垃圾焚燒電廠高效低氮煙氣超低排放關(guān)鍵技術(shù)問題研究

中南電力設(shè)計院有限公司 王 欣 韓 亮 劉晴川 鄧海文 陳 琪

1 垃圾焚燒電廠煙氣中的污染物NOx 及其排放標準

目前，生活垃圾無害化處理的主流方式為生活垃圾焚燒發(fā)電。在垃圾焚燒過程中，燃燒產(chǎn)生的高溫條件會產(chǎn)生大量煙氣污染物，若不經(jīng)過減排處理，將對環(huán)境造成不良影響。

隨著技術(shù)進步，NOx 的排放限值標準不斷提高。根據(jù)GB18485-2014版《生活垃圾焚燒污染物控制標準》（2014年7月1日開始實施），規(guī)定了氮氧化物的排放量上限是24h 平均低于250mg/Nm3，1h平均低于300mg/Nm3。為進一步落實習(xí)近平總書記對生活垃圾分類工作的重大指示，國家發(fā)改委、住建部在2021年5月聯(lián)合發(fā)布了《“十四五”城鎮(zhèn)生活垃圾分類和處理設(shè)施發(fā)展規(guī)劃》（發(fā)改環(huán)資〔2021〕642號），提出在“十四五”內(nèi)加快城市生活垃圾焚燒設(shè)施的建設(shè)，并在此基礎(chǔ)上，進一步完善城市生活垃圾的焚燒工藝，并在此基礎(chǔ)上，進一步提升城市生活垃圾的污染治理能力。近年來，部分省市已經(jīng)制訂了更加嚴格的地方標準，例如海南省生活垃圾焚燒NOx 排放標準限值為120mg/Nm3，福建省為 100mg/Nm3，河北省為120mg/Nm3，深圳市對于新建垃圾電廠NOx 排放標準為 80mg/Nm3（日均值和小時均值）。目前燃煤電廠大氣污染物排放標準中氮氧化物（NOx）含量要求不超過50mg/Nm3，為響應(yīng)超低排放的要求，有些地區(qū)已經(jīng)開始響應(yīng)火力發(fā)電廠的NOx 超低排放要求，進一步提高新建垃圾焚燒電廠的排放要求。

2 垃圾焚燒電廠高效低氮煙氣超低排放關(guān)鍵技術(shù)

常規(guī)煙氣脫氮方法主要有兩種：一種是使用低氮燃燒器，分解爐，在管路中進行分段燃燒，控制燃燒溫度，改變配料方案，使用礦化劑，使熟料燃燒溫度下降；二是通過對燃煤鍋爐中 NOx 進行終端處理，實現(xiàn)對燃煤鍋爐尾氣 NOx 的有效控制。現(xiàn)在普遍采用的是“SNCR+半干法脫酸+活性炭吸附+袋式除塵器”的方法，有些對廢氣排放有比較苛刻的地方，還在袋式除塵器之后增加了SCR 脫氮裝置。

2.1 選擇性非催化還原法（SNCR）

選擇性無催化還原技術(shù)（SNCR），指的是在不使用催化劑的情況下，在鍋爐爐膛或旋風(fēng)分離筒進口合適位置，噴射氨基還原劑，將NOx 還原為N2的一種脫氮技術(shù)。將還原劑噴射到爐內(nèi)850～1100℃范圍內(nèi)，脫硝效果可達50%～60%。由于 SNCR 系統(tǒng)投資低、運行穩(wěn)定、運行費用低，是當(dāng)前生活污水處理廠普遍采用的一種系統(tǒng)，但其脫氮率低，氨氮逃逸嚴重。

2.2 選擇性催化還原法（SCR）脫硝技術(shù)

