[SNCR在城市生活垃圾焚烧发电厂中的应用] 城市生活垃圾发电在我国应用的前景
时间：2019-05-17 03:14:14 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘?要 国内城市生活垃圾焚烧发电厂烟气排放标准越来越严格，很多地区都执行了欧盟2000的排放标准。为了达到这一标准，本文详细介绍了SNCR还原NOx的原理和系统结构及该系统在工程设计中应该注意的问题。
关键词 城市生活垃圾焚烧发电厂；烟气净化；NOx；SNCR
中图分类号 TM621 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)052-0144-02
根据《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GWKB3-2000），生活垃圾焚烧发电厂烟气中氮氧化物的排放浓度为400 mg/m3，但随着人们对环保要求的不断提高，很多经济发达及人口密度高度集中的地区，如北京、上海、广州等城市，都要求生活垃圾焚烧发电厂的烟气氮氧化物排放浓度执行欧盟2000的标准，即排放浓度需达到200 mg/m3。依照传统的生活垃圾焚烧发电厂控制NOx的3T+E燃烧技术，即合理的停留时间（Time）、炉膛燃烧温度（Temperature）、炉膛空气湍流度（Tempest）及过量空气系数（Excess air ratio），NOx的浓度可控制在
300 mg/m3-400 mg/m3。如果要达到欧盟2000的标准，则必须采用另外的措施来减少NOx的排放浓度。选择性非催化还原（SNCR）技术，装置简单、设备投资及运行维护费用低、操作方便、是目前新建城市生活垃圾发电厂中经常采用的一种脱硝措施。
1 SNCR的脱硝原理
选择性非催化还原（SNCR）脱除NOx技术是把含有NHx基的还原剂（如氨水、尿素等）喷入炉膛烟气温度为850℃-1?100℃的区域，在O2共存的条件下，该还原剂迅速热分解成NH3和其他副产物，随后NH3与烟气中的NOx进行SNCR反应而生成N2。
采用NH3作为还原剂，还原NOx的化学反应方程式主
要为：
4NH3+4NO+O2=4N2+6H2O
同时，还发生如下反应：
4NH3+5O2=4NO+6H2O
4NH3+3O2=2N2+6H2O
采用尿素溶液的化学反应原理为：
2（NH2）2CO+ H2O→NH3+CO2
4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O
SNCR的反应机理非常复杂，目前仍未能完全了解，多数学者认为NHx基还原剂按图1所示的途径反应。
SNCR技术由于不使用催化剂，要达到NO和NH3反应所需的活化能，需要适合的温度窗口，一般认为理想的温度范围为800℃-1?100℃，并随反应器的类型的变化而有所不同。当反应温度低于800℃时，NH3的反应速率下降，NOx还原率较低，同时氨的逃逸量增加；但当温度高于1?100℃，NH3的氧化反应开始起主导作用：
4NH3+5O2→4NO+6H2O
从而，NH3的作用成为氧化并生成NO，而不是还原NO为N2。总之，SNCR还原NO的过程是上述两类反应相互竞争，共同作用的结果。如何选取合适的温度条件同时兼顾减少还原剂的逃逸成为SNCR技术成功应用的关键。
2 SNCR系统结构及其影响因素
2.1 采用氨水为还原剂的SNCR系统
喷射氨水的SNCR脱硝系统由氨水卸载、存储、计量、分配及氨水泵等构成，其流程图详见图2。采用氨水系统时，生活垃圾焚烧发电一般选择的氨水浓度在8%-25%之间，通过氨水泵以
0.3 MPa-0.7 MPa的压力加入炉膛内。
2.2 采用尿素为还原剂的SNCR系统
采用尿素维还原剂的SNCR系统，主要由尿素溶液制备、存储系统、尿素溶液在线混合、稀释系统和喷射系统三部分组成，详见图3。尿素溶液配置、储存系统是为了实现尿素储存、溶液配制的功能，袋装的尿素颗粒通过人工投入到溶解池中，溶解池设置有搅拌器和加热器，以便有效地溶解尿素颗粒。配置好的溶液（浓度一般为40%）由尿素溶液输送泵输送到尿素溶液存储罐缓存。当SNCR就地控制系统接收DCS发送过来的指令，尿素溶液给料泵启动，把缓存在储存罐的尿素溶液输送到各个喷嘴。为了适应不同的锅炉运行工况，配备了尿素溶液在线稀释系统，由DCS系统检测到炉膛内的NOx浓度，然后将信号传到SNCR控制系统，经计算后调节稀释给水泵的水量，进行精确给料，使SNCR的效率最高，同是也避免喷入过量的尿素溶液，造成氨的逃逸。
2.3 SNCR系统脱硝过程中的影响因素
SNCR还原NO的化学反应效率主要取决于烟气温度、高温下停留时间、含氨化合物即还原剂注入的类型和数量、混合效果以及烟气NOx和O2的含量等因素：
1）温度对SNCR的还原反应的影响。温度对SNCR的还原反应影响最大。当温度低于温度窗口时，NH3的反应速率下降，受停留时间的限制，还原反应进行的不充分，NOx脱除率下降，同时氨的逃逸量可能也在增加；当温度高于温度窗口时，NOx的脱除率由于氨气的
热分解而降低。由于炉膛内的温度分布受到锅炉负荷、燃料的低位发热值、炉膛内的空气动力流场等多种因素影响，在生活垃圾焚烧发电厂中，需要在各面炉墙上设置2~3层喷嘴以适应不同的温度工况。不同标高的喷嘴切换是基于燃烧室的温度测量值。
