孫冬梅,陳玉龍,徐剛,金海波
(1.常州化工設(shè)計(jì)院有限公司,江蘇 常州 213003;2.維爾利環(huán)??萍技瘓F(tuán)股份有限公司,江蘇 常州 213125;3.常州維爾利餐廚廢棄物處理有限公司,江蘇 常州 213100)
根據(jù)《“十三五”全國(guó)城鎮(zhèn)生活垃圾無(wú)害化處理設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》,“十三五”末我國(guó)新增餐廚垃圾處理能力為3.44 萬(wàn)t·d-1[1],厭氧發(fā)酵是實(shí)現(xiàn)濕垃圾減量化、無(wú)害化及資源回收的重要手段,目前被廣泛用于城市濕垃圾處理[2]。一般濕垃圾處理厭氧沼氣量為60~80 m3·t-1,CH4含量約60%左右,沼氣可以作鍋爐燃料或發(fā)電使用,產(chǎn)生尾氣中NOx含量約為250~500 mg·Nm-3,根據(jù)《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》,NOx排放質(zhì)量濃度應(yīng)小200 mg·Nm-3(重點(diǎn)區(qū)域?yàn)?50 mg·Nm-3),隨著環(huán)保日益嚴(yán)格,該限值可能會(huì)向電廠超低排放的NOx50 mg·Nm-3看齊,另外部分餐廚廠受地方NOx排放總量控制,要求NOx降至20~50 mg·Nm-3以下。
厭氧沼氣發(fā)電以800 kW、1.5 MW 小型發(fā)電機(jī)為主,主要為室內(nèi)布置,發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的煙氣氣量小約3 000~6 000 Nm3·h-1,溫度高約400~450 ℃,粉塵 含量低于 10 mg·Nm-3,SO2質(zhì)量濃度低于200 mg·Nm-3,NOx質(zhì)量濃度為250~500 mg·Nm-3。
因SNCR 脫硝工藝需要850~1 000 ℃溫度區(qū)[3],且脫硝效率僅為30%~50%,故不適合沼氣發(fā)電尾氣處理;另小型沼氣發(fā)電配備小型鍋爐室內(nèi)布置居多,從安全考慮使用尿素較為適宜;因鍋爐出口溫度約為180~200 ℃,易產(chǎn)生黏性很強(qiáng)的液態(tài)硫酸氫銨[4],使鍋爐效率降低,作為應(yīng)用最廣最成熟的SCR 工藝[5],需設(shè)置于高溫段。故本文采用尿素作脫硝劑,采用SCR 工藝,布置于鍋爐前進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)及工程實(shí)施。
采用5%~40%尿素溶液于高溫?zé)煔庵袩峤猓a(chǎn)生的氨氣,吸附于催化劑的表面,與煙氣中的NOx發(fā)生化學(xué)反應(yīng),主要的反應(yīng)方程式如下:
本餐廚厭氧發(fā)電尾氣SCR 工藝流程如圖1所示,其包括尿素制備儲(chǔ)存系統(tǒng)、尿素計(jì)量分配系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、緊急降溫系統(tǒng)、SCR 本體系統(tǒng)及PLC控制系統(tǒng)。
采用工業(yè)尿素顆粒制備10%的尿素溶液,經(jīng)防爆變頻計(jì)量噴射系統(tǒng)進(jìn)入雙流體噴槍液體接口,壓縮空氣制備系統(tǒng)減壓計(jì)量進(jìn)入雙流體噴槍的氣體接口,二者于噴槍的噴頭處混合、霧化、蒸發(fā)及熱解,產(chǎn)生的氨氣進(jìn)入SCR 本體系統(tǒng)吸附于催化劑的表面,與煙氣中的NOx發(fā)生脫硝反應(yīng)。設(shè)置緊急降溫系統(tǒng)置,控制煙氣溫度為420~450 ℃。尿素制備與計(jì)量、壓縮控制制備與計(jì)量、緊急降溫系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)等均由PLC 控制系統(tǒng)控制。
采用表1中的煙氣參數(shù),按公式(4)計(jì)算本項(xiàng)目尿素粉末理論耗量為1.03 kg·h-1。
