某垃圾焚燒廠煙氣再循環(huán)脫硝改造應用研究

王 煒

（深圳市能源環(huán)保有限公司 廣東深圳 518000）

引言

國家從可持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā)，不斷嚴格限值排入大氣中的氮氧化物，“十二五”規(guī)劃要求十二五期間每年氮氧化物排放減少10%，國家標準《生活垃圾焚燒污染控制標準》（GB18485-2014）要求垃圾發(fā)電廠煙氣中的氮氧化物排放達到250 mg/Nm3（日均值）以下，一線城市更是要求垃圾發(fā)電廠煙氣中的氮氧化物排放達到80 mg/Nm3（日均值）以下。要達到以上要求，垃圾發(fā)電廠必須設置脫硝裝置。目前垃圾發(fā)電廠常用的脫硝技術有選擇性非催化還原法（SNCR）和選擇性催化還原法（SCR）兩種。采用此兩種方法會增加投資運行費用，若能減少NOx的生成，會減少后續(xù)脫硝系統(tǒng)的投資運行費用。

由NOx生成機理可知，燃燒條件對NOx的生成量有顯著的影響，所以在保證運行工況穩(wěn)定的前提下，合理控制燃燒過程可以有效減少NOx的生成總量[1][2]。煙氣再循環(huán)就是其中之一，將經(jīng)過余熱利用的低溫煙氣直接送入爐內或與二次風混合后送入爐內，這樣在降低燃燒溫度的同時，降低了氧濃度，可以抑制NOx的生成，因此研究煙氣再循環(huán)脫硝技術很有必要。

1 技術原理

氮氧化物包括NO、N2O、NO2、N2O5等，生活垃圾焚燒生成的氮氧化物主要是NO 和NO2，一般把這兩種物質稱為NOx，其中以NO 為主，約占90%。原生NOx濃度約400 mg/m3左右。

NOx可以分為三部分，由于燃料內部含有的氮成分在燃燒時生成的氮氧化物成為燃料型氮氧化物，由于送入空氣中的氮氣成分燃燒時生成的氮氧化物因生成機理不同又分為熱力型氮氧化物和快速型氮氧化物。

（1）熱力型NOx

熱力型NOx源于燃燒過程中空氣中的氮氣N2被氧化成NO，它主要產(chǎn)生于溫度高于1500℃的高溫區(qū)，其反應機理如下：分子氮比較穩(wěn)定，它被氧原子氧化為NO 的過程需要較大的活化能，整個反應的反應速度決定于式（1）的反應速度。

氧原子在反應中起活化鏈的作用，它來源于高溫下O2的分解。熱力型NOx的濃度隨溫度和氧濃度的增大而增加。熱力型NOx的生成速度比較慢，主要是在火焰帶下游的高溫區(qū)生成。

（2）快速型NOx

快速型NOx是碳氫類燃料在過量空氣系數(shù)小于1的富燃料條件下，在火焰內快速生成的NOx，其生成過程經(jīng)歷了空氣中的N2和碳氫類燃料分解的HCN、NH、N 等中間產(chǎn)物的一系列復雜的化學反應。快速型NOx的生成機理十分復雜，中間反應過程存在的時間十分短暫。

（3）燃料型NOx

燃料型NOx指燃料中的氮在燃燒過程中經(jīng)過一系列的氧化-還原反應而生成的NOx。它是生活垃圾焚燒過程中NOx的主要來源。生活垃圾燃燒過程中生成的HCN、NHi 與自由基O、OH、O2等的氧化反應以及焦炭N 的氧化反應生成燃料型NOx，同時生成的NO又與揮發(fā)分HCN、NHi 等發(fā)生還原反應生成N2，其中經(jīng)歷了很多個反應過程。

燃料型NOx約占生活垃圾焚燒產(chǎn)生的NOx總量的80%～90%，燃料型NOx的生成需要氧化性氛圍，所以在燃料燃燒時營造一個還原性的氛圍，可以抑制燃料型NO 的生成[3][4]。

煙氣再循環(huán)技術是指通過從省煤器出口或袋式除塵器出口抽取一部分煙氣送回至余熱鍋爐內，從而營造一個還原性的氛圍，抑制燃料型NOx的生成，降低的NOx的排放。

