改良SNCR用于醫療廢物焚燒煙氣高效脫硝的技術研究

文_夏小龍 江理明

1 廣東生活環境無害化處理中心有限公司 2 浙江環耀環境建設有限公司

隨著國家對空氣質量標準的不斷提高，醫療廢物焚燒產生氮氧化物（NOx）排放限值越來越嚴。為確保所配套的醫療廢物熱解氣化焚燒處理系統能同時滿足氮氧化物總量控制和焚燒處置能力達到設計值，我們研究了多因素控制的選擇性非催化還原煙氣脫硝工藝技術。在該工藝中，通過多點高溫檢測技術，準確測出爐膛內整個溫度場真實溫度，同時采用二級多點控溫工藝路線，根據不同區域溫度布置噴槍和噴入量，實現精細化控制，保證尿素噴入量和氨逃逸受控，最大可能地提高煙氣脫硝效率，最終實現了醫療廢物焚燒煙氣中NOx的超低排放。通過試驗與調試，獲得改良SNCR的最佳技術參數，該改良工藝技術研究對于如何改進SNCR技術并用于醫療廢物焚燒煙氣中NOx的超低排放，具有重要的實際參考和推廣應用價值。

1 降低氮氧化物排放濃度的工藝機理

在醫療廢物焚燒煙氣中，控制NOx排放濃度的途徑有兩種：燃燒抑制NOx措施和燃燒后脫硝措施。燃燒抑制NOx措施是通過抑制NOx的生成，即通過均勻燃燒、控制過氧系數和控制焚燒溫度以抑制燃燒所產生的NOx量。

燃燒后脫硝的措施包括SNCR和SCR等技術。其中，由于SCR脫硝的有效反應溫度區間與二噁英合成的溫度區間重疊，因此采用SCR脫硝會與急冷降溫的相關技術規范相沖突，并帶來增加二噁英超標排放的隱患。雖然有SCR脫硝與除二噁英一體化裝置，但是造價高、運行阻力大、催化劑中毒導致的使用時間短、購買催化劑與處置中毒催化劑（屬危廢）成本均高。SNCR脫硝技術主要是在爐膛適宜溫度區間，在O2共存條件下噴入含有NHX基的還原劑（如氨氣、氨水或尿素等），該還原劑迅速熱分解成NH3和其它副產物，在一定溫度下將NOx還原成氮氣和水。

SNCR去除煙氣中NOx的主要原理為兩個反應，分別為還原反應和氧化反應，反應方程式如下：

由于SNCR脫硝技術不需要催化劑，系統簡單、投資和運行成本低、阻力小、占地面積小、建設工期短，符合廣州市醫療廢物焚燒處置項目實際需要，具有較強的適用性，因此本提標升級項目優先采用SNCR方法脫硝。

2 SNCR脫硝改進思路與工藝系統設計

2.1 改進的思路

SNCR煙氣脫硝效果的重要因素包括還原劑的選擇、NOx初始濃度、溫度窗口、停留時間、煙氣組分、混合程度（霧化效果）、氨氮比等。本項目設計的煙氣脫硝系統在適宜的溫度窗口、優化反應時間及混合效果等技術基礎上，將氨基的還原劑均勻地噴入煙氣中，將NOx還原生成無毒無害的氮氣和水。

在脫硝過程中，進入反應塔的尿素的粒徑越小、脫硝的反應速度越快、與煙氣的混合效果越好、反應越徹底、尿素的利用率越高。尿素進入反應塔的粒徑，對脫硝的反應時間、脫硝的效率以及脫硝的成本都有重要影響。

根據本項目的實際條件和工藝特征，脫硝工藝改進主要研究的影響因素：①二燃室與二煙道溫度場及濃度場的標定。②反應溫度對脫硝效率的影響。③氨氮摩爾比對脫硝效率的影響。④不同濃度還原劑溶液對脫硝效率的影響。⑤在上述各種條件下氨逃逸率。

