生活垃圾焚燒煙氣脫硝技術對比

文_鄧靖 羅慧 劉玉坤

1 上海環境工程設計研究院有限公司 2 華能海南昌江核電有限公司

隨著我國經濟發展，生活垃圾快速增長，焚燒發電技術成為生活垃圾減量化、無害化、資源化的首選方案。根據《“十四五”城鎮生活垃圾分類和處理設施發展規劃》（發改環資〔2021〕642號），“十三五”期間，全國共建成生活垃圾焚燒廠254座，累計在運行生活垃圾焚燒廠超過500座，焚燒設施處理能力58萬t/d。全國城鎮生活垃圾焚燒處理率約45%。但垃圾焚燒處理能力仍有較大缺口，全國約50%的城市（含地級市和縣級市）尚未建成焚燒設施。總體目標，到2025年底，全國城鎮生活垃圾焚燒處理能力達到80萬t/d左右，城市生活垃圾焚燒處理能力占比65%左右。

但生活垃圾焚燒發電處理過程中含氮有機質的分解及助燃空氣中氮氣氧化生成的大量氮氧化物（NOx），因此分析、研究生活垃圾焚燒煙氣脫硝技術，具有重要意義。

1 生活垃圾焚燒發電排放標準

目前，我國生活垃圾焚燒發電廠執行的煙氣排放標準為GB18485-2014《生活垃圾焚燒污染控制標準》，NOx的排放質量濃度極限值為250mg/m3。隨著環境保護意識的提升，不少經濟發達地區執行更為嚴苛的地方標準或歐盟2010/75/E標準，部分地區執行標準見表1。近年新頒布的標準中NOx日均排放濃度不超過120mg/m3，相比GB18485-2014中的要求減排量超過50%，對生活垃圾焚燒的NOx的排放要求日益嚴格。

表1 生活垃圾焚燒煙氣NOx排放值 單位：mg/Nm3（干基、標態、11%O2）

2 生活垃圾焚燒煙氣凈化工藝特點

生活垃圾在高溫環境下，經過焚燒由固態物質轉變成飛灰、煙氣和可利用的熱量，達到廢物資源化利用的目的。生活垃圾焚燒后煙氣中的污染物可分為顆粒物（粉塵）、酸性氣體（HCl、HF、SO2等）、氮氧化物、重金屬（Hg、Pb、Cr等）和有機劇毒性污染物（二噁英、呋喃等）五大類，其中NOx平均含量為342mg/m3。

為了控制生活垃圾焚燒煙氣污染物的量，必須在后續配置煙氣凈化工藝設施，如脫硝、脫酸、吸附重金屬、除二噁英、除塵的措施。目前，國內垃圾焚燒煙氣凈化工藝常采用SNCR法脫硝、半干法噴入石灰漿脫酸、活性炭吸附二噁英和重金屬、袋式除塵工藝脫除粉塵。

3 生活垃圾焚燒煙氣脫硝技術

根據生成機理不同，焚燒過程中所產生的NOx分為熱力型、燃料型和快速型，垃圾焚燒的溫度一般低于1200℃，不足以形成熱力型NOx，大多是燃料型NOx。目前主流的煙氣脫硝技術分有吸附脫硝、吸收脫硝和還原脫硝3種。相比另外兩種技術，還原脫硝技術由于反應速度快、投資費用和運維成本較低等優勢，更適合用于生活垃圾焚燒煙氣的脫硝。而生活垃圾焚燒煙氣還原脫硝技術主要有選擇性非催化脫硝技術（SNCR）、選擇性催化脫硝技術（SCR）及SNCR和SCR聯合脫硝技術。

3.1 SNCR技術

SNCR技術最初由美國Exxon公司開發，1974在日本實現工業化，是以溫度為反應驅動力，在不采用催化劑的條件下，通過噴槍直接將還原劑噴入焚燒爐內高溫區，與NOx發生選擇性還原反應，生成對環境無害的N2和H2O等物質。

SNCR技術脫硝效率主要受反應溫度、氨氮比、混合均勻度和反應時間等因素影響。采用還原劑不同，最佳反應溫度區間略有差別，氨水最佳反應溫度區間為870～1100℃，尿素最佳反應溫度為900～1150℃。

該技術由于無需催化劑和反應器，工藝簡單、造價低、占地少，已成為生活垃圾焚燒的常規配置。但對溫度依賴性強，脫硝率較低，氨的逃逸量大。逃逸氨與煙氣中的酸性氣體反應生成銨鹽，堵塞和腐蝕空氣預熱器等設備，通常該方法的脫硝效率設計在50%左右，符合國家GB18485-2014標準和歐盟2010/75/EC標準要求，但難以達到更高標準要求。

江蘇省灌南新蘇國豐新能源有限公司2×350t/d生活垃圾焚燒發電項目，通過控制燃燒方式控制NOx在300～400mg/m3，采用SNCR脫硝工藝。還原劑采用25%氨水，2020年3月正式并網發電，脫硝裝置出口NOx排放質量濃度控制在200mg/m3以下。

