垃圾焚烧电厂SNCR系统氨逃逸影响因素分析

杨 彦， 孔昭健

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

0 引言

生活垃圾焚烧发电具有占地面积小、垃圾减量化明显，且可以回收一定量的能源等特点，因而近年来得到了较快的发展，并逐渐成为我国生活垃圾处理的主流技术之一。根据国家统计局提供的数据，截止2017年，我国共有垃圾焚烧厂近286座，日处理垃圾29.8万t，占生活垃圾无害化处理量的1/3。

为解决生活垃圾焚烧烟气带来的二次污染，垃圾焚烧发电厂常设置烟气净化系统，采用“烟气脱硝+半干法(干法)脱酸+活性炭吸附+布袋除尘”工艺，以满足《GB18485—2014生活垃圾焚烧污染控制标准》烟气污染物排放限值的要求。目前，常见的生活垃圾焚烧烟气脱硝技术可采用低氮燃烧、SNCR、低温SCR或者SNCR+SCR技术等，根据目前国内垃圾焚烧发电厂的运行经验，在烟气脱硝系统稳定运行的情况下，上述工艺均可以保证垃圾焚烧发电厂的NOx达标排放。

1 垃圾焚烧NOx排放控制技术综述

1.1 垃圾焚烧NOx产生机理

燃料燃烧产生NOx的方式分为热力型、燃料型和瞬时型三种类型[1]。热力型NOx主要是在1 300 ℃以上的高温条件下，炉膛过量氧气和氮气反应生产NOx。瞬时型NOx同样是在高温条件下，燃料中碳氢化合物的分解产生自由基，促使燃烧空气中氧气与氮气反应生产NOx。生活垃圾焚烧多采用机械炉排炉，炉膛温度通常控制在850～1 000 ℃范围。因此，热力型和瞬时型NOx产生量较少。燃料型NOx则是垃圾焚烧NOx的产生主体，占比90%以上[2]。燃料型NOx是由燃料中氮元素与助燃空气中的氧气反应形成。因此，NOx的产生量与垃圾性质和助燃空气量关系密切。

1.2 常见的NOx控制技术

生活垃圾焚烧NOx的产生浓度通常在450～600 mg/Nm3，为满足《GB 18485—2014生活垃圾焚烧污染控制标准》的要求，我国垃圾焚烧项目均安装了脱硝设施来控制NOx排放。目前，垃圾焚烧项目主要的NOx控制技术是低氮燃烧控制和SNCR、SCR两种末端控制方式。

低氮燃烧控制技术旨在控制燃烧过程中的过剩空气和燃烧温度，该与焚烧炉的炉型关系密切。低过剩空气系数燃烧法或者两段燃烧法可以有效减少燃烧过程中剩余的氧含量，从而降低NOx的产生；通过喷水或烟气再循环技术可以有效降低燃烧温度，从而降低NOx的产生。上述技术可以结合炉排炉、流化床锅炉的选型应用[3-6]。然而，NOx仅为垃圾焚烧需要控制的一种大气污染物。垃圾焚烧还需控制酸性气体、重金属和二噁英，较高的温度和足够的氧含量是控制二噁英排放的有效方式。因此，通过低氮燃烧技术来控制NOx的应用受到了较大的限制。

SNCR、SCR两种末端控制方式，均是利用还原剂(NH3)与燃烧过程中产生的NOx反应来控制NOx的排放，区别在于是否采用催化剂来降低反应温度。由于垃圾焚烧工艺烟气净化布袋除尘器出口烟温通常在150 ℃左右，不能满足SCR的反应温度，需要对烟气进行预热、重新选择催化剂的安装位置或者开发低温催化剂，因此应用受到了一定的限制。而SNCR技术可以直接向炉膛投加还原剂，技术成熟运行经济，虽然脱硝效率不高，但也可以保证达标排放，因此现阶段SNCR技术应用最为广泛。

1.3 SNCR脱硝效率的影响因素

SNCR脱硝技术的反应主要原理如下，由此可见，通过增加NH3的投加量，可以促使脱硝反应向生成氮气的方向进行，从而保证脱硝效率。曹庆喜[7]等的研究表明，最佳反应温度为925 ℃，氨氮摩尔比为1.5时，脱硝效率为60%。

NH3+NO→N2+H2O+H

(1)

NH3+O2→NO+H2O+H

(2)

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

(3)

然而随着NH3投加量的增大，未参加反应的剩余NH3一方面或被氧化重新生成NOx，对脱硝效率提高不大。另一方面，未反应的氨将会随着烟气排放到环境中，导致氨逃逸的发生。

2 氨逃逸影响因素试验

如前所述，为提高SNCR的脱硝效率，应适当的增加NH3的投加量。由于SNCR工艺所限，脱硝反应不能完全进行，必然存在一定量的NH3逃逸现象。本文将通过试验对氨逃逸的影响因素进行分析讨论。

