垃圾焚烧中氮氧化物处理SNCR技术的优化和效率提升

＊周柏年 何言丽 周正新 桂超 陶京龙

（1.桂林理工大学环境科学与工程学院 广西 541000 2.皖西学院环境与旅游学院 安徽 237000 3.郑州荥锦绿色环保能源有限公司 河南 450000 4.皖西学院金融与数学学院 安徽 237000）

1.背景

在现阶段，我国在垃圾处理方面的最优解决方案仍然是垃圾焚烧发电技术，在垃圾焚烧过程中，极易产生大量硫氧化物、氮氧化物等酸性气体，以及重金属、有机剧毒污染物二噁英等严重有害气体，这些有害气体无论对环境还是对人体都会有严重影响，这就迫使世界各国根据排放因子对环境、大气和人体的影响程度，制定了相应的排放标准。当然，在环保排放标准严格达标基础上，如何节省成本，是每一个垃圾焚烧发电企业必须考虑的问题。为此本文利用某垃圾焚烧发电厂原有SNCR技术，在不增加投资的前提下进行技术优化和运行优化，不仅大大提高了SNCR脱硝效率，同时达到了当地政府制定的优于欧盟、优于国家的NOx排放标准，也为我国垃圾焚烧发电厂提供了一定参考。

2.垃圾焚烧发电厂烟气脱硝技术现状

目前垃圾焚烧行业脱氮工艺主要有SCR技术、SNCR技术及低氮燃烧工艺的运用。

（1）SCR脱硝工艺。SCR是一种选择性催化还原技术，它通过使用催化剂，在烟气中与NOx发生化学反应，产生氮气和水，从而达到净化烟气的目的[1]。

（2）SNCR脱硝工艺。SNCR即选择性非催化还原法，其原理是，在不使用催化剂的情况下，NOx在一定温度范围内被NH3还原[2]。

（3）传统低氮燃烧工艺。传统低NOx燃烧技术通常分为以下几类：空气分级燃烧、燃料分级燃烧、烟气再循环、低NOx燃烧器等。在采用低氮燃烧技术后，NOx含量降低，但是CO含量增加，难以实现CO与NOx含量都达到降低的效果[3-6]。

3.三种类型的氮氧化物生成

在日常生活中氮氧化物的生成主要有热力型、燃料型和快速型。

（1）热力NOx。热力型是氮气和氧气在高温下直接生成氮氧化物，不过一般氮气和氧气直接生成氮氧化物的温度需要1200℃以上，除了煤粉炉火焰中心温度高于此温度外，一般垃圾焚烧炉很难达到此温度。

（2）快速温度NOx。此种类型氮氧化物生成类型只有当碳氢化合物CH较多且氧浓度相对较低时，才会发生快速温度NOx，并且其产生量非常小，通常低于NOx总排放量的5%。不过在锅炉运行中，这种方式生成氮氧化物的几率比较小。一般不做重点讨论。

（3）燃料NOx。由于垃圾焚烧发电厂都是以生活垃圾为主要燃料，燃料中的氮通常以氧原子的状态与各种碳氢化合物相结合，形成环状化合物或链状化合物，如氮苯C5H5N、芳香胺C6H5N2等，与空气中的氮相比，其结合键能较小。燃烧过程中容易分解，通过氧化反应生成大量的NOx，称为燃料NOx，我们垃圾焚烧炉氮气的产生主要是此燃料型生成氮氧化物[7]。

4.SNCR脱硝技术的运行优化

经调查，该厂曾经治理氮氧化物的方法时将氨水浓度调在7%左右、氨水喷入处的温度在800℃左右。此治理方式实施过后的NOx排放数据依然超标，于是对此进行思考见表1。

表1 河南省脱硝控制指标

污染物治理需要将经济性和处理效果统筹考虑，对于垃圾焚烧炉炉温难以达到热力型生成氮氧化物的温度，垃圾焚烧炉氮氧化物的生成主要是燃料型，所以垃圾焚烧电厂氮氧化物的排放治理需要从以下几个方面考虑。

(1)运行控制

①减少燃烧的过量空气系数，从而降低氮元素和氧气结合的几率。

②控制燃料与空气的前期混合，也就是说前期要有一个缺氧燃烧区域，对于循环流化床垃圾焚烧炉来说，在不影响流化的情况下控制一次风量，同时对各层二次风分层调控尽可能达到分级燃烧的效果。有条件的情况下，降低密相区送入空气的氧浓度。