式中:為V1—煙氣標(biāo)況流量,Nm3·h-1;
φ—煙氣中水氣含量,%;
O2real為—煙氣中實(shí)際O2含量,%;
NOXinlet為—煙氣入口NOx含量(基于3.5%O2含量),mg·Nm-3;
NOXoutlet為—煙氣出口NOx含量(基于3.5%O2含量),mg·Nm-3;
θ—氨氮摩爾比,本項(xiàng)目取值0.896;
ω—工業(yè)合格品尿素顆粒,純度99.21%。
未考慮系統(tǒng)散熱,經(jīng)熱量衡算(見(jiàn)下面公式)得煙氣降溫由尿素?zé)峤馕鼰?、SCR 脫硝放熱、尿素溶液中水蒸發(fā)、霧化空氣升溫,合計(jì)系統(tǒng)溫降為3.69 ℃。
式中:ΔHm1—反應(yīng)(1)的反應(yīng)熱,1 mol CO(NH2)2計(jì);
為ΔHm2—反應(yīng)(2)的反應(yīng)熱,4 mol NH3計(jì);
為ΔHm3—水汽化潛熱,2 250 kJ·kg-1;
為ΔHf—各對(duì)應(yīng)物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓;
ε—尿素溶液配置質(zhì)量分?jǐn)?shù),計(jì)8%。
經(jīng)公式(9)[6]計(jì)算催化劑體積為1.4 m3,選用非標(biāo)催化劑模塊,根據(jù)粉塵濃度大小選取3.7 mm 蜂窩式催化劑。
式中:β—比表面積,913 m2·m-3;
ξ—氨氮摩爾比;
η—脫硝效率,%;
T—SCR 溫度,℃;
Ψ1—裂化因子取0.5;
Ψ2—排列因子,取0.5;
u—反應(yīng)器內(nèi)煙氣流速,取2.5 Nm·s-1。
本工程為室內(nèi)布置的2×800 kW 沼氣發(fā)電機(jī)公用1 套余熱鍋爐系統(tǒng)配置新增加1 套SCR 系統(tǒng),詳細(xì)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。從地方區(qū)域性NOx年總量控制角度,要求本項(xiàng)目的NOx降至50 mg·Nm-3以下,遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)150 mg·Nm-3。
表1 原始煙氣參數(shù)
本工程詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。因發(fā)電機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)煙氣溫度會(huì)超過(guò)450~480 ℃,故設(shè)計(jì)了應(yīng)急降溫系統(tǒng),通過(guò)SCR 入口的溫度變送器由PLC 控制系統(tǒng)與降溫系統(tǒng)聯(lián)動(dòng),控制SCR 入口煙氣溫度為400~450 ℃,防止高溫下催化劑燒結(jié)失活。
表2 SCR 主要設(shè)計(jì)參數(shù)
本項(xiàng)目由6 大系統(tǒng)組成,如表3所示,其中尿素制備儲(chǔ)存系統(tǒng)與尿素計(jì)量分配系統(tǒng)整體模塊化撬裝見(jiàn)圖2。
2.3.1 尿素制備、儲(chǔ)存、計(jì)量分配系統(tǒng)
點(diǎn)擊PLC 觸摸屏的尿素制備按鈕,電磁閥自動(dòng)打開(kāi),可將PP 儲(chǔ)罐的液位自動(dòng)加水至PLC 設(shè)定的液位高度如800 mm,而后自動(dòng)開(kāi)啟攪拌器,攪拌時(shí)長(zhǎng)由PLC 設(shè)定且可調(diào),初定為30 min。防止尿素投加過(guò)程揚(yáng)塵,采用工業(yè)級(jí)顆粒尿素,人工緩慢加入儲(chǔ)罐內(nèi)不銹鋼濾網(wǎng),單袋50 kg 尿素投加溶解時(shí)間約為10 min。受電磁流量計(jì)的檢測(cè)精度、噴槍流量霧化的最佳范圍限制,制備的尿素溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)需低于12%。尿素溶液使用的變頻防爆計(jì)量泵為1 用1 備,并配備阻尼器,以減少流體沖程的波動(dòng)性。因尿素儲(chǔ)罐布置于室內(nèi)鍋爐旁,室內(nèi)整體溫度較高,故不設(shè)置保溫及伴熱。尿素溶液管道和閥門為304材質(zhì),壓縮空氣管道、閥門及工藝水管道、閥門均為碳鋼材質(zhì)。