SCR（Selective Catalytic Reduction）脫硝技術(shù)是垃圾焚燒電廠高效低氮煙氣超低排放的一項關(guān)鍵技術(shù)。其通過在煙氣中注入尿素或氨水等還原劑，并經(jīng)過催化劑反應(yīng)，將煙氣中的氮氧化物（NOx）轉(zhuǎn)化為無害的氮氣和水，從而達到降低NOx 排放的目的。在SCR 脫硝系統(tǒng)中，催化劑通常是由鉬、釩、鈦等金屬氧化物組成的復(fù)合催化劑。SCR 脫硝技術(shù)可以實現(xiàn)較高的脫硝效率，通常可達到90%以上甚至接近95%。

2.3 SNCR/SCR 聯(lián)合技術(shù)

針對NOx 超低排放項目，僅設(shè)置SNCR 系統(tǒng)無法達到排放要求，在現(xiàn)有脫硝工藝基礎(chǔ)上增設(shè)SCR 脫硝裝置，是目前國內(nèi)垃圾焚燒電廠主要應(yīng)用的超低排放改造措施。理論上，在NOx 質(zhì)量分數(shù)較低的情況下，停用SNCR 裝置僅單獨運行SCR裝置，仍然可以實現(xiàn)NOx 超低排放。但是，如果將SCR 反應(yīng)器分開操作，則會增加 SCR 反應(yīng)器中催化劑的層數(shù)和總耗量，而催化劑的費用較貴，因此運行費用較高。所以單獨采用某一種工藝，都難以達到經(jīng)濟效益和NOx 去除效果的要求。將SNCR 與SCR耦合應(yīng)用于NOx 凈化，通過對NOx 凈化負載的優(yōu)化配置，能夠在節(jié)能與NOx 凈化之間尋求最佳的平衡點。SNCR/SCR 煙氣聯(lián)合脫氮技術(shù)可以把 SNCR中的逸出的氨氣作為SCR 的還原劑，從而實現(xiàn)對NOx 的有效去除。與單一SNCR 技術(shù)相比，SNCR與SCR 組合工藝因其能將NOx 主要通過SNCR 部分脫除，因此其在反應(yīng)器中的應(yīng)用更少，且結(jié)構(gòu)更緊湊，投資與安裝成本更低[1]。圖1為SNCR/SCR 聯(lián)合技術(shù)原理圖。

圖1 SNCR/SCR 聯(lián)合技術(shù)原理

2.4 高分子脫硝工藝（PNCR）

針對垃圾發(fā)電日益嚴格的NOx 排放指標，SCR運行成本居高不下，垃圾焚燒領(lǐng)域技術(shù)人員開發(fā)了PNCR 脫硝技術(shù)[2]。高分子脫硝工藝（PNCR）是指利用固態(tài)高分子材料作為還原劑進行脫硝的新工藝。此類高分子材料被投入焚燒爐后，在700℃以上的高溫環(huán)境中會被瞬間激活、氣化，并與NOx 發(fā)生氧化還原反應(yīng)將其還原成N2和H2O。固體聚合物還原劑（PCR）是一種以高效還原活性的功能聚合物材料為主體成分的固體粉末混合物，包括了功能聚合物還原材料（CnHmNs）、乳化劑、分散劑、緩釋劑和滲透劑，以及由氧、鎂、鋁、硅、硫、鈣、鋇、錳和稀土元素等化合物構(gòu)成的催化劑及其助劑。

PNCR 脫硝劑的脫硝效率較高，溫度窗口在850～900℃，低于 SNCR 的溫度窗口，與垃圾焚燒鍋爐內(nèi)溫度水平更匹配。由于 PNCR 和SNCR 的溫度窗口不沖突，因此可以在垃圾焚燒爐應(yīng)用SNCR脫硝技術(shù)的基礎(chǔ)上增設(shè) PNCR 工藝，兩者同時運行以實現(xiàn)超低排放。

2.5 其他脫硝方法

除了采取還原的方法將NOx 還原為N2，達到脫硝目的之外，還可以使用氧化脫硝的方式，即利用一些脫硝藥劑的氧化作用，把不可溶的低價態(tài)的氮氧化物氧化成可溶的高價態(tài)的氮氧化物，通過洗滌吸收去除。臭氧氧化脫硝，即將煙氣中不溶于水的NO 和難溶于水的NO2氧化成易溶于水的N2O5，并與漿液快速反應(yīng)，從而不可逆地脫除了NOx。