③提高入炉的局部燃料浓度，也就是说在密相区形成严重缺氧燃烧区域。

(2)SNCR脱销工艺运用优化

目前河南该垃圾焚烧发电企业所使用的脱硝工艺是SNCR，并且是运营近二十年的老厂，如果重新考虑脱硝工艺，那么不仅投资大，并且运营成本高，这会造成企业巨大的经营压力，为此研究和优化原有SNCR脱销工艺意义重大，经过多方研究和反复论证，从以下几个方面进行了实质性的思考和试验，得出相关结论。

①现在通用的SNCR脱硝使用的是氨水，氨水脱硝率的提高与氨水浓度和炉膛温度有关。

②浓度越高，氨水反应速率越大，脱硝效率越高。

③炉膛温度越高（但是温度大于1200℃，会导致热力型氮氧化物生成），氨水分子活性越大，氨水蒸发和扩散加快，反应速率提高，脱硝效率提高。一般实验表明，当炉膛温度大于850℃时，化学反应速度明显加快，当炉膛温度达到900℃左右时，氮氧化物的消减率达到最大。

④足够的停留时间，一般氨或尿素与烟气混合、水的蒸发、还原剂的分解和氮氧化物的还原等步骤全部完成，需要0.5s。一般反应时间≥0.5s时，SNCR脱硝效率可达到80%左右。

⑤还原剂脱硝效率与烟气含氧量的关系，一般从还原剂（氨、尿素）特性看，氨脱硝最佳烟气含氧量在1%，尿素脱硝最佳烟气含氧量在6%，这也与运行中控制过量空气系数相一致。由于实际运行中CO的控制，所以在炉内含氧量一般偏大，取2%～3.5%。

⑥氨水喷入量和喷枪的雾化效果对脱硝效率的影响。一般理论上1mol氮氧化物需要1mol氨，但考虑实际工况需要，一般取氨/氮摩尔比为2.2为最佳，大于此值脱硝效率变化不大反而使氨逃逸增加。

⑦SCR是单纯利用SCR反应器来进行脱硝，后加一个脱硝反应器，反应器中包含有催化剂。有很多的电厂为了保证脱硝效果，采用SNCR+SCR耦合来进行脱硝，这样可以保证在点炉的时候在烟气温度比较低的时候，仍然实现氮氧化物不超标。但是此方法投资大，成本高，一般SNCR能够达到的脱销效果就不在使用此方法。

5.SNCR研究、优化及应用的结果与分析

我们在2020年11月份开始实施此治理措施，通过对以下几张图的观察可以发现，自此治理措施实施后的一段时间内，氮氧化物的排放数据急剧下降，并且稳定在一个较低的水平，相比于以前，对于环境的危害大大改善。

通过对该厂四个锅炉实施治理措施前后的排放数据对比可以发现：

锅炉1的NOx折算浓度在改善前6分钟内平均每分钟的NOx的折算浓度为166.15mg/m³，改善后为64.59mg/m³，可以发现有了明显下降见图1。

图1 改善前后锅炉1实时监控

锅炉2的NOx折算浓度在改善前6分钟内平均每分钟的NOx的折算浓度为139.33mg/m³，改善后为27.62mg/m³，可以发现有了明显下降见图2。

图2 改善前后锅炉2实时监控

锅炉3的NOx折算浓度在改善前6分钟内平均每分钟的NOx的折算浓度为253.21mg/m³，改善后为60.92mg/m³，可以发现有了明显下降见图3。

图3 改善前后锅炉3实时监控

锅炉4的NOx折算浓度在改善前6分钟内平均每分钟的NOx的折算浓度为259.63mg/m³，改善后为72.16mg/m³，可以发现有了明显下降见图4。

图4 改善前后锅炉4实时监控

综上所述，可以发现SNCR脱硝技术通过优化和实施治理措施后，各个锅炉的NOx折算浓度均有明显下降，并且对于氮氧化物的削减率更高。

6.总结

综上所述，为实现可持续发展战略，我们应当深入研究垃圾焚烧发电厂烟气脱硝处理技术，提高效率，最大限度地减少垃圾焚烧发电厂排出废气中氮氧化物的含量，节约投资和成本。我们通过改善其运行过程中的温度、氮氧结合律及脱硝工艺，在为期一年的观察期内发现NOx的排放有了明显改善，也证明这种改良方法是一种可行的值得推广的方法，在未来火电厂发电的行业中具有良好的前景。