2.3.2 壓縮空氣、雙流體噴槍系統(tǒng)
因本項(xiàng)目原廠無(wú)足余的壓縮空氣可用,現(xiàn)采用了1 套一體化的空壓機(jī)-冷干機(jī)集成設(shè)備,可一鍵啟停,見(jiàn)圖3??諌簷C(jī)運(yùn)行將儲(chǔ)罐壓力提升至0.8 MPa,待壓縮空氣緩慢使用壓力降至0.6 MPa 時(shí),空壓機(jī)再行啟動(dòng)??諌簷C(jī)底部自帶壓縮空氣儲(chǔ)罐,需每隔3 天進(jìn)行1 次人工排水。
尿素噴射和應(yīng)急降溫均采用雙流體噴槍,霧化粒徑為50 μ素,霧化距離小于3 m,霧化直徑與煙道直徑匹配。噴槍尾部采用耐高溫金屬軟管分別連至液體和壓縮空氣氣體,霧化壓力為0.2~0.4 MPa,壓力通過(guò)減壓閥調(diào)整。考慮到發(fā)電機(jī)出口為正壓系統(tǒng),防止高溫?zé)煔夥锤Z至SCR 尿素系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)或急冷水系統(tǒng),造成設(shè)備損壞或安全事故,各噴槍前均設(shè)置耐高溫止回閥,另外各壓縮空氣管路如急冷系統(tǒng)的壓縮空氣始終保持壓縮空氣噴射狀態(tài),尿素噴槍和急冷噴槍見(jiàn)圖4。
2.3.3 SCR 本體及PLC 控制系統(tǒng)
SCR 本體系統(tǒng),入口內(nèi)部設(shè)計(jì)了斜均流分布板和水平均布板,SCR 出口設(shè)置耐高溫球閥檢測(cè)口及檢修人孔,因NOx排放指標(biāo)要求嚴(yán)格,催化劑模塊和SCR 本體之間采用扁鐵點(diǎn)焊密封。SCR 入口安裝溫度變送器,與PLC 控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)??紤]啟動(dòng)SCR進(jìn)煙氣的過(guò)程緩慢,高溫?zé)煔庥龅降蜏氐拇呋瘎┠K冷凝結(jié)成水,不可避免從催化劑門縫滴落,門縫底部設(shè)置水平傾斜接液管,匯集后接入鍋爐排水系統(tǒng)。SCR 本體及PLC 控制系統(tǒng)見(jiàn)圖5、圖6。
經(jīng)檢測(cè),噴尿素前原煙氣的NOx含量見(jiàn)圖7,噴尿素后SCR 出口檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖8。NOx含量為298.3 mg·Nm-3(@8.27%O2),折算后為410 mg·Nm-3(@3.5%O2),噴尿素后NOx含量為3.7 mg·Nm-3(@8.33%O2),折算后為5.11 mg·Nm-3(@3.5%O2),脫硝效率達(dá)到 98.6%。NOx含量遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值50 mg·Nm-3,經(jīng)從設(shè)計(jì)角度分析,本項(xiàng)目的為高溫SCR,選取的裂化因子Ψ1=0.5 和排列因子較低Ψ2=0.5,導(dǎo)致催化劑體積余量較大。
1)厭氧沼氣發(fā)電煙氣工程可采用鍋爐前400~450 ℃高溫SCR 脫硝工藝,室內(nèi)改造或室內(nèi)新建項(xiàng)目從安全角度可采用尿素顆粒制備低質(zhì)量分?jǐn)?shù)如5%~12%尿素溶液,室外項(xiàng)目可采用氨水作還原劑,SCR脫硝效率高達(dá)98.6%,NOx可降至10 mg·Nm-3以下。
2)本系統(tǒng)設(shè)置了應(yīng)急降溫系統(tǒng),可將煙氣溫度降至450 ℃以下,避免催化劑高溫?zé)Y(jié)失活。如能開(kāi)發(fā)出450~500 ℃的脫硝催化劑,可增加厭氧沼氣發(fā)電高溫?zé)煔庥酂徨仩t的利用效率,具有一定的節(jié)能環(huán)保意義。