垃圾焚烧发电烟气净化脱硫脱硝工艺应用

冯志翔

（中国联合工程有限公司，浙江 杭州 310052）

垃圾焚烧一种作为垃圾的主要处理方法，具有将有害物进行无害化处理，减少土地占用，灭杀病原体防止疾病传播等优点，同时焚烧垃圾的热量可以用于发电，合理利用能源，符合可持续发展的理念[1]。现阶段，垃圾焚烧发电技术仍是我国在垃圾处理方面的最优解决方案，其对于我国垃圾的减量化、环保化和无害化处理起到了关键作用。垃圾焚烧对于难以分解的垃圾实现了真正意义上的减量化处理，部分垃圾处理后可达到减容百分之九十，减重百分之八十的良好效果，处理完成之后的残渣可以作为建筑材料进行二次利用。

但垃圾焚烧发电过程中产生的烟气中含有大量重金属、有害气体及其他污染物，若不能及时处理，将对环境造成二次污染，得不偿失。其中，对环境污染最为明显的污染物就是二氧化硫与氮氧化合物，二者都是酸雨形成的主要因素，且后者还具有毒性，对大气环境造成严重威胁，故而脱硫脱硝工艺的应用对保护环境、减轻污染、实现供电可持续发展有着重要意义[2]。我国目前虽对电厂烟气净化治理加大了投入与监管力度，但所得成果仍然有限，根本原因是现有的脱硫脱硝工艺并不成熟，脱除效率较低，对有害物质的转化率有限。文献[2]中对某垃圾焚烧发电烟气净化工艺进行分析，通过烟气数据的对比，论述了钙基旋转喷雾干燥(SD)A法与选择性非催化还原(SNCR)法结合应用于垃圾焚烧发电烟气净化的工艺流程。文献[3]提出了利用炭基催化剂对烟气中的有害气体进行吸收的方法。笔者针对催化剂，研究脱硫脱硝工艺的优化方案，以提高脱除效率，降低污染。

1 脱硫脱硝工艺概述

表1 垃圾焚烧发电烟气主要成分与重度表

垃圾焚烧发电烟气净化一步脱硫脱硝工艺，是指在同一套装置中，实现脱硫与脱硝的同步进行，该工艺优势较强，相比于联合脱硫脱硝方法的分段式脱除，其具有成本低、占地少、监管操作便捷等优点。目前国内的一步脱硫脱硝工艺主要应用CuO/Al2O3法，其脱硫脱硝的主要机理为：垃圾焚烧发电烟气进入反应器，烟气中的SO2与负荷在γ-Al2O3上的CuO发生反应，产物为CuSO4，在CuSO4的催化下，烟气中的NOx被喷入的NH3分解成N2，产物铜盐与反应器中的H2等具有还原性的气体反应，将CuSO4还原成CuO，实现CuO的再生，完成一次循环，其脱硫脱硝有效率在90%左右，同时不会对环境造成二次污染。其反应机理如下：

《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB 18485—2014)中提到，氮氧化物（NxO）24小时排放均值不超过250mg/Nm3，二氧化硫（S2O）24小时排放均值不超过80 mg/Nm3。基于CuO/Al2O3法，针对影响脱除效率最主要的因素——催化剂进行优化，提出复合系铜矾催化剂CumVnOx/ZSM-5。

2 烟气净化脱硫脱硝工艺优化

2.1 分析催化剂活性与选择性

本次研究中选择评价催化剂性能中最主要的活性与选择性两个指标，活性反映着催化剂对化学反应速率提高的性能，如反应：aA+bB→cC+dD中，A的转化率为：

式中nA0表示：A物质在反应前的量，nA表示：A物质在反应后的量。

根据催化剂活性的影响因素，在传统催化剂中加入分子筛载体，增加其使用寿命，提高其活性。

选择性反应着催化剂对复杂化学反应的选择催化作用，本次研究中依据常用参数反应产率来分析催化剂的选择性。仍以aA+bB→cC+dD为例，目标产物C的产率Cψ为C的摩尔数

式中：nc0/c和nA0/a为常数。

产率的高低与催化剂选择性好坏成正比，根绝影响催化剂选择性的因素，控制催化剂制备过程中的温度、压力等，对催化剂进行优化。

农村居家养老一定程度上解决了农村家庭养老服务功能弱化的困难，同时又解决了机构养老存在的一些问题，是一种适合农村老年人实际情况的新型养老模式。基于SWOT分析法，选择S－O（优势－机遇）策略，发挥农村居家养老模式的内部优势（S），利用现阶段农村居家养老服务发展的外部机遇（O），提出促进农村居家养老发展的战略措施。

2.2 选择最优催化剂制备方法

不同制备方法制备的催化剂具有不同的表征，本研究以铜矾催化剂为基础，利用共混法、浸渍沉淀法、多组分浸渍法制备催化剂，从三中制得的催化剂中，选择活性高、选择性好的复合系铜矾催化剂CumVnOx/ZSM-5。

浸渍沉淀法：配制适量0.75mol/L的3与Cu（NO3）2溶液与0.5mol/L的NH4VO3溶液备用。将取5g颗粒状分子筛干燥焙烧后作为载体，投入酸性CuSO4溶液中浸渍两小时，两小时后向浸渍液中加入适量NH4VO3溶液形成混合液，而后调整混合液pH值，使其呈碱性，此时铜矾形成共沉淀，完成催化剂制备。

