SNCR脫硝技術(shù)在生活垃圾焚燒電廠的應(yīng)用

劉亞偉，王超，陳穎，王丹，趙立

（安徽盛運環(huán)保集團股份有限公司，合肥 230051）

某垃圾焚燒電廠（一期）技術(shù)升級改造采用尿素工藝SNCR脫硝技術(shù)，2016年10月完成環(huán)保驗收，（二期）新建工程于2017年4月完成各項驗收達(dá)到環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，煙囪出口NOx排放≤200mg/Nm3，驗收至今SNCR系統(tǒng)運行正常。

1 SNCR脫硝技術(shù)原理

選擇性非催化還原法（Selective Non-Catalytic Reduction，SNCR）脫硝方案是在無催化劑參與反應(yīng)的前提下，將還原性物質(zhì)氨水、尿素噴入到鍋爐爐膛溫度為900℃～1050℃的區(qū)域，在爐膛內(nèi)與O2混合的條件下，該物質(zhì)快速熱解成NH3，再與還原煙氣中的NOx反應(yīng)，生成N2和H2O。

以尿素為還原物質(zhì)，還原NOx的反應(yīng)方程式為：

2 SNCR脫硝技術(shù)特點

SNCR脫硝技術(shù)效果顯著，使用在大型余熱鍋爐上NOx脫除效率為30%～50%；在中小型余熱鍋爐上NOx脫除效率為50%～70%；還原劑品類繁多且易獲取，脫除NOx的還原劑包括氨、尿素和各種銨鹽等[1]，其中主要的脫硝還原劑是氨水和尿素；SNCR脫硝系統(tǒng)運行過程不產(chǎn)生污染物，系統(tǒng)運轉(zhuǎn)負(fù)荷小，對鍋爐的運作工況擾動較小；性價比高、不用催化劑、運營費用較少、系統(tǒng)精簡、不變動鍋爐主體結(jié)構(gòu)，只需外設(shè)還原劑溶液制作部分（尿素工藝）、存儲部分、稀釋計量部分、分配噴射部分；施工時間短，易于實施。

3 SNCR系統(tǒng)運作過程中脫硝效率的影響因素

SNCR還原氮氧化物的氧化還原效率波動因素大致為：反應(yīng)區(qū)溫度、煙氣反應(yīng)區(qū)停留時間、還原劑種類、適合的噴射位置、適合的噴射量等。

3.1 煙氣反應(yīng)區(qū)溫度

煙氣溫度是影響SNCR化學(xué)反應(yīng)效率的重要因素之一，當(dāng)煙氣溫度低于反應(yīng)溫度窗口時，還原劑分子斷裂效率下降，沒有適量的氨基與NOx進(jìn)行充分的中和反應(yīng)，導(dǎo)致脫硝效率降低，氨的逃逸量可能也在增加；當(dāng)煙氣溫度高于反應(yīng)溫度窗口時，還原劑自身會被氧化成氮氧化物，從而增加煙氣中NOx的濃度，影響脫硝的效果。

3.2 煙氣反應(yīng)區(qū)停留時間

SNCR系統(tǒng)中，氨基與NOx的反應(yīng)需要充足的時間，若停留時間短，反應(yīng)不充分，導(dǎo)致NOx中和反應(yīng)效率降低。目前，SNCR系統(tǒng)的停留時間在0.3～0.5s。

3.3 還原劑種類

氨水（20%～25%）和尿素溶液，是目前SNCR脫硝系統(tǒng)中最常用的還原劑。采用尿素作為還原劑，首先尿素要進(jìn)行分解，分解反應(yīng)的最佳溫度區(qū)域是950℃～1050℃，因此采用尿素制備溶液進(jìn)行分解需要的反應(yīng)時間較長，反應(yīng)速率慢，同時生產(chǎn)的副產(chǎn)物對鍋爐有少許腐蝕，也會產(chǎn)生較多的N2O；其優(yōu)勢是尿素溶液的噴射距離更遠(yuǎn)，可以實現(xiàn)與煙氣的充分混合，適合于大型焚燒爐。采用氨水作為還原劑時，其反應(yīng)條件相對寬松，分解反應(yīng)的最佳溫度區(qū)域在850℃～950℃，反應(yīng)速度快，脫硝效果好，同時不產(chǎn)生副產(chǎn)物，適合要求保證穩(wěn)定的脫硝效率及較差工況下的焚燒爐。尿素的優(yōu)勢在于原料來源廣、便于采購，無需考慮安全性問題，審批手續(xù)簡單。氨水應(yīng)用主要是受原料來源及安全性問題等限制。氨水和尿素的優(yōu)缺點對比見表1。

