生活垃圾焚烧烟气脱硝技术对比

2021-08-16邓靖罗慧刘玉坤

节能与环保 2021年7期

文_邓靖罗慧刘玉坤

1 上海环境工程设计研究院有限公司 2 华能海南昌江核电有限公司

随着我国经济发展，生活垃圾快速增长，焚烧发电技术成为生活垃圾减量化、无害化、资源化的首选方案。根据《“十四五”城镇生活垃圾分类和处理设施发展规划》（发改环资〔2021〕642号），“十三五”期间，全国共建成生活垃圾焚烧厂254座，累计在运行生活垃圾焚烧厂超过500座，焚烧设施处理能力58万t/d。全国城镇生活垃圾焚烧处理率约45%。但垃圾焚烧处理能力仍有较大缺口，全国约50%的城市（含地级市和县级市）尚未建成焚烧设施。总体目标，到2025年底，全国城镇生活垃圾焚烧处理能力达到80万t/d左右，城市生活垃圾焚烧处理能力占比65%左右。

但生活垃圾焚烧发电处理过程中含氮有机质的分解及助燃空气中氮气氧化生成的大量氮氧化物（NOx），因此分析、研究生活垃圾焚烧烟气脱硝技术，具有重要意义。

1 生活垃圾焚烧发电排放标准

目前，我国生活垃圾焚烧发电厂执行的烟气排放标准为GB18485-2014《生活垃圾焚烧污染控制标准》，NOx的排放质量浓度极限值为250mg/m3。随着环境保护意识的提升，不少经济发达地区执行更为严苛的地方标准或欧盟2010/75/E标准，部分地区执行标准见表1。近年新颁布的标准中NOx日均排放浓度不超过120mg/m3，相比GB18485-2014中的要求减排量超过50%，对生活垃圾焚烧的NOx的排放要求日益严格。

表1 生活垃圾焚烧烟气NOx排放值单位：mg/Nm3（干基、标态、11%O2）

2 生活垃圾焚烧烟气净化工艺特点

生活垃圾在高温环境下，经过焚烧由固态物质转变成飞灰、烟气和可利用的热量，达到废物资源化利用的目的。生活垃圾焚烧后烟气中的污染物可分为颗粒物（粉尘）、酸性气体（HCl、HF、SO2等）、氮氧化物、重金属（Hg、Pb、Cr等）和有机剧毒性污染物（二噁英、呋喃等）五大类，其中NOx平均含量为342mg/m3。

为了控制生活垃圾焚烧烟气污染物的量，必须在后续配置烟气净化工艺设施，如脱硝、脱酸、吸附重金属、除二噁英、除尘的措施。目前，国内垃圾焚烧烟气净化工艺常采用SNCR法脱硝、半干法喷入石灰浆脱酸、活性炭吸附二噁英和重金属、袋式除尘工艺脱除粉尘。

3 生活垃圾焚烧烟气脱硝技术

根据生成机理不同，焚烧过程中所产生的NOx分为热力型、燃料型和快速型，垃圾焚烧的温度一般低于1200℃，不足以形成热力型NOx，大多是燃料型NOx。目前主流的烟气脱硝技术分有吸附脱硝、吸收脱硝和还原脱硝3种。相比另外两种技术，还原脱硝技术由于反应速度快、投资费用和运维成本较低等优势，更适合用于生活垃圾焚烧烟气的脱硝。而生活垃圾焚烧烟气还原脱硝技术主要有选择性非催化脱硝技术（SNCR）、选择性催化脱硝技术（SCR）及SNCR和SCR联合脱硝技术。

3.1 SNCR技术

SNCR技术最初由美国Exxon公司开发，1974在日本实现工业化，是以温度为反应驱动力，在不采用催化剂的条件下，通过喷枪直接将还原剂喷入焚烧炉内高温区，与NOx发生选择性还原反应，生成对环境无害的N2和H2O等物质。

SNCR技术脱硝效率主要受反应温度、氨氮比、混合均匀度和反应时间等因素影响。采用还原剂不同，最佳反应温度区间略有差别，氨水最佳反应温度区间为870～1100℃，尿素最佳反应温度为900～1150℃。

该技术由于无需催化剂和反应器，工艺简单、造价低、占地少，已成为生活垃圾焚烧的常规配置。但对温度依赖性强，脱硝率较低，氨的逃逸量大。逃逸氨与烟气中的酸性气体反应生成铵盐，堵塞和腐蚀空气预热器等设备，通常该方法的脱硝效率设计在50%左右，符合国家GB18485-2014标准和欧盟2010/75/EC标准要求，但难以达到更高标准要求。

