噴氨調整和濃水回噴對NOx脫除的應用研究

邵偉濤 賀 毅 張煥亨 徐愛杰

（廣州環投設計研究院有限公司 廣東廣州 510330）

引言

目前我國主要采用垃圾焚燒和垃圾填埋的方式來處理日常產生的生活垃圾，其中垃圾焚燒所占的比重在逐年增加，但是垃圾焚燒會產生 NOx、SOx、HCL、HF、重金屬、粉塵，二噁英等污染物[1]。針對NOx的脫除主要有SNCR和SCR脫硝技術，大多數垃圾焚燒發電廠都采用SNCR脫硝技術來脫除NOx，對于一些排放指標比較嚴格的地區也會采用SNCR+SCR聯合脫硝技術來脫除NOx。SNCR脫硝技術是在爐內850～1050℃溫度區間范圍內噴入氨水，以此與垃圾焚燒生成的NOx發生氧化還原反應達到裂解NOx的目的，脫硝效率一般情況下在30～50%之間，SCR脫硝技術需要借助催化劑，反應溫度控制在120～450℃之間，根據溫度的高低可以分為高溫，中溫和低溫SCR脫硝技術，脫硝效率一般能夠達到80%以上[2]。

由于垃圾組分不盡相同，垃圾中含有的C、H、O、N、S、灰分、揮發分，低位發熱量也不相同，因此進行焚燒時，生成NOx的原始濃度也存在一定的差別。除此之外，垃圾焚燒生成的原始NOx濃度還與負荷、燃燒氧量、爐溫等因素有關，因此不同燃燒工況下產生的原始NOx濃度也存在很大的不同，這對SNCR脫硝消耗的氨水用量也帶來較大的影響。

對SNCR脫硝技術而言，反應溫度是影響脫硝效率的最主要因素，如果反應溫度偏離了最佳溫度區域，將會極大的降低脫硝效率。同時，濃水回噴爐內燃燒，會對爐溫產生一定的影響，進而會對SNCR脫硝的反應溫度帶來一定的影響，進而會影響到脫硝效率。另外，為了追蹤SNCR反應的最佳溫度，垃圾焚燒電廠通常會設置3層噴槍，采用哪層噴槍噴射濃水，哪層噴槍噴射氨水，都會對爐膛溫度、脫硝效率產生影響。本文在一臺750t/d垃圾焚燒爐上進行SNCR噴氨方式和濃水回噴對垃圾焚燒發電廠NOx排放和物耗的試驗研究，另外，此垃圾焚燒發電廠采用SNCR+SCR聯合脫硝工藝，可以綜合對比采用SNCR+SCR聯合脫硝技術和單獨采用SNCR脫硝技術，以此為實現電廠的節能降耗提供參考。

1 脫硝效率影響因素分析

1.1 溫度

溫度是影響SNCR脫硝效率的最大影響因素，為了達到最佳脫硝效率，一般使NOx的還原反應設定在特定的溫度區間范圍內，試驗表明，反應溫度區間控制在850℃～1050℃可以達到理想的脫硝效率。當溫度低于此區間時，由于反應溫度較低，使得還原劑不能得到充分反應，并且反應速率比較緩慢，同時也會增加氨逃逸率[3]。當溫度高出此區間時，由于反應溫度過高，在爐內可能發生NH3的氧化反應，生成NOx，因此反應溫度對爐膛出口NOx的排放和氨水耗量有著重要的影響。

1.2 氨氮摩爾比

氨氮摩爾比NSR是影響NOx排放和脫硝效率的重要影響因素，根據NH3和NOx的反應公式來看，NSR的理論值為1，但由于不能達到100%的脫硝效率，因此NSR的實際設定值要大于1。NSR設置過高，雖然可以最大化的脫除NOx，但氨逃逸率也會隨之增大，同時也增加了氨水的耗量，NSR設置過小，又達不到理想的脫硝效果，因此根據不同的爐型、反應溫度，NSR存在一個最佳的控制范圍[4]。目前垃圾焚燒電廠普遍將氨逃逸率控制在5ppm以下或者甚至更低，結合電廠實際運行經驗，一般將NSR控制在1.0～1.6范圍內較好，最高不高于2。

1.3 停留時間

停留時間是指NH3和NOx在爐內發生反應的有效時間，在此時間內，完成NOx的裂解反應。停留時間是達到較高脫硝效率的保證，其受鍋爐煙道截面積和煙氣流速的影響，流速越高，煙道截面積越小，停留時間就越短，此時的脫硝效率也會降低。另外，停留時間也不易過長，這樣會容易在鍋爐尾部煙道產生積灰，因此設置合適的停留時間十分必要，試驗表明，SNCR的反應停留時間超過1.2S時，就可以達到理想的脫硝效率[5]。

