摘要：隨著中國生活垃圾焚燒電廠的快速發(fā)展與污染物排放要求的逐步提高，垃圾焚燒過程中產(chǎn)生的污染物越來越受到人們的關(guān)注，其中氮氧化物（NOx）作為酸雨等自然災(zāi)害的元兇之一，是重點(diǎn)關(guān)注對象之一。目前，垃圾焚燒電廠氮氧化物控制的普遍技術(shù)是選擇性非催化還原（SNCR）技術(shù)，該技術(shù)是在高溫（800～1000℃）條件下，將NOx還原成N2。SCR作為進(jìn)一步脫出氮氧化物的技術(shù)，其原理是在低溫或中溫、有催化劑的條件下將NOx還原成N2的技術(shù)；隨著中國部分超一線城市和部分省區(qū)對氮氧化物總量控制和污染物排放指標(biāo)日趨嚴(yán)格，SCR技術(shù)以其高效的脫硝效率、超低排放污染物數(shù)值以及滿足未來更為嚴(yán)格的環(huán)保要求日益受到地方政府或投資者們的青睞。
關(guān)鍵詞：生物質(zhì)再燃脫硝；垃圾焚燒電廠；應(yīng)用
引言
固體燃料(煤粉、生物質(zhì)等)再燃還原NO反應(yīng)包括揮發(fā)分的同相反應(yīng)和灰焦的異相反應(yīng)兩部分。對燃料再燃機(jī)理進(jìn)行了深入研究，結(jié)果表明灰焦的異相反應(yīng)對再燃還原NO的作用不大，燃料還原NO的性能主要來自其產(chǎn)生能與NO發(fā)生反應(yīng)的揮發(fā)分的能力;他們認(rèn)為具有較高揮發(fā)分含量的燃料能夠大幅促進(jìn)再燃過程中NO的還原。此外，一些研究認(rèn)為，生物質(zhì)在再燃過程中產(chǎn)生的碳?xì)湮镔|(zhì)(CxHy)對脫硝起到了至關(guān)重要的作用，這與之前研究較多的天然氣再燃機(jī)理相似。
1生物質(zhì)再燃脫硝概述
再燃脫硝是應(yīng)用比較普遍而且效率較高的脫硝方式。所謂再燃燒技術(shù)(ReburningTechnology)是指在爐膛(燃燒室)內(nèi)設(shè)置二次燃料欠氧燃燒的NOx還原區(qū)段，以控制NOx的最終生成量的一種“準(zhǔn)二次措施”，該技術(shù)所以也稱為爐內(nèi)燃料分級(區(qū))燃燒技術(shù)。由NO的形成和破壞機(jī)理可知，已生成的NO在遇到烴根CHi和未完全燃燒產(chǎn)物CO、H2、C和CnHm時(shí)，會發(fā)生NO的還原反應(yīng)。這些反應(yīng)的總反應(yīng)式為:
4NO+CH4→2N2+CO2+2H2O(1)
2NO+2CnHm+(2n+m/2-1)O2→N2+2nCO2+mH2O(2)
2NO+2CO→N2+2CO2(3)
2NO+2C→N2+2CO(4)
2NO+2H2→N2+2H2O(5)
由于可燃?xì)怏w燃料存在廣泛的含有烴類活性物質(zhì)，且含有較低或者不含S、N等元素，所以以天然氣為代表的氣體再燃燃料引起許多研究者的興趣。天然氣再燃也已經(jīng)成功地運(yùn)用在全尺寸鍋爐上，并取得了50%～70％的脫硝效率。另外，其他的可燃?xì)庾鳛樵偃既剂希M(jìn)行脫硝證明也是可行的，比如石油氣，石油氣是石化生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的一種副產(chǎn)品。既有烴類可燃?xì)?，也包含H2和CO非烴類氣體。實(shí)爐應(yīng)用石油氣再燃還原NO現(xiàn)場試驗(yàn)表明，使用10%~20%燃料量的石油氣再燃還原NO可以達(dá)到60%左右的脫硝效率。
而生物質(zhì)氣即生物質(zhì)經(jīng)過氣化爐氣化后產(chǎn)生的可燃?xì)怏w。經(jīng)過循環(huán)流化床生物質(zhì)氣化工藝是以空氣與水蒸汽的混合氣體為氣化劑，以生物質(zhì)顆粒為原料，在正壓非催化條件下進(jìn)行部分氧化反應(yīng)，氣化溫度為700℃~750℃，生產(chǎn)以CO、H2、CH4為有效成分的燃料氣。而CO、H2、CH4均為可與NO氣體反應(yīng)的還原性氣體。
2生物質(zhì)再燃脫硝在垃圾焚燒電廠的應(yīng)用
2.1生物質(zhì)中揮發(fā)分及堿金屬對氮氧化物脫除的影響
生物質(zhì)中的揮發(fā)分是指生物質(zhì)中的有機(jī)質(zhì)受熱分解產(chǎn)生的可燃性氣體，從表1可知生物質(zhì)中含有大量的揮發(fā)分，其在再燃過程中會在極短時(shí)間內(nèi)快速分解釋放；釋放出的揮發(fā)分在極短時(shí)間內(nèi)快速反應(yīng)生成未完全燃燒的烴根CHi、CO以及H2等，這些成分在還原性氣氛中可還原氮氧化物；揮發(fā)分含量越多，產(chǎn)生的中間組分越多，對氮氧化物的脫除效率越高。其反應(yīng)機(jī)理總包反應(yīng)如下：
