垃圾焚烧发电尾气中氮氧化物治理技术进展*

刘 川，石君君，谢吴成，宋建宾，孙畅忆

(1 瀚蓝环境股份有限公司，广东 佛山 528200；2 佛山科学技术学院，广东 佛山 528000)

氮氧化物作为主要的大气污染物之一，是导致酸雨、光化学烟雾、温室效应的主要因素之一，严重危害人类健康和生态环境。《2020年政府工作报告》指出：继续提高生态环境治理成效，深化重点地区大气污染治疗攻坚。针对日益恶化的大气污染和急剧增长的NOx排放，国家对氮氧化物的排放提出了严格要求。2014年5月16日发布的《生活垃圾焚烧污染控制标准》要求现有生活垃圾焚烧烟气中氮氧化物日均排放低于250 mg/m3[1]。随着部分重点城市向欧盟排放标准看齐，要求烟气中氮氧化物排放不高于100 mg/m3。可见开发经济高效的烟气脱硝技术符合可持续发展的战略目标，也符合我国建设环境友好型社会的要求，具有广阔的应用前景。

1 垃圾焚烧发电氮氧化物来源

研究表明垃圾焚烧烟气中NOx主要由NO组成，占95%以上。生活垃圾焚烧过程产生的氮氧化物主要来自于燃料型NOx和热力型NOx[2-3]，前者来自生活垃圾中含N化合物的氧化，后者来自空气中N2在高温下与O2之间的反应；此外还有少量的快速型NOx，来自空气中的氮与燃料中碳氢自由基反应生成的含N中间物，后者再进一步氧化成NOx。

2 垃圾焚烧氮氧化物治理技术

目前生活垃圾烟气脱硝技术主要为SNCR(selective non-catalytic reduction)、SCR(selective catalytic reduction)和SNCR/SCR联合技术，此外PSR(polymer selective reduction)作为一种新兴技术，正处于发展阶段。相较于发达国家而言，我国环保行业起步较晚，烟气脱硝技术还存在一定差距。

2.1 SNCR脱硝技术

SNCR脱硝技术是在炉膛或烟道合适温度(850～1000 ℃)的位置喷入还原剂氨水或尿素，无需催化剂，利用还原剂NH3选择性地将烟气中的NOx还原为无害的N2和水[4-5]。该技术于20世纪70年代起源于日本，80年代末在欧盟国家开始工业应用，90年代初进入美国。SNCR技术在国外主要应用于市政垃圾焚烧炉、电站锅炉、工业锅炉等其他燃烧装置，最初应用在小型工业炉和工业燃烧装置，目前使用在中小容量的锅炉。在美国，SNCR技术首次商业应用是在1988年南加州的一家石油精炼厂的锅炉。到今天，SNCR的商业应用以及示范工程已经运用于各种燃料的所有类型的锅炉中，其中有30个电站锅炉应用了SNCR技术，容量总共约为7100 MW，其中有5个机组的容量超过600 MW，最大容量达到了640 MW。在德国，SNCR主要应用于市政废物焚烧炉上，还有20多个燃烧重油的快装锅炉也使用了SNCR技术。

目前我国绝大部分火力发电厂和垃圾焚烧发电所使用的脱硝工艺为SNCR，该技术优势为工艺简单、前期投资成本比低。但其工艺存在如下不足：脱硝效率只有50～70%左右，且10～20%氨或尿素水溶液喷入反应区内会造成高温反应区温度骤然大幅降低，而且反应区内各区域的温度不一致，从而导致脱硝效率低下，甚至影响炉内燃烧效率。

2.2 NH3-SCR脱硝技术

NH3-SCR技术是在催化剂作用下氨气与烟气中的NOx反应生成无害的N2和水，该技术的核心在于开发高效的脱硝催化剂，催化剂的性能直接决定了NOx的脱除效果[6-7]。国外环保行业起步较早，烟气脱硝技术相对成熟。美国Engelhard 公司在1957年首次成功研发SCR催化剂，由 Pt、Rh 和Pb 等贵金属构成，具有很高的催化活性，但造价昂贵、温度区间窄、易中毒，不适于工业应用。20世纪七八十年代，日本和欧美相继建造多套脱硝系统，钒钛系SCR催化剂的商业应用趋于成熟，主要应用于电力行业烟气污染控制。发展至今，传统SCR催化剂生产与应用技术已得到普及，但核心技术由国外的几家大型公司掌握，如美国康宁公司、德国鲁奇公司、日本BHK公司等。

