焚燒煙氣的氮氧化物污染控制技術(shù)

趙鳳，武志飛，陳嘉樹

（北京京城環(huán)保股份有限公司，北京 100027）

固體廢物焚燒會生成大量的污染氣體，氮氧化物（NOx）就是重要的污染成分之一。根據(jù)《危險廢物焚燒污染控制標準》（GB 18484—2020）[1]和《生活垃圾焚燒污染控制標準》 （GB 18485—2014）[2]中的要求，危險廢物、生活垃圾和干化污泥焚燒設施煙氣中NOx排放濃度限值為300 mg/m3（1 小時均值）和250mg/m3（24 小時均值）。由于各地區(qū)環(huán)評及地方政策的影響，新建項目往往需要執(zhí)行更為嚴格的地方排放標準，如深圳市的《生活垃圾處理設施運營規(guī)范》 （SZDB/Z 233—2017）[3]要求焚燒設施排放煙氣中NOx小時均值與日均值均需在80mg/m3以下。為了使焚燒尾氣達標排放，需控制NOx生成量，同時在尾氣處理工藝中配置脫硝系統(tǒng)。

我國脫硝市場龐大，脫硝作為傳統(tǒng)技術(shù)在燃煤發(fā)電、生活垃圾、危險廢物以及污泥焚燒領(lǐng)域均有廣泛應用。隨著環(huán)保政策的日趨嚴格，NOx污染控制技術(shù)不斷取得新發(fā)展。

1 NOx 種類及生成

大氣中NOx通常包括N2O、NO、N2O3、NO2、N2O4和N2O5，工業(yè)廢氣中的NOx主要是指NO 和NO2。從燃燒系統(tǒng)中排出的NOx90%—95%以NO 的形式存在，其余主要為NO2。NO 不穩(wěn)定，可以分解為N2和O2，也可以進一步氧化為NO2，但由于NO分解需要較高活化能，反應速率緩慢，故NO 經(jīng)過煙囪排放后，在大氣環(huán)境中會被氧化為NO2，因此工程中通常按照NO2估算NOx量。燃燒過程中，NOx的形成主要分為三類，分別是燃料型NOx、熱力型NOx和瞬時NOx，三種NOx的生成比較見表1。

表1 燃燒過程中三種NOx 的生成比較

實際燃燒過程中NOx的生成包含了許多其他反應，但以表1 中NO 生成反應為主，其他因素會影響NO 的生成量。燃燒過程中，三種NOx里瞬時NO 的生成量最少，而且目前沒有任何簡化模型可預測其生成量，故通常忽略計算。燃料中的氮氧化成NO 的過程是一個低活化能反應，轉(zhuǎn)化率高、反應快速，而且受溫度影響較小，生成量穩(wěn)定可估算。熱力型NO 的生成量受溫度影響很大，在溫度低于1000K 時，幾乎沒有NO 生成（或生成后轉(zhuǎn)化為NO2），在1000K 以上，熱力型NO 生成量迅速攀升并遠超燃料型NO[4]，為控制這部分NO，燃燒過程的溫度和時間至關(guān)重要。

2 低氮燃燒技術(shù)

控制NOx的排放技術(shù)主要分為兩類，即源頭生成控制和尾氣脫硝處理。低氮燃燒技術(shù)屬于源頭生成控制，主要針對物料焚燒過程中燃料型和熱力型NOx，其主要的控制參數(shù)包括燃燒溫度、火焰區(qū)煙氣停留時間、煙氣各組分濃度及混合程度[5]?？刂萍夹g(shù)包括：

（1）低氧燃燒技術(shù)。降低燃燒的空氣過量系數(shù)，避免物料在富氧環(huán)境中燃燒，可以降低NO 的生成，同時可以降低焚燒爐的熱損失，提高焚燒效率。

（2）煙氣循環(huán)燃燒技術(shù)。采用煙氣再循環(huán)措施，將燃燒后冷卻的部分煙氣再循環(huán)至燃燒區(qū)，降低燃燒區(qū)溫度并稀釋助燃空氣中的氧氣濃度，起到減少NO生成量的效果。

（3）分區(qū)段燃燒技術(shù)。該技術(shù)可應用于焚燒爐或燃燒器的設計，物料先在一個低氧區(qū)段進行燃燒，此時助燃空氣略低于焚燒理論空氣量，再在該區(qū)段外圍供入過?？諝?，形成二次焚燒區(qū)，將燃料燃盡，可同時降低燃料型和熱力型NOx的生成。

（4）空氣/燃料分級技術(shù)。將空氣和輔助燃料分級送入焚燒爐，使爐內(nèi)一次火焰區(qū)下游形成低氧還原區(qū)，燃燒產(chǎn)物通過此區(qū)時，部分NOx會被還原成N2。

工程實踐中，往往是幾種低氮技術(shù)的組合，比如污泥干化焚燒處理采用流化床焚燒爐，爐膛溫度維持在熱力型NOx合成溫度以下，再配合低氮燃燒器，從而保證整個焚燒系統(tǒng)的低NOx生成量。

3 煙氣脫硝技術(shù)

對于焚燒煙氣中的NOx，通常采用選擇性非催化還原反應（SNCR）和選擇性催化還原反應（SCR）兩種凈化技術(shù)，堿液化學吸收和吸附劑物理吸附雖然也能夠去除該類污染物[6]，但存在效率低、工藝繁復、投資成本高、設備龐大等問題，工程應用并不常見。

