垃圾焚烧厂烟气净化SCR改造设计和脱硝效果分析
摘要：垃圾焚烧发电厂烟气脱硝一般采用SNCR工艺即可满足《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB 18485—2014)排放要求。为改善环境,部分地市对辖区内的垃圾焚烧厂提出了更为严格的排放要求,甚至要求某些示范性工厂实现"零排放"。这也使得原有项目或新建项目需要考虑增加或布置SCR脱硝工艺,进一步降低烟气的NOx含量。某垃圾焚烧发电厂在原有半干法脱酸系统基础上增加SCR脱硝改造,使烟气中的NO_x降低到低于80 mg/Nm~3,同时二噁英在原有基础上降低50%。因此,本文分析了垃圾焚烧厂烟气净化SCR改造设计和脱硝效果。
垃圾焚烧烟气中含有大量的粉尘、HCL、SO2、NOx、二噁英、重金属等有害物质，目前，大多数项目采用SNCR+ 半干法+ 干法+ 活性炭喷射+ 布袋除尘器工艺进行烟气处理[1]。烟气中的NOx 和Ca(OH)2 的反应效率很低，烟气的脱硝主要靠SNCR工艺(选择性非催化还原)进行脱除，但是，在氨逃逸不超标情况下，SNCR 通常脱除效率只有40%～50%，只能满足250 mg/Nm3 的排放要求。随着国家标准和不同地方标准的出台，仅采用SNCR已不能满足不同地方的排放要求，越来越多的项目需要采用SCR工艺(选择性催化还原)进一步脱除NOx的排放量。
在已经出台的相关标准和政策中，上海、深圳、海南等地的地方标准关于NOx的排放要求明显高于国家标准。另外，在其他未出台地方标准的省份，对于新建垃圾焚烧发电项目，很多地方政府对烟气排放的要求也明显高于国家标准，部分标准如表1所示。
1 项目概况
本项目为深圳某垃圾焚烧发电厂，自深圳市地方标准出台后，部分已建成企业也逐步要求进行排放“提标”，NOx排放要求满足《深圳市生活垃圾处理设施运营规范》(SZDB/Z 233—2017)。本项目原有烟气净化工艺为：SNCR+半干法脱酸+干法脱酸+活性炭吸附+布袋除尘器+引风机+烟囱，项目要求在引风机和烟囱之间增加SCR脱硝系统。
2 方案设计
综合投资和运行成本方面的考虑，本项目采用“中温SCR脱硝”工艺，运行温度为(230±5)℃，每条焚烧线配置一套SCR脱硝系统，脱硝系统烟气处理流程为：引风机→ GGH → SGH →喷氨格栅→ SCR 反应器→ GGH →增压风机→烟囱。
前端脱硫除尘后，约145℃烟气经引风机后进入GGH换热器，与SCR出口高温烟气换热后，温度升至195℃，然后烟气进入SGH，其间利用饱和蒸汽将烟气温度由195℃升至约230℃，约230℃的烟气进入SCR反应器发生反应后将二噁英和NOx脱除，从SCR反应器出来的达标烟气进入GGH换热器与除尘器出口的低温烟气混合后温度降至约180℃，然后经增压风机将烟气送入烟囱。考虑到改造系统的施工、催化剂的安装维护，整个SCR系统设置了旁路系统，本项目中氨水储存使用电厂现有的SNCR 系统储存罐，三条焚烧炉可以共用氨水输送系统;本项目另外配套2套催化剂再生系统。
3 主要设备
3.1 SCR 反应器
SCR反应器内催化剂按照2+1的方式布置，安装2层，预留1层，反应器设计成烟气竖直向下流动，反应器入口设气流均布装置。反应器配有可拆卸的催化剂测试元件，方便使用方根据运行工况对测试模块进行取样分析，以便确定催化剂运行情况及再生时间。反应器配有吹灰装置，采用声波吹灰，每层催化剂布置4个吹灰点，单条线共有12 个点。
