垃圾焚烧电厂高效低氮烟气超低排放关键技术问题研究

中南电力设计院有限公司 王 欣 韩 亮 刘晴川 邓海文 陈 琪

1 垃圾焚烧电厂烟气中的污染物NOx 及其排放标准

目前，生活垃圾无害化处理的主流方式为生活垃圾焚烧发电。在垃圾焚烧过程中，燃烧产生的高温条件会产生大量烟气污染物，若不经过减排处理，将对环境造成不良影响。

随着技术进步，NOx 的排放限值标准不断提高。根据GB18485-2014版《生活垃圾焚烧污染物控制标准》（2014年7月1日开始实施），规定了氮氧化物的排放量上限是24h 平均低于250mg/Nm3，1h平均低于300mg/Nm3。为进一步落实习近平总书记对生活垃圾分类工作的重大指示，国家发改委、住建部在2021年5月联合发布了《“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），提出在“十四五”内加快城市生活垃圾焚烧设施的建设，并在此基础上，进一步完善城市生活垃圾的焚烧工艺，并在此基础上，进一步提升城市生活垃圾的污染治理能力。近年来，部分省市已经制订了更加严格的地方标准，例如海南省生活垃圾焚烧NOx 排放标准限值为120mg/Nm3，福建省为 100mg/Nm3，河北省为120mg/Nm3，深圳市对于新建垃圾电厂NOx 排放标准为 80mg/Nm3（日均值和小时均值）。目前燃煤电厂大气污染物排放标准中氮氧化物（NOx）含量要求不超过50mg/Nm3，为响应超低排放的要求，有些地区已经开始响应火力发电厂的NOx 超低排放要求，进一步提高新建垃圾焚烧电厂的排放要求。

2 垃圾焚烧电厂高效低氮烟气超低排放关键技术

常规烟气脱氮方法主要有两种：一种是使用低氮燃烧器，分解炉，在管路中进行分段燃烧，控制燃烧温度，改变配料方案，使用矿化剂，使熟料燃烧温度下降；二是通过对燃煤锅炉中 NOx 进行终端处理，实现对燃煤锅炉尾气 NOx 的有效控制。现在普遍采用的是“SNCR+半干法脱酸+活性炭吸附+袋式除尘器”的方法，有些对废气排放有比较苛刻的地方，还在袋式除尘器之后增加了SCR 脱氮装置。

2.1 选择性非催化还原法（SNCR）

选择性无催化还原技术（SNCR），指的是在不使用催化剂的情况下，在锅炉炉膛或旋风分离筒进口合适位置，喷射氨基还原剂，将NOx 还原为N2的一种脱氮技术。将还原剂喷射到炉内850～1100℃范围内，脱硝效果可达50%～60%。由于 SNCR 系统投资低、运行稳定、运行费用低，是当前生活污水处理厂普遍采用的一种系统，但其脱氮率低，氨氮逃逸严重。

2.2 选择性催化还原法（SCR）脱硝技术

SCR（Selective Catalytic Reduction）脱硝技术是垃圾焚烧电厂高效低氮烟气超低排放的一项关键技术。其通过在烟气中注入尿素或氨水等还原剂，并经过催化剂反应，将烟气中的氮氧化物（NOx）转化为无害的氮气和水，从而达到降低NOx 排放的目的。在SCR 脱硝系统中，催化剂通常是由钼、钒、钛等金属氧化物组成的复合催化剂。SCR 脱硝技术可以实现较高的脱硝效率，通常可达到90%以上甚至接近95%。

2.3 SNCR/SCR 联合技术

针对NOx 超低排放项目，仅设置SNCR 系统无法达到排放要求，在现有脱硝工艺基础上增设SCR 脱硝装置，是目前国内垃圾焚烧电厂主要应用的超低排放改造措施。理论上，在NOx 质量分数较低的情况下，停用SNCR 装置仅单独运行SCR装置，仍然可以实现NOx 超低排放。但是，如果将SCR 反应器分开操作，则会增加 SCR 反应器中催化剂的层数和总耗量，而催化剂的费用较贵，因此运行费用较高。所以单独采用某一种工艺，都难以达到经济效益和NOx 去除效果的要求。将SNCR 与SCR耦合应用于NOx 净化，通过对NOx 净化负载的优化配置，能够在节能与NOx 净化之间寻求最佳的平衡点。SNCR/SCR 烟气联合脱氮技术可以把 SNCR中的逸出的氨气作为SCR 的还原剂，从而实现对NOx 的有效去除。与单一SNCR 技术相比，SNCR与SCR 组合工艺因其能将NOx 主要通过SNCR 部分脱除，因此其在反应器中的应用更少，且结构更紧凑，投资与安装成本更低[1]。图1为SNCR/SCR 联合技术原理图。

