餐廚厭氧沼氣發電尾氣SCR設計及工程應用

孫冬梅，陳玉龍，徐剛，金海波

（1.常州化工設計院有限公司，江蘇 常州 213003；2.維爾利環保科技集團股份有限公司，江蘇 常州 213125；3.常州維爾利餐廚廢棄物處理有限公司，江蘇 常州 213100）

根據《“十三五”全國城鎮生活垃圾無害化處理設施建設規劃》，“十三五”末我國新增餐廚垃圾處理能力為3.44 萬t·d-1[1]，厭氧發酵是實現濕垃圾減量化、無害化及資源回收的重要手段，目前被廣泛用于城市濕垃圾處理[2]。一般濕垃圾處理厭氧沼氣量為60～80 m3·t-1，CH4含量約60%左右，沼氣可以作鍋爐燃料或發電使用，產生尾氣中NOx含量約為250～500 mg·Nm-3，根據《鍋爐大氣污染物排放標準》，NOx排放質量濃度應小200 mg·Nm-3（重點區域為150 mg·Nm-3），隨著環保日益嚴格，該限值可能會向電廠超低排放的NOx50 mg·Nm-3看齊，另外部分餐廚廠受地方NOx排放總量控制，要求NOx降至20～50 mg·Nm-3以下。

厭氧沼氣發電以800 kW、1.5 MW 小型發電機為主，主要為室內布置，發電機產生的煙氣氣量小約3 000～6 000 Nm3·h-1，溫度高約400～450 ℃，粉塵 含量低于 10 mg·Nm-3，SO2質量濃度低于200 mg·Nm-3，NOx質量濃度為250～500 mg·Nm-3。

因SNCR 脫硝工藝需要850～1 000 ℃溫度區[3]，且脫硝效率僅為30%～50%，故不適合沼氣發電尾氣處理；另小型沼氣發電配備小型鍋爐室內布置居多，從安全考慮使用尿素較為適宜；因鍋爐出口溫度約為180～200 ℃，易產生黏性很強的液態硫酸氫銨[4]，使鍋爐效率降低，作為應用最廣最成熟的SCR 工藝[5]，需設置于高溫段。故本文采用尿素作脫硝劑，采用SCR 工藝，布置于鍋爐前進行工藝設計及工程實施。

1 工藝設計

1.1 工藝原理

采用5%～40%尿素溶液于高溫煙氣中熱解，產生的氨氣，吸附于催化劑的表面，與煙氣中的NOx發生化學反應，主要的反應方程式如下：

1.2 工藝流程

本餐廚厭氧發電尾氣SCR 工藝流程如圖1所示，其包括尿素制備儲存系統、尿素計量分配系統、壓縮空氣系統、緊急降溫系統、SCR 本體系統及PLC控制系統。

采用工業尿素顆粒制備10%的尿素溶液，經防爆變頻計量噴射系統進入雙流體噴槍液體接口，壓縮空氣制備系統減壓計量進入雙流體噴槍的氣體接口，二者于噴槍的噴頭處混合、霧化、蒸發及熱解，產生的氨氣進入SCR 本體系統吸附于催化劑的表面，與煙氣中的NOx發生脫硝反應。設置緊急降溫系統置，控制煙氣溫度為420～450 ℃。尿素制備與計量、壓縮控制制備與計量、緊急降溫系統運轉等均由PLC 控制系統控制。

1.3 物料及熱量衡算

采用表1中的煙氣參數，按公式（4）計算本項目尿素粉末理論耗量為1.03 kg·h-1。

式中：為V1—煙氣標況流量，Nm3·h-1；

φ—煙氣中水氣含量，%；

O2real為—煙氣中實際O2含量，%；

NOXinlet為—煙氣入口NOx含量（基于3.5%O2含量），mg·Nm-3；

NOXoutlet為—煙氣出口NOx含量（基于3.5%O2含量），mg·Nm-3；

θ—氨氮摩爾比，本項目取值0.896；

ω—工業合格品尿素顆粒，純度99.21%。

未考慮系統散熱，經熱量衡算（見下面公式）得煙氣降溫由尿素熱解吸熱、SCR 脫硝放熱、尿素溶液中水蒸發、霧化空氣升溫，合計系統溫降為3.69 ℃。

式中：ΔHm1—反應（1）的反應熱，1 mol CO(NH2)2計；

為ΔHm2—反應（2）的反應熱，4 mol NH3計；

為ΔHm3—水汽化潛熱，2 250 kJ·kg-1；

為ΔHf—各對應物質的標準摩爾生成焓；

ε—尿素溶液配置質量分數，計8%。

1.4 催化劑選型設計

經公式（9）[6]計算催化劑體積為1.4 m3，選用非標催化劑模塊，根據粉塵濃度大小選取3.7 mm 蜂窩式催化劑。

式中：β—比表面積，913 m2·m-3；

ξ—氨氮摩爾比；

η—脫硝效率，%；

T—SCR 溫度，℃；

Ψ1—裂化因子取0.5；

Ψ2—排列因子，取0.5；

u—反應器內煙氣流速，取2.5 Nm·s-1。

2 項目概況及運行效果

2.1 煙氣參數

本工程為室內布置的2×800 kW 沼氣發電機公用1 套余熱鍋爐系統配置新增加1 套SCR 系統，詳細的基礎設計參數見表1。從地方區域性NOx年總量控制角度，要求本項目的NOx降至50 mg·Nm-3以下，遠低于國家標準150 mg·Nm-3。

