SNCR脫硝技術(shù)處理垃圾焚燒煙氣的工程應(yīng)用研究

李海波

(天津渤海環(huán)保工程有限公司 天津300300)

1 垃圾焚燒廠SNCR脫硝工程實(shí)驗(yàn)

目前對(duì)于氮氧化物的控制主要包括燃燒中脫氮、燃料脫氮和煙氣脫硝3種主要方法，而煙氣脫硝技術(shù)發(fā)展最快。國(guó)內(nèi)外最廣泛使用的脫硝技術(shù)包括選擇性催化還原(SCR)和選擇性非催化還原(SNCR)兩種類型[1]。

SNCR技術(shù)是在無(wú)催化劑和氧氣存在的條件下，煙氣溫度達(dá)到 850～1100℃時(shí)，直接將氨水或尿素溶液等還原劑注入爐內(nèi)減少氮氧化物的技術(shù)，與SCR技術(shù)相比，SNCR脫硝技術(shù)具有成本優(yōu)勢(shì)[2]。SNCR脫硝工藝由于施工周期短，項(xiàng)目投資少，特別適用于鍋爐結(jié)構(gòu)相對(duì)較小的垃圾焚燒爐，已在大多數(shù)垃圾焚燒廠中得到應(yīng)用。

本文以天津市某垃圾焚燒廠作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，參考有關(guān)文獻(xiàn)[3-5]設(shè)計(jì)了一套 SNCR脫硝工藝，開展脫硝工程實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而評(píng)估此套工藝的可行性。該垃圾焚燒廠垃圾處理能力為 1000t/d，采用 2臺(tái)比利時(shí)Seghers公司生產(chǎn)的500t/d順推往復(fù)爐排爐，其爐排長(zhǎng)度為 11.6m，寬 5.52m，傾斜角為 20°；爐膛內(nèi)的前墻、頂墻、后墻及兩側(cè)墻布置有水冷壁受熱面，爐膛后沿?zé)煔饬鞒滩贾糜惺∶浩鳌⒖諝忸A(yù)熱器等尾部受熱設(shè)施；爐膛的最大高度17.5m，最大寬度6.6m。

SNCR系統(tǒng)的脫硝工藝流程如圖1所示，包括還原劑傳輸模塊、控制模塊、混合計(jì)量模塊、除鹽水模塊和噴射模塊。控制模塊是系統(tǒng)的核心，主要控制整個(gè)流程，采用獨(dú)立的可編程序邏輯控制器來(lái)控制；還原劑傳輸模塊，主要用于還原劑的存儲(chǔ)及輸送；混合計(jì)量模塊用來(lái)控制還原劑的稀釋比例；除鹽水模塊在混合計(jì)量模塊確定的稀釋比例下引入除鹽水，實(shí)現(xiàn)一定濃度的稀釋液并通過(guò)噴射模塊噴入到焚燒爐中心。

圖1 SNCR系統(tǒng)工藝流程Fig.1 Process flow of SNCR system

焚燒爐內(nèi)噴入氨水的反應(yīng)原理為[6]：

同時(shí)還發(fā)生如下反應(yīng)：

根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求，將 NH3溶液在 0.3～0.7MPa的壓力下，以 8%～25%的濃度添加至爐中。由于垃圾焚燒爐的溫度曲線在一定范圍內(nèi)變化，需要設(shè)置 2～3層噴嘴以適應(yīng)不同的溫度條件，而噴嘴在不同高度的切換基于燃燒室的溫度測(cè)量。

2 氨水存儲(chǔ)輸送系統(tǒng)

氨水存儲(chǔ)輸送系統(tǒng)的作用是接收、存儲(chǔ)氨水，將氨水輸送到計(jì)量混合模塊。目前市場(chǎng)出售的工業(yè)氨水濃度一般在 20%～25%，因此需要將氨水稀釋到SNCR脫硝所需的3%～5%。圖2是整個(gè)氨水存儲(chǔ)輸送系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖。

圖2 氨水存儲(chǔ)輸送系統(tǒng)工藝圖Fig.2 Process diagram of ammonia water storage and transportation system

