高分子脫硝在垃圾焚燒爐脫硝上的應(yīng)用

文_劉家林 李炳偉 李明玉

1 廣州綠華環(huán)?？萍加邢薰?2 廣州暨南大學(xué)

近年來(lái)，隨著全國(guó)各行業(yè)大氣治理的全方位深化，越來(lái)越多的各種小型窯爐的煙氣脫硝面臨提標(biāo)改造的任務(wù)。特別是原來(lái)已上了SNCR脫硝裝置的垃圾焚燒爐，提標(biāo)改造需要考慮場(chǎng)地、脫硝效率、投資運(yùn)營(yíng)成本等諸多因素。近年來(lái)，垃圾焚燒爐采用高分子選擇性還原脫硝（PNCR)進(jìn)行提標(biāo)改造，取得了良好的效果。該方法不僅可輔助解決氨水、尿素溶液等液體脫硝劑進(jìn)行SNCR脫硝所存在的穿透力不夠、噴射深度不夠、脫硝效率低、氨逃逸高及腐蝕性大、氨水有危險(xiǎn)性等一系列問(wèn)題，而且可避免上SCR脫硝裝置所存在的投資大、運(yùn)行成本高、占地面積大、改造工期長(zhǎng)的問(wèn)題。

1 PNCR脫硝工藝原理

高分子脫硝以高分子材料為載體，把氨基成分聚合負(fù)載在高分子材料上的固體粉料和粒料的混合體。高分子脫硝劑是一種脫硝效率高且不燃不爆、無(wú)刺激性氣味的安全環(huán)保型材料。PNCR脫硝技術(shù)即利用氣力輸送裝置將高分子脫硝劑固體原料均勻噴入850～1100℃的爐膛中。高溫下氨基和高分子連接的化學(xué)鍵斷裂，釋放出大量的氨氣，氨氣與爐膛內(nèi)的煙氣均勻混合并發(fā)生還原反應(yīng)，達(dá)到脫除NOx目的。

PNCR脫硝的反應(yīng)方程式如下：

2 PNCR脫硝技術(shù)要點(diǎn)

根據(jù)PNCR脫硝技術(shù)多個(gè)應(yīng)用案例的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，要應(yīng)用好PNCR脫硝技術(shù)需要把握三個(gè)方面的關(guān)鍵點(diǎn)：一是脫硝劑的性能和噴入爐膛后能與煙氣NOx化生有效還原反應(yīng)的有效劑量；二是儲(chǔ)存和氣力輸送設(shè)備系統(tǒng)的性能；三是爐膛噴槍的科學(xué)布置，既確保噴入點(diǎn)符合脫硝反應(yīng)的溫度窗口，同時(shí)改善噴入爐膛后脫硝劑熱解出的氣氨與煙氣混合的流場(chǎng)，并確保足夠的停留反應(yīng)時(shí)間，這是爐內(nèi)脫硝的普遍性要求。

2.1 噴槍的科學(xué)布置

合理選擇噴入點(diǎn)，科學(xué)布置噴槍的數(shù)量和間距,不僅能提高脫硝效率，還能減少脫硝劑的用量(用小的NSR)和降低氨逃逸。

2.1.1 反應(yīng)溫度

當(dāng)溫度高于1200℃時(shí), NH3會(huì)被氧化成NO,反而造成NOx排放濃度增大；當(dāng)溫度低于800℃時(shí)，反應(yīng)不完全，會(huì)造成“氨穿透”，氨逃逸率高，造成新的污染。因此，最佳的溫度區(qū)間是兩種趨勢(shì)對(duì)立統(tǒng)一的結(jié)果，一般控制在850～1100℃，噴槍需選擇在這個(gè)溫度區(qū)間進(jìn)行布置。

2.1.2 停留時(shí)間

停留時(shí)間指反應(yīng)物在反應(yīng)器內(nèi)停留的總時(shí)間；在此時(shí)間內(nèi)，還原劑與煙氣的混合、水的蒸發(fā)、還原劑的分解和NOx的還原等步驟必須完成；停留時(shí)間的大小取決于鍋爐氣路的尺寸和煙氣流經(jīng)鍋爐氣路的氣速；PNCR脫硝系統(tǒng)中，停留時(shí)間一般為0.001～10s。