2）停留时间。SNCR系统中，NH3与NO的反应需要充足的时间。如果停留时间过短，NH3与NO反应不完全，造成NO脱除率下降。当使用NH3作还原剂时，SNCR的停留时间一般控制在0.001 s-10 s之间。SNCR所有的反应从NH3注入点开始，在200 ms之内发生，NO的还原反应在NH3消失时停止。Sowo等通过化学动力学计算，停留时间超过200 ms时，NO的还原不再受停留时间的影响。但是实际工程中，如果停留时间过长，过量的NH3会与O2发生反应生成NO，也会造成NO脱除率下降。目前，一般SNCR系统设计的停留时间在0.3 s-0.5 s之间。 3）SNCR工艺所用的还原剂类型。SNCR系统常用的两种工质为氨水和尿素溶液。为了尽可能去除NOx，喷入的氨水或尿素溶液必须比理论计算量的要大。大部分过量的氨水或尿素溶液在高温下会分解为氮气和CO2。但是也会有少量的氨和CO会生成，混合在尾气中，这就是所谓的氨的逃逸问题。为了减少氨的逃逸，一般通过DCS系统检测烟囱处的烟气流量、NOx的浓度信号，然后通过与焚烧炉设计NOx浓度相比较，计算需要喷入的氨水和尿素溶液量。
为了提高SNCR对NOx的去除率，降低氨的逃逸量，还必须综合考虑以下几个关键的工艺参数：入炉生活垃圾的特性、锅炉运行的各种工况、焚烧炉的炉膛结构、余热锅炉的受热面布置、送入的过量空气量、设计工况下的NOx浓度、炉膛内的温度场分布、炉膛的气动流场分布等。
4）烟气中的氧含量。在SNCR反应开始时，氧气的存在是至关重要的。在没有氧气的条件下，NO的脱除率很小。有研究表明，当O2含量从2%增加到4%时，NOx的脱除率受影响减弱，NO去除率一直保持在较高的水平。
氧气对SNCR反应的影响化学机理如下：
NH3 + OH →NH2 +H2O
NH3 + O →NH2+OH
NH2+ NO = NNH + ON
NH2+ NO = N2+ H2O
H + O2=O+OH
O + H2O = OH+OH
综上可见SNCR系统中OH存在是必须的，随着反应的不断进行，OH的浓度会不断降低。因此，必须要保证在整个反应中不断有OH基团产生，才能保证SNCR反应能持续进行，而O2的存在才能为OH的产生提供条件。
3 SNCR系统在设计中应该注意的问题
3.1 氨的腐蚀与喷射系统
氨液是无色透明的挥发性液体，有刺鼻的臭气，且有腐蚀性。氨属于剧毒物品，需要特别小心，万一泄漏，将造成公害，顾存储和使用上必须满足国家的相关规范要求。在氨存储间需考虑合适的通风措施及氨气浓度监测及报警系统，确保生产安全。喷射系统应该能耐高温冲击，耐磨损耐腐蚀，抗热变形，而且容易维护与更换。氨的喷射应与烟气中NOx含量相互适应，也即要有好的自动控制系统。
3.2 锅炉中气流分布问题
在SNCR工艺中，NH3与NOx混合的越充分，反应进行的越好，NOx的去除率越高。如果混合不充分，则会造成局部的NOx和NH3浓度比例不相配，过量的NH3会与氧气发生反应，造成二次污染，氨的利用率也会降低，从而导致NOx去除率降低。另外，由于受到炉膛结构尺寸的限制，氨在高温炉内生存时间很短，这也要求氨与烟气的必须迅速地充分混合，否则喷入炉内的氨就会被氧化，生成NO或N2。
在锅炉中氨与烟气的混合程度主要取决于喷嘴的设计。通常，为了使氨水或尿素溶液与烟气充分混合，在喷嘴上都设计了压缩空气作为雾化剂，另外压缩空气也可以冷却喷嘴，避免喷嘴被烧毁。为了提高NH3与烟气的混合效果，提高NOx的去除率，通常采取以下措施：①通入过量的压缩空气，使氨水或尿素溶液得到更好的雾化效果；②增加喷嘴的数量，垃圾焚烧炉至少都设计2层喷嘴；③改进雾化喷嘴的设计，以便得到更好的雾化效果，同时也合理布置喷嘴，得到不同的喷射角度和方向，增加NH3与烟气的混合程度。
3.3 氨逃逸问题
SNCR系统中氨的利用率并不很高，为了还原NOx必须使用过量的氨，因此容易形成过量的氨逃逸。氨逃逸不仅会造成环境的污染，而且会和烟气中的HCl及三氧化硫合成氯化铵及硫酸氢氨而沉淀在锅炉尾部受热面，导致余热锅炉尾部受热面结垢和堵塞，同时使烟囱排气形成白烟。所以在设计中，必须采取有效的措施，精确控制入炉的氨量，减少氨的逃逸。
4 结束语
SNCR虽然脱硝效率不高，大约为30%-60%之间，但由于焚烧采用了3T+E的燃烧技术，再增加一套SNCR系统，是可以达到欧盟2000的烟气排放标准的。又因为其工艺流程简单、设备少、占地面积少、对锅炉的正常运行影响小，是一种经济实用的脱硝技术，被广泛用于城市生活垃圾焚烧发电厂中。
参考文献
[1]白良成.生活垃圾焚烧处理工程技术[J].北京:中国建筑工业出版社,2009.
[2]Koebal M,Elsener M.Entstickung von abgasen nach dem SNCR-verfahren:Ammoniakoder hamstoff als reduktios mittel.ChemIng Tech,1992,64(5):934-937.
[3]Lyon R K. Method for the reduction of the concentration of NO incombustion effluents using ammonia:US,3900554[P].1975,08,19.http://www.省略/3900554.html.
[4]Muzio L J,Arand J K,Teixeira D P.Gas phase decomposition of nitric oxide in combustion products[J].The Combustion Institute,1976:199-208.
