改良SNCR用于医疗废物焚烧烟气高效脱硝的技术研究

文_夏小龙 江理明

1 广东生活环境无害化处理中心有限公司 2 浙江环耀环境建设有限公司

随着国家对空气质量标准的不断提高，医疗废物焚烧产生氮氧化物（NOx）排放限值越来越严。为确保所配套的医疗废物热解气化焚烧处理系统能同时满足氮氧化物总量控制和焚烧处置能力达到设计值，我们研究了多因素控制的选择性非催化还原烟气脱硝工艺技术。在该工艺中，通过多点高温检测技术，准确测出炉膛内整个温度场真实温度，同时采用二级多点控温工艺路线，根据不同区域温度布置喷枪和喷入量，实现精细化控制，保证尿素喷入量和氨逃逸受控，最大可能地提高烟气脱硝效率，最终实现了医疗废物焚烧烟气中NOx的超低排放。通过试验与调试，获得改良SNCR的最佳技术参数，该改良工艺技术研究对于如何改进SNCR技术并用于医疗废物焚烧烟气中NOx的超低排放，具有重要的实际参考和推广应用价值。

1 降低氮氧化物排放浓度的工艺机理

在医疗废物焚烧烟气中，控制NOx排放浓度的途径有两种：燃烧抑制NOx措施和燃烧后脱硝措施。燃烧抑制NOx措施是通过抑制NOx的生成，即通过均匀燃烧、控制过氧系数和控制焚烧温度以抑制燃烧所产生的NOx量。

燃烧后脱硝的措施包括SNCR和SCR等技术。其中，由于SCR脱硝的有效反应温度区间与二噁英合成的温度区间重叠，因此采用SCR脱硝会与急冷降温的相关技术规范相冲突，并带来增加二噁英超标排放的隐患。虽然有SCR脱硝与除二噁英一体化装置，但是造价高、运行阻力大、催化剂中毒导致的使用时间短、购买催化剂与处置中毒催化剂（属危废）成本均高。SNCR脱硝技术主要是在炉膛适宜温度区间，在O2共存条件下喷入含有NHX基的还原剂（如氨气、氨水或尿素等），该还原剂迅速热分解成NH3和其它副产物，在一定温度下将NOx还原成氮气和水。

SNCR去除烟气中NOx的主要原理为两个反应，分别为还原反应和氧化反应，反应方程式如下：

由于SNCR脱硝技术不需要催化剂，系统简单、投资和运行成本低、阻力小、占地面积小、建设工期短，符合广州市医疗废物焚烧处置项目实际需要，具有较强的适用性，因此本提标升级项目优先采用SNCR方法脱硝。

2 SNCR脱硝改进思路与工艺系统设计

2.1 改进的思路

SNCR烟气脱硝效果的重要因素包括还原剂的选择、NOx初始浓度、温度窗口、停留时间、烟气组分、混合程度（雾化效果）、氨氮比等。本项目设计的烟气脱硝系统在适宜的温度窗口、优化反应时间及混合效果等技术基础上，将氨基的还原剂均匀地喷入烟气中，将NOx还原生成无毒无害的氮气和水。

在脱硝过程中，进入反应塔的尿素的粒径越小、脱硝的反应速度越快、与烟气的混合效果越好、反应越彻底、尿素的利用率越高。尿素进入反应塔的粒径，对脱硝的反应时间、脱硝的效率以及脱硝的成本都有重要影响。

根据本项目的实际条件和工艺特征，脱硝工艺改进主要研究的影响因素：①二燃室与二烟道温度场及浓度场的标定。②反应温度对脱硝效率的影响。③氨氮摩尔比对脱硝效率的影响。④不同浓度还原剂溶液对脱硝效率的影响。⑤在上述各种条件下氨逃逸率。

2.2 改良SNCR工艺系统设计

本项目中的医疗废物热值高达18800～21700kJ/kg，为了降低医疗废物焚烧系统NOx的初始浓度，在SNCR工艺中以前置燃烧抑制NOx控制技术作为预处理。本项目选择水或蒸汽喷射技术，向二燃室火焰中喷射水或水蒸气，利用水的蒸发潜热和水蒸气使火焰温度降低150～200K，在提升10%的医疗废物焚烧系统医疗废物处置能力情况下，还能满足SNCR脱硝要求窗口温度850～1020℃。所设计的改良医疗废物焚烧烟气SNCR系统由4个子系统构成，即低氮燃烧与控制系统、尿素雾化系统、脱硝控制与计量系统和工艺给水系统等。

2.2.1 尿素雾化系统

SNCR系统的尿素雾化系统采用一级三角衍射、二级镜像喷射，能够把尿素以接近分子状态投入到脱硝反应塔中，使得脱硝效率大幅度提高。

2.2.2 脱硝控制与计量系统

采用PLC控制，用专用喷枪将尿素溶液雾化喷入烟气，与高温烟气中的NOx充分混合并发生反应，将NOx转化为氮气而脱除。

2.2.3 工艺给水系统

尿素溶解水，稀释水、冲洗水均采用软化水。系统进水由软化水系统引出，水质满足锅炉给水要求（硬度≤0.03mmol/L），并利用余热蒸汽对尿素溶液进行加热和保温。

2.3 改良SNCR工艺流程及控制

本项目采用多因素控制的改良SNCR工艺。首先，通过多技术路径，保证氨气与NOx有充分的混合、扰动的反应时间，在二燃室中部原热电偶插口位置设计1个喷口，在二燃室底部950～1050℃温度区间环绕界面均匀设计3个喷口，在二燃室与余热锅炉的连接烟道850～1000℃温度区间上设计2个喷口。