1.4 混合程度

NH3與NOx在爐內反應區間的混合程度是影響SNCR脫硝效率的重要影響因素，混合的越充分，NH3對NOx的選擇性就越高，進而脫硝效率也就越高，由于NH3和NOx在爐內的停留時間較短，因此NH3與煙氣的混合必須要迅速。同時，高的射流動量與煙氣氣流的動量比，以及煙氣氣流的湍流程度對提高NH3和NOx的混合程度有較大的促進作用。

2 試驗工況設置及結果分析

2.1 試驗工況設置

試驗工況根據SNCR設置的3層噴槍進行展開設計，依次設計5組工況，具體工況設置如表1所示。其中工況1～4采用單獨投運SNCR的方式進行脫硝，而工況5采用SNCR+SCR聯合的方式進行脫硝。

表1 氨水和濃水回噴位置

2.2 試驗方法

試驗期間，確保試驗工況運行穩定，盡量焚燒組分、熱值相近的垃圾，按照試驗設定的位置，每小時向爐內噴射2t濃水，同時在DCS上將SCR出口的NOx排放濃度設定在110 mg/m3以內。試驗工況調整期間，按照穩定1小時，測試2小時的原則進行測試。然后通過DCS表盤依次記錄每個工況下NOx排放和氨水的消耗數據。

2.3 試驗結果分析

圖1 不同工況下的噸垃圾氨水耗量

垃圾在焚燒爐內進行燃燒并釋放出熱量，在爐排上部形成高溫區域，高溫煙氣與爐墻四周布置的水冷壁進行換熱，用以加熱給水，同時降低煙氣的溫度，因此，煙氣從爐膛中心流經下、中、上3層噴槍位置區域時的溫度亦是逐漸降低的。由圖1可知，工況1、工況2的噸垃圾氨水耗量最高，分別為5.16Kg/t和4.43Kg/t，工況3、工況4的噸垃圾氨水耗量相對較少，分別為3.12Kg/t、2.73Kg/t，而工況5的噸垃圾氨水耗量最少為1.7Kg/t。分析其原因是由于工況1、工況2采用上層噴槍噴射氨水，采用下層噴氨噴射濃水，濃水回噴會降低爐膛中心的溫度[6,7]，會對SNCR反應的脫硝效率產生負面影響，另外采用上層噴槍噴射氨水時，縮短了NOx和NH3在爐內的反應時間，進而降低脫硝效率，使得噸垃圾氨水耗量較高。工況3、工況4雖然采用下層噴槍噴射濃水，也會減低爐膛中心的溫度，但其是采用中層噴槍噴射氨水的，相比于工況1、工況2延長了NOx和NH3在爐內的反應時間，脫硝效率較高，進而消耗的氨水相對較少。而工況5采用的是上層噴射濃水，其對爐膛中心溫度的影響相對較少，進而對SNCR的最佳反應溫度也相對較少，同時采用中層噴槍噴射氨水，使得NOx和NH3在爐內的反應時間相對較長，因此脫硝效率相比于其它工況高，另外，工況5采用SNCR+SCR聯合脫硝的方式，因此噸垃圾氨水耗量最低。

3 SNCR+SCR協同脫硝

工況5相比于其它工況而言采用的是SNCR+SCR聯合脫硝技術，也即是垃圾焚燒產生的NOx首先經過爐內的SNCR進行一級脫硝，然后再經過煙氣處理系統尾端布置的低溫SCR進行二級脫硝，最后達標排放的煙氣由煙囪排入大氣。

表2 爐膛出口和SCR出口NOx排放量

表2所示的為工況5爐膛出口和SCR出口NOx的排放濃度，由表可知，爐膛出口的NOx濃度為143.06 mg/m3，SCR出口的NOx濃度為46.62 mg/m3，由此可知，要想僅僅依靠SNCR脫硝技術，來滿足NOx控制在110 mg/m3以內的要求時，需要消耗大量的氨水，就如同工況1～4所示，使得噸垃圾氨水耗量較高。而當采用SNCR+SCR聯合脫硝技術時，由于SCR可以承擔一部分NOx的去除，加上SCR脫硝效率較高，使得達到相同排放要求時，消耗的氨水耗量最低。

結語

（1）垃圾組分對爐膛出口NOx的排放濃度產生較大的影響，垃圾含氮量越高，產生的NOx就越多，進而消耗的氨水耗量也就越大。

（2）SNCR噴氨區域的反應溫度對脫硝效率產生的影響很大，如果偏離SNCR脫硝的最佳反應溫度，就會降低脫硝效率，增加噸垃圾氨水耗量。

（3）濃水回噴位置和SNCR噴氨位置對爐內溫度、脫硝效率產生較大的影響，試驗表明，采用中層噴射氨水、上層噴射濃水時，噸垃圾氨水耗量最低。

（4）采用SNCR+SCR聯合脫硝技術相比于單獨采用SNCR脫硝技術而言，脫硝效率更高，使得達到相同的排放要求下，噸垃圾氨水耗量較低。