3.1 SNCR 脫硝

SNCR 為無催化劑參與NOx的還原反應，過程是以尿素或氨基化合物作為還原劑將NO 還原為N2，反應通常以爐膛或者靠近爐膛出口的煙道為反應空間。SNCR 脫硝主要的化學反應為：4NH3+6NO 5N2+6H2O。

SNCR 系統(tǒng)對于反應溫度十分敏感，需要謹慎設計選擇還原劑在焚燒爐、鍋爐或煙道的噴入點。反應溫度需維持在850℃—1050℃，如果溫度過低，將造成NO 還原效率的下降，同時未參與反應的氨會成為煙氣中新的污染組分；如果溫度過高，則氨的氧化反應將占主導。主要化學反應為：4NH3+5O24NO+6H2O，4NH3+3O24N2+6H2O。

SNCR 脫硝系統(tǒng)簡單、投資小、建設快、對現(xiàn)有工藝布局影響小、節(jié)省空間，但根據(jù)工程實踐，SNCR 對NO 的還原率較低，通常在30%—60%（更高的效率需要消耗更多的還原劑），具體反應效率取決于煙氣溫度、停留時間、還原劑類型和過量系數(shù)、混合效率以及NOx的含量等。SNCR 脫硝系統(tǒng)通常包含脫硝劑儲存輸送系統(tǒng)、爐前計量噴射系統(tǒng)和監(jiān)測控制系統(tǒng)。以3000Nm3/h 煙氣量（溫度1100℃、NOx含量500mg/Nm3）焚燒煙氣脫硝處理工藝為例，尿素法SNCR 系統(tǒng)所含功能模塊見表2。

表2 某項目SNCR 系統(tǒng)組成及功能

3.2 SCR 脫硝

SCR 為有催化劑參與NOx的還原反應，整個過程是以尿素或氨水或液氨作還原劑，在含有催化劑的反應器內(nèi)NOx被還原成N2和H2O。氨法SCR 與尿素法SCR 的區(qū)別在于，后者需要配置分解室并保證尿素分解所需的混合時間、駐留時間和溫度。催化劑的活性材料通常由貴金屬、堿金屬氧化物和沸石等組成。催化反應活性受溫度影響，而且不同組分的催化劑要求的反應溫度也不同，通常最佳溫度為180℃—400℃。提高溫度能夠促進NOx的催化還原，并完成催化劑再生，但長期溫度過高，會破碎催化劑內(nèi)部微結(jié)構(gòu)，而且氧化反應會變得活躍，從而導致NOx轉(zhuǎn)化率的下降。

NOx選擇性還原反應：4NH3+4NO+O24N2+6H2O， 8NH3+6NO27N2+12H2O

氨的潛在氧化反應：4NH3+5O24NO+6H2O，4NH3+3O24N2+6H2O

根據(jù)工程實踐，SCR 系統(tǒng)對NOx的催化還原率為60%—90%，甚至更高，保持催化劑活性和避免氨逃逸是SCR 工藝設計和操作中的關(guān)鍵因素。為了延長催化劑使用壽命，工藝上需降低煙氣中的粉塵含量，同時盡可能避免SCR 系統(tǒng)內(nèi)的氨逃逸問題。逃逸的氨會造成脫硝效率下降，且會與煙氣中的硫氧化物反應生成硫酸銨，硫酸銨微粒附著在催化反應器及下游設備內(nèi)會造成催化劑活性降低和設備腐蝕，活性降低的催化劑又會進一步導致SCR 系統(tǒng)的氨逃逸現(xiàn)象。事實上，對于新的催化劑，氨逃逸量很低，但隨著催化劑失活或者表面被飛灰附著，氨逃逸量就會增加，為了維持工藝所需的NOx脫除率，就必須增加反應器中NH3/NOx摩爾比。催化劑在SCR 系統(tǒng)的投資費用中占比較大，通常為了保持較高的反應活性，催化劑使用壽命不超過5 年。

SCR 脫硝系統(tǒng)包括還原劑存儲、計量分配系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)、反應器系統(tǒng)、煙氣系統(tǒng)、檢測控制系統(tǒng)等。以20 000Nm3/h 煙氣量（溫度40℃、NOx含量300mg/Nm3）焚燒煙氣脫硝處理工藝為例，氨法SCR系統(tǒng)所含的功能模塊見表3。

表3 某項目SCR 系統(tǒng)組成及功能

3.3 SNCR 與SCR 的對比

SNCR 脫硝與SCR 脫硝工藝的對比情況見表4。

表4 SNCR 脫硝與SCR 脫硝對比

由于SNCR 的建設和運行成本較低，通常在低NOx含量的煙氣脫硝工藝中優(yōu)先考慮SNCR 工藝，在高NOx含量的煙氣脫硝工藝中采用“SNCR+SCR”的組合工藝。

4 結(jié)語

NOx污染控制主要依靠源頭生成控制和尾氣脫硝處理，前者以低氮燃燒技術(shù)為代表，主要控制其中的熱力型NOx和燃料型NOx，后者以SCR 和SNCR 為代表。SNCR 建設成本低、脫硝效率低，SCR 投資運行成本高、脫硝效率高，我國煙氣脫硝市場龐大，通常低NOx含量煙氣采用SNCR 工藝，高NOx含量煙氣采用“SNCR+SCR”組合工藝。