改良SNCR用于醫(yī)療廢物焚燒煙氣高效脫硝的技術(shù)研究

文_夏小龍 江理明

1 廣東生活環(huán)境無(wú)害化處理中心有限公司 2 浙江環(huán)耀環(huán)境建設(shè)有限公司

隨著國(guó)家對(duì)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，醫(yī)療廢物焚燒產(chǎn)生氮氧化物（NOx）排放限值越來越嚴(yán)。為確保所配套的醫(yī)療廢物熱解氣化焚燒處理系統(tǒng)能同時(shí)滿足氮氧化物總量控制和焚燒處置能力達(dá)到設(shè)計(jì)值，我們研究了多因素控制的選擇性非催化還原煙氣脫硝工藝技術(shù)。在該工藝中，通過多點(diǎn)高溫檢測(cè)技術(shù)，準(zhǔn)確測(cè)出爐膛內(nèi)整個(gè)溫度場(chǎng)真實(shí)溫度，同時(shí)采用二級(jí)多點(diǎn)控溫工藝路線，根據(jù)不同區(qū)域溫度布置噴槍和噴入量，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化控制，保證尿素噴入量和氨逃逸受控，最大可能地提高煙氣脫硝效率，最終實(shí)現(xiàn)了醫(yī)療廢物焚燒煙氣中NOx的超低排放。通過試驗(yàn)與調(diào)試，獲得改良SNCR的最佳技術(shù)參數(shù)，該改良工藝技術(shù)研究對(duì)于如何改進(jìn)SNCR技術(shù)并用于醫(yī)療廢物焚燒煙氣中NOx的超低排放，具有重要的實(shí)際參考和推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 降低氮氧化物排放濃度的工藝機(jī)理

在醫(yī)療廢物焚燒煙氣中，控制NOx排放濃度的途徑有兩種：燃燒抑制NOx措施和燃燒后脫硝措施。燃燒抑制NOx措施是通過抑制NOx的生成，即通過均勻燃燒、控制過氧系數(shù)和控制焚燒溫度以抑制燃燒所產(chǎn)生的NOx量。

燃燒后脫硝的措施包括SNCR和SCR等技術(shù)。其中，由于SCR脫硝的有效反應(yīng)溫度區(qū)間與二噁英合成的溫度區(qū)間重疊，因此采用SCR脫硝會(huì)與急冷降溫的相關(guān)技術(shù)規(guī)范相沖突，并帶來增加二噁英超標(biāo)排放的隱患。雖然有SCR脫硝與除二噁英一體化裝置，但是造價(jià)高、運(yùn)行阻力大、催化劑中毒導(dǎo)致的使用時(shí)間短、購(gòu)買催化劑與處置中毒催化劑（屬危廢）成本均高。SNCR脫硝技術(shù)主要是在爐膛適宜溫度區(qū)間，在O2共存條件下噴入含有NHX基的還原劑（如氨氣、氨水或尿素等），該還原劑迅速熱分解成NH3和其它副產(chǎn)物，在一定溫度下將NOx還原成氮?dú)夂退?/p>

SNCR去除煙氣中NOx的主要原理為兩個(gè)反應(yīng)，分別為還原反應(yīng)和氧化反應(yīng)，反應(yīng)方程式如下：

由于SNCR脫硝技術(shù)不需要催化劑，系統(tǒng)簡(jiǎn)單、投資和運(yùn)行成本低、阻力小、占地面積小、建設(shè)工期短，符合廣州市醫(yī)療廢物焚燒處置項(xiàng)目實(shí)際需要，具有較強(qiáng)的適用性，因此本提標(biāo)升級(jí)項(xiàng)目?jī)?yōu)先采用SNCR方法脫硝。