其次，为判断二燃室原热电偶插口位置的温度区间是否满足SNCR脱硝反应的要求，调试期间，分别按30%、50%、75%、100%负荷测量此处的炉内温度，拟合出负荷-温度变化曲线，若温度不满足SNCR反应所需窗口，则停运SNCR脱硝专用喷枪；当温度满足SNCR反应所需窗口，根据系统拟合的负荷-温度变化曲线控制SNCR脱硝专用喷枪的流量。

还原剂喷射系统利用压缩空气将还原剂雾化喷入高温烟气中，包括SNCR脱硝专用喷枪及套管等设备。喷枪选用双流体雾化结构，正常工作时，通过压缩空气将还原剂在喷枪内进行雾化后从喷嘴均匀地喷出。在某些工况不需要喷射还原剂时，喷枪始终喷入压缩空气，防止高温烟气对喷枪的损害并达到冷却的目的，同时喷射压缩空气还可以有效防止喷枪被堵塞。

3 改良SNCR的脱硝效果及多因素分析

利用烟气在线监控系统（CEMS）监测数据，通过调整反应温度、尿素浓度、烟气含氧量、NH3/NO摩尔比和控温方式等影响因子，研究其对脱硝效果的影响。初始条件是二燃室底部温度在1000℃，主要焚烧感染性医疗废物，不喷尿素脱硝时，NOx初始浓度为163mg/Nm3。

3.1 二燃室底部温度对脱硝的影响

配制尿素浓度8%，采用二级脱硝（其中二燃室底部3个喷枪，二烟道2个喷枪）技术，NH3/NO摩尔数比=2：1。同时，通过调节一次风或二次风，确保烟气含氧量9%～9.5%。检测阶段，调控二燃室底部温度并检测出气口NOx浓度。

NOx还原反应是在合适的温度下进行的。如图1所示，当温度过高时，还原剂会被直接氧化成NOx排出，当温度过低时，反应不完全，氨逃逸率高，造成新的污染。

图1 脱硝反应温度对脱硝效果的影响

3.2 含氧量（调节二次风的风量）对脱硝的影响

配制尿素浓度8%，采用二级脱硝技术（二燃室底部3个喷枪，二烟道2个喷枪），NH3/NO摩尔数比=2：1，二燃室底部温度在1000℃。检测阶段，通过调节二次风，调节烟气含氧量并检测出气口NOx浓度。如图2所示，烟气含氧量与NOx排放浓度呈正比。但当含氧量降低时，CO排放浓度会大量增加。因此，余热锅炉含氧量最佳区间为8%～10%。

图2 烟气含氧量对脱硝效果的影响

3.3 一级脱硝与二级脱硝效果差异比较

控制尿素浓度8%，一级脱硝时，NH3/NO摩尔数比=1.2：1；二级脱销时，NH3/NO摩尔数比=2：1。控制烟气含氧量9%～9.5%，二燃室底部温度在1000℃。如图3所示，在合适的温度窗口尿素浓度情况下，二级脱硝比一级脱销总排放口的NOx浓度更低，满足总量控制要求（低于100mg/Nm3）。

图3 一级与二级脱硝对总排放口NOx浓度的影响

3.4 控温措施对总排放口大气污染物浓度的影响

由于各种医疗废物的热值不同，在垃圾投料量相对不变的情况下，热解焚烧炉和二燃室温度会出现波动。为满足单台热解气化焚烧炉达到设计处置能力35t/d，采用方式1（喷水蒸汽到二燃室中部）与方式2（提高二次风的风量），均可实现二燃室底部降温150℃，满足脱硝温度窗口的要求。研究不同控温措施对总排放口的氨逃逸和颗粒物的影响。表1表明，从污染物达标排放和减少尿素使用量方面考虑，采用方式1（喷水蒸汽到二燃室中部）明显优于采用方式2（提高二次风的风量）。因此，通过降低尿素溶液浓度、控制反应温度、降低烟气含氧量、提高尿素反应混合程度等措施，NOx排放浓度从150～180mg/Nm3降低到30～65mg/Nm3。

表1 控温措施对污染物排放浓度影响

4 结语

针对本医疗废物焚烧项目的现场条件及工艺特点，通过研究SNCR工艺的影响因素，优化系统设计及工艺参数，取得了很好的氮氧化物去除效果，实现了氮氧化物的超低排放。该研究的主要结论如下：

①SNCR系统采用二级喷枪，以适应炉膛负荷调整时引起的温度变化，确保SNCR脱硝反应点处于相对合理温度区间内。二级NOx去除率达到65%～80%，总排放口NOx＜100mg/Nm3，采用的二级多因子控制SNCR技术处于医疗废物焚烧处置行业国内领先水平。

②采取改良SNCR技术相对于SCR技术，不需要昂贵的脱硝催化剂，也不需要将尾气烟气控制到230～280℃，可以节约50%以上投资成本，比传统SNCR工艺提高脱硝率约20%～30%。

③喷枪雾化液滴粒径决定了尿素（NH3）与烟气的接触面大小。喷枪雾化后的液滴粒径越小，液滴与烟气（NOx）的接触面越大，NH3的利用率越高，脱硝效率越高。液滴太小，质量就越小，单个液滴获得的动量越小，其在烟气阻力作用下，液滴的穿透力衰减极快，导致液滴在烟气中的覆盖面小。由于雾化后液滴的动量（粒径大小和速率），直接影响到液滴对烟气截面的覆盖率，因此选择合适的喷枪参数，即合适的雾化液滴的动量，成为SNCR脱硝效果好坏的关键因素之一。

该研究结果对于改进SNCR工艺并用于处理医疗废物焚烧烟气中的NOx，并实现超低排放具有重要的实际参考和推广应用价值。