表1 氨水和尿素的優(yōu)缺點對比

3.4 適合的噴射位置

受生活垃圾低位熱值、鍋爐機組不同的負(fù)荷及爐膛內(nèi)空氣動力流場等因素影響，需在余熱鍋爐的第一煙道設(shè)置多層噴槍，以適應(yīng)鍋爐的不同溫度工況。通過煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)反饋的NOx的排放量，切換不同標(biāo)高的噴槍，控制NOx的排放量在國標(biāo)要求范圍內(nèi)。

3.5 適合的噴射量

DCS系統(tǒng)將CEMS煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的NOx排放濃度值，傳給SNCR系統(tǒng)，經(jīng)PLC控制系統(tǒng)計算后在線自動調(diào)節(jié)還原劑的濃度，進(jìn)行精確給料，使SNCR系統(tǒng)的效率最高。同時也避免噴入超量的還原劑，造成氨逃逸。

4 垃圾焚燒電廠SNCR項目概況

某城市垃圾焚燒電廠總規(guī)模500t/d，年處理垃圾18萬t，配置了2臺250t/d爐排型垃圾焚燒爐（逆推機械爐排爐），2臺余熱鍋爐，配置1臺7.5MW凝汽式汽輪發(fā)電機及輔助部分。煙氣凈化系統(tǒng)采用“SNCR+干法+消石灰噴射+活性炭噴射+袋式除塵器”凈化工藝。該系統(tǒng)具有運行穩(wěn)定、操作便捷、煙氣凈化效率高等優(yōu)勢。設(shè)置2套CEMS，采用1套DCS實施“全廠一體化”操控。

4.1 垃圾焚燒爐煙氣參數(shù)（見表2）

表2 煙氣參數(shù)

4.2 還原劑的選擇

該項目選用爐排焚燒爐，垃圾設(shè)計熱值為5800kJ/kg，并根據(jù)當(dāng)?shù)氐牟少彈l件，選用尿素作為脫硝還原劑。

4.3 SNCR工藝流程

采用尿素為還原劑的SNCR系統(tǒng)，主要組成部分和控制流程如圖1。

袋裝尿素由電動葫蘆運至制備罐平臺人工協(xié)助導(dǎo)入罐體中，制備罐設(shè)有攪拌裝置和溫控裝置，協(xié)助顆粒狀尿素快速溶解。完成制備后的溶液（濃度為40%）由轉(zhuǎn)運泵組輸轉(zhuǎn)運至儲備罐中。當(dāng)SNCR控制系統(tǒng)接收到DCS發(fā)來的信號，尿素溶液計量泵啟動，將儲備罐中的尿素溶液輸送到爐膛噴射模塊。同時為了匹配不同時間段鍋爐的燃燒工況，增設(shè)尿素溶液濃度降解混合及分配單元。SNCR控制系統(tǒng)與控制中心DCS通訊，處理來自DCS的信號，經(jīng)核算后調(diào)節(jié)稀釋水泵的水量，匹配實時工況給料濃度，提高SNCR的脫硝效果，同時也避免氨逃逸。

圖1 尿素工藝SNCR系統(tǒng)流程

4.4 噴射位置布置及噴槍選取

以尿素作為SNCR的還原劑，噴槍噴入?yún)^(qū)間溫度需滿足950℃～1050℃，結(jié)合電廠機械爐排爐的焚燒特點，滿足上述反應(yīng)窗口的區(qū)域在余熱鍋爐中部位置，標(biāo)高在19.1～21.9m內(nèi)。為滿足鍋爐不同工況下爐膛內(nèi)溫度變化，使尿素溶液經(jīng)噴槍霧化擴散在適宜的溫度區(qū)間內(nèi)，結(jié)合該電廠鍋爐的實際可利用空間，噴槍布置在鍋爐前墻，每臺鍋爐設(shè)置兩層，每層4只噴槍。噴槍采用耐高溫雙流體脫硝專用噴槍，霧化粒徑為80～120μm，材質(zhì)為310S不銹鋼。

4.5 SNCR投運后的脫硝效果

經(jīng)過SNCR系統(tǒng)升級改造后，對該廠1#、2#鍋爐尾氣排出成分進(jìn)行了監(jiān)測分析，其NOx的濃度均≤200mg/m3。《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB18485-2014）規(guī)定，NOx的濃度排放進(jìn)入大氣限值為250mg/m3。1#鍋爐SNCR投運前后數(shù)據(jù)對比見圖2；1#鍋爐SNCR投運后NOx排放值見圖3；2#鍋爐投運后NOx排放值見圖4。

