焚烧烟气的氮氧化物污染控制技术

赵凤，武志飞，陈嘉树

（北京京城环保股份有限公司，北京 100027）

固体废物焚烧会生成大量的污染气体，氮氧化物（NOx）就是重要的污染成分之一。根据《危险废物焚烧污染控制标准》（GB 18484—2020）[1]和《生活垃圾焚烧污染控制标准》 （GB 18485—2014）[2]中的要求，危险废物、生活垃圾和干化污泥焚烧设施烟气中NOx排放浓度限值为300 mg/m3（1 小时均值）和250mg/m3（24 小时均值）。由于各地区环评及地方政策的影响，新建项目往往需要执行更为严格的地方排放标准，如深圳市的《生活垃圾处理设施运营规范》 （SZDB/Z 233—2017）[3]要求焚烧设施排放烟气中NOx小时均值与日均值均需在80mg/m3以下。为了使焚烧尾气达标排放，需控制NOx生成量，同时在尾气处理工艺中配置脱硝系统。

我国脱硝市场庞大，脱硝作为传统技术在燃煤发电、生活垃圾、危险废物以及污泥焚烧领域均有广泛应用。随着环保政策的日趋严格，NOx污染控制技术不断取得新发展。

1 NOx 种类及生成

大气中NOx通常包括N2O、NO、N2O3、NO2、N2O4和N2O5，工业废气中的NOx主要是指NO 和NO2。从燃烧系统中排出的NOx90%—95%以NO 的形式存在，其余主要为NO2。NO 不稳定，可以分解为N2和O2，也可以进一步氧化为NO2，但由于NO分解需要较高活化能，反应速率缓慢，故NO 经过烟囱排放后，在大气环境中会被氧化为NO2，因此工程中通常按照NO2估算NOx量。燃烧过程中，NOx的形成主要分为三类，分别是燃料型NOx、热力型NOx和瞬时NOx，三种NOx的生成比较见表1。

表1 燃烧过程中三种NOx 的生成比较

实际燃烧过程中NOx的生成包含了许多其他反应，但以表1 中NO 生成反应为主，其他因素会影响NO 的生成量。燃烧过程中，三种NOx里瞬时NO 的生成量最少，而且目前没有任何简化模型可预测其生成量，故通常忽略计算。燃料中的氮氧化成NO 的过程是一个低活化能反应，转化率高、反应快速，而且受温度影响较小，生成量稳定可估算。热力型NO 的生成量受温度影响很大，在温度低于1000K 时，几乎没有NO 生成（或生成后转化为NO2），在1000K 以上，热力型NO 生成量迅速攀升并远超燃料型NO[4]，为控制这部分NO，燃烧过程的温度和时间至关重要。

2 低氮燃烧技术

控制NOx的排放技术主要分为两类，即源头生成控制和尾气脱硝处理。低氮燃烧技术属于源头生成控制，主要针对物料焚烧过程中燃料型和热力型NOx，其主要的控制参数包括燃烧温度、火焰区烟气停留时间、烟气各组分浓度及混合程度[5]。控制技术包括：

（1）低氧燃烧技术。降低燃烧的空气过量系数，避免物料在富氧环境中燃烧，可以降低NO 的生成，同时可以降低焚烧炉的热损失，提高焚烧效率。

（2）烟气循环燃烧技术。采用烟气再循环措施，将燃烧后冷却的部分烟气再循环至燃烧区，降低燃烧区温度并稀释助燃空气中的氧气浓度，起到减少NO生成量的效果。

（3）分区段燃烧技术。该技术可应用于焚烧炉或燃烧器的设计，物料先在一个低氧区段进行燃烧，此时助燃空气略低于焚烧理论空气量，再在该区段外围供入过剩空气，形成二次焚烧区，将燃料燃尽，可同时降低燃料型和热力型NOx的生成。

（4）空气/燃料分级技术。将空气和辅助燃料分级送入焚烧炉，使炉内一次火焰区下游形成低氧还原区，燃烧产物通过此区时，部分NOx会被还原成N2。

工程实践中，往往是几种低氮技术的组合，比如污泥干化焚烧处理采用流化床焚烧炉，炉膛温度维持在热力型NOx合成温度以下，再配合低氮燃烧器，从而保证整个焚烧系统的低NOx生成量。

3 烟气脱硝技术

对于焚烧烟气中的NOx，通常采用选择性非催化还原反应（SNCR）和选择性催化还原反应（SCR）两种净化技术，碱液化学吸收和吸附剂物理吸附虽然也能够去除该类污染物[6]，但存在效率低、工艺繁复、投资成本高、设备庞大等问题，工程应用并不常见。

