焚燒煙氣的氮氧化物污染控制技術

趙鳳，武志飛，陳嘉樹

（北京京城環保股份有限公司，北京 100027）

固體廢物焚燒會生成大量的污染氣體，氮氧化物（NOx）就是重要的污染成分之一。根據《危險廢物焚燒污染控制標準》（GB 18484—2020）[1]和《生活垃圾焚燒污染控制標準》 （GB 18485—2014）[2]中的要求，危險廢物、生活垃圾和干化污泥焚燒設施煙氣中NOx排放濃度限值為300 mg/m3（1 小時均值）和250mg/m3（24 小時均值）。由于各地區環評及地方政策的影響，新建項目往往需要執行更為嚴格的地方排放標準，如深圳市的《生活垃圾處理設施運營規范》 （SZDB/Z 233—2017）[3]要求焚燒設施排放煙氣中NOx小時均值與日均值均需在80mg/m3以下。為了使焚燒尾氣達標排放，需控制NOx生成量，同時在尾氣處理工藝中配置脫硝系統。

我國脫硝市場龐大，脫硝作為傳統技術在燃煤發電、生活垃圾、危險廢物以及污泥焚燒領域均有廣泛應用。隨著環保政策的日趨嚴格，NOx污染控制技術不斷取得新發展。

1 NOx 種類及生成

大氣中NOx通常包括N2O、NO、N2O3、NO2、N2O4和N2O5，工業廢氣中的NOx主要是指NO 和NO2。從燃燒系統中排出的NOx90%—95%以NO 的形式存在，其余主要為NO2。NO 不穩定，可以分解為N2和O2，也可以進一步氧化為NO2，但由于NO分解需要較高活化能，反應速率緩慢，故NO 經過煙囪排放后，在大氣環境中會被氧化為NO2，因此工程中通常按照NO2估算NOx量。燃燒過程中，NOx的形成主要分為三類，分別是燃料型NOx、熱力型NOx和瞬時NOx，三種NOx的生成比較見表1。

表1 燃燒過程中三種NOx 的生成比較

實際燃燒過程中NOx的生成包含了許多其他反應，但以表1 中NO 生成反應為主，其他因素會影響NO 的生成量。燃燒過程中，三種NOx里瞬時NO 的生成量最少，而且目前沒有任何簡化模型可預測其生成量，故通常忽略計算。燃料中的氮氧化成NO 的過程是一個低活化能反應，轉化率高、反應快速，而且受溫度影響較小，生成量穩定可估算。熱力型NO 的生成量受溫度影響很大，在溫度低于1000K 時，幾乎沒有NO 生成（或生成后轉化為NO2），在1000K 以上，熱力型NO 生成量迅速攀升并遠超燃料型NO[4]，為控制這部分NO，燃燒過程的溫度和時間至關重要。

2 低氮燃燒技術

控制NOx的排放技術主要分為兩類，即源頭生成控制和尾氣脫硝處理。低氮燃燒技術屬于源頭生成控制，主要針對物料焚燒過程中燃料型和熱力型NOx，其主要的控制參數包括燃燒溫度、火焰區煙氣停留時間、煙氣各組分濃度及混合程度[5]。控制技術包括：

（1）低氧燃燒技術。降低燃燒的空氣過量系數，避免物料在富氧環境中燃燒，可以降低NO 的生成，同時可以降低焚燒爐的熱損失，提高焚燒效率。

（2）煙氣循環燃燒技術。采用煙氣再循環措施，將燃燒后冷卻的部分煙氣再循環至燃燒區，降低燃燒區溫度并稀釋助燃空氣中的氧氣濃度，起到減少NO生成量的效果。

（3）分區段燃燒技術。該技術可應用于焚燒爐或燃燒器的設計，物料先在一個低氧區段進行燃燒，此時助燃空氣略低于焚燒理論空氣量，再在該區段外圍供入過剩空氣，形成二次焚燒區，將燃料燃盡，可同時降低燃料型和熱力型NOx的生成。

（4）空氣/燃料分級技術。將空氣和輔助燃料分級送入焚燒爐，使爐內一次火焰區下游形成低氧還原區，燃燒產物通過此區時，部分NOx會被還原成N2。

工程實踐中，往往是幾種低氮技術的組合，比如污泥干化焚燒處理采用流化床焚燒爐，爐膛溫度維持在熱力型NOx合成溫度以下，再配合低氮燃燒器，從而保證整個焚燒系統的低NOx生成量。

3 煙氣脫硝技術

對于焚燒煙氣中的NOx，通常采用選擇性非催化還原反應（SNCR）和選擇性催化還原反應（SCR）兩種凈化技術，堿液化學吸收和吸附劑物理吸附雖然也能夠去除該類污染物[6]，但存在效率低、工藝繁復、投資成本高、設備龐大等問題，工程應用并不常見。

