袁从健
上海浦东环保发展有限公司 200127
摘要：现有主流垃圾处理工艺由填埋转为焚烧，但由于我国垃圾成分复杂（分类不佳）且含水率高，故易产生NOx，其中特别是二恶英对周围环境破坏严重。对此，国家于2014.5.16出台了GB18485-2014的生活垃圾焚烧污染控制标准，对烟气中NOx的排放量做了严格限制。本文主要是对垃圾焚烧过程的形成物：氮氧化物（尤其是二恶英）的解决方案及其必要性进行分析讨论，希望能够提供一些参考。
关键词：SNCR；NOx；生活垃圾；垃圾焚烧；
一、NOX的概述
1.氮氧化物的危害
通常所说的氮氧化物(NOx)主要包括NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4、N2O5 等几种。这些氮氧化物的危害主要包括：第一，NOX 对人体及动物的致毒作用；第二，对植物造成伤害；第三，导致酸雨和光化学烟雾的形成；第四，破坏臭氧层。
2.二恶英及其成因
二噁英(Dioxin)，又称二氧杂芑(qǐ)，是一种无色无味、毒性严重的脂溶性物质，二噁英实际上是二噁英类（Dioxins）一个简称，它指的并不是一种单一物质，而是结构和性质都很相似的包含众多同类物或异构体的两大类有机化合物。二噁英包括210种化合物，这类物质非常稳定，熔点较高，极难溶于水，可以溶于大部分有机溶剂，是无色无味的脂溶性物质，所以非常容易在生物体内积累，对人体危害严重。其中以2，3，7，8-四氯二苯并对-二啄英(2，3，7，8 tetra chloro dibenzo-para-dioxin，2，3，7，8～TCDD或TCDD)毒性最强。
二恶英的成因有很多，但城市生活垃圾焚烧产生的二噁英受到的关注程度最高。在生活垃圾焚烧过程中，垃圾中的含氯有机化合物如氯乙烯、氯化苯、五氯苯酚等物质，在适宜温度并在氯化铁和氯化铜的催化作用下与O2、HCl反应，通过分子重排、自由基综合、脱氯等过程生成二恶英类物质(PCDD、PCDF)。
垃圾焚烧中各种二恶英的形成方式
二、目前国内现有的主流解决方案
1、目前国内主要的NOx的去除工艺主要有选择性催化还原法（SCR）、选择性非催化还原法（SNCR）、液体吸收法、微生物法、CSCR法等。
主要NOX处理工艺比较表
目前国内应用最为广泛的为SCR法和SNCR法，本文将优先对该两种方法进行讨论和比较。
2、SCR法简述
选择性催化还原法(Selective Catalytic Reduction，SCR)：在催化剂（如V2O5/TiO2和V2O5-WO3/TiO2）作用下，还原剂NH3在290-400℃下将NO和NO2还原成N2，而几乎不发生NH3的氧化反应，从而提高了N2的选择性，减少了NH3的消耗。SCR 法可将NOX 的浓度控制在50 mg/Nm3 以下，脱硝效率较高。
3、SNCR法简述
选择性非催化还原法(selective noncatalytic reduction，SNCR) 是指无催化剂的作用下，在适合脱硝反应的温度范围内喷入还原剂将烟气中的NOX还原为无害的氮气和水。该技术一般采用炉内喷氨、尿素或氢氨酸作为还原剂还原 NOx。还原剂只和烟气中的 NOx反应，一般不与氧反应，该技术不采用催化剂，所以这种方法被称为选择性非催化还原法（SNCR）。SNCR法能将NOX 的浓度控制在200 mg/Nm3 以内。
4、SNCR在垃圾焚烧项目中的应用主流性
SNCR脱硝法最主要的特点为建设时只需一次性投资，日常运行成本低，设备占地面积小，较其他方法而言SNCR脱硝技术经济性高，比较适合我国的国情。而事实上，根据调查发现，目前我国垃圾焚烧项目中常用的为SNCR技术，并且在环保达标排放上取得了很好的成效。
三、SNCR法的应用
1.SNCR脱硝原理
选择性非催化还原法(selective noncatalytic reduction，SNCR)是把如氨水或尿素等含有NHx基的还原剂喷入炉膛烟气温度为900℃-1100℃的区域，在O2共存的条件下，该还原剂热分解出的NH3与烟气中的NOx进行SNCR反应而生成N2。
（1）如采用氨（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，还发生如下副反应：
4NH3+5O2=4NO+6H2O
4NH3+3O2=2N2+6H2O
（2）如采用尿素（(NH2）2CO）溶液作为还原剂，还原NOx的化学反应方程式为：
2（NH2）2CO+ H2O→NH3+CO2
4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O
SNCR法由于不使用催化剂，要保证达到NOX最高的还原效率，需要在合适的温度范围进行反应，一般认为理想的温度范围为900℃—1100℃，并随反应器的类型的变化而有所不同。当反应温度低于900℃时，NH3的反应速率下降，NOx还原率较低，同时氨的逃逸量增加，造成新的污染；但当温度高于1100℃，
其化学反应方程式为：4NH3+5O2→4NO+6H2O
NH3会被氧化并生成NO，反而造成NOx 排放浓度增大。总之，SNCR法要高效率的将NOX还原，不产生新的污染物，关键在于对反应温度的控制。
常用SNCR工艺流程图
3、SNCR法脱硝还原剂的选择
SNCR目前常用还原剂为氨水和尿素。从安全性考虑，尿素容易保存，使用安全性较高，而氨水的制备和使用均有严格要求。从经济性考虑，尿素的使用成本和运输成本较氨水高得多。从使用效果上考虑，使用氨水的NOX脱除率可高达70％－80％，较使用尿素的NOX脱除率30％－45％高得多。总而言之，如优先考虑安全性，建议选用尿素作为脱硝还原剂。如优先考虑经济效率，则建议优先考虑氨水作为脱硝还原剂。
4、SNCR法脱硝效果的影响因素
