【技術匯】生活垃圾焚燒煙氣脫硝工藝選擇及案例分析
【摘 要】
做好生活垃圾焚燒過程中的煙氣脫硝工作，不僅能夠避免空氣、土壤污染等問題的發(fā)生，同時還能提高垃圾的資源化利用效果。結合廣東省梅州市豐順縣五斗種城市生活垃圾衛(wèi)生焚燒場煙氣脫硝案例，對煙氣處理系統(tǒng)以及凈化工藝進行研究。
【關鍵詞】垃圾焚燒；煙氣脫硝工藝；酸性氣體
0 引 言
做好垃圾處理工作對于改善城市環(huán)境質(zhì)量，對提升城市居民的生活品質(zhì)有著重要的作用。煙氣脫硝環(huán)節(jié)有著一定的復雜性、系統(tǒng)性，當前要加強對煙氣凈化系統(tǒng)的研究與應用，借助脫酸系統(tǒng)、布袋除塵器系統(tǒng)以及相關的噴射裝置、噴水系統(tǒng)、電氣自控系統(tǒng)，提高煙氣脫硝效果，改善城市形象。
1 煙氣脫硝工藝簡介及對比
目前進入工業(yè)應用的成熟的熱力電廠煙氣脫硝技術主要包括 SCR、SNCR 和 SNCR/SCR 聯(lián)用技術。
1.1 SNCR 脫硝技術
SNCR 是一種選擇性的非催化還原脫硝技術，即在爐溫850~1100 ℃的區(qū)域內(nèi)注入 NH3、尿素和其他還原劑，還原劑迅速熱分解為 NH3和 NOx并與煙氣中的 NOx進行選擇反應。NOx還原為 N2和 H2O，該方法基于爐子或爐子反應器，該過程簡單易操作。反應原理：
還原 NO 所依賴的化學反應效率取決于 NO 煙氣溫度，高溫下的停留時間，包括還原劑注入的類型和數(shù)量，混合效率和氨化合物中 NOx的含量等。SNCR 方法使用尿素、CO（NH2）2作為還原劑。它將尿素水溶液注入負載有 NOx的燃燒產(chǎn)物的路徑中。尿素熱分解產(chǎn)生化學物質(zhì)，該化學物質(zhì)與 NOx反應形成氮、二氧化碳和水。
1.2 SCR 煙氣脫硝技術
SCR 反應堆應采用鋼結構，鋼結構設計應符合 GB 50017的要求；SCR 反應器的總體結構設計應充分考慮第一催化劑入口煙氣流量偏差，煙氣流量偏差，煙氣溫度偏差和 NH3/NOx摩爾比偏差的影響，應符合 GB/T 21509—2008 規(guī)定。SCR 反應器的設計流量應滿足壓降要求，一般在 5—10 m/s 之間；SCR 反應器應能適應生物質(zhì)電廠鍋爐的各種運行條件以及負荷變化和啟停要求；SCR 反應器主體可以支撐或懸掛。采用支撐方式時，應充分考慮 SCR 反應器內(nèi)部結構的溫差應力和支架熱膨脹引起的承重鋼框架的水平推力。
SCR 反應器的進、出口應設有補償器，以吸收自身的軸向位移、徑向位移、角位移和振動；SCR 反應器中的催化劑一般裝有一層或兩層初始催化劑，可以保留備用催化劑層；SCR 反應器應設有足夠尺寸和數(shù)量的檢修門，并設有必要的煙氣采樣口；SCR 反應器應配備催化劑裝置的安裝、維護和更換所必需的升降裝置和平臺。
1.3 SNCR/SCR 聯(lián)用技術
SNCR/SCR 組合技術是指在煙氣工藝中安裝 SNCR 和 SCR設備。在 SNCR 部分注入液氨等作為還原劑，以部分去除 SNCR裝置中的 NOx；在 SCR 段中，通過 SNCR 工藝逸出的氨氣在SCR 催化劑 H2O 的作用下將煙道氣中的 NOx還原為 N2。SNCR/SCR 組合工藝系統(tǒng)很復雜，脫硝效率通常僅為 50％~70％。
1.4 煙氣脫硝技術
對比三種煙氣脫硝技術的綜合比較見表 1。SCR 減少 NOx的優(yōu)勢：適用于大規(guī)模減少 NOx-高達 90％；提高柴油發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性；可用于包括工業(yè)和市政工廠在內(nèi)的各種系統(tǒng)中；可以與柴油機微粒過濾器（DPF）一起使用，以減少柴油機中的微粒排放；該設置易于安裝。SCR 減少NOx的缺點：未注入的氨可能由于過量注入而漏出 SCR 催化劑（氨漏出）；還原所需的催化劑更換昂貴；催化劑容易被燃燒氣體中的化合物污染。
表1煙氣脫硝技術比較
SNCR 減少 NOx的優(yōu)勢：該設置易于安裝；與 SCR 相比，資本和運營成本相對較低；節(jié)省昂貴的催化劑更換費用；大型鍋爐機組中的組件改裝相對容易，停機時間很少。
SNCR 減少 NOx的缺點：需要狹窄的溫度范圍才能有效減少 NOx；不適合大規(guī)模減少 NOx；由于安裝組件的空間考慮，很難在較小的鍋爐單元中改裝組件；容易發(fā)生氨泄漏，導致意外的 NOx排放。
