垃圾焚燒電廠SNCR系統(tǒng)氨逃逸影響因素分析

楊 彥， 孔昭健

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 引言

生活垃圾焚燒發(fā)電具有占地面積小、垃圾減量化明顯，且可以回收一定量的能源等特點(diǎn)，因而近年來(lái)得到了較快的發(fā)展，并逐漸成為我國(guó)生活垃圾處理的主流技術(shù)之一。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局提供的數(shù)據(jù)，截止2017年，我國(guó)共有垃圾焚燒廠近286座，日處理垃圾29.8萬(wàn)t，占生活垃圾無(wú)害化處理量的1/3。

為解決生活垃圾焚燒煙氣帶來(lái)的二次污染，垃圾焚燒發(fā)電廠常設(shè)置煙氣凈化系統(tǒng)，采用“煙氣脫硝+半干法(干法)脫酸+活性炭吸附+布袋除塵”工藝，以滿足《GB18485—2014生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》煙氣污染物排放限值的要求。目前，常見的生活垃圾焚燒煙氣脫硝技術(shù)可采用低氮燃燒、SNCR、低溫SCR或者SNCR+SCR技術(shù)等，根據(jù)目前國(guó)內(nèi)垃圾焚燒發(fā)電廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在煙氣脫硝系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，上述工藝均可以保證垃圾焚燒發(fā)電廠的NOx達(dá)標(biāo)排放。

1 垃圾焚燒NOx排放控制技術(shù)綜述

1.1 垃圾焚燒NOx產(chǎn)生機(jī)理

燃料燃燒產(chǎn)生NOx的方式分為熱力型、燃料型和瞬時(shí)型三種類型[1]。熱力型NOx主要是在1 300 ℃以上的高溫條件下，爐膛過(guò)量氧氣和氮?dú)夥磻?yīng)生產(chǎn)NOx。瞬時(shí)型NOx同樣是在高溫條件下，燃料中碳?xì)浠衔锏姆纸猱a(chǎn)生自由基，促使燃燒空氣中氧氣與氮?dú)夥磻?yīng)生產(chǎn)NOx。生活垃圾焚燒多采用機(jī)械爐排爐，爐膛溫度通常控制在850～1 000 ℃范圍。因此，熱力型和瞬時(shí)型NOx產(chǎn)生量較少。燃料型NOx則是垃圾焚燒NOx的產(chǎn)生主體，占比90%以上[2]。燃料型NOx是由燃料中氮元素與助燃空氣中的氧氣反應(yīng)形成。因此，NOx的產(chǎn)生量與垃圾性質(zhì)和助燃空氣量關(guān)系密切。

1.2 常見的NOx控制技術(shù)

生活垃圾焚燒NOx的產(chǎn)生濃度通常在450～600 mg/Nm3，為滿足《GB 18485—2014生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》的要求，我國(guó)垃圾焚燒項(xiàng)目均安裝了脫硝設(shè)施來(lái)控制NOx排放。目前，垃圾焚燒項(xiàng)目主要的NOx控制技術(shù)是低氮燃燒控制和SNCR、SCR兩種末端控制方式。

低氮燃燒控制技術(shù)旨在控制燃燒過(guò)程中的過(guò)剩空氣和燃燒溫度，該與焚燒爐的爐型關(guān)系密切。低過(guò)剩空氣系數(shù)燃燒法或者兩段燃燒法可以有效減少燃燒過(guò)程中剩余的氧含量，從而降低NOx的產(chǎn)生；通過(guò)噴水或煙氣再循環(huán)技術(shù)可以有效降低燃燒溫度，從而降低NOx的產(chǎn)生。上述技術(shù)可以結(jié)合爐排爐、流化床鍋爐的選型應(yīng)用[3-6]。然而，NOx僅為垃圾焚燒需要控制的一種大氣污染物。垃圾焚燒還需控制酸性氣體、重金屬和二噁英，較高的溫度和足夠的氧含量是控制二噁英排放的有效方式。因此，通過(guò)低氮燃燒技術(shù)來(lái)控制NOx的應(yīng)用受到了較大的限制。

