SNCR脱硝技术在生活垃圾焚烧电厂的应用

刘亚伟，王超，陈颖，王丹，赵立

（安徽盛运环保集团股份有限公司，合肥 230051）

某垃圾焚烧电厂（一期）技术升级改造采用尿素工艺SNCR脱硝技术，2016年10月完成环保验收，（二期）新建工程于2017年4月完成各项验收达到环保排放标准，烟囱出口NOx排放≤200mg/Nm3，验收至今SNCR系统运行正常。

1 SNCR脱硝技术原理

选择性非催化还原法（Selective Non-Catalytic Reduction，SNCR）脱硝方案是在无催化剂参与反应的前提下，将还原性物质氨水、尿素喷入到锅炉炉膛温度为900℃～1050℃的区域，在炉膛内与O2混合的条件下，该物质快速热解成NH3，再与还原烟气中的NOx反应，生成N2和H2O。

以尿素为还原物质，还原NOx的反应方程式为：

2 SNCR脱硝技术特点

SNCR脱硝技术效果显著，使用在大型余热锅炉上NOx脱除效率为30%～50%；在中小型余热锅炉上NOx脱除效率为50%～70%；还原剂品类繁多且易获取，脱除NOx的还原剂包括氨、尿素和各种铵盐等[1]，其中主要的脱硝还原剂是氨水和尿素；SNCR脱硝系统运行过程不产生污染物，系统运转负荷小，对锅炉的运作工况扰动较小；性价比高、不用催化剂、运营费用较少、系统精简、不变动锅炉主体结构，只需外设还原剂溶液制作部分（尿素工艺）、存储部分、稀释计量部分、分配喷射部分；施工时间短，易于实施。

3 SNCR系统运作过程中脱硝效率的影响因素

SNCR还原氮氧化物的氧化还原效率波动因素大致为：反应区温度、烟气反应区停留时间、还原剂种类、适合的喷射位置、适合的喷射量等。

3.1 烟气反应区温度

烟气温度是影响SNCR化学反应效率的重要因素之一，当烟气温度低于反应温度窗口时，还原剂分子断裂效率下降，没有适量的氨基与NOx进行充分的中和反应，导致脱硝效率降低，氨的逃逸量可能也在增加；当烟气温度高于反应温度窗口时，还原剂自身会被氧化成氮氧化物，从而增加烟气中NOx的浓度，影响脱硝的效果。

3.2 烟气反应区停留时间

SNCR系统中，氨基与NOx的反应需要充足的时间，若停留时间短，反应不充分，导致NOx中和反应效率降低。目前，SNCR系统的停留时间在0.3～0.5s。

3.3 还原剂种类

氨水（20%～25%）和尿素溶液，是目前SNCR脱硝系统中最常用的还原剂。采用尿素作为还原剂，首先尿素要进行分解，分解反应的最佳温度区域是950℃～1050℃，因此采用尿素制备溶液进行分解需要的反应时间较长，反应速率慢，同时生产的副产物对锅炉有少许腐蚀，也会产生较多的N2O；其优势是尿素溶液的喷射距离更远，可以实现与烟气的充分混合，适合于大型焚烧炉。采用氨水作为还原剂时，其反应条件相对宽松，分解反应的最佳温度区域在850℃～950℃，反应速度快，脱硝效果好，同时不产生副产物，适合要求保证稳定的脱硝效率及较差工况下的焚烧炉。尿素的优势在于原料来源广、便于采购，无需考虑安全性问题，审批手续简单。氨水应用主要是受原料来源及安全性问题等限制。氨水和尿素的优缺点对比见表1。

表1 氨水和尿素的优缺点对比

3.4 适合的喷射位置

受生活垃圾低位热值、锅炉机组不同的负荷及炉膛内空气动力流场等因素影响，需在余热锅炉的第一烟道设置多层喷枪，以适应锅炉的不同温度工况。通过烟气在线监测系统反馈的NOx的排放量，切换不同标高的喷枪，控制NOx的排放量在国标要求范围内。

3.5 适合的喷射量

DCS系统将CEMS烟气在线监测系统监测的NOx排放浓度值，传给SNCR系统，经PLC控制系统计算后在线自动调节还原剂的浓度，进行精确给料，使SNCR系统的效率最高。同时也避免喷入超量的还原剂，造成氨逃逸。

4 垃圾焚烧电厂SNCR项目概况

某城市垃圾焚烧电厂总规模500t/d，年处理垃圾18万t，配置了2台250t/d炉排型垃圾焚烧炉（逆推机械炉排炉），2台余热锅炉，配置1台7.5MW凝汽式汽轮发电机及辅助部分。烟气净化系统采用“SNCR+干法+消石灰喷射+活性炭喷射+袋式除尘器”净化工艺。该系统具有运行稳定、操作便捷、烟气净化效率高等优势。设置2套CEMS，采用1套DCS实施“全厂一体化”操控。

4.1 垃圾焚烧炉烟气参数（见表2）

表2 烟气参数

4.2 还原剂的选择

该项目选用炉排焚烧炉，垃圾设计热值为5800kJ/kg，并根据当地的采购条件，选用尿素作为脱硝还原剂。

4.3 SNCR工艺流程

采用尿素为还原剂的SNCR系统，主要组成部分和控制流程如图1。

袋装尿素由电动葫芦运至制备罐平台人工协助导入罐体中，制备罐设有搅拌装置和温控装置，协助颗粒状尿素快速溶解。完成制备后的溶液（浓度为40%）由转运泵组输转运至储备罐中。当SNCR控制系统接收到DCS发来的信号，尿素溶液计量泵启动，将储备罐中的尿素溶液输送到炉膛喷射模块。同时为了匹配不同时间段锅炉的燃烧工况，增设尿素溶液浓度降解混合及分配单元。SNCR控制系统与控制中心DCS通讯，处理来自DCS的信号，经核算后调节稀释水泵的水量，匹配实时工况给料浓度，提高SNCR的脱硝效果，同时也避免氨逃逸。

