探討脫硝技術生活垃圾焚燒發電廠的應用

黎小保，呂志中

（1.中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038；2.啟迪桑德環境資源股份有限公司，北京 101102）

通常，燃燒過程中生成的氮氧化物有3種形成機理：空氣中的氮氣在高溫下氧化——熱力型；燃料中的氮的氧化——燃料型；空氣中的氮和碳氫化合物共同作用——快速型。垃圾焚燒過程中產生的氮氧化物大多數為燃料型，少部分熱力型，快速型極少。目前有關氮氧化物的控制方法非常多，燃煤電站鍋爐應用較多的是SCR、SNCR以及SNCR與SCR混合脫硝技術，而對于以生活垃圾為主要燃料的焚燒發電廠，目前普遍采用的是SNCR技術[1-2]。

1 SNCR工藝原理

SNCR即選擇性非催化還原法，在煙氣溫度為900～1 100℃，不加催化劑的有氧條件下，向爐膛中加入氨水或尿素等脫硝還原劑，將氮氧化物還原成氮氣與水。SNCR工藝原理如圖1所示。

圖1 SNCR工藝原理

當將NH3作為還原劑時，發生式（1）所示的化學反應，該反應主要發生在950℃。

當采用尿素作為還原劑時，發生以下化學反應：

2 影響SNCR脫硝效率的因素

通常，在實際應用中，SNCR脫硝反應效率還會受到反應溫度、NH3/NOx摩爾比、不同還原劑以及煙氣中的氧含量的影響。

2.1 反應溫度的影響

溫度是SNCR工藝中最關鍵的因素。在低溫條件下（低于800℃）加入的NH3大多數沒有反應，而在高溫條件下（高于1200℃）大部分NH3被氧化成NOx，因此根據還原劑和運行條件，SNCR的有效反應溫度窗為900～1 100℃。

2.2 摩爾比的影響

實際運行中，NH3/NOx摩爾比一般控制在1.0～2.0比較好，最大不要超過2.5，否則會增加NH3逃逸。

2.3 還原劑的影響

選擇不用的還原劑，有效的反應溫度窗不一樣。

2.4 煙氣中氧含量的影響

在沒有氧氣存在的情況下，氮氧化物脫除率很低，但是過量的氧含量會氧化NH3，反而增加氮氧化物的排放量。

3 SNCR系統設計

某垃圾焚燒發電廠一期配置3×350 t/d爐排爐，二期工程配置2×500 t/d爐排爐，焚燒爐采用西格斯先進低氮焚燒技術，在不投加脫硝系統前，鍋爐氮氧化物排放濃度可達到350 mg/Nm3。根據環評要求，氮氧化物排放濃度需達到歐盟2000標準，即200 mg/Nm3，需設置SNCR脫硝裝置。

3.1 還原劑的選擇

目前，國內外生活垃圾焚燒廠SNCR系統的還原劑一般采用氨水或尿素溶液。兩者的比較如下。

（1）尿素冰點高，約為60℃，容易結塊，配制尿素溶液時需采用熱水，且輸送管道需要伴熱。氨水儲存及輸送方便，無須配制。尿素溶液對管道的腐蝕比氨水高。

（2）尿素溶液對反應溫度窗要求嚴格，需嚴格控制在900℃左右，氨水的溫度窗范圍較寬，700～1 000℃范圍內都有較高的脫除效率。對于生活垃圾焚燒爐，由于垃圾的成分及熱值波動較大，爐膛內溫度不穩定，選擇氨水能保證穩定的、較高的脫除效率。

（3）尿素的NH3／NOx摩爾比較高，未反應完全的NH3增加了煙氣中NH3逃逸率。尿素反應容易產生笑氣（N2O）和一氧化碳。焚燒廠附近有穩定的氨水來源。

基于以上原因，該生活垃圾焚燒廠采用氨水作為SNCR還原劑。

3.2 SNCR工藝及組成部分

采用氨水作為還原劑，以軟化水為載體噴入焚燒爐第一煙道內。公共部分包括一期、二期工程，共5條焚燒線。每條焚燒線配置1套氨水混合單元和1套噴射單元。

25%氨水溶液通過由槽罐車泵送入氨水雙層儲罐，同時罐頂部氣體由罐頂回到槽車頂部，形成閉合加注；有罐頂呼吸閥保證罐頂穩壓，儲罐液位開關實現泵啟停聯鎖，防止滿溢；軟化水和氨水根據氮氧化物排放反饋值實現定量混合，根據溫度窗信號實現定向分配；然后依靠泵的壓頭送入噴射器，噴射器分為內外槍管，氨水由內槍管噴入，霧化壓縮空氣由外槍管進入，在噴槍端部霧化段實現霧化；噴槍的噴射角度可以調節，同時也可根據噴槍噴射情況手動調節霧化長度。SNCR系統采用一體化設備，可根據生產負荷的變化和引風機后的氮氧化物濃度等，調整氨水溶液和軟化水的噴入量，并且配備單獨的電力儀表控制柜，所有信號進入DCS引至中控室。

