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浅析垃圾焚烧发电厂烟气净化中的脱硝技术

日期: 2018-03-12
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北极星环保网讯:由于新建垃圾发电厂的烟气污染物排放标准已普遍执行欧盟排放标准,本文从氮氧化物的形成、目前的脱硝技术及各个脱硝技术的优缺点。

浅析垃圾焚烧发电厂烟气净化中的脱硝技术

随着城市人口不断聚集,生活水平日益改善,生活垃圾产量随之迅速增长。如果垃圾不能得到及时而恰当的收集、运输和处理,将带来一系列的社会问题和矛盾,尤其是在人口集中的大城市,垃圾围城与城市发展的矛盾越来越凸显。垃圾焚烧技术具有占地小、垃圾减量化稳定化无害化程度高、能量利用率高以及二次污染程度低等优点,是目前国外应用比较普遍的垃圾处理方法。

近年来,人们的环保意识不断加强,由于对周围环境的影响,垃圾发电厂作为厌恶性设施产生了一定的邻避效应,为了回应社会诉求,尽量规避垃圾电厂带来的环境影响,同时顺利开展项目建设和运营,妥善处理社会关心的重点问题,各地垃圾焚烧发电厂的建造和运营标准都大幅度提高。近两年,新建垃圾发电厂的烟气污染物排放标准已普遍执行欧盟排放标准,即EU2000/76/EC。

NOx的排放标准受到了很大关注,控制更为严格。新的标准规定,新建项目按照新标准执行,已运营项目或已通过环境评级的项目按照旧标准执行到2015年12月31日,意味着自2016年1月1日起,所有生活垃圾焚烧发电厂必须全面执行新标准。这就要求所有的生活垃圾焚烧厂必须配备足够的烟气处理设施,并实现良好运营。本文着重讨论垃圾焚烧发电厂烟气净化中的脱硝技术应用。

1氮氧化物的形成

垃圾焚烧过程中,固态物质经过燃烧会变成气态物质或其他形式,可能对环境造成更大危害。垃圾焚烧过程中产生的NOx主要是指一氧化氮(NO)以及二氧化氮(NO2),其中,NO在较高温度下生成,而NO2在低温条件下较为稳定,NO在空气中能与O2或O3反应而转化生成NO2。

焚烧炉内,温度及燃烧垃圾的化学组分是决定NO生成量的主要影响因素。根据氮元素来源和生成条件的不同,NOx的来源主要分为空气中的氮(热力型NOx)和燃料中的氮(燃料型NOx)。

(1)热力型NOx是由于空气中含有的氮和氧在高温条件下相互反应而产生的。

(2)燃料型NOx,垃圾中含氮的化合物被分解并氧化就可生成。在燃烧过程中,这些含氮有机化合物受热分解产生一些低分子量的氮化物或NH2、CN、HCN、NH3等自由基,然后被氧化生成NO和水,同时,这些自由基还可以与NO反应生成N2和水。是垃圾焚烧厂脱硝的主要目标。控制燃料型NOx需要注意燃烧中的过量空气系数,其与这种类型的NOx的生成呈正比,也是垃圾焚烧发电过程燃烧控制考虑的最重要的因素之一。

(3)氮氧化物还可有另一种生成类型,即瞬时型NOx,其原理为在高温条件下,燃料中的含碳氢化合物形成挥发物,分解后生成了CH自由基,氮气与之发生反应,生成HCN和N等中间产物基团。N原子再与O2反应生成NO,部分HCN分别与O2和NO反应生成NO和N2。

这一反应过程因为其反应速度很快,仅需要60ms,故称为瞬时型NOx,受温度影响较小。由于瞬时型NOx仅在碳氢浓度十分高的燃料燃烧时才会产生,需要深度富燃的条件,对于垃圾焚烧过程来说,这种类型的NOx产量很小。

2脱硝技术

(1)SNCR技术是选择性非催化还原法(SelectiveNon-CatalyticReduction)是在烟气温度850~1100℃,在O2共存的条件下,向炉膛中直接加入氨液或是尿素等脱硝剂,将氮氧化物还原成为氮气与水。由于此法不需催化剂的作用,从而可避免催化剂堵塞或毒化问题的发生。

其去除效率受到脱硝剂与氮氧化物接触条件(如炉膛温度随垃圾特性的变化及反应时间的影响)而有很大的变化,因此喷嘴吹入口的位置必须根据炉体形式、构造及烟道形状予以确定。SNCR技术一般采用氨或尿素等作为还原剂,使用喷枪将还原剂喷入焚烧炉内高温区,将NOx分解成N2与O2,达到去除NOx的目的。

然而在发生还原反应的同时,作为还原剂的氨如果喷入太多,不能及时反应完全,就会导致一系列后续问题。比如残留在烟气中,与烟气中的HCl反应,而产生气态氯化铵,导致从烟囱排出烟气时变成白烟,部分铵盐沉积在锅炉炉壁及后端布袋除尘器上,产生腐蚀作用,同时导致其他污染物的增加,因此有的研究建议NOx去除率最好限制在50%左右。