江苏省灌南新苏国丰新能源有限公司2×350t/d生活垃圾焚烧发电项目，通过控制燃烧方式控制NOx在300～400mg/m3，采用SNCR脱硝工艺。还原剂采用25%氨水，2020年3月正式并网发电，脱硝装置出口NOx排放质量浓度控制在200mg/m3以下。

3.2 SCR技术

SCR技术由美国Eegelhard公司发明，20世纪70年代在日本Shimoneski电厂成功工业化应用，利用催化剂降低反应活化能，在一定温度范围内将NOx还原成N2，催化剂是技术的核心，根据工作温度的不同，分为中温SCR（280～420℃）、低温SCR（200～280℃）、超低温SCR（140～200℃）。主要工艺是在设置的触媒反应塔内，根据催化剂的活性温度范围，喷入的还原剂与烟气中NOx混合后经触媒催化剂发生选择性还原反应，脱硝效率为90%左右，可满足更高的烟气排放标准要求。脱硝效率影响因素主要为催化剂类型、反应温度、空间速度以及氨氮比。

该技术具有反应温度低、脱硝效率高、运行可靠等优点。但也存在一些明显的缺点，如投资费、运行费用高；烟气中的SO2、碱金属等可使催化剂中毒；高粘度、高分散粉尘附着催化剂表面，降低活性；易与硫化物生成铵盐，腐蚀堵塞设备。

因此，在生活垃圾焚烧行业，使用SCR技术脱硝时大多选择低尘布置，先去除烟气中的酸性污染物和粉尘，再引导烟气进入SCR系统内反应，可以减轻催化剂活性降低或中毒的现象，延长催化剂使用寿命，降低更换催化剂成本。但需配套换热器或加热炉，提升烟气温度，保证脱硝催化剂的工作温度，势必增加能耗、运行成本和投资成本。

以处理规模为500t/d的生活垃圾焚烧发电项目为例，布袋除尘器出口烟气温度一般为130～180℃，在320℃进行SCR反应，烟气升温需消耗30%以上的主蒸汽，大幅降低垃圾电厂的效益。因此，在生活垃圾焚烧行业单独配置SCR技术项目较少。

3.3 SNCR和SCR联合技术

现阶段SNCR和SCR技术各有优缺点，在排放标准要求更高的地区，仅使用任意一种技术，很难在经济性和NOx脱除率上同时满足项目要求。而SNCR与SCR技术的联合使用，合理分配NOx脱除负荷，可以有效中和两者的劣势，在经济性和NOx脱除率间找到最优平衡。在SNCR区段实现初步脱硝，在SCR区段进行深度脱硝，同时反应掉SNCR区段的逃逸氨。

江苏省南京江南4×500t/d生活垃圾焚烧发电项目，是SNCR和SCR联合技术在国内生活垃圾焚烧发电行业较早应用的案例之一，设计目标是NOx控制在焚烧炉出口为400mg/m3以内，烟囱出口在80mg/m3，氨逃逸小于5mg/Nm3。

3.4 SNCR、SCR及SNCR和SCR联合技术对比

生活垃圾焚烧烟气三种脱硝技术的综合对比见表2。相较于单独的SNCR技术或SCR技术，SNCR和SCR联合技术由于SNCR区段去除大部分NOx，SCR所需反应器尺寸和催化剂量都将减少，投资成本相应降低。

表2 SNCR、SCR及SNCR和SCR联合技术对比表

相较于单独的SNCR技术，SNCR和SCR联合技术不但可以提高脱硝效率，满足高排放标准，又可以减少整个脱硝系统的氨逃逸。相较于单独的SNCR技术，SNCR和SCR联合技术由于SNCR区段去除大部分NOx，具有还原剂用量少、催化剂量少、反应器尺寸紧凑、投资和安装费用低等优势。

生活垃圾焚烧烟气中二噁英类、颗粒物、金属盐、Hg、NOx、SO2、HCl都偏，为延长催化剂寿命，SCR系统一般采用低温低尘布置。但此时烟气温度大多在150℃以下，目前已开发的SCR催化剂工作温度多在180℃以上，为了与其工作温度相匹配，需要额外加升温装置，无形中增加了脱硝系统的投资和运行成本，且系统复杂。因此，亟需开发一种开发适应150℃以下工况的超低温SCR技术，减少烟气升温能耗，甚至取消换热器或加热炉，大幅提升生活垃圾焚烧烟气脱硝的经济性。但超低温SCR技术还需催化剂克服，在低温环境下烟气中的水蒸气在催化活性点上与NH3产生竞争吸附，抑制催化剂活性；烟气中的二氧化硫与氨气生成铵盐，覆盖催化剂活性位，降低催化剂活性。上述问题是限制超低温SCR脱硝技术从实验研究到工业化的应用，目前国内科研院所和企业正在通过工业侧线进行探索研究，发现涂敷式SCR催化剂在此方面具有明显优势。