結(jié)合現(xiàn)有脫硝技術(shù)，本文提出采用SNCR+臭氧（O3）輔助低溫SCR 聯(lián)合脫硝系統(tǒng)來滿足氮氧化物超低排放標準，該方法可協(xié)同脫硫脫汞，旨在實現(xiàn)更高效、更經(jīng)濟的NOx 排放控制。SNCR+臭氧（O3）輔助低溫SCR 聯(lián)合脫硝系統(tǒng)是一種結(jié)合SNCR 技術(shù)、臭氧預(yù)氧化技術(shù)和低溫SCR 技術(shù)的脫硝方法。該脫硝工藝技術(shù)路線為：SNCR →臭氧氧化（180℃→150℃）→干法脫酸→布袋除塵器（150℃）→SGH（150℃→180℃）→SCR 反應(yīng)器（180℃）→引風(fēng)機。該系統(tǒng)主要由SNCR 反應(yīng)器、臭氧－氨水系統(tǒng)和低溫SCR 反應(yīng)器組成，其中SNCR 反應(yīng)器負責(zé)在爐膛上部的高溫區(qū)將NOx 還原為N2；臭氧輔助是利用臭氧強氧化性將NO 氧化成易溶于水的NO2、N2O3、N2O5等高價氮氧化物。同時，將煙氣中SO2氧化成高價SO3，將煙氣中零價Hg 氧化為Hg2+，可實現(xiàn)在堿性吸收洗滌塔中同時脫除NOx、SO2、Hg2+，達到同時脫硫脫硝脫汞的目的；最后經(jīng)低溫SCR 反應(yīng)器進一步處理剩余的NOx，將其還原為N2，最終實現(xiàn)更低的NOx 排放。臭氧氧化作為新興脫硝脫硫脫汞一體化處理工藝，與SNCR 和SCR 反應(yīng)器聯(lián)用，不僅可以減低低溫SCR 催化劑中毒風(fēng)險，而且能滿足更為嚴苛的氮氧化物排放標準。

3 SCR 脫硝工藝中低溫催化劑技術(shù)

3.1 中低溫催化劑特點及對比

對于垃圾焚燒行業(yè)，SCR 脫硝技術(shù)按照最佳反應(yīng)溫度一般分為中溫和低溫催化劑，反應(yīng)溫度分別是210±30℃和150～180℃。低溫催化劑技術(shù)在垃圾焚燒電廠的應(yīng)用，可以有效降低煙氣中的氮氧化物排放，達到高效低氮煙氣超低排放的要求，然而該技術(shù)的實施需要考慮催化劑。

催化劑為SCR 系統(tǒng)的關(guān)鍵材料，在垃圾焚燒、鋼鐵燒結(jié)采用的超低溫催化劑最多的就是錳基催化劑[3]。目前低溫脫硝SCR 技術(shù)在國內(nèi)采用的主要還是釩鈦基催化劑，以TiO2為載體，V2O5為活性物質(zhì)，但問題是當(dāng)催化劑長時間運行后會生成硫酸氫銨，發(fā)生催化劑堵塞失活的現(xiàn)象，如果在高溫下就不易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。

