SNCR技術在焚燒垃圾發電廠中的應用

曹 儂

上海電氣電站集團工程公司

0 引言

垃圾焚燒發電廠的煙氣排放因其成分很多，燃燒受垃圾成分變化而變化較大且不夠穩定，煙氣排放的控制指標也不同于燃煤火電發電廠，特別是在NOX指標上低于后者[1]。因此，中國在2014 年修正了2001 的控制排放標準后重新制訂了《生活垃圾焚燒污染控制標準》（GB18485-2014）[2]并于2016年1 月1 日起實施。該標準已和歐盟標準相一致。根據國家發展戰略規劃，在綜合能源項目中，垃圾焚燒發電項目上馬項目至2035 年占比達25%，煙氣排放要求更高。因此，垃圾焚燒污染的控制技術急需提高和改進以迎合社會和市場的需要。煙氣排放指標中NOX值是最難控制的，而國內和國外的控制技術不外乎是選擇性催化還原脫硝法（selective catalytic reduction，SCR）、選擇性非催化還原脫（selective non-catalytic reduction,SNCR）以及“SNCR+低溫SCR”組合脫硝法[3～6]三種技術。SNCR 技術具有投資小、占地小、運行成本費用低等優點被許多需要改造和新建脫硝用戶所采用。使用SNCR 技術，多在燃煤鍋爐[7～12]和循環流化床（circulating liquid boiler，CFB）[13～20]上應用較為成熟，可以達到超低煙氣排放標準[13～21]，其使用的還原劑有液氨、氨水和尿素三種。液氨屬易揮發需嚴格規范儲藏和使用，尿素成本小但水解工藝要求高，氨水則介于兩則之間使用。應用在生活垃圾焚燒項目上，控制排放達到適用于垃圾焚燒的新標準，仍有別于煤電的項目。本文就以某3 臺600 t/d 焚燒垃圾電廠的煙氣排放控制運行情況為例，主要在焚燒調整和噴氨脫硝調整兩個方面的經驗給以分析，以便供垃圾焚燒爐的煙氣排放控制的用戶參考。

1 焚燒爐系統介紹

焚燒爐采用機械液壓驅動爐排，分干燥級(2階)、燃燒級（3 階）、燃盡級（2 階），一次風從垃圾池上部吸入經蒸汽空氣預熱器加熱后再由爐排底部經由爐排干燥級-燃燒級-燃盡級共7 路經爐條兩側的縫隙吹入，且每級爐排又分左、中、右三個擋板調節進入爐排底部。二次風從鍋爐房上部吸風，由二次風機加壓后近輔助燃燒器下方分左右側墻一層送入爐膛。3 臺600 t/d 爐排焚燒爐，配3 臺余熱鍋爐垃圾燃燒產生的高溫煙氣經余熱鍋爐冷卻至約200 ℃后進入煙氣凈化系統。每套焚燒爐配一套煙氣凈化系統，采用“SNCR爐內脫硝+半干

法脫酸+干法噴射+活性炭吸附+布袋

除塵+SCR（預留）+活性炭吸附塔（預留）”的組合工藝（詳見圖1）。

從表1可以看出，垃圾的水分高，垃圾含水率為48.13%，實際運行范圍在40%～55%之間。可燃物C含量低，有害物含有S,Cl等。焚燒爐正常運行時，垃圾池內有機物發酵產生污濁空氣，主要污染因子為H2S、NH3、甲硫醇等。表1 為該項目的垃圾成分分析。

圖1 煙氣凈化工藝流程圖

據該爐所在地區常年的有關分析資料及檢測報告，推算其垃圾低位熱值在6 000 kJ/kg 左右，且一年內垃圾呈夏季熱值最低，冬季最高，相差500～1 000 kJ/kg。焚燒爐在后拱上部標高約9 m 處布置有兩只天然氣燃燒器（單根最大容量為650 Nm3/h）供啟動升溫用，而在爐膛出口標高約18 m和21 m 錯層分兩側各有一只輔助燃燒器（單根最大容量為2 038 Nm3/h）供垃圾熱值低時助燃用。表2為該爐的技術參數。

