探讨脱硝技术生活垃圾焚烧发电厂的应用

黎小保，吕志中

（1.中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038；2.启迪桑德环境资源股份有限公司，北京 101102）

通常，燃烧过程中生成的氮氧化物有3种形成机理：空气中的氮气在高温下氧化——热力型；燃料中的氮的氧化——燃料型；空气中的氮和碳氢化合物共同作用——快速型。垃圾焚烧过程中产生的氮氧化物大多数为燃料型，少部分热力型，快速型极少。目前有关氮氧化物的控制方法非常多，燃煤电站锅炉应用较多的是SCR、SNCR以及SNCR与SCR混合脱硝技术，而对于以生活垃圾为主要燃料的焚烧发电厂，目前普遍采用的是SNCR技术[1-2]。

1 SNCR工艺原理

SNCR即选择性非催化还原法，在烟气温度为900～1 100℃，不加催化剂的有氧条件下，向炉膛中加入氨水或尿素等脱硝还原剂，将氮氧化物还原成氮气与水。SNCR工艺原理如图1所示。

图1 SNCR工艺原理

当将NH3作为还原剂时，发生式（1）所示的化学反应，该反应主要发生在950℃。

当采用尿素作为还原剂时，发生以下化学反应：

2 影响SNCR脱硝效率的因素

通常，在实际应用中，SNCR脱硝反应效率还会受到反应温度、NH3/NOx摩尔比、不同还原剂以及烟气中的氧含量的影响。

2.1 反应温度的影响

温度是SNCR工艺中最关键的因素。在低温条件下（低于800℃）加入的NH3大多数没有反应，而在高温条件下（高于1200℃）大部分NH3被氧化成NOx，因此根据还原剂和运行条件，SNCR的有效反应温度窗为900～1 100℃。

2.2 摩尔比的影响

实际运行中，NH3/NOx摩尔比一般控制在1.0～2.0比较好，最大不要超过2.5，否则会增加NH3逃逸。

2.3 还原剂的影响

选择不用的还原剂，有效的反应温度窗不一样。

2.4 烟气中氧含量的影响

在没有氧气存在的情况下，氮氧化物脱除率很低，但是过量的氧含量会氧化NH3，反而增加氮氧化物的排放量。

3 SNCR系统设计

某垃圾焚烧发电厂一期配置3×350 t/d炉排炉，二期工程配置2×500 t/d炉排炉，焚烧炉采用西格斯先进低氮焚烧技术，在不投加脱硝系统前，锅炉氮氧化物排放浓度可达到350 mg/Nm3。根据环评要求，氮氧化物排放浓度需达到欧盟2000标准，即200 mg/Nm3，需设置SNCR脱硝装置。

3.1 还原剂的选择

目前，国内外生活垃圾焚烧厂SNCR系统的还原剂一般采用氨水或尿素溶液。两者的比较如下。

（1）尿素冰点高，约为60℃，容易结块，配制尿素溶液时需采用热水，且输送管道需要伴热。氨水储存及输送方便，无须配制。尿素溶液对管道的腐蚀比氨水高。

（2）尿素溶液对反应温度窗要求严格，需严格控制在900℃左右，氨水的温度窗范围较宽，700～1 000℃范围内都有较高的脱除效率。对于生活垃圾焚烧炉，由于垃圾的成分及热值波动较大，炉膛内温度不稳定，选择氨水能保证稳定的、较高的脱除效率。

（3）尿素的NH3／NOx摩尔比较高，未反应完全的NH3增加了烟气中NH3逃逸率。尿素反应容易产生笑气（N2O）和一氧化碳。焚烧厂附近有稳定的氨水来源。

基于以上原因，该生活垃圾焚烧厂采用氨水作为SNCR还原剂。

3.2 SNCR工艺及组成部分

采用氨水作为还原剂，以软化水为载体喷入焚烧炉第一烟道内。公共部分包括一期、二期工程，共5条焚烧线。每条焚烧线配置1套氨水混合单元和1套喷射单元。

25%氨水溶液通过由槽罐车泵送入氨水双层储罐，同时罐顶部气体由罐顶回到槽车顶部，形成闭合加注；有罐顶呼吸阀保证罐顶稳压，储罐液位开关实现泵启停联锁，防止满溢；软化水和氨水根据氮氧化物排放反馈值实现定量混合，根据温度窗信号实现定向分配；然后依靠泵的压头送入喷射器，喷射器分为内外枪管，氨水由内枪管喷入，雾化压缩空气由外枪管进入，在喷枪端部雾化段实现雾化；喷枪的喷射角度可以调节，同时也可根据喷枪喷射情况手动调节雾化长度。SNCR系统采用一体化设备，可根据生产负荷的变化和引风机后的氮氧化物浓度等，调整氨水溶液和软化水的喷入量，并且配备单独的电力仪表控制柜，所有信号进入DCS引至中控室。