2.1.3 脫硝劑和煙氣混合程度

要發(fā)生還原反應(yīng)，還原劑必須與煙氣分散和混合均勻；爐內(nèi)高溫脫硝的混合程度取決于鍋爐的形狀與氣流通過(guò)鍋爐的方式，因爐膛內(nèi)的流場(chǎng)復(fù)雜，需要采取流場(chǎng)模擬和工程經(jīng)驗(yàn)等科學(xué)手段來(lái)布置噴槍。

2.2 脫硝劑與NOx的比例

氨氮比NSR是NH3/NOx反應(yīng)物體系中氨與NOx濃度的比值，對(duì)反應(yīng)進(jìn)行的速度和程度至關(guān)重要。根據(jù)化學(xué)動(dòng)力學(xué)原理，反應(yīng)物濃度越大，反應(yīng)速率越快。但NSR超過(guò)一定范圍時(shí),NOx的轉(zhuǎn)化率不再增加，造成還原劑NH3的浪費(fèi)，泄漏量增大,造成二次污染。因此,實(shí)際工程中應(yīng)控制在1.0～2.0范圍內(nèi)比較合適。

2.3 高分子脫硝劑的性能

2.3.1 活性高、有效成分含量高

高分子脫硝劑要求活性高，能在溫度窗口內(nèi)全部熱解氣化，另外脫硝劑的有效成分含量要高，在較少的噴射量條件下，熱解后能夠產(chǎn)生足夠的活性氨，以滿(mǎn)足PNCR脫硝系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，脫硝效率≥60%，處理每噸垃圾脫硝劑使用量低于1.5kg/t，且氨逃逸量≤8mg/Nm3。

2.3.2 安全環(huán)保性能好

高分子脫硝劑可皮膚接觸，不燃燒爆炸，不屬于?；?，高溫下可完全氣化，不增加粉塵，其它煙氣指標(biāo)不受影響。

2.3.3 防潮性好

高分子脫硝劑應(yīng)具有防潮性，不易吸潮，置于空氣中能保持原有物料形態(tài)。

2.3.4 流動(dòng)性好

高分子脫硝劑顆粒表面光潔，具備一定硬度，確保藥劑在料倉(cāng)內(nèi)、管道中及噴嘴等處不板結(jié)、不搭橋、不堵塞，確保設(shè)備能夠連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3.5 粒度范圍

高分子脫硝劑粒徑范圍達(dá)到0.5～3.0mm，則噴入爐膛時(shí)能夠?yàn)楦采w最大的噴射幅度，使脫硝劑和煙氣混合程度達(dá)到最佳的狀態(tài)。

2.4 儲(chǔ)存和氣力輸送設(shè)備系統(tǒng)的性能

傳統(tǒng)SNCR脫硝系統(tǒng)，雖有噴槍噴射的穿透力不夠、脫硝效率較低、脫硝劑含水率高、對(duì)煙氣換熱設(shè)備腐蝕性較大等缺陷，但也具有輸送穩(wěn)定可靠、分配均勻、噴槍霧化效果好、覆蓋面廣、便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于脫硝劑為固體粉粒料狀態(tài)的PNCR脫硝系統(tǒng)而言，需要達(dá)到如下技術(shù)要求，才能在提高脫硝效率的同時(shí)，達(dá)到傳統(tǒng)SNCR脫硝系統(tǒng)較高的穩(wěn)定性和可靠性。

2.4.1 料倉(cāng)的設(shè)計(jì)

料倉(cāng)的上料系統(tǒng)要能夠方便快捷、節(jié)省人力，料倉(cāng)錐度小于60°，要有防止倉(cāng)壁掛料、架橋的破拱設(shè)施，要有干燥防潮設(shè)施。

2.4.2 給料系統(tǒng)

給料系統(tǒng)是整套系統(tǒng)的核心部位，要求不僅能夠根據(jù)脫硝指標(biāo)準(zhǔn)確定量地調(diào)節(jié)給料流量，還要能避免堵料、卡澀、反氣等影響連續(xù)穩(wěn)定給料的情況發(fā)生。

2.4.3 輸送風(fēng)機(jī)選型

風(fēng)機(jī)的風(fēng)量要滿(mǎn)足所有噴槍的噴射風(fēng)速達(dá)到20m/s以上的要求，全壓要求達(dá)到50kPa以上，否則會(huì)影響噴槍的噴射效果和造成噴頭堵塞。