表2 焚燒爐主要參數（單臺）

2 煙氣中NOX控制的理論依據

2.1 脫硝反應

SNCR法是向煙氣中噴還原劑，采用氨液（20%濃度）與除鹽水混合后成氨水濃度在約5%后經噴槍再空氣（壓力為0.7 MPa）霧化分三層噴入爐膛（見圖2）：標高27.8 m分側墻左右各3支（共6支）；標高 31.1 m 分側墻左右各 3 支和前槍 2 支（共 8支）；標高32.8 m前墻2支。整個爐膛共設置16支噴氨槍(單支槍最大容量為12.375 L/h)入爐脫氮。噴槍水平深入，槍頭進爐膛30～50 mm。

圖2 氨水入爐示意圖

還原劑分解產生的氨自由基與NOx反應，在還原溫度時間窗口[22]（煙溫在850～1 100 ℃）下，使其還原成 N2、H2O 和 CO2，達到脫除 NOx 的目的。其反應原理為：

在溫度低于800 ℃時，上述還原反應速度變慢，而煙溫高于1 100 ℃時，氨水會被氧化成NO[23]，脫氮率降低。

表1 設計入爐垃圾成分分析

2.2 在線監測的要求和精度

本系統的監測項目有SO2、NOx、HCl、HF、CO、CO2、粉塵、O2、H2O、NH3、煙氣流量、煙氣溫度、煙氣壓力等。煙氣凈化系統由就地工業計算機自動控制。設有在線監測的煙氣取樣探測器、SO2、NOx、HCl、HF、CO、NH3、粉塵等分析儀、煙氣流量計以及其它監測信息均通過傳感器傳送至中央控制室，經計算機根據排放控制標準進行折算后顯示。

2.3 煙氣凈化后排放標準

表3 是國家最新（2016 年1 月起實施）煙氣排放控制標準與歐盟標準的對比。

從表3 中可以看出，垃圾焚燒煙氣排放的控制也是總量控制和濃度控制的原則，并分實時、小時均值、日均值的要求顯示了過程控制的重要性。同時，相比歐盟標準，我國還增加了有害重金屬等的排放控制指標，反映了這個標準的先進性。一般控制實時測量值應該小于日均值，則便于從總量上易于控制日均值。

3 實際檢測的數據情況

3.1 生活垃圾焚燒爐的特點

現在的垃圾焚燒爐膛大，為了保證爐膛溫度，投垃圾直接推送垃圾就是近滿負荷的量。再者，垃圾的焚燒會因垃圾的成分復雜和水分大，焚燒垃圾不穩定，氧量變化大，較難控制在小范圍波動，因為煙氣監測的一次探頭在煙囪的進口（見圖1），尾部有許多設備的介入也使煙氣流程較長到達煙囪進口。焚燒垃圾完全燃燒是需要時間的積累，所以，調節煙氣排放各控制參數遲滯性也較大，一般風量調節后，NOX濃度折算顯示約滯后10 min，CO顯示要滯后約5 min 左右。環保部門檢測的要求也高，煙囪進口的在線監測數據聯網，并直接對外開放有大屏顯示，從開始投用垃圾就受到全社會的監督。

一般情況下，粉塵排放只要布袋除塵投入且完好無損，基本不會超標。

SO2和HCI通過投入石灰漿系統或干粉等脫硫系統，在投入濃度達到一定標準后，一般也比較易控制。

垃圾焚燒時產生的二惡英等重金屬測量指標，可通過爐膛溫度出口溫度不低于850 ℃和活性炭按設計量投入來控制。

困難的是NOx 的控制，雖然能根據焚燒調整和氨水噴射量來控制，根據國內同類型的焚燒爐實踐：需要將氧量維持在4%～6%，但垃圾焚燒爐由于垃圾焚燒不穩定，氧量變化大，比較難控制。氧量超過6%，NOx 會增大超標，加大氨水噴射量可以控制，但爐膛溫度會下降，同時氨逃逸量會上升，氧量低于4%，NOx 會明顯減少，而CO 含量會劇增而超標。

表3 《生活垃圾焚燒處理污染控制標準》的日均值標準

現在的大型垃圾焚燒爐由于爐膛面積大，垃圾量70%以下無法維持爐膛溫度，因此，沒有特殊要求時，一般初始投料在80%以上，同時也為了節約用氣，希望盡早退出燃燒器，因此往往是直接投入100%垃圾量來運行。

