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        改良SNCR用于醫(yī)療廢物焚燒煙氣高效脫硝的技術(shù)研究

        2022-10-19 08:33:48夏小龍江理明
        節(jié)能與環(huán)保 2022年9期
        關(guān)鍵詞:煙氣系統(tǒng)

        文_夏小龍 江理明

        1 廣東生活環(huán)境無害化處理中心有限公司 2 浙江環(huán)耀環(huán)境建設(shè)有限公司

        隨著國家對(duì)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高,醫(yī)療廢物焚燒產(chǎn)生氮氧化物(NOx)排放限值越來越嚴(yán)。為確保所配套的醫(yī)療廢物熱解氣化焚燒處理系統(tǒng)能同時(shí)滿足氮氧化物總量控制和焚燒處置能力達(dá)到設(shè)計(jì)值,我們研究了多因素控制的選擇性非催化還原煙氣脫硝工藝技術(shù)。在該工藝中,通過多點(diǎn)高溫檢測(cè)技術(shù),準(zhǔn)確測(cè)出爐膛內(nèi)整個(gè)溫度場(chǎng)真實(shí)溫度,同時(shí)采用二級(jí)多點(diǎn)控溫工藝路線,根據(jù)不同區(qū)域溫度布置噴槍和噴入量,實(shí)現(xiàn)精細(xì)化控制,保證尿素噴入量和氨逃逸受控,最大可能地提高煙氣脫硝效率,最終實(shí)現(xiàn)了醫(yī)療廢物焚燒煙氣中NOx的超低排放。通過試驗(yàn)與調(diào)試,獲得改良SNCR的最佳技術(shù)參數(shù),該改良工藝技術(shù)研究對(duì)于如何改進(jìn)SNCR技術(shù)并用于醫(yī)療廢物焚燒煙氣中NOx的超低排放,具有重要的實(shí)際參考和推廣應(yīng)用價(jià)值。

        1 降低氮氧化物排放濃度的工藝機(jī)理

        在醫(yī)療廢物焚燒煙氣中,控制NOx排放濃度的途徑有兩種:燃燒抑制NOx措施和燃燒后脫硝措施。燃燒抑制NOx措施是通過抑制NOx的生成,即通過均勻燃燒、控制過氧系數(shù)和控制焚燒溫度以抑制燃燒所產(chǎn)生的NOx量。

        燃燒后脫硝的措施包括SNCR和SCR等技術(shù)。其中,由于SCR脫硝的有效反應(yīng)溫度區(qū)間與二噁英合成的溫度區(qū)間重疊,因此采用SCR脫硝會(huì)與急冷降溫的相關(guān)技術(shù)規(guī)范相沖突,并帶來增加二噁英超標(biāo)排放的隱患。雖然有SCR脫硝與除二噁英一體化裝置,但是造價(jià)高、運(yùn)行阻力大、催化劑中毒導(dǎo)致的使用時(shí)間短、購買催化劑與處置中毒催化劑(屬危廢)成本均高。SNCR脫硝技術(shù)主要是在爐膛適宜溫度區(qū)間,在O2共存條件下噴入含有NHX基的還原劑(如氨氣、氨水或尿素等),該還原劑迅速熱分解成NH3和其它副產(chǎn)物,在一定溫度下將NOx還原成氮?dú)夂退?/p>

        SNCR去除煙氣中NOx的主要原理為兩個(gè)反應(yīng),分別為還原反應(yīng)和氧化反應(yīng),反應(yīng)方程式如下:

        由于SNCR脫硝技術(shù)不需要催化劑,系統(tǒng)簡單、投資和運(yùn)行成本低、阻力小、占地面積小、建設(shè)工期短,符合廣州市醫(yī)療廢物焚燒處置項(xiàng)目實(shí)際需要,具有較強(qiáng)的適用性,因此本提標(biāo)升級(jí)項(xiàng)目優(yōu)先采用SNCR方法脫硝。

