淺析垃圾焚燒發電廠煙氣凈化中的脫硝技術

古貴州　王小紅　劉忠

【摘 要】由于新建垃圾發電廠的煙氣污染物排放標準已普遍執行歐盟排放標準，本文從氮氧化物的形成、目前的脫銷技術及各個脫銷技術的優缺點。

【關鍵詞】脫銷；SNCR；SCR；SNCR+SCR

隨著城市人口不斷聚集，生活水平日益改善，生活垃圾產量隨之迅速增長。如果垃圾不能得到及時而恰當的收集、運輸和處理，將帶來一系列的社會問題和矛盾，尤其是在人口集中的大城市，垃圾圍城與城市發展的矛盾越來越凸顯。垃圾焚燒技術具有占地小、垃圾減量化穩定化無害化程度高、能量利用率高以及二次污染程度低等優點，是目前國外應用比較普遍的垃圾處理方法。

近年來，人們的環保意識不斷加強，由于對周圍環境的影響，垃圾發電廠作為厭惡性設施產生了一定的鄰避效應， 為了回應社會訴求，盡量規避垃圾電廠帶來的環境影響，同時順利開展項目建設和運營，妥善處理社會關心的重點問題，各地垃圾焚燒發電廠的建造和運營標準都大幅度提高。近兩年，新建垃圾發電廠的煙氣污染物排放標準已普遍執行歐盟排放標準，即 EU2000/76/EC。

NOx的排放標準受到了很大關注，控制更為嚴格。新的標準規定，新建項目按照新標準執行，已運營項目或已通過環境評級的項目按照舊標準執行到 2015 年 12 月 31 日，意味著自 2016 年 1月 1 日起，所有生活垃圾焚燒發電廠必須全面執行新標準。這就要求所有的生活垃圾焚燒廠必須配備足夠的煙氣處理設施，并實現良好運營。本文著重討論垃圾焚燒發電廠煙氣凈化中的脫硝技術應用。

1 氮氧化物的形成

垃圾焚燒過程中，固態物質經過燃燒會變成氣態物質或其他形式，可能對環境造成更大危害。垃圾焚燒過程中產生的 NOx主要是指一氧化氮（NO）以及二氧化氮（NO2），其中，NO 在較高溫度下生成，而 NO2在低溫條件下較為穩定，NO在空氣中能與O2或 O3反應而轉化生成 NO2。

焚燒爐內，溫度及燃燒垃圾的化學組分是決定 NO 生成量的主要影響因素。根據氮元素來源和生成條件的不同，NOx的來源主要分為空氣中的氮（熱力型 NOx）和燃料中的氮（燃料型 NOx）。（1）熱力型 NOx是由于空氣中含有的氮和氧在高溫條件下相互反應而產生的。 （2）燃料型 NOx，垃圾中含氮的化合物被分解并氧化就可生成。在燃燒過程中，這些含氮有機化合物受熱分解產生一些低分子量的氮化物或 NH2、CN、HCN、NH3等自由基，然后被氧化生成 NO 和水，同時，這些自由基還可以與 NO 反應生成 N2和水。是垃圾焚燒廠脫硝的主要目標。控制燃料型 NOx需要注意燃燒中的過量空氣系數，其與這種類型的 NOx的生成呈正比，也是垃圾焚燒發電過程燃燒控制考慮的最重要的因素之一。（3）氮氧化物還可有另一種生成類型，即瞬時型 NOx，其原理為在高溫條件下，燃料中的含碳氫化合物形成揮發物，分解后生成了 CH 自由基，氮氣與之發生反應，生成 HCN 和 N 等中間產物基團。N 原子再與O2反應生成 NO，部分 HCN 分別與 O2和 NO 反應生成 NO 和 N2。這一反應過程因為其反應速度很快，僅需要 60ms，故稱為瞬時型 NOx，受溫度影響較小。由于瞬時型 NOx僅在碳氫濃度十分高的燃料燃燒時才會產生，需要深度富燃的條件，對于垃圾焚燒過程來說，這種類型的 NOx產量很小。

2 脫銷技術

（1）SNCR 技術是選擇性非催化還原法（Selective Non-Catalytic Reduction）是在煙氣溫度 850～1100℃，在O2 共存的條件下，向爐膛中直接加入氨液或是尿素等脫硝劑，將氮氧化物還原成為氮氣與水。由于此法不需催化劑的作用，從而可避免催化劑堵塞或毒化問題的發生。其去除效率受到脫硝劑與氮氧化物接觸條件（如爐膛溫度隨垃圾特性的變化及反應時間的影響）而有很大的變化，因此噴嘴吹入口的位置必須根據爐體形式、構造及煙道形狀予以確定。SNCR 技術一般采用氨或尿素等作為還原劑，使用噴槍將還原劑噴入焚燒爐內高溫區，將 NOx分解成 N2與 O2，達到去除 NOx的目的。然而在發生還原反應的同時，作為還原劑的氨如果噴入太多，不能及時反應完全，就會導致一系列后續問題。比如殘留在煙氣中，與煙氣中的 HCl 反應，而產生氣態氯化銨，導致從煙囪排出煙氣時變成白煙，部分銨鹽沉積在鍋爐爐壁及后端布袋除塵器上，產生腐蝕作用，同時導致其他污染物的增加，因此有的研究建議NOx去除率最好限制在50%左右。