2.2 改良SNCR工藝系統設計

本項目中的醫療廢物熱值高達18800～21700kJ/kg，為了降低醫療廢物焚燒系統NOx的初始濃度，在SNCR工藝中以前置燃燒抑制NOx控制技術作為預處理。本項目選擇水或蒸汽噴射技術，向二燃室火焰中噴射水或水蒸氣，利用水的蒸發潛熱和水蒸氣使火焰溫度降低150～200K，在提升10%的醫療廢物焚燒系統醫療廢物處置能力情況下，還能滿足SNCR脫硝要求窗口溫度850～1020℃。所設計的改良醫療廢物焚燒煙氣SNCR系統由4個子系統構成，即低氮燃燒與控制系統、尿素霧化系統、脫硝控制與計量系統和工藝給水系統等。

2.2.1 尿素霧化系統

SNCR系統的尿素霧化系統采用一級三角衍射、二級鏡像噴射，能夠把尿素以接近分子狀態投入到脫硝反應塔中，使得脫硝效率大幅度提高。

2.2.2 脫硝控制與計量系統

采用PLC控制，用專用噴槍將尿素溶液霧化噴入煙氣，與高溫煙氣中的NOx充分混合并發生反應，將NOx轉化為氮氣而脫除。

2.2.3 工藝給水系統

尿素溶解水，稀釋水、沖洗水均采用軟化水。系統進水由軟化水系統引出，水質滿足鍋爐給水要求（硬度≤0.03mmol/L），并利用余熱蒸汽對尿素溶液進行加熱和保溫。

2.3 改良SNCR工藝流程及控制

本項目采用多因素控制的改良SNCR工藝。首先，通過多技術路徑，保證氨氣與NOx有充分的混合、擾動的反應時間，在二燃室中部原熱電偶插口位置設計1個噴口，在二燃室底部950～1050℃溫度區間環繞界面均勻設計3個噴口，在二燃室與余熱鍋爐的連接煙道850～1000℃溫度區間上設計2個噴口。

其次，為判斷二燃室原熱電偶插口位置的溫度區間是否滿足SNCR脫硝反應的要求，調試期間，分別按30%、50%、75%、100%負荷測量此處的爐內溫度，擬合出負荷-溫度變化曲線，若溫度不滿足SNCR反應所需窗口，則停運SNCR脫硝專用噴槍；當溫度滿足SNCR反應所需窗口，根據系統擬合的負荷-溫度變化曲線控制SNCR脫硝專用噴槍的流量。

還原劑噴射系統利用壓縮空氣將還原劑霧化噴入高溫煙氣中，包括SNCR脫硝專用噴槍及套管等設備。噴槍選用雙流體霧化結構，正常工作時，通過壓縮空氣將還原劑在噴槍內進行霧化后從噴嘴均勻地噴出。在某些工況不需要噴射還原劑時，噴槍始終噴入壓縮空氣，防止高溫煙氣對噴槍的損害并達到冷卻的目的，同時噴射壓縮空氣還可以有效防止噴槍被堵塞。

3 改良SNCR的脫硝效果及多因素分析

利用煙氣在線監控系統（CEMS）監測數據，通過調整反應溫度、尿素濃度、煙氣含氧量、NH3/NO摩爾比和控溫方式等影響因子，研究其對脫硝效果的影響。初始條件是二燃室底部溫度在1000℃，主要焚燒感染性醫療廢物，不噴尿素脫硝時，NOx初始濃度為163mg/Nm3。

3.1 二燃室底部溫度對脫硝的影響

配制尿素濃度8%，采用二級脫硝（其中二燃室底部3個噴槍，二煙道2個噴槍）技術，NH3/NO摩爾數比=2：1。同時，通過調節一次風或二次風，確保煙氣含氧量9%～9.5%。檢測階段，調控二燃室底部溫度并檢測出氣口NOx濃度。