3.2 SCR技術

SCR技術由美國Eegelhard公司發明，20世紀70年代在日本Shimoneski電廠成功工業化應用，利用催化劑降低反應活化能，在一定溫度范圍內將NOx還原成N2，催化劑是技術的核心，根據工作溫度的不同，分為中溫SCR（280～420℃）、低溫SCR（200～280℃）、超低溫SCR（140～200℃）。主要工藝是在設置的觸媒反應塔內，根據催化劑的活性溫度范圍，噴入的還原劑與煙氣中NOx混合后經觸媒催化劑發生選擇性還原反應，脫硝效率為90%左右，可滿足更高的煙氣排放標準要求。脫硝效率影響因素主要為催化劑類型、反應溫度、空間速度以及氨氮比。

該技術具有反應溫度低、脫硝效率高、運行可靠等優點。但也存在一些明顯的缺點，如投資費、運行費用高；煙氣中的SO2、堿金屬等可使催化劑中毒；高粘度、高分散粉塵附著催化劑表面，降低活性；易與硫化物生成銨鹽，腐蝕堵塞設備。

因此，在生活垃圾焚燒行業，使用SCR技術脫硝時大多選擇低塵布置，先去除煙氣中的酸性污染物和粉塵，再引導煙氣進入SCR系統內反應，可以減輕催化劑活性降低或中毒的現象，延長催化劑使用壽命，降低更換催化劑成本。但需配套換熱器或加熱爐，提升煙氣溫度，保證脫硝催化劑的工作溫度，勢必增加能耗、運行成本和投資成本。

以處理規模為500t/d的生活垃圾焚燒發電項目為例，布袋除塵器出口煙氣溫度一般為130～180℃，在320℃進行SCR反應，煙氣升溫需消耗30%以上的主蒸汽，大幅降低垃圾電廠的效益。因此，在生活垃圾焚燒行業單獨配置SCR技術項目較少。

3.3 SNCR和SCR聯合技術

現階段SNCR和SCR技術各有優缺點，在排放標準要求更高的地區，僅使用任意一種技術，很難在經濟性和NOx脫除率上同時滿足項目要求。而SNCR與SCR技術的聯合使用，合理分配NOx脫除負荷，可以有效中和兩者的劣勢，在經濟性和NOx脫除率間找到最優平衡。在SNCR區段實現初步脫硝，在SCR區段進行深度脫硝，同時反應掉SNCR區段的逃逸氨。

江蘇省南京江南4×500t/d生活垃圾焚燒發電項目，是SNCR和SCR聯合技術在國內生活垃圾焚燒發電行業較早應用的案例之一，設計目標是NOx控制在焚燒爐出口為400mg/m3以內，煙囪出口在80mg/m3，氨逃逸小于5mg/Nm3。

3.4 SNCR、SCR及SNCR和SCR聯合技術對比

生活垃圾焚燒煙氣三種脫硝技術的綜合對比見表2。相較于單獨的SNCR技術或SCR技術，SNCR和SCR聯合技術由于SNCR區段去除大部分NOx，SCR所需反應器尺寸和催化劑量都將減少，投資成本相應降低。

表2 SNCR、SCR及SNCR和SCR聯合技術對比表

相較于單獨的SNCR技術，SNCR和SCR聯合技術不但可以提高脫硝效率，滿足高排放標準，又可以減少整個脫硝系統的氨逃逸。相較于單獨的SNCR技術，SNCR和SCR聯合技術由于SNCR區段去除大部分NOx，具有還原劑用量少、催化劑量少、反應器尺寸緊湊、投資和安裝費用低等優勢。

生活垃圾焚燒煙氣中二噁英類、顆粒物、金屬鹽、Hg、NOx、SO2、HCl都偏，為延長催化劑壽命，SCR系統一般采用低溫低塵布置。但此時煙氣溫度大多在150℃以下，目前已開發的SCR催化劑工作溫度多在180℃以上，為了與其工作溫度相匹配，需要額外加升溫裝置，無形中增加了脫硝系統的投資和運行成本，且系統復雜。因此，亟需開發一種開發適應150℃以下工況的超低溫SCR技術，減少煙氣升溫能耗，甚至取消換熱器或加熱爐，大幅提升生活垃圾焚燒煙氣脫硝的經濟性。但超低溫SCR技術還需催化劑克服，在低溫環境下煙氣中的水蒸氣在催化活性點上與NH3產生競爭吸附，抑制催化劑活性；煙氣中的二氧化硫與氨氣生成銨鹽，覆蓋催化劑活性位，降低催化劑活性。上述問題是限制超低溫SCR脫硝技術從實驗研究到工業化的應用，目前國內科研院所和企業正在通過工業側線進行探索研究，發現涂敷式SCR催化劑在此方面具有明顯優勢。

4 結語

SNCR和SCR聯合技術建設和運行成本可控，結合垃圾焚燒行業NOx排放要求日益嚴格的趨勢，目前按高標準新建的項目多采用SNCR+SCR 聯合工藝。開發適應150℃以下工況的超低溫SCR技術，可以大幅降低運行成本，實現環保效益和經濟效益的最大化，將是生活垃圾焚燒發電行業脫硝處理工藝的發展趨勢。