垃圾焚燒中氮氧化物處理SNCR技術的優化和效率提升

＊周柏年 何言麗 周正新 桂超 陶京龍

（1.桂林理工大學環境科學與工程學院 廣西 541000 2.皖西學院環境與旅游學院 安徽 237000 3.鄭州滎錦綠色環保能源有限公司 河南 450000 4.皖西學院金融與數學學院 安徽 237000）

1.背景

在現階段，我國在垃圾處理方面的最優解決方案仍然是垃圾焚燒發電技術，在垃圾焚燒過程中，極易產生大量硫氧化物、氮氧化物等酸性氣體，以及重金屬、有機劇毒污染物二噁英等嚴重有害氣體，這些有害氣體無論對環境還是對人體都會有嚴重影響，這就迫使世界各國根據排放因子對環境、大氣和人體的影響程度，制定了相應的排放標準。當然，在環保排放標準嚴格達標基礎上，如何節省成本，是每一個垃圾焚燒發電企業必須考慮的問題。為此本文利用某垃圾焚燒發電廠原有SNCR技術，在不增加投資的前提下進行技術優化和運行優化，不僅大大提高了SNCR脫硝效率，同時達到了當地政府制定的優于歐盟、優于國家的NOx排放標準，也為我國垃圾焚燒發電廠提供了一定參考。

2.垃圾焚燒發電廠煙氣脫硝技術現狀

目前垃圾焚燒行業脫氮工藝主要有SCR技術、SNCR技術及低氮燃燒工藝的運用。

（1）SCR脫硝工藝。SCR是一種選擇性催化還原技術，它通過使用催化劑，在煙氣中與NOx發生化學反應，產生氮氣和水，從而達到凈化煙氣的目的[1]。

（2）SNCR脫硝工藝。SNCR即選擇性非催化還原法，其原理是，在不使用催化劑的情況下，NOx在一定溫度范圍內被NH3還原[2]。

（3）傳統低氮燃燒工藝。傳統低NOx燃燒技術通常分為以下幾類：空氣分級燃燒、燃料分級燃燒、煙氣再循環、低NOx燃燒器等。在采用低氮燃燒技術后，NOx含量降低，但是CO含量增加，難以實現CO與NOx含量都達到降低的效果[3-6]。

3.三種類型的氮氧化物生成

在日常生活中氮氧化物的生成主要有熱力型、燃料型和快速型。

（1）熱力NOx。熱力型是氮氣和氧氣在高溫下直接生成氮氧化物，不過一般氮氣和氧氣直接生成氮氧化物的溫度需要1200℃以上，除了煤粉爐火焰中心溫度高于此溫度外，一般垃圾焚燒爐很難達到此溫度。

（2）快速溫度NOx。此種類型氮氧化物生成類型只有當碳氫化合物CH較多且氧濃度相對較低時，才會發生快速溫度NOx，并且其產生量非常小，通常低于NOx總排放量的5%。不過在鍋爐運行中，這種方式生成氮氧化物的幾率比較小。一般不做重點討論。

（3）燃料NOx。由于垃圾焚燒發電廠都是以生活垃圾為主要燃料，燃料中的氮通常以氧原子的狀態與各種碳氫化合物相結合，形成環狀化合物或鏈狀化合物，如氮苯C5H5N、芳香胺C6H5N2等，與空氣中的氮相比，其結合鍵能較小。燃燒過程中容易分解，通過氧化反應生成大量的NOx，稱為燃料NOx，我們垃圾焚燒爐氮氣的產生主要是此燃料型生成氮氧化物[7]。

4.SNCR脫硝技術的運行優化

經調查，該廠曾經治理氮氧化物的方法時將氨水濃度調在7%左右、氨水噴入處的溫度在800℃左右。此治理方式實施過后的NOx排放數據依然超標，于是對此進行思考見表1。

表1 河南省脫硝控制指標

污染物治理需要將經濟性和處理效果統籌考慮，對于垃圾焚燒爐爐溫難以達到熱力型生成氮氧化物的溫度，垃圾焚燒爐氮氧化物的生成主要是燃料型，所以垃圾焚燒電廠氮氧化物的排放治理需要從以下幾個方面考慮。

(1)運行控制

①減少燃燒的過量空氣系數，從而降低氮元素和氧氣結合的幾率。

②控制燃料與空氣的前期混合，也就是說前期要有一個缺氧燃燒區域，對于循環流化床垃圾焚燒爐來說，在不影響流化的情況下控制一次風量，同時對各層二次風分層調控盡可能達到分級燃燒的效果。有條件的情況下，降低密相區送入空氣的氧濃度。