3.2 焚燒調整數據分析

前提條件：分析測的垃圾低位熱值為7 100～7 610 kJ/kg,保持一次風壓（空預器出口為1.7～2.0 kPa 投自動,爐墻冷卻風占一次風比為17%投自動，二次風風門開度40%，負荷在100%(以蒸汽量為準，下同),保持噴氨量手動，使NOX不超過200 mg/m3（為實測值，下同）,標準是日測值小于250 mg/m3(一般都要求實測值嚴格小于日測值)，對爐排下各級一次風門調整，原則上同級三個風門保持一致調整開度，記錄氧量、NOX、CO 間關系如圖3 所示。

圖3 氧量、NOX、CO間關系曲線

從圖3 可以看出，在保證CO< 10 mg/m3,NOx<200 mg/m3的要求下，氧量在4%～6%范圍是可保證NOX和CO的濃度不超標的。圖4為爐排轉速與負荷的關系曲線。

圖4 為設計各運行工況下轉速與負荷間的關系。表明自干燥級-燃燒級-燃盡級的轉速與負荷匹配是同一工況下，各級轉速是依次遞減的，隨負荷的升高，各級轉速是同步增加的，這是有利于垃圾完全燃燒的。圖5為在高負荷下爐排各級風量的對應關系曲線。

圖4 爐排轉速與負荷的關系

圖5 （高）負荷與爐排下各級一次風量的關系

從圖5 可以看出：隨著負荷升高，一次風壓趨于平穩（1.7～2.0 kPa）；干燥級 1～2、燃燒級 1和燃燒級3 的爐排下風量變動幅度（最大與最小只差，下同）較小（0.9～2.9 m/s）；燃燒級 2 的幅度為 4.4 m/s,燃盡級 1 為 5.9 m/s,最大是燃盡級2 的風量變動幅度達9 m/s，這是為了在進入除渣斗前能充分燒盡而作的配風調整以利于低NOX的燃燒。

圖6 一、二次風量與氧量、NOx、噴氨量、負荷的關系

圖6表明，負荷與一、二次風量的變動斜率趨于水平平行，說明它們之間變化趨勢一致且波動范圍小。而噴氨氨量與NOx的變化趨勢較陡，說明NOx受噴氨量的變化影響較大。

3.3 噴氨調整數據分析

在焚燒調整完成后保持相關設定的自動設定并投入自動，再進行噴氨調整以最終達到排放標準為目標。圖7、圖8是煙氣溫度與NOX、噴氨量、負荷等的相關曲線。

圖7 煙氣溫度與NOX、噴氨量、蒸汽量、煙氣量的關系

圖7表明，煙氣量與蒸汽量的趨勢是一致的，可以用煙氣量或蒸汽量來作為負荷，只是前者響應快于后者。因此，再看圖8，在考慮到煙溫過高會引起氨水的再氧化生成NO，與投氨量過大使氨逃逸量增大以及對尾部煙道內設備的腐蝕等影響因素后，得出煙溫在900～970 ℃是對NOx的排放更有利。

圖8 煙氣溫度與NOx、負荷、噴氨量的關系

圖9表明，噴氨量最適合控制的量應該在100～150 L/h，根據氨槍單只最大容量為12.375 L/h（取12）對應的噴氨槍是約9支到12支是比較經濟可控的，結合現場的具體投運情況，則選擇兩側墻錯層投運9 支，前墻兩層至少投運3 支是和試驗調整的結果相吻合。

圖9 噴氨量與NOx的的關系

4 結論

焚燒調整和脫硝噴氨的調整結果表明，垃圾焚燒調試隨垃圾的熱值變化影響較大，不同于燃煤火電脫硝操作，且排放標準的控制也低于后者，但是保持一次風壓的恒定結合二風量（風門）的調整是對低氮焚燒垃圾是有益的。SNCR 脫硝調整是以噴氨按調整為主，一、二次風的焚燒調整為輔，結合煙氣溫度、氧量的配合響應，是可以使NOx 的濃度排放值控制在新國標的標準值以內，但是隨著超低排放要求的到來，即等同于燃煤和流化床的排放標準，SNCR 的脫硝則出現瓶頸，需要“SNCR+SCR”組合法脫硝將是大勢所趨。因此，本項目也預留了升級改造的接口，不失為前瞻性的設計，值得推廣。