氨水儲(chǔ)罐是該系統(tǒng)的核心設(shè)備，采用雙層不銹鋼防漏設(shè)計(jì)，無(wú)混凝土圍堰圍護(hù)。氨水儲(chǔ)罐安裝有液位開關(guān)、安全閥、排空管、溢流保護(hù)開關(guān)、壓力變送器等保護(hù)設(shè)施。液位開關(guān)的作用是當(dāng)整個(gè) SNCR系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，如果氨水儲(chǔ)罐內(nèi)氨水液位過(guò)低，液位開關(guān)通過(guò)PLC控制系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)停脫硝系統(tǒng)；溢流保護(hù)開關(guān)的作用是在向氨水儲(chǔ)罐加注氨水，氨水液位過(guò)高時(shí)，溢流保護(hù)開關(guān)會(huì)自動(dòng)關(guān)停氨水加注泵，停止氨水加注；排空管主要防止氨水儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力過(guò)高或過(guò)低，壓力變送器會(huì)對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將儲(chǔ)罐壓力值傳送到 DCS系統(tǒng)；安全閥可在排空管意外堵塞時(shí)，確保氨水儲(chǔ)罐不會(huì)因內(nèi)部壓力過(guò)高或過(guò)低發(fā)生變形。除了以上裝置，氨水儲(chǔ)存輸送系統(tǒng)還應(yīng)該設(shè)置氨氣泄露報(bào)警裝置以及清洗噴淋系統(tǒng)，在發(fā)生泄露等意外情況時(shí)，使事故得到快速妥善的處置。

氨水輸送系統(tǒng)安裝2臺(tái)氨水輸送泵，采取一用一備模式，泵進(jìn)出口端均設(shè)有排氣閥，進(jìn)口端設(shè)有過(guò)濾器，出口端設(shè)有止回閥，模塊設(shè)有回流調(diào)壓裝置及放凈口，并在輸送管路上安裝壓力變送器，監(jiān)測(cè)氨水的輸送情況。該系統(tǒng)通過(guò) IP54控制箱控制，可實(shí)現(xiàn)就地、遠(yuǎn)程控制，內(nèi)置分布式 I/O 模塊，與控制管理模塊進(jìn)行通信；進(jìn)出口管路、儀表及閥門包括進(jìn)口自動(dòng)開關(guān)閥，泵循環(huán)回路及旁路等。該系統(tǒng)操作技術(shù)要點(diǎn)如下：

①還原劑氨水需經(jīng)專用化工品運(yùn)輸車運(yùn)輸?shù)綇S區(qū)，停放在氨水加注泵附近，先使用撓性軟管將氨水運(yùn)輸車排液口同加注泵連接緊固，然后將氨水儲(chǔ)罐的壓力釋放閥和運(yùn)輸車的壓力排空閥連接，連接后檢查是否存在泄漏。

②打開壓力釋放閥，關(guān)閉排空閥，啟動(dòng)氨水加注泵，觀察翻板液位計(jì)的變動(dòng)情況，確認(rèn)有氨水被注入儲(chǔ)罐。

③氨水加注時(shí)應(yīng)觀察壓力變送器數(shù)據(jù)顯示是否在正常變動(dòng)范圍。

④輸送氨水時(shí)，應(yīng)注意泵出口壓力變送器情況，防止設(shè)備因壓力過(guò)高受損。

3 除鹽水存儲(chǔ)系統(tǒng)

圖3是除鹽水系統(tǒng)工藝圖，由圖中可以看出廠區(qū)的除鹽水直接打入除鹽水罐。除鹽水罐設(shè)有翻板液位計(jì)用以監(jiān)控除鹽水液位情況，運(yùn)行期間須保證除鹽水的不間斷供應(yīng)。該系統(tǒng)同樣使用 IP54控制箱與控制管理模塊進(jìn)行通信。

4 計(jì)量混合分配模塊

如圖4所示，計(jì)量混合分配模塊將氨水和除鹽水進(jìn)行計(jì)量混合，并將氨水定向分配給焚燒爐的 12支噴槍，如果存在多臺(tái)焚燒爐，每臺(tái)焚燒爐應(yīng)單獨(dú)配給一套計(jì)量混合模塊。該模塊通過(guò)壓力表監(jiān)測(cè)除鹽水和氨水的供給情況，氨水進(jìn)口管路使用電磁流量計(jì)控制調(diào)節(jié)還原劑用量，除鹽水使用轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制用量，氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥直接控制兩條管路的開關(guān)，壓力變送器可監(jiān)測(cè)電磁流量計(jì)的工作狀況是否正常。電磁流量計(jì)的質(zhì)量和精準(zhǔn)性是決定 SNCR脫硝系統(tǒng)脫硝效果的重要因素之一，氨水和除鹽水在靜態(tài)混合器中進(jìn)行混合后，將稀釋氨水輸送到噴射模塊，此處應(yīng)該設(shè)置氨氣泄露報(bào)警裝置以及清洗噴淋系統(tǒng)，防止氨水發(fā)生泄露等意外情形。

