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生活垃圾焚烧烟气脱硝工艺选择及案例分析

发表时间:2021-01-07 08:20
文章附图

做好垃圾处理工作对于改善城市环境质量,对提升城市居民的生活品质有着重要的作用。烟气脱硝环节有着一定的复杂性、系统性,当前要加强对烟气净化系统的研究与应用,借助脱酸系统、布袋除尘器系统以及相关的喷射装置、喷水系统、电气自控系统,提高烟气脱硝效果,改善城市形象。


1 烟气脱硝工艺简介及对比


目前进入工业应用的成熟的热力电厂烟气脱硝技术主要包括 SCR、SNCR 和 SNCR/SCR 联用技术。


1.1 SNCR 脱硝技术


SNCR 是一种选择性的非催化还原脱硝技术,即在炉温850~1100 ℃的区域内注入 NH3、尿素和其他还原剂,还原剂迅速热分解为 NH3和 NOx并与烟气中的 NOx进行选择反应。NOx还原为 N2和 H2O,该方法基于炉子或炉子反应器,该过程简单易操作。反应原理:



还原 NO 所依赖的化学反应效率取决于 NO 烟气温度,高温下的停留时间,包括还原剂注入的类型和数量,混合效率和氨化合物中 NOx的含量等。SNCR 方法使用尿素、CO(NH2)2作为还原剂。它将尿素水溶液注入负载有 NOx的燃烧产物的路径中。尿素热分解产生化学物质,该化学物质与 NOx反应形成氮、二氧化碳和水。


1.2 SCR 烟气脱硝技术


SCR 反应堆应采用钢结构,钢结构设计应符合 GB 50017的要求;SCR 反应器的总体结构设计应充分考虑第一催化剂入口烟气流量偏差,烟气流量偏差,烟气温度偏差和 NH3/NOx摩尔比偏差的影响,应符合 GB/T 21509—2008 规定。SCR 反应器的设计流量应满足压降要求,一般在 5—10 m/s 之间;SCR 反应器应能适应生物质电厂锅炉的各种运行条件以及负荷变化和启停要求;SCR 反应器主体可以支撑或悬挂。采用支撑方式时,应充分考虑 SCR 反应器内部结构的温差应力和支架热膨胀引起的承重钢框架的水平推力。


SCR 反应器的进、出口应设有补偿器,以吸收自身的轴向位移、径向位移、角位移和振动;SCR 反应器中的催化剂一般装有一层或两层初始催化剂,可以保留备用催化剂层;SCR 反应器应设有足够尺寸和数量的检修门,并设有必要的烟气采样口;SCR 反应器应配备催化剂装置的安装、维护和更换所必需的升降装置和平台。


1.3 SNCR/SCR 联用技术


SNCR/SCR 组合技术是指在烟气工艺中安装 SNCR 和 SCR设备。在 SNCR 部分注入液氨等作为还原剂,以部分去除 SNCR装置中的 NOx;在 SCR 段中,通过 SNCR 工艺逸出的氨气在SCR 催化剂 H2O 的作用下将烟道气中的 NOx还原为 N2。SNCR/SCR 组合工艺系统很复杂,脱硝效率通常仅为 50%~70%。


1.4 烟气脱硝技术


对比三种烟气脱硝技术的综合比较见表 1。SCR 减少 NOx的优势:适用于大规模减少 NOx-高达 90%;提高柴油发动机的燃油经济性;可用于包括工业和市政工厂在内的各种系统中;可以与柴油机微粒过滤器(DPF)一起使用,以减少柴油机中的微粒排放;该设置易于安装。SCR 减少NOx的缺点:未注入的氨可能由于过量注入而漏出 SCR 催化剂(氨漏出);还原所需的催化剂更换昂贵;催化剂容易被燃烧气体中的化合物污染。


表1烟气脱硝技术比较


SNCR 减少 NOx的优势:该设置易于安装;与 SCR 相比,资本和运营成本相对较低;节省昂贵的催化剂更换费用;大型锅炉机组中的组件改装相对容易,停机时间很少。


SNCR 减少 NOx的缺点:需要狭窄的温度范围才能有效减少 NOx;不适合大规模减少 NOx;由于安装组件的空间考虑,很难在较小的锅炉单元中改装组件;容易发生氨泄漏,导致意外的 NOx排放。


