垃圾焚燒電廠SNCR系統氨逃逸影響因素分析

楊 彥， 孔昭健

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

0 引言

生活垃圾焚燒發電具有占地面積小、垃圾減量化明顯，且可以回收一定量的能源等特點，因而近年來得到了較快的發展，并逐漸成為我國生活垃圾處理的主流技術之一。根據國家統計局提供的數據，截止2017年，我國共有垃圾焚燒廠近286座，日處理垃圾29.8萬t，占生活垃圾無害化處理量的1/3。

為解決生活垃圾焚燒煙氣帶來的二次污染，垃圾焚燒發電廠常設置煙氣凈化系統，采用“煙氣脫硝+半干法(干法)脫酸+活性炭吸附+布袋除塵”工藝，以滿足《GB18485—2014生活垃圾焚燒污染控制標準》煙氣污染物排放限值的要求。目前，常見的生活垃圾焚燒煙氣脫硝技術可采用低氮燃燒、SNCR、低溫SCR或者SNCR+SCR技術等，根據目前國內垃圾焚燒發電廠的運行經驗，在煙氣脫硝系統穩定運行的情況下，上述工藝均可以保證垃圾焚燒發電廠的NOx達標排放。

1 垃圾焚燒NOx排放控制技術綜述

1.1 垃圾焚燒NOx產生機理

燃料燃燒產生NOx的方式分為熱力型、燃料型和瞬時型三種類型[1]。熱力型NOx主要是在1 300 ℃以上的高溫條件下，爐膛過量氧氣和氮氣反應生產NOx。瞬時型NOx同樣是在高溫條件下，燃料中碳氫化合物的分解產生自由基，促使燃燒空氣中氧氣與氮氣反應生產NOx。生活垃圾焚燒多采用機械爐排爐，爐膛溫度通常控制在850～1 000 ℃范圍。因此，熱力型和瞬時型NOx產生量較少。燃料型NOx則是垃圾焚燒NOx的產生主體，占比90%以上[2]。燃料型NOx是由燃料中氮元素與助燃空氣中的氧氣反應形成。因此，NOx的產生量與垃圾性質和助燃空氣量關系密切。

1.2 常見的NOx控制技術

生活垃圾焚燒NOx的產生濃度通常在450～600 mg/Nm3，為滿足《GB 18485—2014生活垃圾焚燒污染控制標準》的要求，我國垃圾焚燒項目均安裝了脫硝設施來控制NOx排放。目前，垃圾焚燒項目主要的NOx控制技術是低氮燃燒控制和SNCR、SCR兩種末端控制方式。

低氮燃燒控制技術旨在控制燃燒過程中的過剩空氣和燃燒溫度，該與焚燒爐的爐型關系密切。低過剩空氣系數燃燒法或者兩段燃燒法可以有效減少燃燒過程中剩余的氧含量，從而降低NOx的產生；通過噴水或煙氣再循環技術可以有效降低燃燒溫度，從而降低NOx的產生。上述技術可以結合爐排爐、流化床鍋爐的選型應用[3-6]。然而，NOx僅為垃圾焚燒需要控制的一種大氣污染物。垃圾焚燒還需控制酸性氣體、重金屬和二噁英，較高的溫度和足夠的氧含量是控制二噁英排放的有效方式。因此，通過低氮燃燒技術來控制NOx的應用受到了較大的限制。

SNCR、SCR兩種末端控制方式，均是利用還原劑(NH3)與燃燒過程中產生的NOx反應來控制NOx的排放，區別在于是否采用催化劑來降低反應溫度。由于垃圾焚燒工藝煙氣凈化布袋除塵器出口煙溫通常在150 ℃左右，不能滿足SCR的反應溫度，需要對煙氣進行預熱、重新選擇催化劑的安裝位置或者開發低溫催化劑，因此應用受到了一定的限制。而SNCR技術可以直接向爐膛投加還原劑，技術成熟運行經濟，雖然脫硝效率不高，但也可以保證達標排放，因此現階段SNCR技術應用最為廣泛。

1.3 SNCR脫硝效率的影響因素

SNCR脫硝技術的反應主要原理如下，由此可見，通過增加NH3的投加量，可以促使脫硝反應向生成氮氣的方向進行，從而保證脫硝效率。曹慶喜[7]等的研究表明，最佳反應溫度為925 ℃，氨氮摩爾比為1.5時，脫硝效率為60%。

NH3+NO→N2+H2O+H

(1)

NH3+O2→NO+H2O+H

(2)

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

(3)

然而隨著NH3投加量的增大，未參加反應的剩余NH3一方面或被氧化重新生成NOx，對脫硝效率提高不大。另一方面，未反應的氨將會隨著煙氣排放到環境中，導致氨逃逸的發生。

2 氨逃逸影響因素試驗

如前所述，為提高SNCR的脫硝效率，應適當的增加NH3的投加量。由于SNCR工藝所限，脫硝反應不能完全進行，必然存在一定量的NH3逃逸現象。本文將通過試驗對氨逃逸的影響因素進行分析討論。

確定試驗條件如下：①確保入爐垃圾發酵時長接近，并通過抓斗進行有效的攪拌和混合，使入爐垃圾的熱值和性質較為接近。②還原劑尿素(40%)輸送泵流量設定為40 kg/h，通過除鹽水計量稀釋，使噴嘴處尿素溶液濃度維持在5%，保障還原劑投入量不發生變化；③維持出口煙氣中氧含量在6%～7%之間。