2.4.4 噴射器

噴射器是連接風(fēng)機(jī)、給料機(jī)和輸送主管的關(guān)鍵部件，如高分子脫硝劑含有少量粉料，則建議選用合適的文丘里噴射器，使給料機(jī)內(nèi)形成微負(fù)壓狀態(tài)，避免正壓反風(fēng)至給料機(jī)和料倉(cāng)，導(dǎo)致不下料、堵料現(xiàn)象的發(fā)生。

2.4.5 噴射系統(tǒng)

噴射系統(tǒng)包括主管、大彎頭等管件、氣料分配器、噴槍等。該系統(tǒng)要達(dá)到連續(xù)穩(wěn)定地輸送，不堵料、不受潮，要有相應(yīng)的壓縮空氣吹掃防堵設(shè)施；至各噴槍的氣料分配器制作精良，分配均勻、不堵料；噴槍最好有冷卻風(fēng)，以防溫度過(guò)高而使脫硝劑在噴頭處熔化凝結(jié)和堵塞，噴槍的噴射范圍和噴射距離處于最佳狀態(tài)。

3 PNCR脫硝技術(shù)在垃圾焚燒爐上的應(yīng)用情況

新鄉(xiāng)市首創(chuàng)環(huán)境能源有限公司2020年11月投產(chǎn)運(yùn)行的2×750t/d垃圾焚燒爐，按照環(huán)保設(shè)施三同時(shí)的原則，配套建設(shè)和投運(yùn)了SNCR脫硝系統(tǒng)，但脫硝指標(biāo)只能達(dá)到2018年的指標(biāo)，如表1所示。

表1 SNCR脫硝的排放標(biāo)準(zhǔn)

2020年因河南省對(duì)垃圾焚燒爐的煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，垃圾焚燒爐煙氣的NOX濃度和氨逃逸指標(biāo)需要分別達(dá)到100mg/Nm3，8mg/Nm3以下才允許垃圾焚燒爐運(yùn)行，因此該廠(chǎng)經(jīng)過(guò)研究后，緊急在2#爐上增設(shè)一套PNCR脫硝裝置。該裝置從爐膛讓管改造到裝置達(dá)標(biāo)運(yùn)行，總計(jì)1個(gè)月左右的時(shí)間。該裝置即按PNCR脫硝系統(tǒng)的技術(shù)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)的，運(yùn)行情況良好，單獨(dú)運(yùn)行即能將NOx控制在100mg/Nm3以下，氨逃逸控制在8mg/Nm3以下。

3.1 PNCR脫硝裝置的配置情況

本項(xiàng)目的PNCR脫硝裝置系按照上述技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造和安裝的，主要包含：①投料（上料）裝置：可采用真空上料機(jī)或電動(dòng)葫蘆吊將物料吊至料倉(cāng)頂部投料孔投料；②料倉(cāng)：存儲(chǔ)高分子脫硝劑原料，料倉(cāng)錐度小于60°；③料倉(cāng)破拱設(shè)施：倉(cāng)底配置了振動(dòng)活化錐，確保物料不起拱；④料倉(cāng)干燥系統(tǒng)：防止料倉(cāng)和給料系統(tǒng)中的脫硝劑吸潮、板結(jié)和管道堵塞的除濕裝置；⑤定量計(jì)量裝置：螺旋失重式喂料設(shè)備；⑥輸送單元：包含正壓輸送風(fēng)機(jī)、噴射器、管道、分配器、噴槍?zhuān)虎呖刂葡到y(tǒng)：集成式控制柜，PLC+觸摸屏，可方便實(shí)現(xiàn)流程及系統(tǒng)控制，也可與上層MES系統(tǒng)通訊。

3.2 PNCR脫硝裝置特點(diǎn)

本項(xiàng)目PNCR脫硝裝置的主要特點(diǎn)是工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)單、脫硝率高、運(yùn)行維護(hù)成本較低、建設(shè)周期短、改造容易，脫硝劑運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用都非常安全、環(huán)保、便捷。

