某污泥焚燒項目污泥中氨對脫硝設施影響的分析

汪 超，錢娟婷，楊 蘊

(江蘇龍環環境科技有限公司 咨詢三所，江蘇 常州 213000)

1 引言

現下污水處理廠污泥處置以焚燒、制磚和干化造粒為主，少量填埋，由于污水污泥的處理處置主要借助其他行業的處理設施作為過渡，多數采用摻燒方式處置[1,2]。污水污泥的處理量年年升高，而工業用電及工業用汽產能卻在相對下降，部分熱電廠設施面臨搬遷轉型，現有的污泥處理處置設施不可作為長效機制或永久出路[3，4]。鑒于此，單獨干化焚燒作為獨立自主的能長期妥善解決污水污泥出路的技術路線，其重要性日益凸顯[5]，但污泥焚燒產生的燃燒廢氣，除了無害的二氧化碳及水蒸汽外，還含有許多污染物質，主要的污染物質包括煙塵、酸性氣體、重金屬污染物和二噁英類[6]，本文主要對污泥焚燒項目污泥中的氨對脫硝設施的影響進行分析。

2 工程背景

該項目主要處理市政污水處理廠的污泥，規劃論證明確的干化焚燒設施設計規模900 t/d，分兩期建成，已運行一期工程400 t/d(含水率80%)，年處理城市污水處理廠污泥約12萬t(含水率80%)。一期工程污泥處置采用干燥+焚燒工藝技術，配備3套污泥攪拌筒式/槳葉式干燥機+回旋式焚燒爐+煙氣處理系統生產線，每條生產線處理能力為140 t/d污泥。污泥干燥的廢氣進入焚燒爐，焚燒煙氣(主要大氣污染物包括煙塵、酸性氣體、重金屬污染物和二噁英類)處理系統工藝為3套SNCR+活性炭吸附+干式中和+袋式除塵器+濕式中和塔裝置并配備3個60 m高(1-1#、1-2#、1-3#)的集束排氣筒。卸料及儲泥車間、飛灰及爐渣處理車間以及生產廢水池、氨罐產生的惡臭廢氣采用負壓抽氣，送至酸洗+堿洗+生物濾池處理后，通過30 m排氣筒(2#)排入大氣。

SNCR脫硝工藝采用爐內噴還原劑—氨水，爐膛設計反應溫度為850～1100 ℃，主要原理是4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O。根據各污水廠污泥成分監測結果，污泥干燥基氮含量達到2.48%～5.41%，污泥在干燥過程排放的廢氣中含氨，可與污泥焚燒過程產生的NOX反應，起到一定脫硝作用，因而在爐內噴氨水過程中氨逃逸量增加，一定程度上導致資源浪費，且廢氣中氨含量較高，對大氣造成一定程度的污染。

3 焚燒設施工程介紹

3.1 焚燒污泥的來源及性質

項目服務范圍為城鎮污水處理廠產生的脫水污泥的處理處置，2020年規劃預測污水處理設計能力83萬m3/d，污泥產量達到135.63 tDS/d，折合含水率80%脫水污泥678.15 t/d。根據污泥的監測報告，本項目處置的污泥含水率范圍為68.61%～89.2%，平均含水率為81.42%，干燥基含氮量范圍為2.48%～ 5.41%，平均干燥基含氮量為4.28%，干燥基高位發熱量范圍為7.85 MJ/kg～16.3 MJ/kg，平均干燥基高位發熱量為12.21 MJ/kg，干燥基低位發熱量范圍為6.17 MJ/kg～14.99 MJ/kg，平均干燥基低位發熱量為10.66 MJ/kg，對各污水處理廠污泥組分抽樣檢測結果見表1。

表1 本項目污泥特性一覽

3.2 焚燒污泥工藝流程及說明

污泥分別輸送進直接式滾筒干燥機和空心槳葉式間接干燥機，獲得含水率約20%的干燥污泥。干燥污泥與轉動懸臂端部噴出的燃燒氣體接觸高效率的實施焚燒。焚燒爐爐渣在回轉式懸臂的攪拌效果下集中在焚燒爐中央后，再通過中央下部安裝的排灰設備排至焚燒爐外。焚燒爐的煙氣經過余熱利用系統、空氣預熱器回收熱量后進入煙氣凈化系統，煙氣凈化主系統由SNCR脫硝、活性炭吸附、干式中和(消石灰)、袋式除塵器、濕式中和塔、引風機和煙道管組成，焚燒爐密閉，廢氣捕集率100%，經凈化后廢氣通過3根60 m高排氣筒(1-1#、1-2#、1-3#)排入大氣。

4 脫硝設施改造方案論證分析

4.1 影響脫硝效果因素分析

反應溫度及相應溫度下的停留時間、CO濃度、還原劑類型及其與煙氣的混合程度、氨氮比、NOX初始的濃度及煙氣含氧量等可對SNCR脫硝效率造成影響[7]。

4.1.1 溫度的影響

對于SNCR還原反應影響最大的因素是溫度[8]。在不同條件下各種氨還原劑的最佳溫度不一樣，總體上氨的反應溫度在800～1100 ℃。反應速率在一定區間內隨著溫度的降低而降低，從而導致氧化還原反應不能充分進行，導致脫硝效率降低。參與反應的氨反應不完全，氨逃逸率增高，隨著煙氣排入大氣的氨將造成新的污染。在反應溫度大于1100 ℃時，氨則會與煙氣中的氧氣反應生成NOX，從而造成NOX濃度不減反增[9]。