4NO+CH4→2N2+CO2+H2O（6）
2NO+2CO→N2+2CO2（7）
2NO+2C→N2+2CO（8）
2NO+H2→N2+2H2O（9）
生物質(zhì)再燃燃燒后的灰分中含有鈉、鉀等微量元素；在再燃過程中，這些堿金屬對氮氧化物的還原具有促進(jìn)作用；含有堿金屬的添加劑（NaOH、Na2CO3與KCl）在高溫區(qū)快速氣化，產(chǎn)生游離態(tài)堿金屬，進(jìn)而通過反應(yīng)（10）生產(chǎn)大量的OH基團(tuán)。以生物質(zhì)中的鈉離子為例，其發(fā)生NaOH→Na2O→Na→NaO→NaOH的循環(huán)反應(yīng)，其中Na通過反應(yīng)（10）產(chǎn)生大量OH基團(tuán)。可見堿金屬在高溫環(huán)境中會促進(jìn)HO根的生成，對氮氧化物的脫除效率的提高有促進(jìn)作用：
M+H2O?OH+H+M（10）
2.2生物質(zhì)中含碳基團(tuán)對氮氧化物脫除的影響
從再燃的脫硝機(jī)理可以看出，再燃反應(yīng)過程中生成的含碳基團(tuán)CHi與NO反應(yīng)，產(chǎn)生HCN，HCN在活性基（O、H）作用下進(jìn)一步與NO反應(yīng)生成N2。從生活垃圾的成分分析來看，生活垃圾的碳元素含量占比相對較高，約為40%；但由于生活垃圾形態(tài)的特殊及復(fù)雜性，其在焚燒爐排上基本是成塊狀燃燒，導(dǎo)致僅有少量的碳以流化態(tài)形式隨煙氣流動；在垃圾焚燒過程中，此部分少量碳形成的含碳基團(tuán)很少，對生活垃圾脫硝影響更小，而生物質(zhì)中的碳含量較高、含水量少，前期可通過粉碎裝置預(yù)處理成微粒狀，通過鼓風(fēng)機(jī)噴入焚燒爐，因而，生物質(zhì)再燃可從增加含碳基團(tuán)（CHi）和反應(yīng)區(qū)活性基濃度為切入點(diǎn)，通過增加生物質(zhì)再燃燃料量以脫除生活垃圾焚燒過程中的氮氧化物。
2.3生物質(zhì)再燃在生活垃圾焚燒電廠的應(yīng)用分析
生物質(zhì)再燃在生活垃圾焚燒過程中脫除氮氧化物的應(yīng)用較少，主要原因是垃圾焚燒爐燃燒區(qū)域設(shè)置與燃煤電廠的燃燒區(qū)域設(shè)置差別較大，比如燃煤電廠爐膛焚燒區(qū)域分為主燃區(qū)、再燃區(qū)和燃盡區(qū)三個(gè)區(qū)域，而且燃燒區(qū)域隨著爐膛一般自下向上劃分；而垃圾焚燒爐排爐（本文以爐排爐為例）由于垃圾的特殊性，其隨著垃圾運(yùn)動方向劃分為預(yù)熱區(qū)、燃燒區(qū)、燃盡區(qū)；生物質(zhì)再燃在生活垃圾焚燒領(lǐng)域脫除氮氧化物的應(yīng)用首先需解決生物質(zhì)再燃區(qū)域問題；垃圾焚燒爐排爐的生物質(zhì)再燃區(qū)域設(shè)置在爐排爐前后拱區(qū)域（區(qū)域偏下側(cè)，二次風(fēng)噴嘴位置下方），靠近爐排燃燒區(qū)火焰上方，以使再燃燃料形成貧氧富燃料的再燃區(qū)，促使主燃區(qū)生成的氮氧化物還原為氮?dú)?，最后送入二次風(fēng)空氣燃燒未燃盡燃料和含氮基團(tuán)，達(dá)到脫除氮氧化物目的。由于爐排爐模塊化較強(qiáng)，經(jīng)過幾十年發(fā)展，其在焚燒生活垃圾方面已經(jīng)很成熟，本文不建議在焚燒爐本體上直接增設(shè)再燃投料口方式進(jìn)行再燃燃料投放，這樣設(shè)備改造成本大、風(fēng)險(xiǎn)較高；建議采用焚燒爐本體開孔方式噴射再燃燃料，這樣可促進(jìn)焚燒爐內(nèi)流場擾動，加速再燃燃料燃燒；為達(dá)到生物質(zhì)噴射進(jìn)入焚燒爐進(jìn)行再燃目的，生物質(zhì)需進(jìn)行破碎預(yù)處理，然后通過氣力輸送系統(tǒng)將破碎后的生物質(zhì)噴入垃圾焚燒爐再燃區(qū)。此方案因改造成本少、易于操作、風(fēng)險(xiǎn)低、對設(shè)備損害少等優(yōu)點(diǎn)，可在國內(nèi)已運(yùn)行爐排爐垃圾焚燒電廠應(yīng)用。
結(jié)語
通過對生物質(zhì)和生活垃圾的成分與熱值分析，生物質(zhì)可作為生活垃圾焚燒爐再燃燃料，且生物質(zhì)具有高揮發(fā)分、易燃燒、含有堿金屬、含氮量低、硫元素含量極少、灰量少、CO2凈零排放、可再生能源等作為再燃燃料的優(yōu)勢；生物質(zhì)中高揮發(fā)分和鈉、鉀等堿金屬對氮氧化物的去除有促進(jìn)作用；生物質(zhì)再燃技術(shù)可作為初期投資高、催化劑昂貴、運(yùn)行費(fèi)用高的SCR脫硝技術(shù)的替代技術(shù)，進(jìn)一步脫除氮氧化物。
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