3.2.1 精確定量加料

脫硝劑的定量輸出，采用失重式喂料模塊實(shí)現(xiàn)精確加料。物料進(jìn)入帶稱(chēng)重模塊的料斗，并通過(guò)雙螺旋輸送機(jī)喂料，隨著物料從失重稱(chēng)中流出，控制系統(tǒng)對(duì)秤體的重量信號(hào)進(jìn)行一個(gè)高速、高頻的采集，得出單位時(shí)間內(nèi)計(jì)量斗內(nèi)物料減少的重量，再通過(guò)控制系統(tǒng)特有的濾波、優(yōu)化處理，得出失重稱(chēng)的實(shí)際流速，同時(shí)控制系統(tǒng)會(huì)將此給料速度與預(yù)設(shè)的給定速度比較，并將比較結(jié)果計(jì)算后反饋給失重稱(chēng)的給料機(jī)構(gòu)，以自動(dòng)修正給料機(jī)構(gòu)的給料速度，形成閉環(huán)控制，以此讓實(shí)際流速無(wú)限逼近給定流速，從而達(dá)到控制要求。

3.2.2 防潮、不結(jié)塊、不堵料

料倉(cāng)設(shè)置了防潮除濕機(jī)，對(duì)料倉(cāng)內(nèi)的空氣進(jìn)行干燥，從源頭上防止料倉(cāng)內(nèi)的脫硝劑吸潮；料倉(cāng)內(nèi)底部設(shè)置了活化錐，計(jì)量料斗內(nèi)設(shè)置犁刀式攪拌槳，可保證物料順暢下料；采用螺旋喂料器喂料，精確、穩(wěn)定、不堵料，物料在氣力輸送及末端噴射過(guò)程中保持連續(xù)穩(wěn)定狀態(tài)；輸送管道轉(zhuǎn)彎處均配置5倍徑的大彎頭，最大程度降低管道壓損，確保料流平穩(wěn)；分配器按顆粒狀脫硝劑的流場(chǎng)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)和制作，分配均勻、耐磨、不堵料。

3.2.3 模塊化設(shè)計(jì)、安裝快捷

本裝置將料倉(cāng)、投料及輸送裝置、定量計(jì)量機(jī)構(gòu)、輸送風(fēng)機(jī)、除濕機(jī)及控制單元等進(jìn)行模塊化集成設(shè)計(jì)和制作，安裝快捷，運(yùn)維方便，占地面積小。硬件層面上實(shí)現(xiàn)模塊內(nèi)部的機(jī)械和線(xiàn)纜連接，接入電氣即可開(kāi)機(jī)。軟件層面控制系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測(cè)量、參數(shù)調(diào)整以及各類(lèi)信號(hào)報(bào)警等功能，同時(shí)起到接駁上級(jí)生產(chǎn)管理系統(tǒng)（MES和ERP）的物理層設(shè)備。

3.2.4 噴槍的設(shè)計(jì)和布置科學(xué)合理

噴槍采用直通式的，避免堵料。噴槍選擇最佳的溫度區(qū)間和最佳的流場(chǎng)進(jìn)行布置，爐膛上布置2層噴槍?zhuān)繉?5支，并與SNCR噴槍有一定錯(cuò)位，使噴入爐膛的PNCR脫硝劑和SNCR脫硝劑充分與煙氣進(jìn)行均勻混合和反應(yīng)，達(dá)到最高的脫硝效率、最低的脫硝劑消耗和氨逃逸。

3.3 PNCR脫硝運(yùn)行情況

鍋爐蒸發(fā)量平均值為71t/h，插PNCR噴槍處的爐膛煙氣溫度小時(shí)平均值1009℃，運(yùn)行時(shí)只開(kāi)一層PNCR噴槍14支，所用高分子脫硝劑為粉粒料結(jié)合的脫硝劑，其脫硝的活性、有效成分含量、防潮性和輸送的流動(dòng)性等均滿(mǎn)足技術(shù)要求，PNCR脫硝裝置投運(yùn)后，能夠連續(xù)穩(wěn)定的達(dá)標(biāo)，具體脫硝指標(biāo)如表2所示。

表2 脫硝運(yùn)行數(shù)據(jù)表

4 結(jié)語(yǔ)

從PNCR脫硝應(yīng)用案例來(lái)看，只要系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備選型合理，所用高分子脫硝劑的性能滿(mǎn)足要求，則能夠在氨逃逸不超標(biāo)的情況下大大提高爐內(nèi)脫硝的效率，達(dá)到現(xiàn)有生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)的NOX和氨逃逸的排放指標(biāo)。

如已有SNCR脫硝系統(tǒng)，則可根據(jù)高分子脫硝劑和SNCR脫硝劑的的采購(gòu)成本、綜合運(yùn)行成本、脫硝指標(biāo)等各廠(chǎng)的實(shí)際情況聯(lián)合運(yùn)行或PNCR單獨(dú)運(yùn)行。