2 SNCR脫硝改進(jìn)思路與工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 改進(jìn)的思路

SNCR煙氣脫硝效果的重要因素包括還原劑的選擇、NOx初始濃度、溫度窗口、停留時(shí)間、煙氣組分、混合程度（霧化效果）、氨氮比等。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的煙氣脫硝系統(tǒng)在適宜的溫度窗口、優(yōu)化反應(yīng)時(shí)間及混合效果等技術(shù)基礎(chǔ)上，將氨基的還原劑均勻地噴入煙氣中，將NOx還原生成無(wú)毒無(wú)害的氮?dú)夂退?/p>

在脫硝過程中，進(jìn)入反應(yīng)塔的尿素的粒徑越小、脫硝的反應(yīng)速度越快、與煙氣的混合效果越好、反應(yīng)越徹底、尿素的利用率越高。尿素進(jìn)入反應(yīng)塔的粒徑，對(duì)脫硝的反應(yīng)時(shí)間、脫硝的效率以及脫硝的成本都有重要影響。

根據(jù)本項(xiàng)目的實(shí)際條件和工藝特征，脫硝工藝改進(jìn)主要研究的影響因素：①二燃室與二煙道溫度場(chǎng)及濃度場(chǎng)的標(biāo)定。②反應(yīng)溫度對(duì)脫硝效率的影響。③氨氮摩爾比對(duì)脫硝效率的影響。④不同濃度還原劑溶液對(duì)脫硝效率的影響。⑤在上述各種條件下氨逃逸率。

2.2 改良SNCR工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目中的醫(yī)療廢物熱值高達(dá)18800～21700kJ/kg，為了降低醫(yī)療廢物焚燒系統(tǒng)NOx的初始濃度，在SNCR工藝中以前置燃燒抑制NOx控制技術(shù)作為預(yù)處理。本項(xiàng)目選擇水或蒸汽噴射技術(shù)，向二燃室火焰中噴射水或水蒸氣，利用水的蒸發(fā)潛熱和水蒸氣使火焰溫度降低150～200K，在提升10%的醫(yī)療廢物焚燒系統(tǒng)醫(yī)療廢物處置能力情況下，還能滿足SNCR脫硝要求窗口溫度850～1020℃。所設(shè)計(jì)的改良醫(yī)療廢物焚燒煙氣SNCR系統(tǒng)由4個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，即低氮燃燒與控制系統(tǒng)、尿素霧化系統(tǒng)、脫硝控制與計(jì)量系統(tǒng)和工藝給水系統(tǒng)等。

2.2.1 尿素霧化系統(tǒng)

SNCR系統(tǒng)的尿素霧化系統(tǒng)采用一級(jí)三角衍射、二級(jí)鏡像噴射，能夠把尿素以接近分子狀態(tài)投入到脫硝反應(yīng)塔中，使得脫硝效率大幅度提高。

2.2.2 脫硝控制與計(jì)量系統(tǒng)

采用PLC控制，用專用噴槍將尿素溶液霧化噴入煙氣，與高溫?zé)煔庵械腘Ox充分混合并發(fā)生反應(yīng)，將NOx轉(zhuǎn)化為氮?dú)舛摮?/p>

2.2.3 工藝給水系統(tǒng)

尿素溶解水，稀釋水、沖洗水均采用軟化水。系統(tǒng)進(jìn)水由軟化水系統(tǒng)引出，水質(zhì)滿足鍋爐給水要求（硬度≤0.03mmol/L），并利用余熱蒸汽對(duì)尿素溶液進(jìn)行加熱和保溫。

2.3 改良SNCR工藝流程及控制

本項(xiàng)目采用多因素控制的改良SNCR工藝。首先，通過多技術(shù)路徑，保證氨氣與NOx有充分的混合、擾動(dòng)的反應(yīng)時(shí)間，在二燃室中部原熱電偶插口位置設(shè)計(jì)1個(gè)噴口，在二燃室底部950～1050℃溫度區(qū)間環(huán)繞界面均勻設(shè)計(jì)3個(gè)噴口，在二燃室與余熱鍋爐的連接煙道850～1000℃溫度區(qū)間上設(shè)計(jì)2個(gè)噴口。