NOx還原反應是在合適的溫度下進行的。如圖1所示，當溫度過高時，還原劑會被直接氧化成NOx排出，當溫度過低時，反應不完全，氨逃逸率高，造成新的污染。

圖1 脫硝反應溫度對脫硝效果的影響

3.2 含氧量（調節二次風的風量）對脫硝的影響

配制尿素濃度8%，采用二級脫硝技術（二燃室底部3個噴槍，二煙道2個噴槍），NH3/NO摩爾數比=2：1，二燃室底部溫度在1000℃。檢測階段，通過調節二次風，調節煙氣含氧量并檢測出氣口NOx濃度。如圖2所示，煙氣含氧量與NOx排放濃度呈正比。但當含氧量降低時，CO排放濃度會大量增加。因此，余熱鍋爐含氧量最佳區間為8%～10%。

圖2 煙氣含氧量對脫硝效果的影響

3.3 一級脫硝與二級脫硝效果差異比較

控制尿素濃度8%，一級脫硝時，NH3/NO摩爾數比=1.2：1；二級脫銷時，NH3/NO摩爾數比=2：1?？刂茻煔夂趿?%～9.5%，二燃室底部溫度在1000℃。如圖3所示，在合適的溫度窗口尿素濃度情況下，二級脫硝比一級脫銷總排放口的NOx濃度更低，滿足總量控制要求（低于100mg/Nm3）。

圖3 一級與二級脫硝對總排放口NOx濃度的影響

3.4 控溫措施對總排放口大氣污染物濃度的影響

由于各種醫療廢物的熱值不同，在垃圾投料量相對不變的情況下，熱解焚燒爐和二燃室溫度會出現波動。為滿足單臺熱解氣化焚燒爐達到設計處置能力35t/d，采用方式1（噴水蒸汽到二燃室中部）與方式2（提高二次風的風量），均可實現二燃室底部降溫150℃，滿足脫硝溫度窗口的要求。研究不同控溫措施對總排放口的氨逃逸和顆粒物的影響。表1表明，從污染物達標排放和減少尿素使用量方面考慮，采用方式1（噴水蒸汽到二燃室中部）明顯優于采用方式2（提高二次風的風量）。因此，通過降低尿素溶液濃度、控制反應溫度、降低煙氣含氧量、提高尿素反應混合程度等措施，NOx排放濃度從150～180mg/Nm3降低到30～65mg/Nm3。

表1 控溫措施對污染物排放濃度影響

4 結語

針對本醫療廢物焚燒項目的現場條件及工藝特點，通過研究SNCR工藝的影響因素，優化系統設計及工藝參數，取得了很好的氮氧化物去除效果，實現了氮氧化物的超低排放。該研究的主要結論如下：

①SNCR系統采用二級噴槍，以適應爐膛負荷調整時引起的溫度變化，確保SNCR脫硝反應點處于相對合理溫度區間內。二級NOx去除率達到65%～80%，總排放口NOx＜100mg/Nm3，采用的二級多因子控制SNCR技術處于醫療廢物焚燒處置行業國內領先水平。

②采取改良SNCR技術相對于SCR技術，不需要昂貴的脫硝催化劑，也不需要將尾氣煙氣控制到230～280℃，可以節約50%以上投資成本，比傳統SNCR工藝提高脫硝率約20%～30%。

③噴槍霧化液滴粒徑決定了尿素（NH3）與煙氣的接觸面大小。噴槍霧化后的液滴粒徑越小，液滴與煙氣（NOx）的接觸面越大，NH3的利用率越高，脫硝效率越高。液滴太小，質量就越小，單個液滴獲得的動量越小，其在煙氣阻力作用下，液滴的穿透力衰減極快，導致液滴在煙氣中的覆蓋面小。由于霧化后液滴的動量（粒徑大小和速率），直接影響到液滴對煙氣截面的覆蓋率，因此選擇合適的噴槍參數，即合適的霧化液滴的動量，成為SNCR脫硝效果好壞的關鍵因素之一。

該研究結果對于改進SNCR工藝并用于處理醫療廢物焚燒煙氣中的NOx，并實現超低排放具有重要的實際參考和推廣應用價值。