③提高入爐的局部燃料濃度，也就是說在密相區形成嚴重缺氧燃燒區域。

(2)SNCR脫銷工藝運用優化

目前河南該垃圾焚燒發電企業所使用的脫硝工藝是SNCR，并且是運營近二十年的老廠，如果重新考慮脫硝工藝，那么不僅投資大，并且運營成本高，這會造成企業巨大的經營壓力，為此研究和優化原有SNCR脫銷工藝意義重大，經過多方研究和反復論證，從以下幾個方面進行了實質性的思考和試驗，得出相關結論。

①現在通用的SNCR脫硝使用的是氨水，氨水脫硝率的提高與氨水濃度和爐膛溫度有關。

②濃度越高，氨水反應速率越大，脫硝效率越高。

③爐膛溫度越高（但是溫度大于1200℃，會導致熱力型氮氧化物生成），氨水分子活性越大，氨水蒸發和擴散加快，反應速率提高，脫硝效率提高。一般實驗表明，當爐膛溫度大于850℃時，化學反應速度明顯加快，當爐膛溫度達到900℃左右時，氮氧化物的消減率達到最大。

④足夠的停留時間，一般氨或尿素與煙氣混合、水的蒸發、還原劑的分解和氮氧化物的還原等步驟全部完成，需要0.5s。一般反應時間≥0.5s時，SNCR脫硝效率可達到80%左右。

⑤還原劑脫硝效率與煙氣含氧量的關系，一般從還原劑（氨、尿素）特性看，氨脫硝最佳煙氣含氧量在1%，尿素脫硝最佳煙氣含氧量在6%，這也與運行中控制過量空氣系數相一致。由于實際運行中CO的控制，所以在爐內含氧量一般偏大，取2%～3.5%。

⑥氨水噴入量和噴槍的霧化效果對脫硝效率的影響。一般理論上1mol氮氧化物需要1mol氨，但考慮實際工況需要，一般取氨/氮摩爾比為2.2為最佳，大于此值脫硝效率變化不大反而使氨逃逸增加。

⑦SCR是單純利用SCR反應器來進行脫硝，后加一個脫硝反應器，反應器中包含有催化劑。有很多的電廠為了保證脫硝效果，采用SNCR+SCR耦合來進行脫硝，這樣可以保證在點爐的時候在煙氣溫度比較低的時候，仍然實現氮氧化物不超標。但是此方法投資大，成本高，一般SNCR能夠達到的脫銷效果就不在使用此方法。

5.SNCR研究、優化及應用的結果與分析

我們在2020年11月份開始實施此治理措施，通過對以下幾張圖的觀察可以發現，自此治理措施實施后的一段時間內，氮氧化物的排放數據急劇下降，并且穩定在一個較低的水平，相比于以前，對于環境的危害大大改善。

通過對該廠四個鍋爐實施治理措施前后的排放數據對比可以發現：

鍋爐1的NOx折算濃度在改善前6分鐘內平均每分鐘的NOx的折算濃度為166.15mg/m3，改善后為64.59mg/m3，可以發現有了明顯下降見圖1。

圖1 改善前后鍋爐1實時監控

鍋爐2的NOx折算濃度在改善前6分鐘內平均每分鐘的NOx的折算濃度為139.33mg/m3，改善后為27.62mg/m3，可以發現有了明顯下降見圖2。

圖2 改善前后鍋爐2實時監控

鍋爐3的NOx折算濃度在改善前6分鐘內平均每分鐘的NOx的折算濃度為253.21mg/m3，改善后為60.92mg/m3，可以發現有了明顯下降見圖3。

圖3 改善前后鍋爐3實時監控

鍋爐4的NOx折算濃度在改善前6分鐘內平均每分鐘的NOx的折算濃度為259.63mg/m3，改善后為72.16mg/m3，可以發現有了明顯下降見圖4。

圖4 改善前后鍋爐4實時監控

綜上所述，可以發現SNCR脫硝技術通過優化和實施治理措施后，各個鍋爐的NOx折算濃度均有明顯下降，并且對于氮氧化物的削減率更高。

6.總結

綜上所述，為實現可持續發展戰略，我們應當深入研究垃圾焚燒發電廠煙氣脫硝處理技術，提高效率，最大限度地減少垃圾焚燒發電廠排出廢氣中氮氧化物的含量，節約投資和成本。我們通過改善其運行過程中的溫度、氮氧結合律及脫硝工藝，在為期一年的觀察期內發現NOx的排放有了明顯改善，也證明這種改良方法是一種可行的值得推廣的方法，在未來火電廠發電的行業中具有良好的前景。