SCR 低溫催化劑蜂窩結(jié)構(gòu)一般為30孔或40孔，與常規(guī)SCR 催化劑比較（蜂窩結(jié)構(gòu)一般為18孔～24孔），比表面積更大，接觸反應(yīng)效率更高。目前，國內(nèi)大型垃圾焚燒發(fā)電項目大部分選擇進口催化劑，主要有日立造船、奧地利Ceram 和美國康寧等。根據(jù)筆者的工程咨詢經(jīng)驗，目前，國產(chǎn)催化劑在平均使用壽命、脫硝指標和使用可靠性方面與進口品牌仍有一定的差距。在同樣脫硝效率下，不同的設(shè)計煙氣溫度對催化劑用量影響較大，當(dāng)進口煙氣溫度180℃時，催化劑用量比進口煙氣溫度210℃的催化劑用量增加近40%。本文從一個具體的項目實例來看，中溫SCR 工藝與低溫SCR 工藝的造價差異，主要在于換熱設(shè)備的級數(shù)和加熱溫度的高低，以及催化劑用量和造價上；在中、低溫SCR 工藝中，對煙道的加熱所需要的水蒸氣消耗相當(dāng)，而在運行費用上的差別，則是為了克服系統(tǒng)的阻力而產(chǎn)生的電力消耗和置換催化劑的花費[4]。脫硝催化劑的使用壽命與煙氣中的溫度、水分、粉塵及SOx含量等相關(guān)，使用溫度越低，煙氣中的硫酸銨鹽、堿金屬等越容易沉積在催化劑上，導(dǎo)致其失效并縮短其使用時間。因此，雖然中溫催化脫硝工藝工程需要消耗更多的能源，但是中溫催化劑的費用要低于低溫催化劑，且其用量和使用的時長都大于低溫催化工藝，因此其造價和運營費用都低于低溫SCR 技術(shù)。

3.2 SCR 脫硝低溫催化劑技術(shù)展望

垃圾焚燒廠廢氣的煙氣溫度通常為150℃，而中溫甚至更低的催化材料，還必須設(shè)置加熱和換熱裝置，這就造成了大量的水蒸氣消耗，或是操作能耗很高，發(fā)電損耗和經(jīng)濟損耗依然很大，操作費用很高[5]。因此，要解決這一問題，關(guān)鍵是要把脫氮催化劑的反應(yīng)溫度降到150℃以下。而150℃的低溫脫氮工藝，則完全避免了加熱器和換熱器的損耗，使操作費用降到了最低。綜合考量，“SNCR+低溫脫氮（150～180℃）”工藝在提高 NOx 處理效果、降低運行成本和占用場地等諸多因素，將是未來垃圾焚燒工業(yè) NOx 處理技術(shù)的發(fā)展趨勢。

針對目前低溫SCR 脫硝催化劑存在的問題，以提升其催化活性及耐硫耐水性為目標，采用元素摻雜、改變催化劑載體等技術(shù)途徑，對其進行了深入研究。目前常用的催化劑類型包括釩鈦催化劑、鐵鉻催化劑、銅鉻催化劑等。釩鈦催化劑是應(yīng)用最為廣泛的一種，具有良好的脫硝效果和穩(wěn)定性，但也存在成本較高的問題。在低溫SCR 脫硝催化劑技術(shù)中最重要的就是催化劑的開發(fā)，催化劑需要具備高活性、良好的穩(wěn)定性和選擇性，能夠在低溫條件下高效催化氮氧化物轉(zhuǎn)化，同時抵抗煙氣中的干擾物質(zhì)，如有機物和硫。將 SCR 裝置置于溫度較低、粉塵較少的區(qū)域，不僅節(jié)能而且可以減少催化劑的損耗，但是由于硫酸氫銨鹽的生成會導(dǎo)致催化劑更容易中毒和失去活性。

當(dāng)前Mn 基、Ce 基等低溫復(fù)合催化劑已經(jīng)達到了高效脫硝和低氨逃逸的目標，并且正在迅速發(fā)展，接下來如何減少催化劑成本、保證催化劑長時間穩(wěn)定性是研究重點。

在垃圾焚燒電廠實現(xiàn)高效低氮煙氣超低排放的過程中，SNCR、SCR 脫硝技術(shù)、PNCR 及其聯(lián)合運用脫除等關(guān)鍵技術(shù)起著重要作用。另外本文提出SNCR+臭氧輔助低溫SCR 聯(lián)合脫硝工藝技術(shù)不僅能實現(xiàn)高效低氮排放，還為實現(xiàn)脫硝協(xié)同脫硫脫汞一體化去除和延長低溫SCR 催化劑使用周期提供了對應(yīng)解決思路。這些技術(shù)的應(yīng)用可以有效降低煙氣中的污染物排放濃度，保護環(huán)境和人類健康。