餐厨厌氧沼气发电尾气SCR设计及工程应用

孙冬梅，陈玉龙，徐刚，金海波

（1.常州化工设计院有限公司，江苏 常州 213003；2.维尔利环保科技集团股份有限公司，江苏 常州 213125；3.常州维尔利餐厨废弃物处理有限公司，江苏 常州 213100）

根据《“十三五”全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设规划》，“十三五”末我国新增餐厨垃圾处理能力为3.44 万t·d-1[1]，厌氧发酵是实现湿垃圾减量化、无害化及资源回收的重要手段，目前被广泛用于城市湿垃圾处理[2]。一般湿垃圾处理厌氧沼气量为60～80 m3·t-1，CH4含量约60%左右，沼气可以作锅炉燃料或发电使用，产生尾气中NOx含量约为250～500 mg·Nm-3，根据《锅炉大气污染物排放标准》，NOx排放质量浓度应小200 mg·Nm-3（重点区域为150 mg·Nm-3），随着环保日益严格，该限值可能会向电厂超低排放的NOx50 mg·Nm-3看齐，另外部分餐厨厂受地方NOx排放总量控制，要求NOx降至20～50 mg·Nm-3以下。

厌氧沼气发电以800 kW、1.5 MW 小型发电机为主，主要为室内布置，发电机产生的烟气气量小约3 000～6 000 Nm3·h-1，温度高约400～450 ℃，粉尘 含量低于 10 mg·Nm-3，SO2质量浓度低于200 mg·Nm-3，NOx质量浓度为250～500 mg·Nm-3。

因SNCR 脱硝工艺需要850～1 000 ℃温度区[3]，且脱硝效率仅为30%～50%，故不适合沼气发电尾气处理；另小型沼气发电配备小型锅炉室内布置居多，从安全考虑使用尿素较为适宜；因锅炉出口温度约为180～200 ℃，易产生黏性很强的液态硫酸氢铵[4]，使锅炉效率降低，作为应用最广最成熟的SCR 工艺[5]，需设置于高温段。故本文采用尿素作脱硝剂，采用SCR 工艺，布置于锅炉前进行工艺设计及工程实施。

1 工艺设计

1.1 工艺原理

采用5%～40%尿素溶液于高温烟气中热解，产生的氨气，吸附于催化剂的表面，与烟气中的NOx发生化学反应，主要的反应方程式如下：

1.2 工艺流程

本餐厨厌氧发电尾气SCR 工艺流程如图1所示，其包括尿素制备储存系统、尿素计量分配系统、压缩空气系统、紧急降温系统、SCR 本体系统及PLC控制系统。

采用工业尿素颗粒制备10%的尿素溶液，经防爆变频计量喷射系统进入双流体喷枪液体接口，压缩空气制备系统减压计量进入双流体喷枪的气体接口，二者于喷枪的喷头处混合、雾化、蒸发及热解，产生的氨气进入SCR 本体系统吸附于催化剂的表面，与烟气中的NOx发生脱硝反应。设置紧急降温系统置，控制烟气温度为420～450 ℃。尿素制备与计量、压缩控制制备与计量、紧急降温系统运转等均由PLC 控制系统控制。

1.3 物料及热量衡算

采用表1中的烟气参数，按公式（4）计算本项目尿素粉末理论耗量为1.03 kg·h-1。

式中：为V1—烟气标况流量，Nm3·h-1；

φ—烟气中水气含量，%；

O2real为—烟气中实际O2含量，%；

NOXinlet为—烟气入口NOx含量（基于3.5%O2含量），mg·Nm-3；

NOXoutlet为—烟气出口NOx含量（基于3.5%O2含量），mg·Nm-3；

θ—氨氮摩尔比，本项目取值0.896；

ω—工业合格品尿素颗粒，纯度99.21%。

未考虑系统散热，经热量衡算（见下面公式）得烟气降温由尿素热解吸热、SCR 脱硝放热、尿素溶液中水蒸发、雾化空气升温，合计系统温降为3.69 ℃。

式中：ΔHm1—反应（1）的反应热，1 mol CO(NH2)2计；

为ΔHm2—反应（2）的反应热，4 mol NH3计；

为ΔHm3—水汽化潜热，2 250 kJ·kg-1；

为ΔHf—各对应物质的标准摩尔生成焓；

ε—尿素溶液配置质量分数，计8%。

1.4 催化剂选型设计

经公式（9）[6]计算催化剂体积为1.4 m3，选用非标催化剂模块，根据粉尘浓度大小选取3.7 mm 蜂窝式催化剂。

式中：β—比表面积，913 m2·m-3；

ξ—氨氮摩尔比；

η—脱硝效率，%；

T—SCR 温度，℃；

Ψ1—裂化因子取0.5；

Ψ2—排列因子，取0.5；

u—反应器内烟气流速，取2.5 Nm·s-1。

2 项目概况及运行效果

2.1 烟气参数

本工程为室内布置的2×800 kW 沼气发电机公用1 套余热锅炉系统配置新增加1 套SCR 系统，详细的基础设计参数见表1。从地方区域性NOx年总量控制角度，要求本项目的NOx降至50 mg·Nm-3以下，远低于国家标准150 mg·Nm-3。