SNCR、SCR兩種末端控制方式，均是利用還原劑(NH3)與燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的NOx反應(yīng)來(lái)控制NOx的排放，區(qū)別在于是否采用催化劑來(lái)降低反應(yīng)溫度。由于垃圾焚燒工藝煙氣凈化布袋除塵器出口煙溫通常在150 ℃左右，不能滿足SCR的反應(yīng)溫度，需要對(duì)煙氣進(jìn)行預(yù)熱、重新選擇催化劑的安裝位置或者開發(fā)低溫催化劑，因此應(yīng)用受到了一定的限制。而SNCR技術(shù)可以直接向爐膛投加還原劑，技術(shù)成熟運(yùn)行經(jīng)濟(jì)，雖然脫硝效率不高，但也可以保證達(dá)標(biāo)排放，因此現(xiàn)階段SNCR技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。

1.3 SNCR脫硝效率的影響因素

SNCR脫硝技術(shù)的反應(yīng)主要原理如下，由此可見，通過(guò)增加NH3的投加量，可以促使脫硝反應(yīng)向生成氮?dú)獾姆较蜻M(jìn)行，從而保證脫硝效率。曹慶喜[7]等的研究表明，最佳反應(yīng)溫度為925 ℃，氨氮摩爾比為1.5時(shí)，脫硝效率為60%。

NH3+NO→N2+H2O+H

(1)

NH3+O2→NO+H2O+H

(2)

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

(3)

然而隨著NH3投加量的增大，未參加反應(yīng)的剩余NH3一方面或被氧化重新生成NOx，對(duì)脫硝效率提高不大。另一方面，未反應(yīng)的氨將會(huì)隨著煙氣排放到環(huán)境中，導(dǎo)致氨逃逸的發(fā)生。

2 氨逃逸影響因素試驗(yàn)

如前所述，為提高SNCR的脫硝效率，應(yīng)適當(dāng)?shù)脑黾覰H3的投加量。由于SNCR工藝所限，脫硝反應(yīng)不能完全進(jìn)行，必然存在一定量的NH3逃逸現(xiàn)象。本文將通過(guò)試驗(yàn)對(duì)氨逃逸的影響因素進(jìn)行分析討論。

確定試驗(yàn)條件如下：①確保入爐垃圾發(fā)酵時(shí)長(zhǎng)接近，并通過(guò)抓斗進(jìn)行有效的攪拌和混合，使入爐垃圾的熱值和性質(zhì)較為接近。②還原劑尿素(40%)輸送泵流量設(shè)定為40 kg/h，通過(guò)除鹽水計(jì)量稀釋，使噴嘴處尿素溶液濃度維持在5%，保障還原劑投入量不發(fā)生變化；③維持出口煙氣中氧含量在6%～7%之間。

試驗(yàn)過(guò)程中焚燒爐燃燒穩(wěn)定，負(fù)荷控制在80%，主要煙氣參數(shù)和污染物濃度情況如表1所示。

2.1 燃燒溫度對(duì)氨逃逸的影響

通過(guò)調(diào)整焚燒爐的負(fù)荷來(lái)調(diào)整爐內(nèi)溫度。負(fù)荷調(diào)節(jié)的同時(shí)記錄噴槍處溫度。考慮煙氣流速和噴槍至CEMS之間的距離，延遲150 s記錄煙氣排放口NOx和NH3的濃度。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

表1 試驗(yàn)煙氣條件

備注：Pb等指銻、砷、鉛、鉻、鈷、銅、錳、鎳及其化合物；ND表示未檢出；%指體積分?jǐn)?shù)。

圖1 氨逃逸與燃燒溫度的關(guān)系圖

由圖1可見，在還原劑投加量和過(guò)剩氧量穩(wěn)定的情況下，NOx的排放濃度隨焚燒溫度出現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，濃度范圍79.4～235 mg/Nm3。NOx排放濃度的最低點(diǎn)出現(xiàn)在焚燒溫度881 ℃，排放濃度79.4 mg/Nm3。

NH3逃逸隨著焚燒溫度的升高逐漸降低，當(dāng)焚燒溫度在850～870 ℃之間時(shí)，NH3逃逸濃度超過(guò)10 mg/Nm3，當(dāng)焚燒溫度超過(guò)1 050 ℃時(shí)，NH3逃逸濃度趨于0 mg/Nm3。

可能的原因是，隨著焚燒溫度的升高，更有利于NOx的生成，反應(yīng)(2)向NH3分解成NOx的方向發(fā)展。本試驗(yàn)可以初步判斷，脫硝反應(yīng)的最佳溫度反應(yīng)窗口在950～980 ℃范圍。