4.6 運營操作注意的問題

4.6.1 尿素溶液制備模塊

尿素溶于水的過程是吸熱反應(yīng)，其溶解熱約為-57.8cal/g[2]。40%濃度的尿素溶液，結(jié)晶溫度是2℃～3℃，因此尿素制備時，首先應(yīng)向制備罐內(nèi)通入除鹽水，然后通過罐內(nèi)蒸氣管進(jìn)行加熱至設(shè)定溫度（50℃），而后將袋裝尿素通過電動葫蘆運至制備罐頂部，通過人工拆袋后倒入制備罐，開啟罐頂攪拌器使尿素與除鹽水加速溶解并充分混合，攪拌過后的溫度降低，需要再次加熱至設(shè)定溫度（50℃），完成40%的尿素溶液制備；制備完畢后，由制備罐經(jīng)轉(zhuǎn)運泵轉(zhuǎn)運至儲備罐中待用。

人工拆袋過程中可能會有線頭和袋條等雜物落入罐體內(nèi)，在入口處需設(shè)計過濾雜物格柵，并在管路中設(shè)置過濾器，以過濾溶液中存在的雜質(zhì)。

4.6.2 SNCR投運溫度區(qū)域

圖2 1#鍋爐SNCR投運前后數(shù)據(jù)對比

圖3 1#鍋爐SNCR投運后NOx排放值

圖4 2#鍋爐投運后NOx排放值

SNCR技術(shù)由于不采用催化劑，NO與NH3如要充分反應(yīng)，需要適合的溫度窗口、噴射量、停留時間、爐膛空氣湍流度及過量空氣系數(shù)；該SNCR脫硝系統(tǒng)理想的反應(yīng)溫度為950℃～1050℃，當(dāng)反應(yīng)溫度低于800℃時，還原劑分子斷裂效率下降，沒有適量的氨基與NOx進(jìn)行充分的反應(yīng)，脫硝效率降低，同時氨的逃逸量可能也在增加；當(dāng)反應(yīng)溫度高于1100℃時，還原劑自身會被氧化成氮氧化物，從而增加煙氣中NOx的濃度，影響脫硝實際效果。

4NH3+5O2— 4NO+6H2O

NH3的作用成為氧化并生成NO而不是還原NO為N2，同時氨逃逸量增加。所以將噴槍設(shè)置在合理的溫度窗口內(nèi)，是保證SNCR系統(tǒng)脫硝效率的重要因素之一。

4.6.3 給料混合分配模塊

每臺鍋爐設(shè)置1套給料混合分配模塊，為保證脫硝系統(tǒng)控制最小延時，給料混合分配模塊布置在鍋爐19.1m平臺上，就近于爐膛噴射模塊位置，用于精確計量和獨立控制到鍋爐每個噴射模塊的用量，在本單元內(nèi)的流量通過調(diào)節(jié)閥、流量計、電動閥、壓力表及監(jiān)控儀表等進(jìn)行控制與分配，實現(xiàn)各個噴槍流量均勻。

工況運行時，根據(jù)DCS反饋的第一煙道溫度，NOx數(shù)值、含氧量、CO數(shù)值、NH3逃逸等數(shù)值信號，PLC控制系統(tǒng)自動調(diào)整調(diào)節(jié)閥的開度，使尿素溶液噴射量（或尿素溶液濃度）在煙氣出口達(dá)標(biāo)的前提下，合理控制還原劑的消耗量。

4.6.4 噴槍使用及維護(hù)

該項目采用快拆式噴槍，噴槍與保護(hù)風(fēng)套管之間為快裝接頭連接，尿素溶液管道及霧化壓縮空氣管道經(jīng)過高壓金屬軟管連接。當(dāng)噴槍發(fā)生堵塞時，或噴槍長時間不運行時，需要將噴槍抽出，一方面防止噴槍燒結(jié)，另一方面避免磨損。噴槍抽出來后噴槍套管用配套的封堵封住，防止漏風(fēng)。在正常運行及短時間不運行的情況下，霧化壓縮空氣與保護(hù)風(fēng)要一直保持接通狀態(tài)，用來保護(hù)噴槍。當(dāng)系統(tǒng)長期停止運行時，需要將整個尿素溶液管路沖洗干凈以防堵塞。

噴槍運行期間，建議每隔15天對所有噴槍抽出檢查，確認(rèn)噴槍沒有變形燒壞或堵塞。若有變形燒壞需要更換新的噴槍。若噴嘴結(jié)垢嚴(yán)重，需要拆除噴嘴，用鹽酸或類似酸清洗。

5 結(jié)語

生活垃圾焚燒發(fā)電有諸多優(yōu)勢，已逐漸在我國推廣，隨之產(chǎn)生的煙氣污染問題也被逐步解決和完善。由于SNCR脫硝系統(tǒng)工藝簡單，投資較少、占地面積小、施工周期短，不改變鍋爐主體結(jié)構(gòu)，運營成本低，不產(chǎn)生額外的污染，SNCR系統(tǒng)已被逐步認(rèn)可。SNCR技術(shù)在應(yīng)用和積累改進(jìn)的過程中，必定會在環(huán)境保護(hù)方面取得更好的成績。