3.2.1 氨水接收单元

氨水浓度25%，设置1个80 m3氨水储罐，材质为316 L，由于氨水为无色透明的挥发性液体，有刺激性气味，因此氨水储罐采用双层密封结构。储存约3 d消耗量，室外布置。储罐配一台20～30 m3/h氨水进液泵。同时，出于安全考虑，在氨水储罐附近设置有紧急喷漆系统，紧急情况下可用于冲洗眼睛。

3.2.2 氨水输送单元

氨水输送单元将储罐中的氨水加压输送至混合单元，氨水输送单元模块化布置，设置2台1 m3/h氨水输送泵，1用1备，布置在氨水储罐附近。

3.2.3 软化水泵送单元

由于25%浓氨水容易挥发，若直接将25%浓氨水喷入焚烧炉内，焚烧炉墙附近NH3浓度较高，焚烧炉中部NH3浓度较低，不利于氮氧化物的脱除。以软化水为载体，对氨水溶液进行稀释，能使焚烧炉内NH3浓度均匀分布。软化水单元包括50 L软化水槽，自动液位控制；配置2台1 m3/h加压水泵。室内布置，靠近焚烧炉。

3.2.4 混合单元

混合单元使氨水与软化水均匀混合，每条对应一个喷嘴。利用调节阀控制进入喷嘴氨水和软化水量。混合单元布置于焚烧炉附近，各阀门柜内布置。

3.2.5 喷射器

氨水喷射器采用雾化型喷嘴，用压缩空气作为雾化和冷却的载体。配置快速插拔接头，便于检查。喷射角度20°，雾化粒径50 μm。喷嘴末端处设置有30°喷射孔并可360°旋转，可调节喷射范围。喷嘴伸出炉墙150 mm，避免炉墙结焦对喷嘴的影响。

根据焚烧炉大小配置喷嘴数量，一期工程350 t/d焚烧炉两侧各布置3个，共布置6个喷嘴；二期工程500 t/d焚烧炉两侧各布置4个，共布置8个喷嘴。

喷嘴固定在焚烧炉上，金属软管连接，避免锅炉因膨胀引起的热位移损坏管道。

3.2.6 控制系统

全厂SNCR系统按一、二期工程共设置2套PLC控制系统。控制系统主要包括两个部分：一是根据焚烧炉第一烟道温度梯度，自动选择氨水喷射点；二是根据烟囱出口NOx、NH3的浓度，自动控制氨水喷射量。由于氨水的喷射量很小，锅炉蒸发量、烟气量也很小，因此它不参与锅炉的其他控制。

4 SNCR系统安装、调试

4.1 原料消耗

某垃圾焚烧厂一期、二期工程总消耗量如表1所示。

表1 主要原料消耗

4.2 SNCR系统安装、调试时问题

4.2.1 炉膛开孔

由于焚烧炉未预留SNCR接口，在炉膛开孔时，锅炉水冷壁管束间距20 mm，而喷嘴外径为19 mm，给锅炉开孔带来很大的风险。

图2 焚烧炉结构

4.2.2 烟气在线检测中无NH3检测

原烟气在线检测系统中没有设置NH3浓度测试项目，调试初期无法确定氨水喷射是否过量。

4.2.3 软化水水源

根据工艺要求，为避免管道结垢，氨水喷射载体需采用软化水，而全厂水系统未配置软化水，只有生产用水和除盐水系统，但生产用水水质达不到要求。若单独为SNCR设置一套软化水处理系统，投资太高，而除盐水较生产用水处理成本相差不大且所需水量较小，经业主同意，软化水以除盐水代替。

4.3 调试结果

经过现场调试运行后，NOx排放浓度＜200 mg/Nm3，NH3逃逸浓度＜8 mg/Nm3。达到欧盟2000要求。

5 结论

生活垃圾焚烧厂采用SNCR系统能有效脱除烟气中NOx。烟气排放浓度低于200 mg/Nm3，NH3逃逸浓度＜8 mg/Nm3，能够达到欧盟2000排放标准。随着生活垃圾焚烧厂环境影响评价要求的日益严格，NOx排放浓度也要求越来越低，为减少今后扩建难度，新建项目焚烧炉应预留SCR脱硝系统的设备安装空间。在选择SNCR系统的还原剂时，从脱除效率及运行角度来说，氨水较为合适，但需结合项目所在地氨水和尿素供应实际情况，若附近有稳定的氨水来源，可选择氨水，若无可选择尿素作为还原剂。