主要通过X射线衍射分析(XRD)与程序升温还原(TPR)设备对制备的催化剂进行检测分析，对三种不同制备方法制备的催化剂进行XRD与TPR表征，得到如图1所示活性分析结果，与图2所示选择性分析结果。

图1 三组制备方法XRD表征对比

图2 三组制备方法TPR表征对比

由图1、图2可知，通过对比三种方法制备的催化剂的XRD表征图谱与TPR表征图谱，浸渍沉淀法制备的复合系铜矾催化剂CumVnOx/ZSM-5具有较好的活性与选择性。

3 实验论证

为验证本文提出的脱硫脱硝优化方法的有效性，提出对比实验，将本文提出的优化方法作为实验组测试对象，将根据文献[2]与文献[3]提出的传统方法分别作为对照A组和对照B组的测试对象，比较三种不同的脱硫脱硝方法在不同条件下的脱除效果。

3.1 实验准备

利用浸渍沉淀法制备复合系铜矾催化剂CumVnOx/ZSM-5备用，标记为催化剂γ。根据文献[1]与文献[3]提出的脱硫脱硝方法分别制备催化剂α与催化剂β，选择M-9000燃烧分析仪与脱硫脱硝反应器进行实验。除催化剂种类，影响脱硫脱硝效率的因素还包括空速与温度[5]，查阅相关资料显示最佳反应温度在440°C到460°C之间，最佳空速约为1.33s-1，控制温度为分别为400°C、450°C、500°C根据公式（9）、（10）控制空速为1.33s-1，将垃圾焚烧烟气通入反应器进行对比实验。

式中，表示：Γ空时(s)；S表示：空速(s-1)；VR表示：催化剂体积(mL)；表示：催化床层空隙率；V0表示：进气速率(mL/min)。

3.2 实验结果与分析

使用M-9000燃烧分析仪分析垃圾焚烧烟气通入反应器前后的二氧化硫与氮氧化合物含量，得到三组催化剂脱硫脱硝效率在400°C、1.33s-1空速下的结果如表2所示。

表2 三组催化剂脱除率对比（1）

三组催化剂脱硫脱硝效率在450°C、1.33s-1空速下的结果如表3所示。

表3 三组催化剂脱除率对比（1）

三组催化剂脱硫脱硝效率在500°C、1.33s-1空速下的结果如表3所示。

表4 三组催化剂脱除率对比（2）

由表2、表3、表4可知，在空速下，催化剂γ在400°C、450°C、500°C的脱硫率分别为96.3%、98.3%、95.8%，脱硝率分别为95.5%、97.6%、94.9%，明显高于对应温度下催化剂α与催化剂β的脱硫率与脱硝率。

4 垃圾发电烟气污染物的类型及治理

（1）酸性气体防治。关于氮氧化物的防治，根据其来源可以从两个角度入手，首先根据氮氧化物的生成条件，即达到其氧化温度，同时有充足的的氧气作为氧化剂，因此可以通过控制其燃烧过程达到防治效果，一方面控制其燃烧温度，保证其温度达不到氧化反应温度(1200℃)。一方面可以减少高温区域的氧气浓度抑制其反应，此种防治手段可以将氮氧化物浓度控制在250～300mg/Nm3，远达不到欧盟的排放标准，因此对于超标的浓度要采用相应的脱氮设施，该垃圾焚烧发电厂结合自身垃圾燃料中含氮化合物的量。考虑自身发电与运行成本，采用选择性非催化还原法与选择性催化还原技术相结合方式，即SNCR＋SCR(尿素作为还原剂)技术进行烟气处理，使用尿素作为还原剂，最终氮氧化物浓度控制在了100mg/Nm3以下。

（2）重金属及其防治。重金属是垃圾焚烧发电厂中危害性较大的一类污染物，随着生活水平的提高，垃圾分类工作的不完善，大量的废弃电池、灯管、线路板等电器制品以及部分建材中的涂料等垃圾被送入焚烧炉中，这些垃圾中含有大量的重金属化合物，毒性极强，而且性质复杂，有的挥发性较强(例如Pb、Cd、Hg等)可随烟气排放，有的挥发性较差形成金属氧化物。随着锅炉炉渣排出，防治的重点便是挥发性较强的重金属，在除尘器中，一些气态的重金属可以通过除尘器冷却降温，变为液态或者固态颗粒进行捕集为了提高捕集效率，同时捕获一些尚未在除尘器中被捕获的高挥发性重金属，该垃圾焚烧发电厂采用袋式除尘器＋活性炭吸附的手段对重金属进行防止。

5 结语

由实验结果可以看出，本文提出的复合系铜矾催化剂CumVnOx/ZSM-5在脱硫脱硝效率上明显高于传统催化剂，对传统脱硫脱硝工艺进行了优化升级，减少了垃圾焚烧发电二氧化硫及氮氧化合物的排放。但受限于笔者专业水平与实验环境，仍存在一些问题，日后将对脱硫脱硝工艺进行进一步研究，以期可以从其他方面提升脱硫脱硝效率。