3.2.1 氨水接收單元

氨水濃度25%，設置1個80 m3氨水儲罐，材質為316 L，由于氨水為無色透明的揮發性液體，有刺激性氣味，因此氨水儲罐采用雙層密封結構。儲存約3 d消耗量，室外布置。儲罐配一臺20～30 m3/h氨水進液泵。同時，出于安全考慮，在氨水儲罐附近設置有緊急噴漆系統，緊急情況下可用于沖洗眼睛。

3.2.2 氨水輸送單元

氨水輸送單元將儲罐中的氨水加壓輸送至混合單元，氨水輸送單元模塊化布置，設置2臺1 m3/h氨水輸送泵，1用1備，布置在氨水儲罐附近。

3.2.3 軟化水泵送單元

由于25%濃氨水容易揮發，若直接將25%濃氨水噴入焚燒爐內，焚燒爐墻附近NH3濃度較高，焚燒爐中部NH3濃度較低，不利于氮氧化物的脫除。以軟化水為載體，對氨水溶液進行稀釋，能使焚燒爐內NH3濃度均勻分布。軟化水單元包括50 L軟化水槽，自動液位控制；配置2臺1 m3/h加壓水泵。室內布置，靠近焚燒爐。

3.2.4 混合單元

混合單元使氨水與軟化水均勻混合，每條對應一個噴嘴。利用調節閥控制進入噴嘴氨水和軟化水量。混合單元布置于焚燒爐附近，各閥門柜內布置。

3.2.5 噴射器

氨水噴射器采用霧化型噴嘴，用壓縮空氣作為霧化和冷卻的載體。配置快速插拔接頭，便于檢查。噴射角度20°，霧化粒徑50 μm。噴嘴末端處設置有30°噴射孔并可360°旋轉，可調節噴射范圍。噴嘴伸出爐墻150 mm，避免爐墻結焦對噴嘴的影響。

根據焚燒爐大小配置噴嘴數量，一期工程350 t/d焚燒爐兩側各布置3個，共布置6個噴嘴；二期工程500 t/d焚燒爐兩側各布置4個，共布置8個噴嘴。

噴嘴固定在焚燒爐上，金屬軟管連接，避免鍋爐因膨脹引起的熱位移損壞管道。

3.2.6 控制系統

全廠SNCR系統按一、二期工程共設置2套PLC控制系統。控制系統主要包括兩個部分：一是根據焚燒爐第一煙道溫度梯度，自動選擇氨水噴射點；二是根據煙囪出口NOx、NH3的濃度，自動控制氨水噴射量。由于氨水的噴射量很小，鍋爐蒸發量、煙氣量也很小，因此它不參與鍋爐的其他控制。

4 SNCR系統安裝、調試

4.1 原料消耗

某垃圾焚燒廠一期、二期工程總消耗量如表1所示。

表1 主要原料消耗

4.2 SNCR系統安裝、調試時問題

4.2.1 爐膛開孔

由于焚燒爐未預留SNCR接口，在爐膛開孔時，鍋爐水冷壁管束間距20 mm，而噴嘴外徑為19 mm，給鍋爐開孔帶來很大的風險。

圖2 焚燒爐結構

4.2.2 煙氣在線檢測中無NH3檢測

原煙氣在線檢測系統中沒有設置NH3濃度測試項目，調試初期無法確定氨水噴射是否過量。

4.2.3 軟化水水源

根據工藝要求，為避免管道結垢，氨水噴射載體需采用軟化水，而全廠水系統未配置軟化水，只有生產用水和除鹽水系統，但生產用水水質達不到要求。若單獨為SNCR設置一套軟化水處理系統，投資太高，而除鹽水較生產用水處理成本相差不大且所需水量較小，經業主同意，軟化水以除鹽水代替。

4.3 調試結果

經過現場調試運行后，NOx排放濃度＜200 mg/Nm3，NH3逃逸濃度＜8 mg/Nm3。達到歐盟2000要求。

5 結論

生活垃圾焚燒廠采用SNCR系統能有效脫除煙氣中NOx。煙氣排放濃度低于200 mg/Nm3，NH3逃逸濃度＜8 mg/Nm3，能夠達到歐盟2000排放標準。隨著生活垃圾焚燒廠環境影響評價要求的日益嚴格，NOx排放濃度也要求越來越低，為減少今后擴建難度，新建項目焚燒爐應預留SCR脫硝系統的設備安裝空間。在選擇SNCR系統的還原劑時，從脫除效率及運行角度來說，氨水較為合適，但需結合項目所在地氨水和尿素供應實際情況，若附近有穩定的氨水來源，可選擇氨水，若無可選擇尿素作為還原劑。