金 山

（上海浦東環(huán)保發(fā)展有限公司，上海 200127）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市生活垃圾產(chǎn)生量不斷增長。生活垃圾焚燒既能發(fā)電，又能實(shí)現(xiàn)90%以上的減容，因而成為城市生活垃圾處理的方向及發(fā)展趨勢。近年來在國家產(chǎn)業(yè)政策鼓勵(lì)下，我國垃圾焚燒發(fā)電廠數(shù)量和處理規(guī)模逐年增加，各大中城市都在陸續(xù)新上垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目［1］。

由于我國生活垃圾水分含量普遍較高且成分復(fù)雜，這對焚燒后的煙氣凈化工藝提出了更嚴(yán)苛的要求。目前國內(nèi)主流的煙氣脫硝工藝為選擇性催化還原（SCR）和選擇性非催化還原（SNCR）。SNCR脫硝技術(shù)相對于SCR技術(shù)而言，投資及運(yùn)營成本相對低廉，因而其應(yīng)用更為廣泛。在垃圾焚燒過程中，由于爐膛煙溫不均、溫度窗狹窄以及反應(yīng)停留時(shí)間短等因素都嚴(yán)重制約了SNCR脫硝效率，同時(shí)易引發(fā)較高的氨逃逸。

本文以氨氣為還原劑，重點(diǎn)考察了不同溫度、一氧化氮起始質(zhì)量濃度、氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)及氨氮摩爾比等因素對SNCR脫硝效率以及氨逃逸的影響程度，為垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目中的SNCR脫硝工藝提供一定的參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在管殼式反應(yīng)裝置上進(jìn)行，系統(tǒng)包含反應(yīng)裝置本體、溫控系統(tǒng)、模擬煙氣系統(tǒng)以及煙氣取樣分析系統(tǒng)等。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 脫硝反應(yīng)裝置Fig.1 Denitrification reaction device

2 脫硝試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 反應(yīng)溫度對脫硝效率和氨逃逸的影響

反應(yīng)在特定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行：溫度過低，則反應(yīng)緩慢，還原劑不能完全反應(yīng)，使脫硝效率降低；溫度過高，則還原劑易被氧化，從而會生成更多的NOx。Lucas等［2］的研究結(jié)果表明：最佳脫硝反應(yīng)溫度為952 ℃，在827～1027 ℃，氨氮摩爾比為1:1時(shí)，效率達(dá)到80%；Kimball-Linne等［3］對燃燒后的煙氣進(jìn)行試驗(yàn)，得到的溫度曲線與Lucas等［2］的相似，其最佳的脫硝反應(yīng)溫度為980 ℃。

以氮?dú)庾鳛槠胶鈿怏w，在氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%、氨氮摩爾比為1.5:1、一氧化氮起始質(zhì)量濃度為310 mg· L-1、常壓、反應(yīng)物總流量為4.8 L· min-1條件下，考察不同溫度對脫硝效率和氨逃逸的影響。

圖2為反應(yīng)溫度對脫硝效率和氨逃逸的影響。在800 ℃以下時(shí)，脫硝效率較低，皆小于20%；在750～900 ℃，隨著溫度的不斷升高，脫硝效率逐漸上升，在900 ℃時(shí)，脫硝效率達(dá)到最大值，為74.22%；之后，隨著溫度繼續(xù)升高，脫硝效率逐漸下降，在950～1100 ℃，下降較為明顯。同時(shí)，在875～1000 ℃，脫硝效率均接近或大于60%，可認(rèn)為上述溫度區(qū)間是較合適的反應(yīng)溫度窗口。

化學(xué)反應(yīng)方程式為

由上述兩個(gè)化學(xué)反應(yīng)方程式可知：在反應(yīng)溫度較低時(shí)，氨氣和一氧化氮的反應(yīng)速率較慢；但隨著溫度不斷升高，兩者的反應(yīng)速率逐漸加快，則脫硝效率也逐步提高。另外，在較高的反應(yīng)溫度下，氨氣與氧氣的反應(yīng)起主導(dǎo)作用，反應(yīng)速率隨著溫度的升高而增加。當(dāng)達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)，氧化反應(yīng)產(chǎn)生的一氧化氮遠(yuǎn)大于還原反應(yīng)；當(dāng)繼續(xù)加入還原劑時(shí)，則增加了NOx的濃度，而脫硝效率則隨著反應(yīng)溫度的繼續(xù)升高而降低。

圖2 溫度與脫硝效率、氨逃逸的關(guān)系Fig.2 Effect of temperature on denitrification efficiency and ammonia escape

在750～950 ℃，氨逃逸逐步下降，其中：在800 ℃以下時(shí)，氨逃逸相對較大；而隨著溫度繼續(xù)升高，當(dāng)還原反應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)時(shí)，氨逃逸迅速下降；在950 ℃時(shí)，氨逃逸為32 mg·L-1；在950～1100 ℃，氨逃逸幾乎不變，由于此時(shí)氧化反應(yīng)占主導(dǎo)作用，脫硝效率則逐漸下降。