成本：與簡單減少 NOx的方法（例如低 NOx燃燒器（LNB）和 Overfire 空氣（OFA））相比，SCR 和 SNCR 技術都具有相對較高的運營和資本成本，但它們的效率受到高度青睞。由于催化劑規(guī)格的原因，SCR 比 SNCR 貴，但在效率方面可以彌補。效率：SCR 和 SNCR 技術都需要使用試劑來還原 NOx。但是，SNCR 在注入試劑時需要更高的煙氣溫度。SCR 污染控制所去除的 NOx量（約 90％）比 SNCR（30%~70％）要大得多，使其成為大規(guī)模減少工業(yè)和市政工廠的最佳選擇。符合排放控制法規(guī)：雖然減少 SCRNOx的初始投資要比 SNCR 大，但從長期來看，它更具成本效益，并且與未來預計的更大程度的減排相兼容。SNCR 是小規(guī)模，短期減少 NOx的理想選擇，并且可能無法確保符合未來法規(guī)。
隨著中國環(huán)境保護的努力，越來越多的電廠安裝了脫硝裝置。目前，國內(nèi)主流脫硝技術包括選擇性催化還原（SCR），選擇性非催化還原（SNCR）和 SNCR/SCR 混合脫硝技術等。每種技術在諸多因素的影響下各有優(yōu)缺點。作為經(jīng)濟、技術、環(huán)境保護，有些因素是定性的，有些是定量的，因此，如何科學合理地評價脫硝技術一直是一個難題。但是在中國，科學地優(yōu)化脫硝技術不僅有利于脫硝裝置的推廣，而且在制定脫硝價格方面起著重要作用。合理的脫硝技術優(yōu)化對脫硝價格的制定和電力工程建設起著至關重要的作用。對比表明，脫硝技術優(yōu)化組合具有實用價值。結果表明，選擇性催化還原（SCR）方法優(yōu)于 SNCR/SCR 混合脫硝方法，而 SNCR/SCR 混合脫硝方法優(yōu)于選擇性非催化還原（SNCR）方法。這符合當今脫硝技術的實際應用。
2 案例分析
位于廣東省梅州市豐順縣五斗種的資源熱力電廠項目，其設計規(guī)模為生活垃圾日處理量 600 t，配置了 2 臺 300 t/d 的機械爐排焚燒爐，同時還配置了 1 臺 15 MW 汽輪發(fā)電機組。本項目采用現(xiàn)行國家推薦的最常用于生活垃圾焚燒煙氣處理工藝，焚燒后產(chǎn)生的煙氣，經(jīng)“SNCR 系統(tǒng)＋半干法＋活性炭吸附＋布袋除塵”組合方案加以處理，并在系統(tǒng)內(nèi)預留加氨分解脫除 NOx的措施。煙氣在達到《生活垃圾焚燒處理污染控制標準》（GB 18485—2014）及環(huán)評報告批復的標準要求后，經(jīng)煙囪排放。
3 案例脫硝工藝研究
項目在進行煙氣凈化系統(tǒng)的設計與建設中，主要使用的是 SNCR 系統(tǒng)煙氣脫硝技術。SNCR 法不需要催化劑，在高溫800~1000 ℃條件下，直接向爐膛內(nèi)噴射還原劑 （尿素或氨水），將 NOx還原為 N2。目前國內(nèi)垃圾焚燒電廠已有成功運行的實例，均能將 NOx 的濃度控制在 200 mg/Nm3以內(nèi)。
氨水作為還原劑脫硝的反應機理如下：
尿素作為還原劑脫硝的反應機理如下：
尿素作為還原劑同時會發(fā)生如下副反應：
尿素與氨水相比，作為脫硝還原劑主要存在以下不足：尿素會產(chǎn)生笑氣 N2O，N2O 的溫室氣體效應是 CO2的 250 倍；尿素會形成異氰酸，對鍋爐管道有強烈腐蝕；尿素易于在管道和儲罐中沉淀，設備管道的維護成本將會增加；當尿素用作還原劑時，氨的逸出率相對較高。使用尿素不能達到非常低的 NOx排放值；尿素在處理不穩(wěn)定的煙氣條件方面不如氨有效；它比氨水高，特別是對于燃燒熱值低的廢熱鍋爐（例如垃圾焚燒鍋爐），很難滿足尿素所需的最佳溫度。
雖然氨水的缺點是貯存時有氣味泄露，防火防爆要求高，但綜合考慮脫硝的效率及對鍋爐的安全性，本方案采用氨水作為 SNCR 還原劑。
反應物通過安裝在鍋爐墻上的噴嘴注入的，噴嘴布置在合適的區(qū)域的，爐膛上部及對流部分。噴射混合反應物和煙氣，鍋爐的熱量為化學反應提供能量。
4 結束語
采用“SNCR 系統(tǒng)＋半干法＋活性炭吸附＋布袋除塵”聯(lián)合脫硝工藝，組合工藝不僅可以利用 SNCR 工藝和 SCR 工藝，而且可以避免各自的缺點，提高脫硝效率，滿足要求。
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