圖4 計(jì)量混合模塊工藝圖Fig.4 Metering and mixing module process diagram

計(jì)量混合分配模塊所需設(shè)備包括：每種輸入介質(zhì)入口處的關(guān)閉閥門、每種輸入介質(zhì)入口處的過(guò)濾器、單向閥、還原劑和除鹽水氣動(dòng)控制閥、壓縮空氣的氣動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥、還原劑的磁感應(yīng)流量計(jì)、除鹽水和壓縮空氣的流量計(jì)、稀釋還原劑和壓縮空氣的壓力變送器、稀釋還原劑的就地流量計(jì)、壓力表、手動(dòng)控制閥、互聯(lián)管道。上述設(shè)備集成在一個(gè)鋼柜里，尺寸(大約)800mm×1800mm×500mm。

計(jì)量混合分配控制系統(tǒng)使用IP54工藝盤柜所需的管道及儀表和分布式I/O模塊，其中分布式I/O模塊用以控制管理模塊通過(guò) PROFIBUS進(jìn)行通信，電氣及控制元件置于有機(jī)玻璃箱中，柜體內(nèi)部安裝氨氣報(bào)警器與頂部聲光報(bào)警器聯(lián)鎖。

5 還原劑噴射模塊

圖5是還原劑噴射模塊的工藝流程，其功能是使用廠用壓縮空氣將稀釋還原劑噴入焚燒爐爐膛。SNCR脫硝項(xiàng)目在天津貫莊垃圾焚燒廠測(cè)試時(shí)，利用前文 SNCR脫硝過(guò)程的數(shù)值模擬過(guò)程，已經(jīng)確定爐膛中 SNCR脫硝反應(yīng)區(qū)域以及噴槍最佳噴射位置，并根據(jù)爐膛尺寸和現(xiàn)場(chǎng)情況，采用兩層布置，下層為常開層，上層為脫硝補(bǔ)償層，在脫硝效果欠佳時(shí)投用。

SNCR脫硝使用的噴槍是進(jìn)口哈氏合金噴槍，具有較強(qiáng)的耐高溫抗腐蝕性能，結(jié)構(gòu)采用雙流體式設(shè)計(jì)，連接計(jì)量混合模塊輸送的還原劑管路和壓縮空氣管路使用柔性軟管噴槍，可將還原劑、霧化風(fēng)以及冷卻風(fēng)噴入爐膛。噴槍外設(shè)有套管，插入爐壁后頂端與鍋爐內(nèi)壁保溫材料之間的深入長(zhǎng)度約 5mm，其作用是 SNCR脫硝系統(tǒng)在爐膛工況不穩(wěn)定時(shí)關(guān)停后，套管及冷卻風(fēng)可以有效防止噴槍被煙氣燒毀。表 1為噴槍的性能指標(biāo)。

圖5 還原劑噴射模塊工藝流程圖Fig.5 Process flow chart of reductant injection modul

表1 脫硝噴槍技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of denitration spray gun

6 控制單元模塊

控制單元模塊由PLC柜、MCC柜及分配單元柜構(gòu)成。該模塊根據(jù)從溫度測(cè)量和在線煙氣分析儀獲得的數(shù)據(jù)，分析計(jì)算出實(shí)時(shí)還原劑噴射量，利用氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度調(diào)整除鹽水和還原劑的配比，進(jìn)而控制整個(gè) SNCR脫硝系統(tǒng)。PLC控制模塊可以單獨(dú)調(diào)整還原劑噴射量及噴射位置，也可以與DCS聯(lián)動(dòng)控制。

7 工程實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本套 SNCR脫硝工藝系統(tǒng)在天津市某垃圾焚燒廠進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)過(guò)程對(duì) SNCR脫硝采用的相關(guān)參數(shù)為：氨氮摩爾比 1.6，還原劑噴射速度 45m/s，霧化粒徑 150μm，霧化角 40°，噴槍設(shè)置工程標(biāo)高 13m，焚燒爐前墻后墻各布置4個(gè)噴槍，左右墻各布置2個(gè)噴槍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，垃圾焚燒煙氣中氮氧化物濃度24h均值從 437mg/m3降至 175mg/m3，完全符合國(guó)家對(duì)垃圾焚燒煙氣GB 18485—2014生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)中氮氧化物 24h均值低于 250mg/m3的要求，表明該套 SNCR脫硝工藝系統(tǒng)對(duì)垃圾焚燒煙氣進(jìn)行脫硝減排是可行的。

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視程度和環(huán)境保護(hù)要求的日益提高，排放標(biāo)準(zhǔn)也越來(lái)越嚴(yán)格，對(duì)于煙氣處理系統(tǒng)要求也越來(lái)越高。基于 SNCR脫硝成本低，脫硝效率高，選擇性非催化還原(SNCR)噴氨法仍將為目前煙氣處理 NOx的主流工藝，本套工藝系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，控制精度高，脫硝效率高，能夠很好地滿足脫硝工藝的排放要求。