垃圾焚燒電廠高效低氮煙氣超低排放關鍵技術問題研究

中南電力設計院有限公司 王 欣 韓 亮 劉晴川 鄧海文 陳 琪

1 垃圾焚燒電廠煙氣中的污染物NOx 及其排放標準

目前，生活垃圾無害化處理的主流方式為生活垃圾焚燒發電。在垃圾焚燒過程中，燃燒產生的高溫條件會產生大量煙氣污染物，若不經過減排處理，將對環境造成不良影響。

隨著技術進步，NOx 的排放限值標準不斷提高。根據GB18485-2014版《生活垃圾焚燒污染物控制標準》（2014年7月1日開始實施），規定了氮氧化物的排放量上限是24h 平均低于250mg/Nm3，1h平均低于300mg/Nm3。為進一步落實習近平總書記對生活垃圾分類工作的重大指示，國家發改委、住建部在2021年5月聯合發布了《“十四五”城鎮生活垃圾分類和處理設施發展規劃》（發改環資〔2021〕642號），提出在“十四五”內加快城市生活垃圾焚燒設施的建設，并在此基礎上，進一步完善城市生活垃圾的焚燒工藝，并在此基礎上，進一步提升城市生活垃圾的污染治理能力。近年來，部分省市已經制訂了更加嚴格的地方標準，例如海南省生活垃圾焚燒NOx 排放標準限值為120mg/Nm3，福建省為 100mg/Nm3，河北省為120mg/Nm3，深圳市對于新建垃圾電廠NOx 排放標準為 80mg/Nm3（日均值和小時均值）。目前燃煤電廠大氣污染物排放標準中氮氧化物（NOx）含量要求不超過50mg/Nm3，為響應超低排放的要求，有些地區已經開始響應火力發電廠的NOx 超低排放要求，進一步提高新建垃圾焚燒電廠的排放要求。

2 垃圾焚燒電廠高效低氮煙氣超低排放關鍵技術

常規煙氣脫氮方法主要有兩種：一種是使用低氮燃燒器，分解爐，在管路中進行分段燃燒，控制燃燒溫度，改變配料方案，使用礦化劑，使熟料燃燒溫度下降；二是通過對燃煤鍋爐中 NOx 進行終端處理，實現對燃煤鍋爐尾氣 NOx 的有效控制。現在普遍采用的是“SNCR+半干法脫酸+活性炭吸附+袋式除塵器”的方法，有些對廢氣排放有比較苛刻的地方，還在袋式除塵器之后增加了SCR 脫氮裝置。

2.1 選擇性非催化還原法（SNCR）

選擇性無催化還原技術（SNCR），指的是在不使用催化劑的情況下，在鍋爐爐膛或旋風分離筒進口合適位置，噴射氨基還原劑，將NOx 還原為N2的一種脫氮技術。將還原劑噴射到爐內850～1100℃范圍內，脫硝效果可達50%～60%。由于 SNCR 系統投資低、運行穩定、運行費用低，是當前生活污水處理廠普遍采用的一種系統，但其脫氮率低，氨氮逃逸嚴重。

2.2 選擇性催化還原法（SCR）脫硝技術

SCR（Selective Catalytic Reduction）脫硝技術是垃圾焚燒電廠高效低氮煙氣超低排放的一項關鍵技術。其通過在煙氣中注入尿素或氨水等還原劑，并經過催化劑反應，將煙氣中的氮氧化物（NOx）轉化為無害的氮氣和水，從而達到降低NOx 排放的目的。在SCR 脫硝系統中，催化劑通常是由鉬、釩、鈦等金屬氧化物組成的復合催化劑。SCR 脫硝技術可以實現較高的脫硝效率，通常可達到90%以上甚至接近95%。

2.3 SNCR/SCR 聯合技術

針對NOx 超低排放項目，僅設置SNCR 系統無法達到排放要求，在現有脫硝工藝基礎上增設SCR 脫硝裝置，是目前國內垃圾焚燒電廠主要應用的超低排放改造措施。理論上，在NOx 質量分數較低的情況下，停用SNCR 裝置僅單獨運行SCR裝置，仍然可以實現NOx 超低排放。但是，如果將SCR 反應器分開操作，則會增加 SCR 反應器中催化劑的層數和總耗量，而催化劑的費用較貴，因此運行費用較高。所以單獨采用某一種工藝，都難以達到經濟效益和NOx 去除效果的要求。將SNCR 與SCR耦合應用于NOx 凈化，通過對NOx 凈化負載的優化配置，能夠在節能與NOx 凈化之間尋求最佳的平衡點。SNCR/SCR 煙氣聯合脫氮技術可以把 SNCR中的逸出的氨氣作為SCR 的還原劑，從而實現對NOx 的有效去除。與單一SNCR 技術相比，SNCR與SCR 組合工藝因其能將NOx 主要通過SNCR 部分脫除，因此其在反應器中的應用更少，且結構更緊湊，投資與安裝成本更低[1]。圖1為SNCR/SCR 聯合技術原理圖。