        2 SNCR脫硝改進(jìn)思路與工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2.1 改進(jìn)的思路

        SNCR煙氣脫硝效果的重要因素包括還原劑的選擇、NOx初始濃度、溫度窗口、停留時(shí)間、煙氣組分、混合程度(霧化效果)、氨氮比等。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的煙氣脫硝系統(tǒng)在適宜的溫度窗口、優(yōu)化反應(yīng)時(shí)間及混合效果等技術(shù)基礎(chǔ)上,將氨基的還原劑均勻地噴入煙氣中,將NOx還原生成無毒無害的氮?dú)夂退?/p>

        在脫硝過程中,進(jìn)入反應(yīng)塔的尿素的粒徑越小、脫硝的反應(yīng)速度越快、與煙氣的混合效果越好、反應(yīng)越徹底、尿素的利用率越高。尿素進(jìn)入反應(yīng)塔的粒徑,對(duì)脫硝的反應(yīng)時(shí)間、脫硝的效率以及脫硝的成本都有重要影響。

        根據(jù)本項(xiàng)目的實(shí)際條件和工藝特征,脫硝工藝改進(jìn)主要研究的影響因素:①二燃室與二煙道溫度場(chǎng)及濃度場(chǎng)的標(biāo)定。②反應(yīng)溫度對(duì)脫硝效率的影響。③氨氮摩爾比對(duì)脫硝效率的影響。④不同濃度還原劑溶液對(duì)脫硝效率的影響。⑤在上述各種條件下氨逃逸率。

        2.2 改良SNCR工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        本項(xiàng)目中的醫(yī)療廢物熱值高達(dá)18800~21700kJ/kg,為了降低醫(yī)療廢物焚燒系統(tǒng)NOx的初始濃度,在SNCR工藝中以前置燃燒抑制NOx控制技術(shù)作為預(yù)處理。本項(xiàng)目選擇水或蒸汽噴射技術(shù),向二燃室火焰中噴射水或水蒸氣,利用水的蒸發(fā)潛熱和水蒸氣使火焰溫度降低150~200K,在提升10%的醫(yī)療廢物焚燒系統(tǒng)醫(yī)療廢物處置能力情況下,還能滿足SNCR脫硝要求窗口溫度850~1020℃。所設(shè)計(jì)的改良醫(yī)療廢物焚燒煙氣SNCR系統(tǒng)由4個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成,即低氮燃燒與控制系統(tǒng)、尿素霧化系統(tǒng)、脫硝控制與計(jì)量系統(tǒng)和工藝給水系統(tǒng)等。

        2.2.1 尿素霧化系統(tǒng)

        SNCR系統(tǒng)的尿素霧化系統(tǒng)采用一級(jí)三角衍射、二級(jí)鏡像噴射,能夠把尿素以接近分子狀態(tài)投入到脫硝反應(yīng)塔中,使得脫硝效率大幅度提高。

        2.2.2 脫硝控制與計(jì)量系統(tǒng)

        采用PLC控制,用專用噴槍將尿素溶液霧化噴入煙氣,與高溫?zé)煔庵械腘Ox充分混合并發(fā)生反應(yīng),將NOx轉(zhuǎn)化為氮?dú)舛摮?/p>

        2.2.3 工藝給水系統(tǒng)

        尿素溶解水,稀釋水、沖洗水均采用軟化水。系統(tǒng)進(jìn)水由軟化水系統(tǒng)引出,水質(zhì)滿足鍋爐給水要求(硬度≤0.03mmol/L),并利用余熱蒸汽對(duì)尿素溶液進(jìn)行加熱和保溫。

        2.3 改良SNCR工藝流程及控制

        本項(xiàng)目采用多因素控制的改良SNCR工藝。首先,通過多技術(shù)路徑,保證氨氣與NOx有充分的混合、擾動(dòng)的反應(yīng)時(shí)間,在二燃室中部原熱電偶插口位置設(shè)計(jì)1個(gè)噴口,在二燃室底部950~1050℃溫度區(qū)間環(huán)繞界面均勻設(shè)計(jì)3個(gè)噴口,在二燃室與余熱鍋爐的連接煙道850~1000℃溫度區(qū)間上設(shè)計(jì)2個(gè)噴口。