确定试验条件如下：①确保入炉垃圾发酵时长接近，并通过抓斗进行有效的搅拌和混合，使入炉垃圾的热值和性质较为接近。②还原剂尿素(40%)输送泵流量设定为40 kg/h，通过除盐水计量稀释，使喷嘴处尿素溶液浓度维持在5%，保障还原剂投入量不发生变化；③维持出口烟气中氧含量在6%～7%之间。

试验过程中焚烧炉燃烧稳定，负荷控制在80%，主要烟气参数和污染物浓度情况如表1所示。

2.1 燃烧温度对氨逃逸的影响

通过调整焚烧炉的负荷来调整炉内温度。负荷调节的同时记录喷枪处温度。考虑烟气流速和喷枪至CEMS之间的距离，延迟150 s记录烟气排放口NOx和NH3的浓度。试验结果如图1所示。

表1 试验烟气条件

备注：Pb等指锑、砷、铅、铬、钴、铜、锰、镍及其化合物；ND表示未检出；%指体积分数。

图1 氨逃逸与燃烧温度的关系图

由图1可见，在还原剂投加量和过剩氧量稳定的情况下，NOx的排放浓度随焚烧温度出现先降低后升高的趋势，浓度范围79.4～235 mg/Nm3。NOx排放浓度的最低点出现在焚烧温度881 ℃，排放浓度79.4 mg/Nm3。

NH3逃逸随着焚烧温度的升高逐渐降低，当焚烧温度在850～870 ℃之间时，NH3逃逸浓度超过10 mg/Nm3，当焚烧温度超过1 050 ℃时，NH3逃逸浓度趋于0 mg/Nm3。

可能的原因是，随着焚烧温度的升高，更有利于NOx的生成，反应(2)向NH3分解成NOx的方向发展。本试验可以初步判断，脱硝反应的最佳温度反应窗口在950～980 ℃范围。

2.2 过剩空气对氨逃逸的影响

维持上述试验条件①和②稳定，通过对焚烧炉一次风机和二次风机变频装置的调节来调整焚烧炉内氧气浓度，记录烟气排放口处的氧气浓度、NOx和NH3的浓度。试验结果如图2所示。

图2 氨逃逸与出口烟气氧含量的关系图

由图2可见，在还原剂投加量稳定的情况下，NOx的排放浓度随过剩空气的增加而升高，浓度范围161～205 mg/Nm3。NOx排放浓度的最低点出现在烟气含氧量6%，排放浓度161 mg/Nm3。NH3逃逸随着含氧量的升高逐渐降低，当含氧量高于10%时，NH3逃逸浓度趋于0 mg/Nm3。

可能的原因是，随着氧气含量的升高，更有利于NOx的生成，反应(2)向NH3分解成NOx的方向发展。本试验可以初步判断，脱硝反应的理想的过剩氧量在7%左右。

2.3 还原剂投加量对氨逃逸的影响

维持上述试验条件①和③稳定，通过调整还原剂尿素溶液输送泵和除盐水计量泵的流量，维持入炉尿素溶液浓度在5%，动态调节入炉尿素溶液的流量。试验结果如图3所示。

图3 氨逃逸与尿素投加量的关系图

由图3可见，在过剩空气量较稳定的情况下，NOx的排放浓度随还原剂投加量的增加先降低后升高，浓度范围132～288 mg/Nm3。NOx排放浓度的最低点出现在尿素投加量18 kg/h，排放浓度161 mg/Nm3，此时NOx的产生浓度在500 mg/Nm3，此时氨氮比约为1.5左右。

NH3逃逸随着尿素的投加量升高逐渐升高，当尿素投加量为32 kg/h(氨氮比为2)时，NH3逃逸浓度达到14.31 mg/Nm3。

可能的原因是，随着还原剂尿素投加量的增加，反应(1)向生成N2的方向发展，剩余未参与反应的NH3量逐渐增多。本试验可以初步判断，脱硝反应的理想的氨氮比在1.5左右。

3 结论与建议

本文综述了目前垃圾焚烧项目常用的NOx控制技术，对现阶段应用最广泛的SNCR技术带来的氨逃逸问题进行了试验研究，主要结论和建议如下：

(1)SNCR为保证脱硝效率，还原剂的量通常会有一定量的过剩，从而会带来一定氨逃逸问题。

(2)随着焚烧温度的升高，更有利于NOx的生成，同时也有利于还原剂NH3的分解，生成NOx，从而降低氨的逃逸。根据试验结果可以初步判断，脱硝反应的最佳温度反应窗口在950～980 ℃范围。

(3)随着氧气含量的升高，更有利于NOx的生成，同时也有利于NH3分解成NOx，根据试验结果可以初步判断，脱硝反应理想的过剩氧量在7%左右。

(4)随着还原剂投加量的增加，有利于NOx的还原，生成N2；同时也增加了未参与反应的NH3的量。根据试验结果，脱硝反应理想的氨氮比在1.5左右。

(5)实际运行中，焚烧温度和含氧量的确定还需综合考虑焚烧效率和烟气中酸性气体、二噁英的去除。

(6)在过剩空气与氨逃逸影响的试验中，为了保持燃烧稳定，焚烧温度出现了一定范围的波动，对试验结果可能存在一定的影响。