图1 尿素工艺SNCR系统流程

4.4 喷射位置布置及喷枪选取

以尿素作为SNCR的还原剂，喷枪喷入区间温度需满足950℃～1050℃，结合电厂机械炉排炉的焚烧特点，满足上述反应窗口的区域在余热锅炉中部位置，标高在19.1～21.9m内。为满足锅炉不同工况下炉膛内温度变化，使尿素溶液经喷枪雾化扩散在适宜的温度区间内，结合该电厂锅炉的实际可利用空间，喷枪布置在锅炉前墙，每台锅炉设置两层，每层4只喷枪。喷枪采用耐高温双流体脱硝专用喷枪，雾化粒径为80～120μm，材质为310S不锈钢。

4.5 SNCR投运后的脱硝效果

经过SNCR系统升级改造后，对该厂1#、2#锅炉尾气排出成分进行了监测分析，其NOx的浓度均≤200mg/m3。《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB18485-2014）规定，NOx的浓度排放进入大气限值为250mg/m3。1#锅炉SNCR投运前后数据对比见图2；1#锅炉SNCR投运后NOx排放值见图3；2#锅炉投运后NOx排放值见图4。

4.6 运营操作注意的问题

4.6.1 尿素溶液制备模块

尿素溶于水的过程是吸热反应，其溶解热约为-57.8cal/g[2]。40%浓度的尿素溶液，结晶温度是2℃～3℃，因此尿素制备时，首先应向制备罐内通入除盐水，然后通过罐内蒸气管进行加热至设定温度（50℃），而后将袋装尿素通过电动葫芦运至制备罐顶部，通过人工拆袋后倒入制备罐，开启罐顶搅拌器使尿素与除盐水加速溶解并充分混合，搅拌过后的温度降低，需要再次加热至设定温度（50℃），完成40%的尿素溶液制备；制备完毕后，由制备罐经转运泵转运至储备罐中待用。

人工拆袋过程中可能会有线头和袋条等杂物落入罐体内，在入口处需设计过滤杂物格栅，并在管路中设置过滤器，以过滤溶液中存在的杂质。

4.6.2 SNCR投运温度区域

图2 1#锅炉SNCR投运前后数据对比

图3 1#锅炉SNCR投运后NOx排放值

图4 2#锅炉投运后NOx排放值

SNCR技术由于不采用催化剂，NO与NH3如要充分反应，需要适合的温度窗口、喷射量、停留时间、炉膛空气湍流度及过量空气系数；该SNCR脱硝系统理想的反应温度为950℃～1050℃，当反应温度低于800℃时，还原剂分子断裂效率下降，没有适量的氨基与NOx进行充分的反应，脱硝效率降低，同时氨的逃逸量可能也在增加；当反应温度高于1100℃时，还原剂自身会被氧化成氮氧化物，从而增加烟气中NOx的浓度，影响脱硝实际效果。

4NH3+5O2— 4NO+6H2O

NH3的作用成为氧化并生成NO而不是还原NO为N2，同时氨逃逸量增加。所以将喷枪设置在合理的温度窗口内，是保证SNCR系统脱硝效率的重要因素之一。

4.6.3 给料混合分配模块

每台锅炉设置1套给料混合分配模块，为保证脱硝系统控制最小延时，给料混合分配模块布置在锅炉19.1m平台上，就近于炉膛喷射模块位置，用于精确计量和独立控制到锅炉每个喷射模块的用量，在本单元内的流量通过调节阀、流量计、电动阀、压力表及监控仪表等进行控制与分配，实现各个喷枪流量均匀。

工况运行时，根据DCS反馈的第一烟道温度，NOx数值、含氧量、CO数值、NH3逃逸等数值信号，PLC控制系统自动调整调节阀的开度，使尿素溶液喷射量（或尿素溶液浓度）在烟气出口达标的前提下，合理控制还原剂的消耗量。

4.6.4 喷枪使用及维护

该项目采用快拆式喷枪，喷枪与保护风套管之间为快装接头连接，尿素溶液管道及雾化压缩空气管道经过高压金属软管连接。当喷枪发生堵塞时，或喷枪长时间不运行时，需要将喷枪抽出，一方面防止喷枪烧结，另一方面避免磨损。喷枪抽出来后喷枪套管用配套的封堵封住，防止漏风。在正常运行及短时间不运行的情况下，雾化压缩空气与保护风要一直保持接通状态，用来保护喷枪。当系统长期停止运行时，需要将整个尿素溶液管路冲洗干净以防堵塞。

喷枪运行期间，建议每隔15天对所有喷枪抽出检查，确认喷枪没有变形烧坏或堵塞。若有变形烧坏需要更换新的喷枪。若喷嘴结垢严重，需要拆除喷嘴，用盐酸或类似酸清洗。

5 结语

生活垃圾焚烧发电有诸多优势，已逐渐在我国推广，随之产生的烟气污染问题也被逐步解决和完善。由于SNCR脱硝系统工艺简单，投资较少、占地面积小、施工周期短，不改变锅炉主体结构，运营成本低，不产生额外的污染，SNCR系统已被逐步认可。SNCR技术在应用和积累改进的过程中，必定会在环境保护方面取得更好的成绩。