2.2 過(guò)剩空氣對(duì)氨逃逸的影響

維持上述試驗(yàn)條件①和②穩(wěn)定，通過(guò)對(duì)焚燒爐一次風(fēng)機(jī)和二次風(fēng)機(jī)變頻裝置的調(diào)節(jié)來(lái)調(diào)整焚燒爐內(nèi)氧氣濃度，記錄煙氣排放口處的氧氣濃度、NOx和NH3的濃度。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 氨逃逸與出口煙氣氧含量的關(guān)系圖

由圖2可見，在還原劑投加量穩(wěn)定的情況下，NOx的排放濃度隨過(guò)剩空氣的增加而升高，濃度范圍161～205 mg/Nm3。NOx排放濃度的最低點(diǎn)出現(xiàn)在煙氣含氧量6%，排放濃度161 mg/Nm3。NH3逃逸隨著含氧量的升高逐漸降低，當(dāng)含氧量高于10%時(shí)，NH3逃逸濃度趨于0 mg/Nm3。

可能的原因是，隨著氧氣含量的升高，更有利于NOx的生成，反應(yīng)(2)向NH3分解成NOx的方向發(fā)展。本試驗(yàn)可以初步判斷，脫硝反應(yīng)的理想的過(guò)剩氧量在7%左右。

2.3 還原劑投加量對(duì)氨逃逸的影響

維持上述試驗(yàn)條件①和③穩(wěn)定，通過(guò)調(diào)整還原劑尿素溶液輸送泵和除鹽水計(jì)量泵的流量，維持入爐尿素溶液濃度在5%，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)入爐尿素溶液的流量。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 氨逃逸與尿素投加量的關(guān)系圖

由圖3可見，在過(guò)剩空氣量較穩(wěn)定的情況下，NOx的排放濃度隨還原劑投加量的增加先降低后升高，濃度范圍132～288 mg/Nm3。NOx排放濃度的最低點(diǎn)出現(xiàn)在尿素投加量18 kg/h，排放濃度161 mg/Nm3，此時(shí)NOx的產(chǎn)生濃度在500 mg/Nm3，此時(shí)氨氮比約為1.5左右。

NH3逃逸隨著尿素的投加量升高逐漸升高，當(dāng)尿素投加量為32 kg/h(氨氮比為2)時(shí)，NH3逃逸濃度達(dá)到14.31 mg/Nm3。

可能的原因是，隨著還原劑尿素投加量的增加，反應(yīng)(1)向生成N2的方向發(fā)展，剩余未參與反應(yīng)的NH3量逐漸增多。本試驗(yàn)可以初步判斷，脫硝反應(yīng)的理想的氨氮比在1.5左右。

3 結(jié)論與建議

本文綜述了目前垃圾焚燒項(xiàng)目常用的NOx控制技術(shù)，對(duì)現(xiàn)階段應(yīng)用最廣泛的SNCR技術(shù)帶來(lái)的氨逃逸問(wèn)題進(jìn)行了試驗(yàn)研究，主要結(jié)論和建議如下：

(1)SNCR為保證脫硝效率，還原劑的量通常會(huì)有一定量的過(guò)剩，從而會(huì)帶來(lái)一定氨逃逸問(wèn)題。

(2)隨著焚燒溫度的升高，更有利于NOx的生成，同時(shí)也有利于還原劑NH3的分解，生成NOx，從而降低氨的逃逸。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以初步判斷，脫硝反應(yīng)的最佳溫度反應(yīng)窗口在950～980 ℃范圍。

(3)隨著氧氣含量的升高，更有利于NOx的生成，同時(shí)也有利于NH3分解成NOx，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以初步判斷，脫硝反應(yīng)理想的過(guò)剩氧量在7%左右。

(4)隨著還原劑投加量的增加，有利于NOx的還原，生成N2；同時(shí)也增加了未參與反應(yīng)的NH3的量。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，脫硝反應(yīng)理想的氨氮比在1.5左右。

(5)實(shí)際運(yùn)行中，焚燒溫度和含氧量的確定還需綜合考慮焚燒效率和煙氣中酸性氣體、二噁英的去除。

(6)在過(guò)剩空氣與氨逃逸影響的試驗(yàn)中，為了保持燃燒穩(wěn)定，焚燒溫度出現(xiàn)了一定范圍的波動(dòng)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果可能存在一定的影響。