其次，為判斷二燃室原熱電偶插口位置的溫度區(qū)間是否滿足SNCR脫硝反應(yīng)的要求，調(diào)試期間，分別按30%、50%、75%、100%負(fù)荷測(cè)量此處的爐內(nèi)溫度，擬合出負(fù)荷-溫度變化曲線，若溫度不滿足SNCR反應(yīng)所需窗口，則停運(yùn)SNCR脫硝專用噴槍；當(dāng)溫度滿足SNCR反應(yīng)所需窗口，根據(jù)系統(tǒng)擬合的負(fù)荷-溫度變化曲線控制SNCR脫硝專用噴槍的流量。

還原劑噴射系統(tǒng)利用壓縮空氣將還原劑霧化噴入高溫?zé)煔庵?，包括SNCR脫硝專用噴槍及套管等設(shè)備。噴槍選用雙流體霧化結(jié)構(gòu)，正常工作時(shí)，通過壓縮空氣將還原劑在噴槍內(nèi)進(jìn)行霧化后從噴嘴均勻地噴出。在某些工況不需要噴射還原劑時(shí)，噴槍始終噴入壓縮空氣，防止高溫?zé)煔鈱?duì)噴槍的損害并達(dá)到冷卻的目的，同時(shí)噴射壓縮空氣還可以有效防止噴槍被堵塞。

3 改良SNCR的脫硝效果及多因素分析

利用煙氣在線監(jiān)控系統(tǒng)（CEMS）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過調(diào)整反應(yīng)溫度、尿素濃度、煙氣含氧量、NH3/NO摩爾比和控溫方式等影響因子，研究其對(duì)脫硝效果的影響。初始條件是二燃室底部溫度在1000℃，主要焚燒感染性醫(yī)療廢物，不噴尿素脫硝時(shí)，NOx初始濃度為163mg/Nm3。

3.1 二燃室底部溫度對(duì)脫硝的影響

配制尿素濃度8%，采用二級(jí)脫硝（其中二燃室底部3個(gè)噴槍，二煙道2個(gè)噴槍）技術(shù)，NH3/NO摩爾數(shù)比=2：1。同時(shí)，通過調(diào)節(jié)一次風(fēng)或二次風(fēng)，確保煙氣含氧量9%～9.5%。檢測(cè)階段，調(diào)控二燃室底部溫度并檢測(cè)出氣口NOx濃度。

NOx還原反應(yīng)是在合適的溫度下進(jìn)行的。如圖1所示，當(dāng)溫度過高時(shí)，還原劑會(huì)被直接氧化成NOx排出，當(dāng)溫度過低時(shí)，反應(yīng)不完全，氨逃逸率高，造成新的污染。

圖1 脫硝反應(yīng)溫度對(duì)脫硝效果的影響

3.2 含氧量（調(diào)節(jié)二次風(fēng)的風(fēng)量）對(duì)脫硝的影響

配制尿素濃度8%，采用二級(jí)脫硝技術(shù)（二燃室底部3個(gè)噴槍，二煙道2個(gè)噴槍），NH3/NO摩爾數(shù)比=2：1，二燃室底部溫度在1000℃。檢測(cè)階段，通過調(diào)節(jié)二次風(fēng)，調(diào)節(jié)煙氣含氧量并檢測(cè)出氣口NOx濃度。如圖2所示，煙氣含氧量與NOx排放濃度呈正比。但當(dāng)含氧量降低時(shí)，CO排放濃度會(huì)大量增加。因此，余熱鍋爐含氧量最佳區(qū)間為8%～10%。