图1 SNCR/SCR 联合技术原理

2.4 高分子脱硝工艺（PNCR）

针对垃圾发电日益严格的NOx 排放指标，SCR运行成本居高不下，垃圾焚烧领域技术人员开发了PNCR 脱硝技术[2]。高分子脱硝工艺（PNCR）是指利用固态高分子材料作为还原剂进行脱硝的新工艺。此类高分子材料被投入焚烧炉后，在700℃以上的高温环境中会被瞬间激活、气化，并与NOx 发生氧化还原反应将其还原成N2和H2O。固体聚合物还原剂（PCR）是一种以高效还原活性的功能聚合物材料为主体成分的固体粉末混合物，包括了功能聚合物还原材料（CnHmNs）、乳化剂、分散剂、缓释剂和渗透剂，以及由氧、镁、铝、硅、硫、钙、钡、锰和稀土元素等化合物构成的催化剂及其助剂。

PNCR 脱硝剂的脱硝效率较高，温度窗口在850～900℃，低于 SNCR 的温度窗口，与垃圾焚烧锅炉内温度水平更匹配。由于 PNCR 和SNCR 的温度窗口不冲突，因此可以在垃圾焚烧炉应用SNCR脱硝技术的基础上增设 PNCR 工艺，两者同时运行以实现超低排放。

2.5 其他脱硝方法

除了采取还原的方法将NOx 还原为N2，达到脱硝目的之外，还可以使用氧化脱硝的方式，即利用一些脱硝药剂的氧化作用，把不可溶的低价态的氮氧化物氧化成可溶的高价态的氮氧化物，通过洗涤吸收去除。臭氧氧化脱硝，即将烟气中不溶于水的NO 和难溶于水的NO2氧化成易溶于水的N2O5，并与浆液快速反应，从而不可逆地脱除了NOx。

结合现有脱硝技术，本文提出采用SNCR+臭氧（O3）辅助低温SCR 联合脱硝系统来满足氮氧化物超低排放标准，该方法可协同脱硫脱汞，旨在实现更高效、更经济的NOx 排放控制。SNCR+臭氧（O3）辅助低温SCR 联合脱硝系统是一种结合SNCR 技术、臭氧预氧化技术和低温SCR 技术的脱硝方法。该脱硝工艺技术路线为：SNCR →臭氧氧化（180℃→150℃）→干法脱酸→布袋除尘器（150℃）→SGH（150℃→180℃）→SCR 反应器（180℃）→引风机。该系统主要由SNCR 反应器、臭氧－氨水系统和低温SCR 反应器组成，其中SNCR 反应器负责在炉膛上部的高温区将NOx 还原为N2；臭氧辅助是利用臭氧强氧化性将NO 氧化成易溶于水的NO2、N2O3、N2O5等高价氮氧化物。同时，将烟气中SO2氧化成高价SO3，将烟气中零价Hg 氧化为Hg2+，可实现在碱性吸收洗涤塔中同时脱除NOx、SO2、Hg2+，达到同时脱硫脱硝脱汞的目的；最后经低温SCR 反应器进一步处理剩余的NOx，将其还原为N2，最终实现更低的NOx 排放。臭氧氧化作为新兴脱硝脱硫脱汞一体化处理工艺，与SNCR 和SCR 反应器联用，不仅可以减低低温SCR 催化剂中毒风险，而且能满足更为严苛的氮氧化物排放标准。

3 SCR 脱硝工艺中低温催化剂技术

3.1 中低温催化剂特点及对比

对于垃圾焚烧行业，SCR 脱硝技术按照最佳反应温度一般分为中温和低温催化剂，反应温度分别是210±30℃和150～180℃。低温催化剂技术在垃圾焚烧电厂的应用，可以有效降低烟气中的氮氧化物排放，达到高效低氮烟气超低排放的要求，然而该技术的实施需要考虑催化剂。