3.1 SNCR 脫硝

SNCR 為無催化劑參與NOx的還原反應，過程是以尿素或氨基化合物作為還原劑將NO 還原為N2，反應通常以爐膛或者靠近爐膛出口的煙道為反應空間。SNCR 脫硝主要的化學反應為：4NH3+6NO 5N2+6H2O。

SNCR 系統對于反應溫度十分敏感，需要謹慎設計選擇還原劑在焚燒爐、鍋爐或煙道的噴入點。反應溫度需維持在850℃—1050℃，如果溫度過低，將造成NO 還原效率的下降，同時未參與反應的氨會成為煙氣中新的污染組分；如果溫度過高，則氨的氧化反應將占主導。主要化學反應為：4NH3+5O24NO+6H2O，4NH3+3O24N2+6H2O。

SNCR 脫硝系統簡單、投資小、建設快、對現有工藝布局影響小、節省空間，但根據工程實踐，SNCR 對NO 的還原率較低，通常在30%—60%（更高的效率需要消耗更多的還原劑），具體反應效率取決于煙氣溫度、停留時間、還原劑類型和過量系數、混合效率以及NOx的含量等。SNCR 脫硝系統通常包含脫硝劑儲存輸送系統、爐前計量噴射系統和監測控制系統。以3000Nm3/h 煙氣量（溫度1100℃、NOx含量500mg/Nm3）焚燒煙氣脫硝處理工藝為例，尿素法SNCR 系統所含功能模塊見表2。

表2 某項目SNCR 系統組成及功能

3.2 SCR 脫硝

SCR 為有催化劑參與NOx的還原反應，整個過程是以尿素或氨水或液氨作還原劑，在含有催化劑的反應器內NOx被還原成N2和H2O。氨法SCR 與尿素法SCR 的區別在于，后者需要配置分解室并保證尿素分解所需的混合時間、駐留時間和溫度。催化劑的活性材料通常由貴金屬、堿金屬氧化物和沸石等組成。催化反應活性受溫度影響，而且不同組分的催化劑要求的反應溫度也不同，通常最佳溫度為180℃—400℃。提高溫度能夠促進NOx的催化還原，并完成催化劑再生，但長期溫度過高，會破碎催化劑內部微結構，而且氧化反應會變得活躍，從而導致NOx轉化率的下降。

NOx選擇性還原反應：4NH3+4NO+O24N2+6H2O， 8NH3+6NO27N2+12H2O

氨的潛在氧化反應：4NH3+5O24NO+6H2O，4NH3+3O24N2+6H2O

根據工程實踐，SCR 系統對NOx的催化還原率為60%—90%，甚至更高，保持催化劑活性和避免氨逃逸是SCR 工藝設計和操作中的關鍵因素。為了延長催化劑使用壽命，工藝上需降低煙氣中的粉塵含量，同時盡可能避免SCR 系統內的氨逃逸問題。逃逸的氨會造成脫硝效率下降，且會與煙氣中的硫氧化物反應生成硫酸銨，硫酸銨微粒附著在催化反應器及下游設備內會造成催化劑活性降低和設備腐蝕，活性降低的催化劑又會進一步導致SCR 系統的氨逃逸現象。事實上，對于新的催化劑，氨逃逸量很低，但隨著催化劑失活或者表面被飛灰附著，氨逃逸量就會增加，為了維持工藝所需的NOx脫除率，就必須增加反應器中NH3/NOx摩爾比。催化劑在SCR 系統的投資費用中占比較大，通常為了保持較高的反應活性，催化劑使用壽命不超過5 年。

SCR 脫硝系統包括還原劑存儲、計量分配系統、噴射系統、反應器系統、煙氣系統、檢測控制系統等。以20 000Nm3/h 煙氣量（溫度40℃、NOx含量300mg/Nm3）焚燒煙氣脫硝處理工藝為例，氨法SCR系統所含的功能模塊見表3。

表3 某項目SCR 系統組成及功能

3.3 SNCR 與SCR 的對比

SNCR 脫硝與SCR 脫硝工藝的對比情況見表4。

表4 SNCR 脫硝與SCR 脫硝對比

由于SNCR 的建設和運行成本較低，通常在低NOx含量的煙氣脫硝工藝中優先考慮SNCR 工藝，在高NOx含量的煙氣脫硝工藝中采用“SNCR+SCR”的組合工藝。

4 結語

NOx污染控制主要依靠源頭生成控制和尾氣脫硝處理，前者以低氮燃燒技術為代表，主要控制其中的熱力型NOx和燃料型NOx，后者以SCR 和SNCR 為代表。SNCR 建設成本低、脫硝效率低，SCR 投資運行成本高、脫硝效率高，我國煙氣脫硝市場龐大，通常低NOx含量煙氣采用SNCR 工藝，高NOx含量煙氣采用“SNCR+SCR”組合工藝。