2 系統(tǒng)介紹

本項目選擇在某垃圾焚燒發(fā)電廠一條處理能力為300 噸/天的生產(chǎn)線上進行。

再循環(huán)煙氣一般從余熱鍋爐出口或袋式除塵器出口引出，從袋式除塵器出口引出，煙氣為潔凈煙氣，對再循環(huán)風機等設備影響較小，但管線距離長，煙氣溫度低，煙氣中含氧量高，對爐內NOx生成的影響相對較小，熱量利用率較低；從余熱鍋爐出口引出，煙氣溫度高、含氧量較低、管線短，對爐內NOx生成的影響相對較大，熱量利用率較高，但煙氣為原煙氣，含有顆粒物和較高的酸性污染物，對系統(tǒng)設備的長期穩(wěn)定影響較大。考慮到現(xiàn)場實際情況，以及從余熱鍋爐出口引出的優(yōu)點，本項目再循環(huán)煙氣從余熱鍋爐出口引出。

再循環(huán)煙氣需從二次風附近噴入爐內，由于現(xiàn)場二次風附近沒有位置設置此再循環(huán)回噴管道、集箱和噴嘴，本項目利用部分二次風管道，從二次風噴口噴入再循環(huán)煙氣，通過調節(jié)閥門調節(jié)進入爐內的二次風和再循環(huán)煙氣的比例。

煙氣再循環(huán)系統(tǒng)流程圖如圖1 所示。

圖1 再循環(huán)系統(tǒng)流程圖

3 試驗結果分析

試驗分為兩個階段，第一階段主要研究煙氣再循環(huán)對NOx排放的影響，第二階段主要研究在達到同樣NOx排放的情況下，直接成本比較。

3.1 第一階段

從2021 年4 月22 日10:24 至4 月28 日1:00 進行了第一階段試驗研究，分為4 個工況，如表1 所示。

表1

試驗中通過SIS 系統(tǒng)截圖顯示了各參數(shù)的曲線，如圖2～圖3 所示。

圖2 各工況下煙氣中NOx排放值

圖3 各工況下氨水噴入量

從試驗結果來看（圖2～圖3）：

工況1，在投入煙氣再循環(huán)時，NOx排放值明顯下降，從172.4mg/Nm3（試驗前24 小時NOx排放均值）降至87mg/Nm3（曲線均值，由SIS 系統(tǒng)自動計算獲得）。

工況2，再循環(huán)風的減少使NOx排放值有所上升，NOx排放值上升至99.7mg/Nm3（曲線均值，由SIS 系統(tǒng)自動計算獲得），說明再循環(huán)風量對NOx排放有影響。

工況3，SNCR 氨水噴入量從20L/h 減少至10L/h，NOx排放值明顯上升，NOx排放值上升至128.3mg/Nm3（曲線均值，由SIS 系統(tǒng)自動計算獲得），主要是由于SNCR 脫硝效率的減小引起。

工況4，關閉SNCR 氨水噴入量，僅依靠煙氣再循環(huán)，NOx排放值為169mg/Nm3（曲線均值，由SIS 系統(tǒng)自動計算獲得），與無煙氣再循環(huán)，SNCR 氨水噴入量為20L/h 時的數(shù)據(jù)接近。

3.2 第二階段

從2021 年7 月6 日至7 月14 日又進行了試驗研究，主要研究在120mg/Nm3的前提下，有無煙氣再循環(huán)系統(tǒng)時運行成本的比較。選取煙氣再循環(huán)投入前后連續(xù)6 天的數(shù)據(jù)。試驗數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 #2爐投入煙氣再循環(huán)前后氨水用量及氮氧化物指標對比

煙氣再循環(huán)投入運行前，每天消耗氨水用量約1噸，控制NOx排放在101.7mg/Nm3；煙氣再循環(huán)投入運行后，每天消耗氨水用量約0.58 噸，控制NOx排放在103.8mg/Nm3。

按氨水900 元/噸，電費0.395 元/度（標桿電價）進行測算。

投入煙氣再循環(huán)系統(tǒng)前，氨水消耗費用：1.0×900=900 元。

投入煙氣再循環(huán)系統(tǒng)后，再循環(huán)風機電費（風機功率55KW）：55×24×0.85×0.395=443.19 元，氨水消耗費用：0.58×900=522 元，總計：965.19 元。

以上費用未考慮投入煙氣再循環(huán)系統(tǒng)后煙氣量減少節(jié)省的引風機耗電量，以及運行維護所需要增加的費用。

結語

采用煙氣再循環(huán)可明顯降低NOx排放值，結合SNCR 可將NOx排放值控制在120mg/Nm3以下。能否長期連續(xù)穩(wěn)定的達到此數(shù)值，需要更精細的運行控制以及長時間的運行驗證。

采用煙氣再循環(huán)的運行成本與未采用相比如何，還需要全面考慮成本因素并長時間運行再進一步測算確定。

由于空間位置不夠，煙氣再循環(huán)管道利用了二次風部分管道，對二次風系統(tǒng)設備及調節(jié)產(chǎn)生了不利影響，建議以后應采用獨立的煙氣再循環(huán)系統(tǒng)。