催化剂为SCR 系统的关键材料，在垃圾焚烧、钢铁烧结采用的超低温催化剂最多的就是锰基催化剂[3]。目前低温脱硝SCR 技术在国内采用的主要还是钒钛基催化剂，以TiO2为载体，V2O5为活性物质，但问题是当催化剂长时间运行后会生成硫酸氢铵，发生催化剂堵塞失活的现象，如果在高温下就不易发生堵塞现象。

SCR 低温催化剂蜂窝结构一般为30孔或40孔，与常规SCR 催化剂比较（蜂窝结构一般为18孔～24孔），比表面积更大，接触反应效率更高。目前，国内大型垃圾焚烧发电项目大部分选择进口催化剂，主要有日立造船、奥地利Ceram 和美国康宁等。根据笔者的工程咨询经验，目前，国产催化剂在平均使用寿命、脱硝指标和使用可靠性方面与进口品牌仍有一定的差距。在同样脱硝效率下，不同的设计烟气温度对催化剂用量影响较大，当进口烟气温度180℃时，催化剂用量比进口烟气温度210℃的催化剂用量增加近40%。本文从一个具体的项目实例来看，中温SCR 工艺与低温SCR 工艺的造价差异，主要在于换热设备的级数和加热温度的高低，以及催化剂用量和造价上；在中、低温SCR 工艺中，对烟道的加热所需要的水蒸气消耗相当，而在运行费用上的差别，则是为了克服系统的阻力而产生的电力消耗和置换催化剂的花费[4]。脱硝催化剂的使用寿命与烟气中的温度、水分、粉尘及SOx含量等相关，使用温度越低，烟气中的硫酸铵盐、碱金属等越容易沉积在催化剂上，导致其失效并缩短其使用时间。因此，虽然中温催化脱硝工艺工程需要消耗更多的能源，但是中温催化剂的费用要低于低温催化剂，且其用量和使用的时长都大于低温催化工艺，因此其造价和运营费用都低于低温SCR 技术。

3.2 SCR 脱硝低温催化剂技术展望

垃圾焚烧厂废气的烟气温度通常为150℃，而中温甚至更低的催化材料，还必须设置加热和换热装置，这就造成了大量的水蒸气消耗，或是操作能耗很高，发电损耗和经济损耗依然很大，操作费用很高[5]。因此，要解决这一问题，关键是要把脱氮催化剂的反应温度降到150℃以下。而150℃的低温脱氮工艺，则完全避免了加热器和换热器的损耗，使操作费用降到了最低。综合考量，“SNCR+低温脱氮（150～180℃）”工艺在提高 NOx 处理效果、降低运行成本和占用场地等诸多因素，将是未来垃圾焚烧工业 NOx 处理技术的发展趋势。

针对目前低温SCR 脱硝催化剂存在的问题，以提升其催化活性及耐硫耐水性为目标，采用元素掺杂、改变催化剂载体等技术途径，对其进行了深入研究。目前常用的催化剂类型包括钒钛催化剂、铁铬催化剂、铜铬催化剂等。钒钛催化剂是应用最为广泛的一种，具有良好的脱硝效果和稳定性，但也存在成本较高的问题。在低温SCR 脱硝催化剂技术中最重要的就是催化剂的开发，催化剂需要具备高活性、良好的稳定性和选择性，能够在低温条件下高效催化氮氧化物转化，同时抵抗烟气中的干扰物质，如有机物和硫。将 SCR 装置置于温度较低、粉尘较少的区域，不仅节能而且可以减少催化剂的损耗，但是由于硫酸氢铵盐的生成会导致催化剂更容易中毒和失去活性。

当前Mn 基、Ce 基等低温复合催化剂已经达到了高效脱硝和低氨逃逸的目标，并且正在迅速发展，接下来如何减少催化剂成本、保证催化剂长时间稳定性是研究重点。

在垃圾焚烧电厂实现高效低氮烟气超低排放的过程中，SNCR、SCR 脱硝技术、PNCR 及其联合运用脱除等关键技术起着重要作用。另外本文提出SNCR+臭氧辅助低温SCR 联合脱硝工艺技术不仅能实现高效低氮排放，还为实现脱硝协同脱硫脱汞一体化去除和延长低温SCR 催化剂使用周期提供了对应解决思路。这些技术的应用可以有效降低烟气中的污染物排放浓度，保护环境和人类健康。