反应器预留了催化剂维修及更换所需的起吊装置和平台，SCR反应器本体设计温度不小于350℃，能承受运行温度400℃的考验，而不产生任何损坏。
本工程使用某进口品牌的中温蜂窝催化剂。催化剂模块采用框架结构，耐高温、耐腐蚀，并便于运输、安装、起吊。催化剂设计反应温度为(230±5)℃，能满足该烟气温度下长期运行，同时催化剂最高能承受运行温度400℃，而不会产生任何损坏。
3.2 增压风机
由于增加的SCR 脱硝系统GGH、SGH、催化剂反应器及烟道等会造成压力损失，原有引风机能力不满足SCR脱硝系统所需的运行能力，所以要新增增压风机，每台炉设置1 台。该增压风机通过变频器进行转速控制，并将现有的引风机控制在一定范围内运行。另外，停炉时或者再生加热时，该风机和挡板一起同时使用，从而进行流量控制。
3.3 SGH蒸汽换热器
方案中SGH 加热采用260℃饱和蒸汽，并对SCR脱硝系统饱和蒸汽进汽阀进行程序化控制，可以根据烟气加热器的不同工况进行温度调节，保证烟气在设定温度范围内与氨气进行反应。SGH采用翅片式换热管，基材选用20G钢，为防止湍流振动，SGH中间用隔板分隔成左右两组。
3.4 GGH烟气换热器
方案采用GGH+SGH 联合升温方案，设计中充分考虑了蒸汽耗量、排烟温度、占地面积等多方面因素，确保排烟温度低于195℃。GGH壳侧与管侧材质具有良好的抗腐蚀性，壳体材质满足防腐要求，管侧材质采用ND钢。
3.5 喷氨系统及再生系统
SCR脱硝系统氨水使用原有SNCR 脱硝系统的氨水罐，从氨水罐备用接口连接到氨水输送泵，送到混合器使氨气蒸发并同稀释风混合均匀送入SCR喷氨格栅。
催化剂表面析出硫铵，会致使脱硝性能下降。催化剂表面硫铵的升华温度为320℃左右，据此设置加热器热风循环系统，以达到使催化剂恢复活性的目的。
4 运行效果
项目建成后，按照协议要求，对脱硝系统进行了(72+24)h 的试运行验收，邀请第三方检测单位对SCR 脱硝前后的指标进行了同步取样分析，并对(72+24)h 时间内SCR 系统的原料、能源消耗进行了统计分析，具体数据如表2所示。
由表2数据可以看出，经过SNCR 脱硝后，NOx最高均值为221 mg/Nm3，通过SCR 脱硝系统后，脱硝效果明显，根据喷氨量的不同，脱硝效率也有所不同，在氨逃逸不超标的情况下(≤ 3 mg/Nm3)，脱硝效率最高可以达到84.8%，并全部满足≤ 80 mg/Nm3的排放要求;SCR 催化剂对二噁英的脱除也有50%以上的效果;其他各项消耗全部达到设计要求。
为进一步了解催化剂的效能变化、验证SCR 的性能指标，在SCR脱硝系统运行一年半后重新邀请第三方检测单位对这三条生产线SCR工艺前后同时进行烟气成分检测，并对其他运行数据进行统计，结果如表3所示。
由表3可以看出，该系统运行稳定，在正常使用一年半后还有超过80% 的脱硝效率，并且脱除二噁英的效果明显。该催化剂质量保证期为3a，如果脱酸系统和除尘系统运行正常，满足排放要求，实际使用寿命应该会更长。
5 结论
在保证氨逃逸不超标的情况下(≤ 3 mg/Nm3)，SCR 的脱硝效率能够超过80%，并且运行稳定可靠。SCR 脱硝选用合适的催化剂，具有协同脱除二噁英的作用，本项目协同脱除二噁英的效率超过50%。
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