成本:与简单减少 NOx的方法(例如低 NOx燃烧器(LNB)和 Overfire 空气(OFA))相比,SCR 和 SNCR 技术都具有相对较高的运营和资本成本,但它们的效率受到高度青睐。由于催化剂规格的原因,SCR 比 SNCR 贵,但在效率方面可以弥补。效率:SCR 和 SNCR 技术都需要使用试剂来还原 NOx。但是,SNCR 在注入试剂时需要更高的烟气温度。SCR 污染控制所去除的 NOx量(约 90%)比 SNCR(30%~70%)要大得多,使其成为大规模减少工业和市政工厂的最佳选择。符合排放控制法规:虽然减少 SCRNOx的初始投资要比 SNCR 大,但从长期来看,它更具成本效益,并且与未来预计的更大程度的减排相兼容。SNCR 是小规模,短期减少 NOx的理想选择,并且可能无法确保符合未来法规。


随着中国环境保护的努力,越来越多的电厂安装了脱硝装置。目前,国内主流脱硝技术包括选择性催化还原(SCR),选择性非催化还原(SNCR)和 SNCR/SCR 混合脱硝技术等。每种技术在诸多因素的影响下各有优缺点。作为经济、技术、环境保护,有些因素是定性的,有些是定量的,因此,如何科学合理地评价脱硝技术一直是一个难题。但是在中国,科学地优化脱硝技术不仅有利于脱硝装置的推广,而且在制定脱硝价格方面起着重要作用。合理的脱硝技术优化对脱硝价格的制定和电力工程建设起着至关重要的作用。对比表明,脱硝技术优化组合具有实用价值。结果表明,选择性催化还原(SCR)方法优于 SNCR/SCR 混合脱硝方法,而 SNCR/SCR 混合脱硝方法优于选择性非催化还原(SNCR)方法。这符合当今脱硝技术的实际应用。


2 案例分析


位于广东省梅州市丰顺县五斗种的资源热力电厂项目,其设计规模为生活垃圾日处理量 600 t,配置了 2 台 300 t/d 的机械炉排焚烧炉,同时还配置了 1 台 15 MW 汽轮发电机组。本项目采用现行国家推荐的最常用于生活垃圾焚烧烟气处理工艺,焚烧后产生的烟气,经“SNCR 系统+半干法+活性炭吸附+布袋除尘”组合方案加以处理,并在系统内预留加氨分解脱除 NOx的措施。烟气在达到《生活垃圾焚烧处理污染控制标准》(GB 18485—2014)及环评报告批复的标准要求后,经烟囱排放。


3 案例脱硝工艺研究


项目在进行烟气净化系统的设计与建设中,主要使用的是 SNCR 系统烟气脱硝技术。SNCR 法不需要催化剂,在高温800~1000 ℃条件下,直接向炉膛内喷射还原剂 (尿素或氨水),将 NOx还原为 N2。目前国内垃圾焚烧电厂已有成功运行的实例,均能将 NOx 的浓度控制在 200 mg/Nm3以内。


氨水作为还原剂脱硝的反应机理如下:



尿素作为还原剂脱硝的反应机理如下:



尿素作为还原剂同时会发生如下副反应:



尿素与氨水相比,作为脱硝还原剂主要存在以下不足:尿素会产生笑气 N2O,N2O 的温室气体效应是 CO2的 250 倍;尿素会形成异氰酸,对锅炉管道有强烈腐蚀;尿素易于在管道和储罐中沉淀,设备管道的维护成本将会增加;当尿素用作还原剂时,氨的逸出率相对较高。使用尿素不能达到非常低的 NOx排放值;尿素在处理不稳定的烟气条件方面不如氨有效;它比氨水高,特别是对于燃烧热值低的废热锅炉(例如垃圾焚烧锅炉),很难满足尿素所需的最佳温度。


虽然氨水的缺点是贮存时有气味泄露,防火防爆要求高,但综合考虑脱硝的效率及对锅炉的安全性,本方案采用氨水作为 SNCR 还原剂。


反应物通过安装在锅炉墙上的喷嘴注入的,喷嘴布置在合适的区域的,炉膛上部及对流部分。喷射混合反应物和烟气,锅炉的热量为化学反应提供能量。


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