圖2 煙氣含氧量對(duì)脫硝效果的影響

3.3 一級(jí)脫硝與二級(jí)脫硝效果差異比較

控制尿素濃度8%，一級(jí)脫硝時(shí)，NH3/NO摩爾數(shù)比=1.2：1；二級(jí)脫銷時(shí)，NH3/NO摩爾數(shù)比=2：1?？刂茻煔夂趿?%～9.5%，二燃室底部溫度在1000℃。如圖3所示，在合適的溫度窗口尿素濃度情況下，二級(jí)脫硝比一級(jí)脫銷總排放口的NOx濃度更低，滿足總量控制要求（低于100mg/Nm3）。

圖3 一級(jí)與二級(jí)脫硝對(duì)總排放口NOx濃度的影響

3.4 控溫措施對(duì)總排放口大氣污染物濃度的影響

由于各種醫(yī)療廢物的熱值不同，在垃圾投料量相對(duì)不變的情況下，熱解焚燒爐和二燃室溫度會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。為滿足單臺(tái)熱解氣化焚燒爐達(dá)到設(shè)計(jì)處置能力35t/d，采用方式1（噴水蒸汽到二燃室中部）與方式2（提高二次風(fēng)的風(fēng)量），均可實(shí)現(xiàn)二燃室底部降溫150℃，滿足脫硝溫度窗口的要求。研究不同控溫措施對(duì)總排放口的氨逃逸和顆粒物的影響。表1表明，從污染物達(dá)標(biāo)排放和減少尿素使用量方面考慮，采用方式1（噴水蒸汽到二燃室中部）明顯優(yōu)于采用方式2（提高二次風(fēng)的風(fēng)量）。因此，通過降低尿素溶液濃度、控制反應(yīng)溫度、降低煙氣含氧量、提高尿素反應(yīng)混合程度等措施，NOx排放濃度從150～180mg/Nm3降低到30～65mg/Nm3。

表1 控溫措施對(duì)污染物排放濃度影響

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)本醫(yī)療廢物焚燒項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)條件及工藝特點(diǎn)，通過研究SNCR工藝的影響因素，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工藝參數(shù)，取得了很好的氮氧化物去除效果，實(shí)現(xiàn)了氮氧化物的超低排放。該研究的主要結(jié)論如下：

①SNCR系統(tǒng)采用二級(jí)噴槍，以適應(yīng)爐膛負(fù)荷調(diào)整時(shí)引起的溫度變化，確保SNCR脫硝反應(yīng)點(diǎn)處于相對(duì)合理溫度區(qū)間內(nèi)。二級(jí)NOx去除率達(dá)到65%～80%，總排放口NOx＜100mg/Nm3，采用的二級(jí)多因子控制SNCR技術(shù)處于醫(yī)療廢物焚燒處置行業(yè)國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

②采取改良SNCR技術(shù)相對(duì)于SCR技術(shù)，不需要昂貴的脫硝催化劑，也不需要將尾氣煙氣控制到230～280℃，可以節(jié)約50%以上投資成本，比傳統(tǒng)SNCR工藝提高脫硝率約20%～30%。

③噴槍霧化液滴粒徑?jīng)Q定了尿素（NH3）與煙氣的接觸面大小。噴槍霧化后的液滴粒徑越小，液滴與煙氣（NOx）的接觸面越大，NH3的利用率越高，脫硝效率越高。液滴太小，質(zhì)量就越小，單個(gè)液滴獲得的動(dòng)量越小，其在煙氣阻力作用下，液滴的穿透力衰減極快，導(dǎo)致液滴在煙氣中的覆蓋面小。由于霧化后液滴的動(dòng)量（粒徑大小和速率），直接影響到液滴對(duì)煙氣截面的覆蓋率，因此選擇合適的噴槍參數(shù)，即合適的霧化液滴的動(dòng)量，成為SNCR脫硝效果好壞的關(guān)鍵因素之一。

該研究結(jié)果對(duì)于改進(jìn)SNCR工藝并用于處理醫(yī)療廢物焚燒煙氣中的NOx，并實(shí)現(xiàn)超低排放具有重要的實(shí)際參考和推廣應(yīng)用價(jià)值。