作者:程鵬

　　摘要：隨著中國生活垃圾焚燒電廠的快速發展與污染物排放要求的逐步提高，垃圾焚燒過程中產生的污染物越來越受到人們的關注，其中氮氧化物（NO_x）作為酸雨等自然災害的元兇之一，是重點關注對象之一。目前，垃圾焚燒電廠氮氧化物控制的普遍技術是選擇性非催化還原（SNCR）技術，該技術是在高溫（800～1000℃）條件下，將NO_x還原成N₂。SCR作為進一步脫出氮氧化物的技術，其原理是在低溫或中溫、有催化劑的條件下將NO_x還原成N₂的技術；隨著中國部分超一線城市和部分省區對氮氧化物總量控制和污染物排放指標日趨嚴格，SCR技術以其高效的脫硝效率、超低排放污染物數值以及滿足未來更為嚴格的環保要求日益受到地方政府或投資者們的青睞。

　　引言

　　固體燃料(煤粉、生物質等)再燃還原NO反應包括揮發分的同相反應和灰焦的異相反應兩部分。對燃料再燃機理進行了深入研究，結果表明灰焦的異相反應對再燃還原NO的作用不大，燃料還原NO的性能主要來自其產生能與NO發生反應的揮發分的能力；他們認為具有較高揮發分含量的燃料能夠大幅促進再燃過程中NO的還原。此外，一些研究認為，生物質在再燃過程中產生的碳氫物質(CxHy)對脫硝起到了至關重要的作用，這與之前研究較多的天然氣再燃機理相似。

　　1生物質再燃脫硝概述

　　再燃脫硝是應用比較普遍而且效率較高的脫硝方式。所謂再燃燒技術(ReburningTechnology)是指在爐膛(燃燒室)內設置二次燃料欠氧燃燒的NO_x還原區段，以控制NO_x的最終生成量的一種“準二次措施”，該技術所以也稱為爐內燃料分級(區)燃燒技術。由NO的形成和破壞機理可知，已生成的NO在遇到烴根CHi和未完全燃燒產物CO、H₂、C和C_nH_m時，會發生NO的還原反應。這些反應的總反應式為:

　　4NO+CH₄→2N₂+CO₂+2H₂O(1)

　　2NO+2C_nH_m+(2n+m/2-1)O₂→N₂+2nCO₂+mH₂O(2)

　　2NO+2CO→N₂+2CO₂(3)

　　2NO+2C→N₂+2CO(4)

　　2NO+2H₂→N₂+2H₂O(5)

　　由于可燃氣體燃料存在廣泛的含有烴類活性物質，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。天然氣再燃也已經成功地運用在全尺寸鍋爐上，并取得了50%～70％的脫硝效率。另外，其他的可燃氣作為再燃燃料，進行脫硝證明也是可行的，比如石油氣，石油氣是石化生產過程中產生的一種副產品。既有烴類可燃氣，也包含H₂和CO非烴類氣體。實爐應用石油氣再燃還原NO現場試驗表明，使用10%~20%燃料量的石油氣再燃還原NO可以達到60%左右的脫硝效率。

　　而生物質氣即生物質經過氣化爐氣化后產生的可燃氣體。經過循環流化床生物質氣化工藝是以空氣與水蒸汽的混合氣體為氣化劑，以生物質顆粒為原料，在正壓非催化條件下進行部分氧化反應，氣化溫度為700℃~750℃，生產以CO、H₂、CH₄為有效成分的燃料氣。而CO、H₂、CH₄均為可與NO氣體反應的還原性氣體。

　　2生物質再燃脫硝在垃圾焚燒電廠的應用

　　2.1生物質中揮發分及堿金屬對氮氧化物脫除的影響

　　生物質中的揮發分是指生物質中的有機質受熱分解產生的可燃性氣體，從表1可知生物質中含有大量的揮發分，其在再燃過程中會在極短時間內快速分解釋放；釋放出的揮發分在極短時間內快速反應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；揮發分含量越多，產生的中間組分越多，對氮氧化物的脫除效率越高。其反應機理總包反應如下：

　　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作用；含有堿金屬的添加劑（NaOH、Na₂CO₃與KCl）在高溫區快速氣化，產生游離態堿金屬，進而通過反應（10）生產大量的OH基團。以生物質中的鈉離子為例，其發生NaOH→Na₂O→Na→NaO→NaOH的循環反應，其中Na通過反應（10）產生大量OH基團。可見堿金屬在高溫環境中會促進HO根的生成，對氮氧化物的脫除效率的提高有促進作用：

　　M+H₂O↔OH+H+M（10）

　　2.2生物質中含碳基團對氮氧化物脫除的影響

　　從再燃的脫硝機理可以看出，再燃反應過程中生成的含碳基團CHi與NO反應，產生HCN，HCN在活性基（O、H）作用下進一步與NO反應生成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的特殊及復雜性，其在焚燒爐排上基本是成塊狀燃燒，導致僅有少量的碳以流化態形式隨煙氣流動；在垃圾焚燒過程中，此部分少量碳形成的含碳基團很少，對生活垃圾脫硝影響更小，而生物質中的碳含量較高、含水量少，前期可通過粉碎裝置預處理成微粒狀，通過鼓風機噴入焚燒爐，因而，生物質再燃可從增加含碳基團（CHi）和反應區活性基濃度為切入點，通過增加生物質再燃燃料量以脫除生活垃圾焚燒過程中的氮氧化物。

　　2.3生物質再燃在生活垃圾焚燒電廠的應用分析

　　生物質再燃在生活垃圾焚燒過程中脫除氮氧化物的應用較少，主要原因是垃圾焚燒爐燃燒區域設置與燃煤電廠的燃燒區域設置差別較大，比如燃煤電廠爐膛焚燒區域分為主燃區、再燃區和燃盡區三個區域，而且燃燒區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，其隨著垃圾運動方向劃分為預熱區、燃燒區、燃盡區；生物質再燃在生活垃圾焚燒領域脫除氮氧化物的應用首先需解決生物質再燃區域問題；垃圾焚燒爐排爐的生物質再燃區域設置在爐排爐前后拱區域（區域偏下側，二次風噴嘴位置下方），靠近爐排燃燒區火焰上方，以使再燃燃料形成貧氧富燃料的再燃區，促使主燃區生成的氮氧化物還原為氮氣，最后送入二次風空氣燃燒未燃盡燃料和含氮基團，達到脫除氮氧化物目的。由于爐排爐模塊化較強，經過幾十年發展，其在焚燒生活垃圾方面已經很成熟，本文不建議在焚燒爐本體上直接增設再燃投料口方式進行再燃燃料投放，這樣設備改造成本大、風險較高；建議采用焚燒爐本體開孔方式噴射再燃燃料，這樣可促進焚燒爐內流場擾動，加速再燃燃料燃燒；為達到生物質噴射進入焚燒爐進行再燃目的，生物質需進行破碎預處理，然后通過氣力輸送系統將破碎后的生物質噴入垃圾焚燒爐再燃區。此方案因改造成本少、易于操作、風險低、對設備損害少等優點，可在國內已運行爐排爐垃圾焚燒電廠應用。

　　結語

　　通過對生物質和生活垃圾的成分與熱值分析，生物質可作為生活垃圾焚燒爐再燃燃料，且生物質具有高揮發分、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勢；生物質中高揮發分和鈉、鉀等堿金屬對氮氧化物的去除有促進作用；生物質再燃技術可作為初期投資高、催化劑昂貴、運行費用高的SCR脫硝技術的替代技術，進一步脫除氮氧化物。