圖1 SNCR/SCR 聯合技術原理

2.4 高分子脫硝工藝（PNCR）

針對垃圾發電日益嚴格的NOx 排放指標，SCR運行成本居高不下，垃圾焚燒領域技術人員開發了PNCR 脫硝技術[2]。高分子脫硝工藝（PNCR）是指利用固態高分子材料作為還原劑進行脫硝的新工藝。此類高分子材料被投入焚燒爐后，在700℃以上的高溫環境中會被瞬間激活、氣化，并與NOx 發生氧化還原反應將其還原成N2和H2O。固體聚合物還原劑（PCR）是一種以高效還原活性的功能聚合物材料為主體成分的固體粉末混合物，包括了功能聚合物還原材料（CnHmNs）、乳化劑、分散劑、緩釋劑和滲透劑，以及由氧、鎂、鋁、硅、硫、鈣、鋇、錳和稀土元素等化合物構成的催化劑及其助劑。

PNCR 脫硝劑的脫硝效率較高，溫度窗口在850～900℃，低于 SNCR 的溫度窗口，與垃圾焚燒鍋爐內溫度水平更匹配。由于 PNCR 和SNCR 的溫度窗口不沖突，因此可以在垃圾焚燒爐應用SNCR脫硝技術的基礎上增設 PNCR 工藝，兩者同時運行以實現超低排放。

2.5 其他脫硝方法

除了采取還原的方法將NOx 還原為N2，達到脫硝目的之外，還可以使用氧化脫硝的方式，即利用一些脫硝藥劑的氧化作用，把不可溶的低價態的氮氧化物氧化成可溶的高價態的氮氧化物，通過洗滌吸收去除。臭氧氧化脫硝，即將煙氣中不溶于水的NO 和難溶于水的NO2氧化成易溶于水的N2O5，并與漿液快速反應，從而不可逆地脫除了NOx。

結合現有脫硝技術，本文提出采用SNCR+臭氧（O3）輔助低溫SCR 聯合脫硝系統來滿足氮氧化物超低排放標準，該方法可協同脫硫脫汞，旨在實現更高效、更經濟的NOx 排放控制。SNCR+臭氧（O3）輔助低溫SCR 聯合脫硝系統是一種結合SNCR 技術、臭氧預氧化技術和低溫SCR 技術的脫硝方法。該脫硝工藝技術路線為：SNCR →臭氧氧化（180℃→150℃）→干法脫酸→布袋除塵器（150℃）→SGH（150℃→180℃）→SCR 反應器（180℃）→引風機。該系統主要由SNCR 反應器、臭氧－氨水系統和低溫SCR 反應器組成，其中SNCR 反應器負責在爐膛上部的高溫區將NOx 還原為N2；臭氧輔助是利用臭氧強氧化性將NO 氧化成易溶于水的NO2、N2O3、N2O5等高價氮氧化物。同時，將煙氣中SO2氧化成高價SO3，將煙氣中零價Hg 氧化為Hg2+，可實現在堿性吸收洗滌塔中同時脫除NOx、SO2、Hg2+，達到同時脫硫脫硝脫汞的目的；最后經低溫SCR 反應器進一步處理剩余的NOx，將其還原為N2，最終實現更低的NOx 排放。臭氧氧化作為新興脫硝脫硫脫汞一體化處理工藝，與SNCR 和SCR 反應器聯用，不僅可以減低低溫SCR 催化劑中毒風險，而且能滿足更為嚴苛的氮氧化物排放標準。

3 SCR 脫硝工藝中低溫催化劑技術

3.1 中低溫催化劑特點及對比

對于垃圾焚燒行業，SCR 脫硝技術按照最佳反應溫度一般分為中溫和低溫催化劑，反應溫度分別是210±30℃和150～180℃。低溫催化劑技術在垃圾焚燒電廠的應用，可以有效降低煙氣中的氮氧化物排放，達到高效低氮煙氣超低排放的要求，然而該技術的實施需要考慮催化劑。