        其次,為判斷二燃室原熱電偶插口位置的溫度區(qū)間是否滿足SNCR脫硝反應(yīng)的要求,調(diào)試期間,分別按30%、50%、75%、100%負(fù)荷測(cè)量此處的爐內(nèi)溫度,擬合出負(fù)荷-溫度變化曲線,若溫度不滿足SNCR反應(yīng)所需窗口,則停運(yùn)SNCR脫硝專用噴槍;當(dāng)溫度滿足SNCR反應(yīng)所需窗口,根據(jù)系統(tǒng)擬合的負(fù)荷-溫度變化曲線控制SNCR脫硝專用噴槍的流量。

        還原劑噴射系統(tǒng)利用壓縮空氣將還原劑霧化噴入高溫?zé)煔庵?,包括SNCR脫硝專用噴槍及套管等設(shè)備。噴槍選用雙流體霧化結(jié)構(gòu),正常工作時(shí),通過壓縮空氣將還原劑在噴槍內(nèi)進(jìn)行霧化后從噴嘴均勻地噴出。在某些工況不需要噴射還原劑時(shí),噴槍始終噴入壓縮空氣,防止高溫?zé)煔鈱?duì)噴槍的損害并達(dá)到冷卻的目的,同時(shí)噴射壓縮空氣還可以有效防止噴槍被堵塞。

        3 改良SNCR的脫硝效果及多因素分析

        利用煙氣在線監(jiān)控系統(tǒng)(CEMS)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),通過調(diào)整反應(yīng)溫度、尿素濃度、煙氣含氧量、NH3/NO摩爾比和控溫方式等影響因子,研究其對(duì)脫硝效果的影響。初始條件是二燃室底部溫度在1000℃,主要焚燒感染性醫(yī)療廢物,不噴尿素脫硝時(shí),NOx初始濃度為163mg/Nm3。

        3.1 二燃室底部溫度對(duì)脫硝的影響

        配制尿素濃度8%,采用二級(jí)脫硝(其中二燃室底部3個(gè)噴槍,二煙道2個(gè)噴槍)技術(shù),NH3/NO摩爾數(shù)比=2:1。同時(shí),通過調(diào)節(jié)一次風(fēng)或二次風(fēng),確保煙氣含氧量9%~9.5%。檢測(cè)階段,調(diào)控二燃室底部溫度并檢測(cè)出氣口NOx濃度。

        NOx還原反應(yīng)是在合適的溫度下進(jìn)行的。如圖1所示,當(dāng)溫度過高時(shí),還原劑會(huì)被直接氧化成NOx排出,當(dāng)溫度過低時(shí),反應(yīng)不完全,氨逃逸率高,造成新的污染。

        圖1 脫硝反應(yīng)溫度對(duì)脫硝效果的影響

        3.2 含氧量(調(diào)節(jié)二次風(fēng)的風(fēng)量)對(duì)脫硝的影響

        配制尿素濃度8%,采用二級(jí)脫硝技術(shù)(二燃室底部3個(gè)噴槍,二煙道2個(gè)噴槍),NH3/NO摩爾數(shù)比=2:1,二燃室底部溫度在1000℃。檢測(cè)階段,通過調(diào)節(jié)二次風(fēng),調(diào)節(jié)煙氣含氧量并檢測(cè)出氣口NOx濃度。如圖2所示,煙氣含氧量與NOx排放濃度呈正比。但當(dāng)含氧量降低時(shí),CO排放濃度會(huì)大量增加。因此,余熱鍋爐含氧量最佳區(qū)間為8%~10%。