試驗過程中焚燒爐燃燒穩定，負荷控制在80%，主要煙氣參數和污染物濃度情況如表1所示。

2.1 燃燒溫度對氨逃逸的影響

通過調整焚燒爐的負荷來調整爐內溫度。負荷調節的同時記錄噴槍處溫度。考慮煙氣流速和噴槍至CEMS之間的距離，延遲150 s記錄煙氣排放口NOx和NH3的濃度。試驗結果如圖1所示。

表1 試驗煙氣條件

備注：Pb等指銻、砷、鉛、鉻、鈷、銅、錳、鎳及其化合物；ND表示未檢出；%指體積分數。

圖1 氨逃逸與燃燒溫度的關系圖

由圖1可見，在還原劑投加量和過剩氧量穩定的情況下，NOx的排放濃度隨焚燒溫度出現先降低后升高的趨勢，濃度范圍79.4～235 mg/Nm3。NOx排放濃度的最低點出現在焚燒溫度881 ℃，排放濃度79.4 mg/Nm3。

NH3逃逸隨著焚燒溫度的升高逐漸降低，當焚燒溫度在850～870 ℃之間時，NH3逃逸濃度超過10 mg/Nm3，當焚燒溫度超過1 050 ℃時，NH3逃逸濃度趨于0 mg/Nm3。

可能的原因是，隨著焚燒溫度的升高，更有利于NOx的生成，反應(2)向NH3分解成NOx的方向發展。本試驗可以初步判斷，脫硝反應的最佳溫度反應窗口在950～980 ℃范圍。

2.2 過剩空氣對氨逃逸的影響

維持上述試驗條件①和②穩定，通過對焚燒爐一次風機和二次風機變頻裝置的調節來調整焚燒爐內氧氣濃度，記錄煙氣排放口處的氧氣濃度、NOx和NH3的濃度。試驗結果如圖2所示。

圖2 氨逃逸與出口煙氣氧含量的關系圖

由圖2可見，在還原劑投加量穩定的情況下，NOx的排放濃度隨過剩空氣的增加而升高，濃度范圍161～205 mg/Nm3。NOx排放濃度的最低點出現在煙氣含氧量6%，排放濃度161 mg/Nm3。NH3逃逸隨著含氧量的升高逐漸降低，當含氧量高于10%時，NH3逃逸濃度趨于0 mg/Nm3。

可能的原因是，隨著氧氣含量的升高，更有利于NOx的生成，反應(2)向NH3分解成NOx的方向發展。本試驗可以初步判斷，脫硝反應的理想的過剩氧量在7%左右。

2.3 還原劑投加量對氨逃逸的影響

維持上述試驗條件①和③穩定，通過調整還原劑尿素溶液輸送泵和除鹽水計量泵的流量，維持入爐尿素溶液濃度在5%，動態調節入爐尿素溶液的流量。試驗結果如圖3所示。

圖3 氨逃逸與尿素投加量的關系圖

由圖3可見，在過剩空氣量較穩定的情況下，NOx的排放濃度隨還原劑投加量的增加先降低后升高，濃度范圍132～288 mg/Nm3。NOx排放濃度的最低點出現在尿素投加量18 kg/h，排放濃度161 mg/Nm3，此時NOx的產生濃度在500 mg/Nm3，此時氨氮比約為1.5左右。

NH3逃逸隨著尿素的投加量升高逐漸升高，當尿素投加量為32 kg/h(氨氮比為2)時，NH3逃逸濃度達到14.31 mg/Nm3。

可能的原因是，隨著還原劑尿素投加量的增加，反應(1)向生成N2的方向發展，剩余未參與反應的NH3量逐漸增多。本試驗可以初步判斷，脫硝反應的理想的氨氮比在1.5左右。

3 結論與建議

本文綜述了目前垃圾焚燒項目常用的NOx控制技術，對現階段應用最廣泛的SNCR技術帶來的氨逃逸問題進行了試驗研究，主要結論和建議如下：

(1)SNCR為保證脫硝效率，還原劑的量通常會有一定量的過剩，從而會帶來一定氨逃逸問題。

(2)隨著焚燒溫度的升高，更有利于NOx的生成，同時也有利于還原劑NH3的分解，生成NOx，從而降低氨的逃逸。根據試驗結果可以初步判斷，脫硝反應的最佳溫度反應窗口在950～980 ℃范圍。

(3)隨著氧氣含量的升高，更有利于NOx的生成，同時也有利于NH3分解成NOx，根據試驗結果可以初步判斷，脫硝反應理想的過剩氧量在7%左右。

(4)隨著還原劑投加量的增加，有利于NOx的還原，生成N2；同時也增加了未參與反應的NH3的量。根據試驗結果，脫硝反應理想的氨氮比在1.5左右。

(5)實際運行中，焚燒溫度和含氧量的確定還需綜合考慮焚燒效率和煙氣中酸性氣體、二噁英的去除。

(6)在過剩空氣與氨逃逸影響的試驗中，為了保持燃燒穩定，焚燒溫度出現了一定范圍的波動，對試驗結果可能存在一定的影響。