催化劑為SCR 系統的關鍵材料，在垃圾焚燒、鋼鐵燒結采用的超低溫催化劑最多的就是錳基催化劑[3]。目前低溫脫硝SCR 技術在國內采用的主要還是釩鈦基催化劑，以TiO2為載體，V2O5為活性物質，但問題是當催化劑長時間運行后會生成硫酸氫銨，發生催化劑堵塞失活的現象，如果在高溫下就不易發生堵塞現象。

SCR 低溫催化劑蜂窩結構一般為30孔或40孔，與常規SCR 催化劑比較（蜂窩結構一般為18孔～24孔），比表面積更大，接觸反應效率更高。目前，國內大型垃圾焚燒發電項目大部分選擇進口催化劑，主要有日立造船、奧地利Ceram 和美國康寧等。根據筆者的工程咨詢經驗，目前，國產催化劑在平均使用壽命、脫硝指標和使用可靠性方面與進口品牌仍有一定的差距。在同樣脫硝效率下，不同的設計煙氣溫度對催化劑用量影響較大，當進口煙氣溫度180℃時，催化劑用量比進口煙氣溫度210℃的催化劑用量增加近40%。本文從一個具體的項目實例來看，中溫SCR 工藝與低溫SCR 工藝的造價差異，主要在于換熱設備的級數和加熱溫度的高低，以及催化劑用量和造價上；在中、低溫SCR 工藝中，對煙道的加熱所需要的水蒸氣消耗相當，而在運行費用上的差別，則是為了克服系統的阻力而產生的電力消耗和置換催化劑的花費[4]。脫硝催化劑的使用壽命與煙氣中的溫度、水分、粉塵及SOx含量等相關，使用溫度越低，煙氣中的硫酸銨鹽、堿金屬等越容易沉積在催化劑上，導致其失效并縮短其使用時間。因此，雖然中溫催化脫硝工藝工程需要消耗更多的能源，但是中溫催化劑的費用要低于低溫催化劑，且其用量和使用的時長都大于低溫催化工藝，因此其造價和運營費用都低于低溫SCR 技術。

3.2 SCR 脫硝低溫催化劑技術展望

垃圾焚燒廠廢氣的煙氣溫度通常為150℃，而中溫甚至更低的催化材料，還必須設置加熱和換熱裝置，這就造成了大量的水蒸氣消耗，或是操作能耗很高，發電損耗和經濟損耗依然很大，操作費用很高[5]。因此，要解決這一問題，關鍵是要把脫氮催化劑的反應溫度降到150℃以下。而150℃的低溫脫氮工藝，則完全避免了加熱器和換熱器的損耗，使操作費用降到了最低。綜合考量，“SNCR+低溫脫氮（150～180℃）”工藝在提高 NOx 處理效果、降低運行成本和占用場地等諸多因素，將是未來垃圾焚燒工業 NOx 處理技術的發展趨勢。

針對目前低溫SCR 脫硝催化劑存在的問題，以提升其催化活性及耐硫耐水性為目標，采用元素摻雜、改變催化劑載體等技術途徑，對其進行了深入研究。目前常用的催化劑類型包括釩鈦催化劑、鐵鉻催化劑、銅鉻催化劑等。釩鈦催化劑是應用最為廣泛的一種，具有良好的脫硝效果和穩定性，但也存在成本較高的問題。在低溫SCR 脫硝催化劑技術中最重要的就是催化劑的開發，催化劑需要具備高活性、良好的穩定性和選擇性，能夠在低溫條件下高效催化氮氧化物轉化，同時抵抗煙氣中的干擾物質，如有機物和硫。將 SCR 裝置置于溫度較低、粉塵較少的區域，不僅節能而且可以減少催化劑的損耗，但是由于硫酸氫銨鹽的生成會導致催化劑更容易中毒和失去活性。

當前Mn 基、Ce 基等低溫復合催化劑已經達到了高效脫硝和低氨逃逸的目標，并且正在迅速發展，接下來如何減少催化劑成本、保證催化劑長時間穩定性是研究重點。

在垃圾焚燒電廠實現高效低氮煙氣超低排放的過程中，SNCR、SCR 脫硝技術、PNCR 及其聯合運用脫除等關鍵技術起著重要作用。另外本文提出SNCR+臭氧輔助低溫SCR 聯合脫硝工藝技術不僅能實現高效低氮排放，還為實現脫硝協同脫硫脫汞一體化去除和延長低溫SCR 催化劑使用周期提供了對應解決思路。這些技術的應用可以有效降低煙氣中的污染物排放濃度，保護環境和人類健康。