。逃逸氨與煙氣中的酸性氣體反應(yīng)生成銨鹽，堵塞和腐蝕空氣預(yù)熱器等設(shè)備，通常該方法的脫硝效率設(shè)計(jì)在50%左右，符合國(guó)家GB18485-2014標(biāo)準(zhǔn)和歐盟2010/75/EC標(biāo)準(zhǔn)要求，但難以達(dá)到更高標(biāo)準(zhǔn)要求。

江蘇省灌南新蘇國(guó)豐新能源有限公司2×350t/d生活垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目，通過控制燃燒方式控制NOx在300～400mg/m3，采用SNCR脫硝工藝。還原劑采用25%氨水，2020年3月正式并網(wǎng)發(fā)電，脫硝裝置出口NOx排放質(zhì)量濃度控制在200mg/m3以下。

3.2 SCR技術(shù)

SCR技術(shù)由美國(guó)Eegelhard公司發(fā)明，20世紀(jì)70年代在日本Shimoneski電廠成功工業(yè)化應(yīng)用，利用催化劑降低反應(yīng)活化能，在一定溫度范圍內(nèi)將NOx還原成N2，催化劑是技術(shù)的核心，根據(jù)工作溫度的不同，分為中溫SCR（280～420℃）、低溫SCR（200～280℃）、超低溫SCR（140～200℃）。主要工藝是在設(shè)置的觸媒反應(yīng)塔內(nèi)，根據(jù)催化劑的活性溫度范圍，噴入的還原劑與煙氣中NOx混合后經(jīng)觸媒催化劑發(fā)生選擇性還原反應(yīng)，脫硝效率為90%左右，可滿足更高的煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)要求。脫硝效率影響因素主要為催化劑類型、反應(yīng)溫度、空間速度以及氨氮比。

該技術(shù)具有反應(yīng)溫度低、脫硝效率高、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。但也存在一些明顯的缺點(diǎn)，如投資費(fèi)、運(yùn)行費(fèi)用高；煙氣中的SO2、堿金屬等可使催化劑中毒；高粘度、高分散粉塵附著催化劑表面，降低活性；易與硫化物生成銨鹽，腐蝕堵塞設(shè)備。

因此，在生活垃圾焚燒行業(yè)，使用SCR技術(shù)脫硝時(shí)大多選擇低塵布置，先去除煙氣中的酸性污染物和粉塵，再引導(dǎo)煙氣進(jìn)入SCR系統(tǒng)內(nèi)反應(yīng)，可以減輕催化劑活性降低或中毒的現(xiàn)象，延長(zhǎng)催化劑使用壽命，降低更換催化劑成本。但需配套換熱器或加熱爐，提升煙氣溫度，保證脫硝催化劑的工作溫度，勢(shì)必增加能耗、運(yùn)行成本和投資成本。

以處理規(guī)模為500t/d的生活垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目為例，布袋除塵器出口煙氣溫度一般為130～180℃，在320℃進(jìn)行SCR反應(yīng)，煙氣升溫需消耗30%以上的主蒸汽，大幅降低垃圾電廠的效益。因此，在生活垃圾焚燒行業(yè)單獨(dú)配置SCR技術(shù)項(xiàng)目較少。

3.3 SNCR和SCR聯(lián)合技術(shù)

現(xiàn)階段SNCR和SCR技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，在排放標(biāo)準(zhǔn)要求更高的地區(qū)，僅使用任意一種技術(shù)，很難在經(jīng)濟(jì)性和NOx脫除率上同時(shí)滿足項(xiàng)目要求。而SNCR與SCR技術(shù)的聯(lián)合使用，合理分配NOx脫除負(fù)荷，可以有效中和兩者的劣勢(shì)，在經(jīng)濟(jì)性和NOx脫除率間找到最優(yōu)平衡。在SNCR區(qū)段實(shí)現(xiàn)初步脫硝，在SCR區(qū)段進(jìn)行深度脫硝，同時(shí)反應(yīng)掉SNCR區(qū)段的逃逸氨。

江蘇省南京江南4×500t/d生活垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目，是SNCR和SCR聯(lián)合技術(shù)在國(guó)內(nèi)生活垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)較早應(yīng)用的案例之一，設(shè)計(jì)目標(biāo)是NOx控制在焚燒爐出口為400mg/m3以內(nèi)，煙囪出口在80mg/m3，氨逃逸小于5mg/Nm3。

3.4 SNCR、SCR及SNCR和SCR聯(lián)合技術(shù)對(duì)比

生活垃圾焚燒煙氣三種脫硝技術(shù)的綜合對(duì)比見表2。相較于單獨(dú)的SNCR技術(shù)或SCR技術(shù)，SNCR和SCR聯(lián)合技術(shù)由于SNCR區(qū)段去除大部分NOx，SCR所需反應(yīng)器尺寸和催化劑量都將減少，投資成本相應(yīng)降低。

表2 SNCR、SCR及SNCR和SCR聯(lián)合技術(shù)對(duì)比表

相較于單獨(dú)的SNCR技術(shù)，SNCR和SCR聯(lián)合技術(shù)不但可以提高脫硝效率，滿足高排放標(biāo)準(zhǔn)，又可以減少整個(gè)脫硝系統(tǒng)的氨逃逸。相較于單獨(dú)的SNCR技術(shù)，SNCR和SCR聯(lián)合技術(shù)由于SNCR區(qū)段去除大部分NOx，具有還原劑用量少、催化劑量少、反應(yīng)器尺寸緊湊、投資和安裝費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)。

生活垃圾焚燒煙氣中二噁英類、顆粒物、金屬鹽、Hg、NOx、SO2、HCl都偏，為延長(zhǎng)催化劑壽命，SCR系統(tǒng)一般采用低溫低塵布置。但此時(shí)煙氣溫度大多在150℃以下，目前已開發(fā)的SCR催化劑工作溫度多在180℃以上，為了與其工作溫度相匹配，需要額外加升溫裝置，無形中增加了脫硝系統(tǒng)的投資和運(yùn)行成本，且系統(tǒng)復(fù)雜。因此，亟需開發(fā)一種開發(fā)適應(yīng)150℃以下工況的超低溫SCR技術(shù)，減少煙氣升溫能耗，甚至取消換熱器或加熱爐，大幅提升生活垃圾焚燒煙氣脫硝的經(jīng)濟(jì)性。但超低溫SCR技術(shù)還需催化劑克服，在低溫環(huán)境下煙氣中的水蒸氣在催化活性點(diǎn)上與NH3產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)吸附，抑制催化劑活性；煙氣中的二氧化硫與氨氣生成銨鹽，覆蓋催化劑活性位，降低催化劑活性。上述問題是限制超低溫SCR脫硝技術(shù)從實(shí)驗(yàn)研究到工業(yè)化的應(yīng)用，目前國(guó)內(nèi)科研院所和企業(yè)正在通過工業(yè)側(cè)線進(jìn)行探索研究，發(fā)現(xiàn)涂敷式SCR催化劑在此方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)語

SNCR和SCR聯(lián)合技術(shù)建設(shè)和運(yùn)行成本可控，結(jié)合垃圾焚燒行業(yè)NOx排放要求日益嚴(yán)格的趨勢(shì)，目前按高標(biāo)準(zhǔn)新建的項(xiàng)目多采用SNCR+SCR 聯(lián)合工藝。開發(fā)適應(yīng)150℃以下工況的超低溫SCR技術(shù)，可以大幅降低運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益的最大化，將是生活垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)脫硝處理工藝的發(fā)展趨勢(shì)。