表1 原始烟气参数

2.2 主要设计参数

本工程详细设计参数见表2。因发电机满负荷运行时烟气温度会超过450～480 ℃，故设计了应急降温系统，通过SCR 入口的温度变送器由PLC 控制系统与降温系统联动，控制SCR 入口烟气温度为400～450 ℃，防止高温下催化剂烧结失活。

表2 SCR 主要设计参数

2.3 系统组成

本项目由6 大系统组成，如表3所示，其中尿素制备储存系统与尿素计量分配系统整体模块化撬装见图2。

2.3.1 尿素制备、储存、计量分配系统

点击PLC 触摸屏的尿素制备按钮，电磁阀自动打开，可将PP 储罐的液位自动加水至PLC 设定的液位高度如800 mm，而后自动开启搅拌器，搅拌时长由PLC 设定且可调，初定为30 min。防止尿素投加过程扬尘，采用工业级颗粒尿素，人工缓慢加入储罐内不锈钢滤网，单袋50 kg 尿素投加溶解时间约为10 min。受电磁流量计的检测精度、喷枪流量雾化的最佳范围限制，制备的尿素溶液质量分数需低于12%。尿素溶液使用的变频防爆计量泵为1 用1 备，并配备阻尼器，以减少流体冲程的波动性。因尿素储罐布置于室内锅炉旁，室内整体温度较高，故不设置保温及伴热。尿素溶液管道和阀门为304材质，压缩空气管道、阀门及工艺水管道、阀门均为碳钢材质。

2.3.2 压缩空气、双流体喷枪系统

因本项目原厂无足余的压缩空气可用，现采用了1 套一体化的空压机-冷干机集成设备，可一键启停，见图3。空压机运行将储罐压力提升至0.8 MPa，待压缩空气缓慢使用压力降至0.6 MPa 时，空压机再行启动。空压机底部自带压缩空气储罐，需每隔3 天进行1 次人工排水。

尿素喷射和应急降温均采用双流体喷枪，雾化粒径为50 μ素，雾化距离小于3 m，雾化直径与烟道直径匹配。喷枪尾部采用耐高温金属软管分别连至液体和压缩空气气体，雾化压力为0.2～0.4 MPa，压力通过减压阀调整。考虑到发电机出口为正压系统，防止高温烟气反窜至SCR 尿素系统、压缩空气系统或急冷水系统，造成设备损坏或安全事故，各喷枪前均设置耐高温止回阀，另外各压缩空气管路如急冷系统的压缩空气始终保持压缩空气喷射状态，尿素喷枪和急冷喷枪见图4。

2.3.3 SCR 本体及PLC 控制系统

SCR 本体系统，入口内部设计了斜均流分布板和水平均布板，SCR 出口设置耐高温球阀检测口及检修人孔，因NOx排放指标要求严格，催化剂模块和SCR 本体之间采用扁铁点焊密封。SCR 入口安装温度变送器，与PLC 控制系统联动。考虑启动SCR进烟气的过程缓慢，高温烟气遇到低温的催化剂模块冷凝结成水，不可避免从催化剂门缝滴落，门缝底部设置水平倾斜接液管，汇集后接入锅炉排水系统。SCR 本体及PLC 控制系统见图5、图6。

2.4 运行效果

经检测，喷尿素前原烟气的NOx含量见图7，喷尿素后SCR 出口检测数据见图8。NOx含量为298.3 mg·Nm-3（@8.27%O2），折算后为410 mg·Nm-3（@3.5%O2），喷尿素后NOx含量为3.7 mg·Nm-3（@8.33%O2），折算后为5.11 mg·Nm-3（@3.5%O2），脱硝效率达到 98.6%。NOx含量远低于设计值50 mg·Nm-3，经从设计角度分析，本项目的为高温SCR，选取的裂化因子Ψ1=0.5 和排列因子较低Ψ2=0.5，导致催化剂体积余量较大。

3 结 论

1）厌氧沼气发电烟气工程可采用锅炉前400～450 ℃高温SCR 脱硝工艺，室内改造或室内新建项目从安全角度可采用尿素颗粒制备低质量分数如5%～12%尿素溶液，室外项目可采用氨水作还原剂，SCR脱硝效率高达98.6%，NOx可降至10 mg·Nm-3以下。

2）本系统设置了应急降温系统，可将烟气温度降至450 ℃以下，避免催化剂高温烧结失活。如能开发出450～500 ℃的脱硝催化剂，可增加厌氧沼气发电高温烟气余热锅炉的利用效率，具有一定的节能环保意义。