NH3-SCR脱硝技术的效率可达到80%～90%，脱硝效果显著优于SNCR技术。但是该技术工艺复杂，设备投资大、占地空间大，且需要定期更换催化剂，其成本约占SCR系统总成本的20%～40%，占运行成本的40%～50%。尤其是低温NH3-SCR催化剂价格昂贵，使用寿命短，运行和维护成本较高，极大增加企业运行成本。特别是在生物质电厂中，烟气含有大量的K、Na等碱金属、二氧化硫导致SCR催化剂中毒。目前，国内对于SCR关键技术和设备，虽然部分企业在引进的同时进行消化、吸收和创新，开发了具有自主知识产权的SCR关键技术，但催化剂性能和可靠性方面与国外优秀的催化剂厂家有着差距，且只有液氨还原剂系统、喷氨格栅设备、静态混合器设备等部分设备可实现国产，诸如尿素水热解系统、声波吹灰器、关键仪器仪表等还未实现国产化。此外火力发电厂的排烟温度较高，更适合使用SCR脱硝工艺，而垃圾焚烧发电厂SCR脱硝工艺需要二次加热，因此能耗更高。

2.3 SNCR/SCR联合技术

SNCR/SCR联合技术结合了SNCR投资省、SCR脱硝效率高的技术特点，该工艺前端是SNCR装置，通过向炉膛喷射还原剂(NH3或尿素)，使得部分NOx在没有催化剂参与的情况下被还原成N2，实现初步脱硝。部分未反应的或者由尿素分解生成的NH3随烟气经由脱酸、除尘处理后进入后端的SCR装置，继续在催化剂作用下将烟气中NOx转化成氮气和水。该技术利用SNCR进行初步脱硝，能有效缓解后端SCR脱硝负荷；同时SCR脱硝效率高能保证最终出口烟气达到排放要求；此外SNCR/SCR联合技术还具有催化剂用量少，SO3生成量少、减少设备腐蚀与堵塞的特点。然而该工艺尚不成熟，目前仍处于开发阶段，鉴于垃圾焚烧烟气具有水蒸汽含量高、灰分含量高、且含碱金属和重金属等特点，设计开发耐水、抗积灰、抗碱金属重金属中毒的高效SCR催化剂成为控制垃圾焚烧发电烟气氮氧化物排放的关键。

2.4 PSR脱硝技术

PSR脱硝技术作为一种新兴技术，以含氨基的高分子材料作为脱硝剂，在高温下(700～800 ℃)裂解成NH3及其他还原性物质与烟气中NO反应，转化成环境友好的N2和水。光大国际报道该工艺的脱硝效率高达85%～90%，且工艺简单、设备投资少、运行费用低，有望发展成一种经济、高效的新型脱硝技术，在工业上大规模推广[8]。然而目前关于该技术的文献报道和工程实例还非常少，清华大学谢续明团队与北京金石德盛石油科技有限公司合作开发，使用计算流体力学(CFD)和化学动力学模型(CKM)进行工程设计，该团队鲜有关于PNCR脱硝剂的技术报道。山东大学朱维群团队以能产生活性氨基物的原料或其原料的盐作为脱硝剂，取得了较好的脱硝效果[9]。此外，深圳华明、东莞景润、广州绿华等新兴企业开展了相关工程应用。我司联合佛山科学技术学院在实验室设计开发了新型高分子脱硝剂，通过固定床评价系列产品的脱硝率大于95%[10]，从中筛选出脱硝性能好、适应温度窗口宽的产品在瀚蓝旗下子公司开展中试，可有效控制烟气出口NOx浓度日均低于100 mg/m3、时均低于120 mg/m3。目前还在开展系列迭代，以进一步提高产品的脱硝性能和流动性。

3 结 语

随着环保标准不断提升，设施监管日趋严格，未来垃圾焚烧烟气脱硝将成为管理重点。开展烟气脱硝技术研究，降低排放指标，对我国生态文明建设以及减碳事业都有着重要的意义。目前应用较广的SNCR技术，具有设备投资少、运行成本低的优点，但是脱硝效率低，难以满足日益严苛的控制要求。NH3-SCR技术具有脱硝效率高的优势，但是设备投资大、占地空间大、且需定期更换催化剂，一定程度上增加企业运行成本。目前新兴的PSR脱硝技术，具有工艺简单、设备投资少、占地空间小、后期运行维护成本低的特点，其脱硝率介于前两者之间；未来在环保政策、设施监管、行业竞争等的要求下，存在较大的市场容量和空间。