        圖2 煙氣含氧量對(duì)脫硝效果的影響

        3.3 一級(jí)脫硝與二級(jí)脫硝效果差異比較

        控制尿素濃度8%,一級(jí)脫硝時(shí),NH3/NO摩爾數(shù)比=1.2:1;二級(jí)脫銷時(shí),NH3/NO摩爾數(shù)比=2:1??刂茻煔夂趿?%~9.5%,二燃室底部溫度在1000℃。如圖3所示,在合適的溫度窗口尿素濃度情況下,二級(jí)脫硝比一級(jí)脫銷總排放口的NOx濃度更低,滿足總量控制要求(低于100mg/Nm3)。

        圖3 一級(jí)與二級(jí)脫硝對(duì)總排放口NOx濃度的影響

        3.4 控溫措施對(duì)總排放口大氣污染物濃度的影響

        由于各種醫(yī)療廢物的熱值不同,在垃圾投料量相對(duì)不變的情況下,熱解焚燒爐和二燃室溫度會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。為滿足單臺(tái)熱解氣化焚燒爐達(dá)到設(shè)計(jì)處置能力35t/d,采用方式1(噴水蒸汽到二燃室中部)與方式2(提高二次風(fēng)的風(fēng)量),均可實(shí)現(xiàn)二燃室底部降溫150℃,滿足脫硝溫度窗口的要求。研究不同控溫措施對(duì)總排放口的氨逃逸和顆粒物的影響。表1表明,從污染物達(dá)標(biāo)排放和減少尿素使用量方面考慮,采用方式1(噴水蒸汽到二燃室中部)明顯優(yōu)于采用方式2(提高二次風(fēng)的風(fēng)量)。因此,通過降低尿素溶液濃度、控制反應(yīng)溫度、降低煙氣含氧量、提高尿素反應(yīng)混合程度等措施,NOx排放濃度從150~180mg/Nm3降低到30~65mg/Nm3。

        表1 控溫措施對(duì)污染物排放濃度影響

        4 結(jié)語

        針對(duì)本醫(yī)療廢物焚燒項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)條件及工藝特點(diǎn),通過研究SNCR工藝的影響因素,優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工藝參數(shù),取得了很好的氮氧化物去除效果,實(shí)現(xiàn)了氮氧化物的超低排放。該研究的主要結(jié)論如下:

        ①SNCR系統(tǒng)采用二級(jí)噴槍,以適應(yīng)爐膛負(fù)荷調(diào)整時(shí)引起的溫度變化,確保SNCR脫硝反應(yīng)點(diǎn)處于相對(duì)合理溫度區(qū)間內(nèi)。二級(jí)NOx去除率達(dá)到65%~80%,總排放口NOx<100mg/Nm3,采用的二級(jí)多因子控制SNCR技術(shù)處于醫(yī)療廢物焚燒處置行業(yè)國內(nèi)領(lǐng)先水平。

        ②采取改良SNCR技術(shù)相對(duì)于SCR技術(shù),不需要昂貴的脫硝催化劑,也不需要將尾氣煙氣控制到230~280℃,可以節(jié)約50%以上投資成本,比傳統(tǒng)SNCR工藝提高脫硝率約20%~30%。

        ③噴槍霧化液滴粒徑?jīng)Q定了尿素(NH3)與煙氣的接觸面大小。噴槍霧化后的液滴粒徑越小,液滴與煙氣(NOx)的接觸面越大,NH3的利用率越高,脫硝效率越高。液滴太小,質(zhì)量就越小,單個(gè)液滴獲得的動(dòng)量越小,其在煙氣阻力作用下,液滴的穿透力衰減極快,導(dǎo)致液滴在煙氣中的覆蓋面小。由于霧化后液滴的動(dòng)量(粒徑大小和速率),直接影響到液滴對(duì)煙氣截面的覆蓋率,因此選擇合適的噴槍參數(shù),即合適的霧化液滴的動(dòng)量,成為SNCR脫硝效果好壞的關(guān)鍵因素之一。

        該研究結(jié)果對(duì)于改進(jìn)SNCR工藝并用于處理醫(yī)療廢物焚燒煙氣中的NOx,并實(shí)現(xiàn)超低排放具有重要的實(shí)際參考和推廣應(yīng)用價(jià)值。

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