（2）SCR選擇性催化還原法脫硝技術是目前國際上應用最為廣泛的煙氣脫硝技術，在催化劑作用下，向溫度約280～420 ℃的煙氣， SCR 技術是在催化劑的作用下，還原劑 NH3將煙氣中的NOx還原為N2的工藝。其反應過程一般認為是一分子 NH3與一分子 NO 反應，會產生一分子 N2，同時催化劑被還原；O2的存在可以使得催化劑重新被氧化，從而完成整個催化循環過程。這也是這種工藝被稱作選擇性催化還原法的原因。

選擇性催化還原法脫硝技術是目前國際上應用最為廣泛的煙氣脫硝技術，在日本、歐洲、美國等國家地區的大多數電廠中基本都應用此技術，它沒有副產物，不形成二次污染，裝置結構簡單，并且脫除效率高（可達90%以上），運行可靠，便于維護等優點。

（3）SNCR+SCR 聯合脫硝技術

由于 SCR 和 SNCR 各自具有其優點，但同時又各有不足，單獨使用其中任何一種技術，均不能在脫硝效果和經濟上同時滿足項目要求。而 SNCR 和 SCR 并不是互斥的兩套系統，相反，當兩種技術同時聯合使用時，可以有效中和兩種技術的缺點，在投資費用和脫硝效率間找到最優平衡。所以當要在節約投資和控制運營成本的情況下，同時保證達到超過 80%的脫硝效率，還要保證低的氨逃逸率，可采取將 SNCR和 SCR 兩種工藝組合的方式，合理分配 NOx脫除負荷，滿足排放要求，并盡可能降低造價。由于 SCR 進口的 NOx大部分已經被前序 SNCR 除去，所以 SCR 所需的催化劑和反應器都將變小，投資成本也將降低很多.值得注意的是，垃圾焚燒發電項目采用 SNCR+SCR 聯合脫硝技術時，為減少能量的投入，降低運行成本，必須盡量降低布袋除塵器出口煙氣（150-190℃）的所需升溫溫度，應選用活性溫度盡可能接近于除塵器出口溫度的催化劑。

3 脫硝技術可比性分析

SNCR 技術較 SCR 系統簡單，占地面積小，投資少，約為 SCR 工藝總投資的1/7～1/3，不需要催化劑，能量消耗少，運行成本較低，工藝改造難度較小，僅需對垃圾發電廠余熱鍋爐煙道加以改造即可。SNCR 工藝的脫硝效率一般情況下只有30～40%，如工藝設計達到一定要求，可達 60～80%，但脫硝效率越高，要求的運行條件也就越高，且難以保證整套系統的穩定運行。對于南京江南垃圾焚燒發電項目來說，要確保穩定達標運行，僅采用 SNCR 脫硝工藝，是不能滿足 NOx的排放限值要求的。

SCR 技術的脫硝效率更高，單獨使用該系統脫硝效率可達到 80%以上。但該工藝需要在爐外添加獨立的催化脫硝系統，占地面積比 SNCR 系統所需的面積大。同時，燃煤火電廠使用的 SCR 高溫催化劑的活性溫度為 300-420℃，如垃圾焚燒的SCR 系統采用相同的催化劑，則需要將布袋除塵器出口的煙氣（150-190℃）升溫至320℃左右。處理規模為 500t/d 的垃圾焚燒系統，其布袋除塵器出口煙氣溫度每提升 10℃，消耗主蒸汽的量約 0.95t/h，占主蒸汽量的近 2%，如果將煙氣溫度從150℃升溫至 320℃，所需的主蒸汽量將達到 16.15t/h，意味著要損失 33%的主蒸汽，這將大大增加生產能耗，降低垃圾電廠的運行效益。所以這種高溫 SCR 脫硝工藝不適用于垃圾焚燒電廠。

與單獨使用 SNCR 技術相比，SNCR+SCR 聯合脫硝技術既可以提高脫硝效率又可以減少氨逃逸；與單獨使用 SCR 技術相比具有藥劑使用少、投資和安裝費用少、反應器小、煙氣脫硝控制范圍大等優點。還可以顯著提升煙氣凈化效果，特別是明顯持續降低二噁英的排放量，并實現除白煙效果，且實際建設和運行成本較為可控。因此，SNCR+SCR 聯合脫硝技術在經濟次發達、但排放要求較高的情況下可以選用。值得注意的是，垃圾焚燒發電項目采用 SNCR+SCR 聯合脫硝技術時，為減少能量的投入，降低運行成本，必須盡量降低布袋除塵器出口煙氣（150-190℃）的所需升溫溫度，應選用活性溫度盡可能接近于除塵器出口溫度的催化劑。工業生產的低溫催化劑活性溫度在 160-250℃左右。使用低溫催化劑系統，在布袋除塵器出口煙氣溫度為 150-190℃的區間，不需要加熱，煙氣直接與還原劑混合，在催化劑的作用下，脫除 NOx。而在中溫催化劑的系統中，需要對煙氣進行再加熱，才能發生還原反應。在系統布置上要增加蒸汽預熱器以及煙氣-煙氣換熱器。所以使用低溫催化劑的建造和運營成本都更低，在脫硝效率方面，經過持續不斷的研究，低溫催化劑的效率與中溫催化劑相比，脫硝效率相當，而使用壽命更長。

【參考文獻】

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[責任編輯：朱麗娜]