表1 原始煙氣參數

2.2 主要設計參數

本工程詳細設計參數見表2。因發電機滿負荷運行時煙氣溫度會超過450～480 ℃，故設計了應急降溫系統，通過SCR 入口的溫度變送器由PLC 控制系統與降溫系統聯動，控制SCR 入口煙氣溫度為400～450 ℃，防止高溫下催化劑燒結失活。

表2 SCR 主要設計參數

2.3 系統組成

本項目由6 大系統組成，如表3所示，其中尿素制備儲存系統與尿素計量分配系統整體模塊化撬裝見圖2。

2.3.1 尿素制備、儲存、計量分配系統

點擊PLC 觸摸屏的尿素制備按鈕，電磁閥自動打開，可將PP 儲罐的液位自動加水至PLC 設定的液位高度如800 mm，而后自動開啟攪拌器，攪拌時長由PLC 設定且可調，初定為30 min。防止尿素投加過程揚塵，采用工業級顆粒尿素，人工緩慢加入儲罐內不銹鋼濾網，單袋50 kg 尿素投加溶解時間約為10 min。受電磁流量計的檢測精度、噴槍流量霧化的最佳范圍限制，制備的尿素溶液質量分數需低于12%。尿素溶液使用的變頻防爆計量泵為1 用1 備，并配備阻尼器，以減少流體沖程的波動性。因尿素儲罐布置于室內鍋爐旁，室內整體溫度較高，故不設置保溫及伴熱。尿素溶液管道和閥門為304材質，壓縮空氣管道、閥門及工藝水管道、閥門均為碳鋼材質。

2.3.2 壓縮空氣、雙流體噴槍系統

因本項目原廠無足余的壓縮空氣可用，現采用了1 套一體化的空壓機-冷干機集成設備，可一鍵啟停，見圖3。空壓機運行將儲罐壓力提升至0.8 MPa，待壓縮空氣緩慢使用壓力降至0.6 MPa 時，空壓機再行啟動。空壓機底部自帶壓縮空氣儲罐，需每隔3 天進行1 次人工排水。

尿素噴射和應急降溫均采用雙流體噴槍，霧化粒徑為50 μ素，霧化距離小于3 m，霧化直徑與煙道直徑匹配。噴槍尾部采用耐高溫金屬軟管分別連至液體和壓縮空氣氣體，霧化壓力為0.2～0.4 MPa，壓力通過減壓閥調整。考慮到發電機出口為正壓系統，防止高溫煙氣反竄至SCR 尿素系統、壓縮空氣系統或急冷水系統，造成設備損壞或安全事故，各噴槍前均設置耐高溫止回閥，另外各壓縮空氣管路如急冷系統的壓縮空氣始終保持壓縮空氣噴射狀態，尿素噴槍和急冷噴槍見圖4。

2.3.3 SCR 本體及PLC 控制系統

SCR 本體系統，入口內部設計了斜均流分布板和水平均布板，SCR 出口設置耐高溫球閥檢測口及檢修人孔，因NOx排放指標要求嚴格，催化劑模塊和SCR 本體之間采用扁鐵點焊密封。SCR 入口安裝溫度變送器，與PLC 控制系統聯動。考慮啟動SCR進煙氣的過程緩慢，高溫煙氣遇到低溫的催化劑模塊冷凝結成水，不可避免從催化劑門縫滴落，門縫底部設置水平傾斜接液管，匯集后接入鍋爐排水系統。SCR 本體及PLC 控制系統見圖5、圖6。

2.4 運行效果

經檢測，噴尿素前原煙氣的NOx含量見圖7，噴尿素后SCR 出口檢測數據見圖8。NOx含量為298.3 mg·Nm-3（@8.27%O2），折算后為410 mg·Nm-3（@3.5%O2），噴尿素后NOx含量為3.7 mg·Nm-3（@8.33%O2），折算后為5.11 mg·Nm-3（@3.5%O2），脫硝效率達到 98.6%。NOx含量遠低于設計值50 mg·Nm-3，經從設計角度分析，本項目的為高溫SCR，選取的裂化因子Ψ1=0.5 和排列因子較低Ψ2=0.5，導致催化劑體積余量較大。

3 結 論

1）厭氧沼氣發電煙氣工程可采用鍋爐前400～450 ℃高溫SCR 脫硝工藝，室內改造或室內新建項目從安全角度可采用尿素顆粒制備低質量分數如5%～12%尿素溶液，室外項目可采用氨水作還原劑，SCR脫硝效率高達98.6%，NOx可降至10 mg·Nm-3以下。

2）本系統設置了應急降溫系統，可將煙氣溫度降至450 ℃以下，避免催化劑高溫燒結失活。如能開發出450～500 ℃的脫硝催化劑，可增加厭氧沼氣發電高溫煙氣余熱鍋爐的利用效率，具有一定的節能環保意義。