3.1 SNCR 脱硝

SNCR 为无催化剂参与NOx的还原反应，过程是以尿素或氨基化合物作为还原剂将NO 还原为N2，反应通常以炉膛或者靠近炉膛出口的烟道为反应空间。SNCR 脱硝主要的化学反应为：4NH3+6NO 5N2+6H2O。

SNCR 系统对于反应温度十分敏感，需要谨慎设计选择还原剂在焚烧炉、锅炉或烟道的喷入点。反应温度需维持在850℃—1050℃，如果温度过低，将造成NO 还原效率的下降，同时未参与反应的氨会成为烟气中新的污染组分；如果温度过高，则氨的氧化反应将占主导。主要化学反应为：4NH3+5O24NO+6H2O，4NH3+3O24N2+6H2O。

SNCR 脱硝系统简单、投资小、建设快、对现有工艺布局影响小、节省空间，但根据工程实践，SNCR 对NO 的还原率较低，通常在30%—60%（更高的效率需要消耗更多的还原剂），具体反应效率取决于烟气温度、停留时间、还原剂类型和过量系数、混合效率以及NOx的含量等。SNCR 脱硝系统通常包含脱硝剂储存输送系统、炉前计量喷射系统和监测控制系统。以3000Nm3/h 烟气量（温度1100℃、NOx含量500mg/Nm3）焚烧烟气脱硝处理工艺为例，尿素法SNCR 系统所含功能模块见表2。

表2 某项目SNCR 系统组成及功能

3.2 SCR 脱硝

SCR 为有催化剂参与NOx的还原反应，整个过程是以尿素或氨水或液氨作还原剂，在含有催化剂的反应器内NOx被还原成N2和H2O。氨法SCR 与尿素法SCR 的区别在于，后者需要配置分解室并保证尿素分解所需的混合时间、驻留时间和温度。催化剂的活性材料通常由贵金属、碱金属氧化物和沸石等组成。催化反应活性受温度影响，而且不同组分的催化剂要求的反应温度也不同，通常最佳温度为180℃—400℃。提高温度能够促进NOx的催化还原，并完成催化剂再生，但长期温度过高，会破碎催化剂内部微结构，而且氧化反应会变得活跃，从而导致NOx转化率的下降。

NOx选择性还原反应：4NH3+4NO+O24N2+6H2O， 8NH3+6NO27N2+12H2O

氨的潜在氧化反应：4NH3+5O24NO+6H2O，4NH3+3O24N2+6H2O

根据工程实践，SCR 系统对NOx的催化还原率为60%—90%，甚至更高，保持催化剂活性和避免氨逃逸是SCR 工艺设计和操作中的关键因素。为了延长催化剂使用寿命，工艺上需降低烟气中的粉尘含量，同时尽可能避免SCR 系统内的氨逃逸问题。逃逸的氨会造成脱硝效率下降，且会与烟气中的硫氧化物反应生成硫酸铵，硫酸铵微粒附着在催化反应器及下游设备内会造成催化剂活性降低和设备腐蚀，活性降低的催化剂又会进一步导致SCR 系统的氨逃逸现象。事实上，对于新的催化剂，氨逃逸量很低，但随着催化剂失活或者表面被飞灰附着，氨逃逸量就会增加，为了维持工艺所需的NOx脱除率，就必须增加反应器中NH3/NOx摩尔比。催化剂在SCR 系统的投资费用中占比较大，通常为了保持较高的反应活性，催化剂使用寿命不超过5 年。

SCR 脱硝系统包括还原剂存储、计量分配系统、喷射系统、反应器系统、烟气系统、检测控制系统等。以20 000Nm3/h 烟气量（温度40℃、NOx含量300mg/Nm3）焚烧烟气脱硝处理工艺为例，氨法SCR系统所含的功能模块见表3。

表3 某项目SCR 系统组成及功能

3.3 SNCR 与SCR 的对比

SNCR 脱硝与SCR 脱硝工艺的对比情况见表4。

表4 SNCR 脱硝与SCR 脱硝对比

由于SNCR 的建设和运行成本较低，通常在低NOx含量的烟气脱硝工艺中优先考虑SNCR 工艺，在高NOx含量的烟气脱硝工艺中采用“SNCR+SCR”的组合工艺。

4 结语

NOx污染控制主要依靠源头生成控制和尾气脱硝处理，前者以低氮燃烧技术为代表，主要控制其中的热力型NOx和燃料型NOx，后者以SCR 和SNCR 为代表。SNCR 建设成本低、脱硝效率低，SCR 投资运行成本高、脱硝效率高，我国烟气脱硝市场庞大，通常低NOx含量烟气采用SNCR 工艺，高NOx含量烟气采用“SNCR+SCR”组合工艺。