(2)SCR选择性催化还原法脱硝技术是目前国际上应用最为广泛的烟气脱硝技术,在催化剂作用下,向温度约280~420℃的烟气,SCR技术是在催化剂的作用下,还原剂NH3将烟气中的NOx还原为N2的工艺。其反应过程一般认为是一分子NH3与一分子NO反应,会产生一分子N2,同时催化剂被还原;O2的存在可以使得催化剂重新被氧化,从而完成整个催化循环过程。这也是这种工艺被称作选择性催化还原法的原因。

选择性催化还原法脱硝技术是目前国际上应用最为广泛的烟气脱硝技术,在日本、欧洲、美国等国家地区的大多数电厂中基本都应用此技术,它没有副产物,不形成二次污染,装置结构简单,并且脱除效率高(可达90%以上),运行可靠,便于维护等优点。

(3)SNCR+SCR联合脱硝技术

由于SCR和SNCR各自具有其优点,但同时又各有不足,单独使用其中任何一种技术,均不能在脱硝效果和经济上同时满足项目要求。而SNCR和SCR并不是互斥的两套系统,相反,当两种技术同时联合使用时,可以有效中和两种技术的缺点,在投资费用和脱硝效率间找到最优平衡。

所以当要在节约投资和控制运营成本的情况下,同时保证达到超过80%的脱硝效率,还要保证低的氨逃逸率,可采取将SNCR和SCR两种工艺组合的方式,合理分配NOx脱除负荷,满足排放要求,并尽可能降低造价。由于SCR进口的NOx大部分已经被前序SNCR除去,所以SCR所需的催化剂和反应器都将变小,投资成本也将降低很多.

值得注意的是,垃圾焚烧发电项目采用SNCR+SCR联合脱硝技术时,为减少能量的投入,降低运行成本,必须尽量降低布袋除尘器出口烟气(150-190℃)的所需升温温度,应选用活性温度尽可能接近于除尘器出口温度的催化剂。

3脱硝技术可比性分析

SNCR技术较SCR系统简单,占地面积小,投资少,约为SCR工艺总投资的1/7~1/3,不需要催化剂,能量消耗少,运行成本较低,工艺改造难度较小,仅需对垃圾发电厂余热锅炉烟道加以改造即可。

SNCR工艺的脱硝效率一般情况下只有30~40%,如工艺设计达到一定要求,可达60~80%,但脱硝效率越高,要求的运行条件也就越高,且难以保证整套系统的稳定运行。对于南京江南垃圾焚烧发电项目来说,要确保稳定达标运行,仅采用SNCR脱硝工艺,是不能满足NOx的排放限值要求的。

SCR技术的脱硝效率更高,单独使用该系统脱硝效率可达到80%以上。但该工艺需要在炉外添加独立的催化脱硝系统,占地面积比SNCR系统所需的面积大。同时,燃煤火电厂使用的SCR高温催化剂的活性温度为300-420℃,如垃圾焚烧的SCR系统采用相同的催化剂,则需要将布袋除尘器出口的烟气(150-190℃)升温至320℃左右。

处理规模为500t/d的垃圾焚烧系统,其布袋除尘器出口烟气温度每提升10℃,消耗主蒸汽的量约0.95t/h,占主蒸汽量的近2%,如果将烟气温度从150℃升温至320℃,所需的主蒸汽量将达到16.15t/h,意味着要损失33%的主蒸汽,这将大大增加生产能耗,降低垃圾电厂的运行效益。所以这种高温SCR脱硝工艺不适用于垃圾焚烧电厂。

与单独使用SNCR技术相比,SNCR+SCR联合脱硝技术既可以提高脱硝效率又可以减少氨逃逸;与单独使用SCR技术相比具有药剂使用少、投资和安装费用少、反应器小、烟气脱硝控制范围大等优点。还可以显著提升烟气净化效果,特别是明显持续降低二噁英的排放量,并实现除白烟效果,且实际建设和运行成本较为可控。

因此,SNCR+SCR联合脱硝技术在经济次发达、但排放要求较高的情况下可以选用。值得注意的是,垃圾焚烧发电项目采用SNCR+SCR联合脱硝技术时,为减少能量的投入,降低运行成本,必须尽量降低布袋除尘器出口烟气(150-190℃)的所需升温温度,应选用活性温度尽可能接近于除尘器出口温度的催化剂。

工业生产的低温催化剂活性温度在160-250℃左右。使用低温催化剂系统,在布袋除尘器出口烟气温度为150-190℃的区间,不需要加热,烟气直接与还原剂混合,在催化剂的作用下,脱除NOx。而在中温催化剂的系统中,需要对烟气进行再加热,才能发生还原反应。在系统布置上要增加蒸汽预热器以及烟气-烟气换热器。

所以使用低温催化剂的建造和运营成本都更低,在脱硝效率方面,经过持续不断的研究,低温催化剂的效率与中温催化剂相比,脱硝效率相当,而使用寿命更长。

来源:科技视界;作者:古贵州,王小红,刘忠


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