在800～900 ℃的溫度區間內氨逃逸和NOX排放濃度均隨溫度上升而下降，說明在此溫度區間內，溫度越高，脫硝反應效果越好。此外，當溫度低于850 ℃時氨逃逸濃度將超出HJ563-2010《火電廠煙氣脫硝工程技術規范選擇性非催化還原法》中規定的最大允許值8 mg/m3的標準。

4.1.2 還原劑類型

脫硝還原劑主要有氨水、液氨、尿素3種，使用過程中各有優缺點。液氨是壓縮后的氨氣，使用過程中能夠與煙氣更好地混合，但儲存和使用都存在一定的風險，對企業來說是一個重要的環境和安全風險源。尿素便于運輸和儲藏，且安全性較好，但是需將固態尿素溶解在水中，使用過程中噴射均勻性相對較差，并且需先在高溫下分解為氨后再參與反應，反應效率較低，氨逃逸量高，并且未反應的尿素及分解產物容易生成高粘度的沉積物，堵塞和腐蝕設備。噴射氨水的優缺點則介于液氨和尿素之間。

4.1.3 合適溫度下停留的時間

反應都有一定的速率，所以氨和NOX在適宜溫度區間內的停留時間決定了煙氣中NOX的反應效率， NOX的脫除效率與停留時間成正比。停留時間的長短取決于煙氣流速和煙氣流通通道的截面尺寸。根據相關試驗證明：煙氣的流速影響反應停留時間，過高的煙氣流速會減少停留時間，從而降低脫硝效率；而煙氣流速過低雖然有利于充分進行脫硝反應，但是容易造成煙道積灰等問題。根據相關試驗表明，停留時間一般保證在0.7～1.0 s之間[10～11]。

4.1.4 氨氮比

NH3/NOX摩爾比在一定的范圍內，隨著摩爾比的增加，NOX的還原率不斷增加，但是再繼續增大摩爾比還原效果不明顯，反而會產生較大的氨逃逸，造成煙道中形成積灰腐蝕。

根據趙海軍研究中實驗數據，當NH3/NOX摩爾比小于2.18時，隨著NH3/NOX摩爾比的升高，脫硝效率升高明顯；當NH3/NOX摩爾比大于2.18后，NH3/NOX摩爾比升高，氨逃逸濃度不斷增加，而脫硝效率并沒有明顯的升高趨勢[12]。

4.1.5 煙氣中O2、CO和H2O的影響

煙氣中的O2、CO、H2O等成分都會影響脫硝反應的效率[13]。Kasuya通過實驗研究認為，O2是SNCR脫硝反應能夠進行的必要條件，并且O2濃度對反應的溫度和脫硝效率有較大影響：O2濃度升高，反應的溫度降低，同時脫硝率下降，O2濃度從0.5%上升到50%，SNCR脫硝的最佳溫度從1000 ℃左右降低到約800 ℃，脫硝率從95%降到小于60%[14]。

以氨水作為還原劑時，煙氣中CO濃度較高時，會明顯降低SNCR最佳脫硝溫度，最適宜的脫硝溫度區間變小，脫硝效率下降。在低溫時，低濃度水蒸氣會促進氧化還原反應，高濃度水蒸氣會降低氧化還原反應的速率。

4.1.6 初始NOX濃度水平

反應開始階段NOX的濃度決定氧化還原反應的效率，低濃度的NOX所產生的反應動力也較小。從而進一步導致最大反應效率對應的溫度降低。因此，NOX氧化還原反應存在臨界濃度，低于臨界濃度的NOX，無法通過增加氨氮比脫除[15]。

4.2 干化煙氣中氨產生情況調查

由于污泥在干燥過程中廢氣中含氨，可與污泥焚燒過程產生的NOX反應，起到一定脫硝作用，故該公司委托第三方專業檢測機構對1#生產線污泥干化廢氣中氨產生情況監測，監測點布設在2#換熱器前，檢測結果表明氨產生速率為2.27～6.13 kg/h，平均值為3.82 kg/h，具體數據見表2。

表2 干化廢氣中氨產生情況監測結果

4.3 脫硝設施實際運行狀況分析

由于污泥貯存過程中微生物作用產生一定量游離氨，污泥干化過程進入廢氣，焚燒爐的高溫煙氣進入干燥機，直接與污泥接觸，起到干化污泥的作用，干化后的廢氣再進入焚燒爐焚燒處理，干化廢氣中含一定量氨。根據公式：4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O，干化廢氣具有一定的脫硝作用。

通過對比焚燒爐廢氣中NH3的通入量、氨水的加入量及NOX產生情況、排放情況，結果見表3。

表3 NH3加入量及NOX產排情況分析

由表3可知，實際噴入氨水的量比較少，且氨氮比較低，干化煙氣中氨對去除焚燒煙氣中NOX有一定效果，且NOX可達標排放。

5 結論及建議

污泥干化煙氣中含氨對焚燒爐尾氣中NOX具有一定的去除效果，在不添加氨水的情況下使焚燒尾氣中NOX達標排放，從而降低額外脫硝設施的投資及氨水貯存過程中的風險，降低氨逃逸對大氣環境的影響，具有良好的經濟環境效益。在保證系統穩定運行的情況下，建議確保污泥干化量，以保證通入焚燒爐的干化廢氣中NH3的量，污泥合理配伍，確保污泥中含氮量均勻，使焚燒爐內氨氮比穩定，并增加對干化污泥干化廢氣中NH3的監測頻次，防止NOX去除效果下降。