SNCR还原NOX的化学反应效率主要取决于反应温度、高温下停留时间、含氨化合物即还原剂用量、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
还原反应的温度区间对SNCR的还原反应影响最大。当温度低于900℃时，NH3的反应速率下降，在标准反应停留时间内，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1100℃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多层喷嘴以适应不同的温度工况。同时根据仪表测得的炉膛温度来调整不同标高喷嘴的工作状态。
（2）停留时间对SNCR的还原反应的影响
SNCR系统中，NH3与NOX的反应需要充足的时间。如果停留时间过短，NH3与NOX反应不完全，造成NOX脱除率下降。SNCR所有的反应从NH3注入点开始，在200 ms之内发生，直至NH3耗尽则NOX的还原反应停止。国外研究人员通过化学动力学计算发现，如停留时间超过200 ms，NOX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会和O2发生反应生成NOX，也会造成NOX脱除率下降。目前，一般SNCR系统设计的停留时间在0.3s－0.5s之间。
NOX还原效果与温度、停留时间的关系
（3）还原剂用量对SNCR的还原反应的影响
SNCR系统常用的两种还原剂为氨水和尿素溶液，其主要参与还原反应的成分为NH3。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，根据经验数据，NH3和NOX的摩尔比应控制在1－2。但不应超过2，这是因为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，同时也会有少量的氨和CO会生成，这样就造成了的氨的逃逸污染。为了减少氨的逃逸，一般通过监测仪表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，计算出所需要投入的NH3浓度，从而折算出喷入的氨水和尿素溶液量。
NOx 还原率与NH3/ NOx 摩尔比的关系
（4）烟气中的氧含量对SNCR的还原反应的影响
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，NOX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，NOX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
从以上机理可见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O的存在才能为OH的产生提供条件。
四、使用SNCR脱硝法经济性的分析
目前国内垃圾焚烧项目的主要收入来源是垃圾焚烧上网产生的电费收益，而SNCR法所造成的主要成本为SNCR项目建设的一次性投入和日常运营中产生的药剂消耗和能源消耗费用。
1、我国垃圾焚烧补贴电费现状
2006年后，垃圾焚烧发电被列入可再生能源电价附加补贴的范畴。目前国家发展改革委已经颁布了4批可再生能源电价附加补贴和配额交易方案，总装机容量为27.6万kW的垃圾焚烧发电项目获得了电价补贴，补贴电量合计为8.87亿kWh，补贴金额为1.8亿元。2012年为引导垃圾焚烧发电产业健康发展，促进资源节约和环境保护，国家发展改革委又进一步出台了关于完善垃圾焚烧发电价格政府的通知。
补贴电费一般由国家标杆电价、地方补贴和国家补贴组成，目前国内环保行业电费补贴后的上网电价均在0.65元/千瓦时。
2、SNCR项目一次性建设成本
根据江浙沪区域现有垃圾焚烧项目的调查，一座日处理量为900吨的垃圾焚少电厂，SNCR项目新建或改造新建的工程费用约为300万元左右。按垃圾焚烧项目标准寿命15年计算，年均成本在20万元左右。
3、SNCR工艺主要成本构成
SNCR项目日常工艺消耗主要为作为还原剂的氨水或尿素、稀释用除盐水、SNCR设备运转用电以及喷洒药剂所需的压缩空气。同样以日处理量900吨的垃圾焚烧项目为例，以上费用加上设备的维护费用所产生的年运行成本约为190万元左右。
4、SNCR综合成本估算
根据经验数据，一座日处理量为900吨的垃圾焚烧电厂年发电约为1亿度，综合以上数据，在保证垃圾焚烧电厂排放达标的前提下，使用SNCR法脱硝的综合平均成本约0.021元/千瓦时，占上网电价的0.65元/千瓦时的3.2％。
由上可知，SNCR一次性投入和工艺投资成本低，加之垃圾焚烧发电还会获得电价补贴，所以其相对于整个焚烧发电项目来说其成本是非常微小的。
五、结论
综上所述，为解决垃圾处理难题，全世界都在追求更加先进的垃圾焚烧处理方式，力图减少垃圾处理可能造成的二次污染。而SNCR工艺保证在通过焚烧有效分解生活垃圾的同时，降低对环境的污染，加之其一次性投入成本和工艺成本均不高，在国家对污染排放和环境友好日益重视的大环境下，强烈希望现有的垃圾焚烧项目能够采用并用好SNCR工艺，并在今后的新建垃圾焚烧项目中加大其推广力度。让垃圾焚烧项目真正成为让大家安心和欢迎的“好邻居”。
参考文献：
【1】白良成.生活垃圾焚烧处理工程技术[M]，建筑工业出版社，2009年版。
【2】任玉森. 二恶英污染防治技术研究[J]，宝钢技术，2003年增刊。
【3】 段佳和、夏怀祥等.选择性非催化还原法（SNCR）烟气脱硝[M]，中国电力出版社，2012年版。
论文作者:袁从健
论文发表刊物:《基层建设》2015年16期
论文发表时间:2015/11/20
标签：还原剂论文; 垃圾焚烧论文; 氨水论文; 尿素论文; 温度论文; 还原法论文; 烟气论文; 《基层建设》2015年16期论文;