2.2 一氧化氮起始質(zhì)量濃度對其出口質(zhì)量濃度及脫硝效率的影響

研究發(fā)現(xiàn)，一氧化氮起始質(zhì)量濃度較低時(shí)，脫硝效果明顯改善。Chen等［4］在煤粉爐上的試驗(yàn)結(jié)果證明：當(dāng)氨氮摩爾比為0.99:1、溫度為800 ℃時(shí)，充入少量空氣，使氨氮摩爾比維持在1.02:1時(shí)，可得較理想的脫硝效率。

當(dāng)氨氮摩爾比、煙氣流量維持不變，反應(yīng)溫度為900 ℃時(shí)，考察了不同一氧化氮起始質(zhì)量濃度對于其出口質(zhì)量濃度及脫硝效率的影響，結(jié)果如圖3所示。由圖中可知，隨著一氧化氮起始質(zhì)量濃度的增加，脫硝效率從51.50%上升至78.33%；同時(shí)，一氧化氮出口質(zhì)量濃度也有所增加，從52 mg·L-1升高至61 mg·L-1，增幅并不明顯。由于反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，其一氧化氮質(zhì)量濃度就是最低的一氧化氮出口質(zhì)量濃度，當(dāng)氨氮摩爾比維持不變時(shí)，一氧化氮起始質(zhì)量濃度的改變并不會打破原先的平衡狀態(tài)。

圖3 一氧化氮起始質(zhì)量濃度對其出口質(zhì)量濃度及脫硝效率的影響Fig.3 Effect of initial concentration of nitric oxide on its outlet concentration and denitrification efficiency

2.3 氨氮摩爾比對氨逃逸及脫硝效率的影響

隨著氨氮摩爾比的增加，脫硝效率會有一定程度的提高。但當(dāng)還原劑過量時(shí)，運(yùn)營成本以及氨逃逸也會增加。Lodder等［5］的研究結(jié)果表明，隨著氨氮摩爾比的增加，脫硝效率逐漸增加，當(dāng)氨氮摩爾比大于2:1時(shí)，氨逃逸逐漸增大。

在反應(yīng)溫度為900 ℃，煙氣組分不變時(shí)，考察不同氨氮摩爾比對氨逃逸及脫硝效率的影響，結(jié)果如圖4所示。在氨氮摩爾比小于1.5:1時(shí)，氨逃逸變化相對較小，氨逃逸也較小，而在氨氮摩爾比大于1.5:1時(shí)，隨著氨氮摩爾比的增加，氨逃逸迅速增加，主要是因?yàn)槲捶磻?yīng)的氨增加，導(dǎo)致氨逃逸較高；另外，在氨氮摩爾比小于1.5:1時(shí)，脫硝效率不斷提高且增速較快，在氨氮摩爾比大于1.5:1時(shí)，脫硝效率增速明顯放緩，主要是由于一氧化氮含量較少，從而使還原反應(yīng)速率緩慢。故結(jié)合上述因素，當(dāng)氨氮摩爾比為1.5:1時(shí)，可得最佳反應(yīng)條件。

圖4 氨氮摩爾比與氨逃逸及脫硝效率的關(guān)系Fig.4 Effect of ammonia/nitrogen molar ratio on ammonia escape and denitrification efficiency

2.4 氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)對于氨逃逸及脫硝效率的影響

從脫硝機(jī)理可知，氧氣對于脫硝反應(yīng)起著關(guān)鍵作用。Lyon等［6］的試驗(yàn)結(jié)果表明，脫硝反應(yīng)不會在缺氧條件下發(fā)生。

當(dāng)反應(yīng)溫度為900 ℃時(shí)，考察了不同氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)對氨逃逸及脫硝效率的影響，結(jié)果如圖5所示。隨著氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，氨逃逸及脫硝效率都有不同程度的下降，氨逃逸及脫硝效率分別從86 mg·L-1、85.60%下降至67 mg·L-1、65.50%。由于脫硝反應(yīng)是氧化反應(yīng)及還原反應(yīng)共同作用的結(jié)果，氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，加快了氧化及還原反應(yīng)速度，使溫度窗逐步降低。由于氧化反應(yīng)對于氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高更加敏感，致使反應(yīng)在較低溫度下就可進(jìn)行，故脫硝效率隨之降低。

圖5 氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)與氨逃逸及脫硝效率的關(guān)系Fig.5 Effect of oxygen concentration on ammonia escape and denitrification efficiency

3 結(jié) 論

（1）溫度對SNCR脫硝反應(yīng)的影響較大。隨著溫度的升高，脫硝效率先上升后下降，在900 ℃時(shí)，脫硝效率達(dá)最大值，為74.22%；同時(shí)，氨逃逸呈逐步下降趨勢。

（2）隨著一氧化氮起始質(zhì)量濃度的增加，脫硝效率從51.50%上升至78.33%；同時(shí)，一氧化氮出口質(zhì)量濃度也有增加，從52 mg·L-1升高至 61 mg·L-1。

（3）在氨氮摩爾比小于1.5:1時(shí)，氨逃逸較小，脫硝效率不斷提高且增速較快；而在氨氮摩爾比大于1.5:1時(shí)，氨逃逸迅速增加，脫硝效率增速則明顯放緩。當(dāng)氨氮摩爾比為1.5:1時(shí)，可得最佳的反應(yīng)條件。

（4）隨著氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，氨逃逸及脫硝效率分別從 86 mg·L-1、85.60%下降至67 mg·L-1、65.50%。