CN111715052B - 一种生活垃圾焚烧过程中二噁英类物质和NOx协同高效减排方法 - Google Patents

一种生活垃圾焚烧过程中二噁英类物质和NOx协同高效减排方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种生活垃圾焚烧过程中二噁英类物质和NOx协同高效减排方法。将钠基化合物组合物与脱硝还原剂尿素相混合，通过SNCR系统将混合物的水溶解液雾化喷入烟道850～1050℃温度段，同时实现抑制二噁英类物质生成和提高NOx脱除效率的目的。所述钠基化合物组合物由碳酸钠和硫化钠组成；所述组合物中，所述碳酸钠的质量百分含量为20％～80％，所述硫化钠的质量百分含量为20％～80％。所述的钠基化合物组合物的使用量为尿素质量的10％～40％。本方法简单易行，运行成本低，可为生活垃圾焚烧设施的二噁英类物质和NOx的达标排放提供技术保障。

Description

一种生活垃圾焚烧过程中二噁英类物质和NOx协同高效减排 方法
技术领域
本发明属于环境保护领域固体废弃物的焚烧处置领域，具体涉及一种同时实现对生活垃圾焚烧过程中二噁英类物质的生成控制和氮氧化物高效脱除的方法。
背景技术
焚烧处理已经成为我国生活垃圾处置的主要方式。在生活垃圾焚烧处置过程中会生成高毒性的二噁英类物质，同时会产生大量的氮氧化物(NOx)排放。为控制二噁英类物质的排放，我国的大型现代化垃圾焚烧发电设施普遍采用了“3T+E”技术(控制焚烧温度、搅拌混合程度、气体停留时间、及过剩空气率)、烟气急冷技术和活性炭+布袋除尘器技术，尽管如此，一些大型垃圾焚烧设施的二噁英类物质排放水平仍然难以达到现行《生活垃圾焚烧污染控制标准》 (GB18485-2014)规定的限值(<0.1ng TEQ/Nm3)。同时，为了减少NOx排放，大型现代化垃圾焚烧发电设施普遍安装了选择性非催化还原(SNCR)脱硝系统，通常是将尿素溶液喷淋到高温烟道气中，尿素迅速分解生成NH3和异氰酸，进一步与烟气中的NOx反应，生成N2和 H2O，实现降低NOx排放的目的。SNCR脱硝系统具有运行成本低廉、安全可靠和易于维护的优点，但尿素中的氨氮仅约一半能与NOx发生反应，对烟气中NOx的去除率(脱硝效率)通常介于30％～45％；继续增大尿素用量，往往会增加NH3逃逸。因此，利用大型现代化垃圾焚烧发电厂现有设备，增加尿素对NOx的脱除效率，实现二噁英类物质和NOx的同时高效减排，是本行业的普遍技术需求。
目前国内外主要采用钒钛基催化剂模块同时脱除焚烧烟气中NOx和二噁英。钒钛基催化剂虽然可以达到较高的二噁英脱除率，但是价格高昂；催化剂窗口温度不合理，烟气需要再加热至300-450℃左右进行脱二噁英，而此温度会发生二噁英的再次生成；反应后的催化剂含有的V2O5为剧毒物质，可能造成新的污染。
发明创造的名称为：一种垃圾焚烧过程中NOx、二噁英协同减排系统(申请号20170900920.8，申请日：2017-07-24)，其组成单元为焚烧炉本体、烟道单元、二噁英减排单元、NOx减排单元和烟囱；二噁英减排单元的第一抑喷头设置于500-800℃温度段，NOx减排单元的第一抑喷头设置于850-950℃温度段；向烟道气500-800℃温度段喷入二噁英抑制剂溶液，向烟道气850-950℃温度段喷入NOx减排溶液。该技术虽然实现了垃圾焚烧过程NOx和二噁英协同减排，但其并未体现出具体的减排效果，其二噁英减排单元和NOx减排单元为分立的两个单元。
发明创造的名称为：一种垃圾焚烧烟气联合脱硝、脱二噁英的方法(申请号：201810256093.2，申请日：2018.03.27)，向焚烧烟气中喷入NOX减排溶液，根据颗粒物的含量对减排后的烟气进行分流处理，向烟气内喷入二噁英抑制剂溶液。其NOX减排溶液尿素溶液或氨水溶液，二噁英抑制剂溶液为尿素溶液、氨水溶液等含有氨类基团的抑制剂溶液或含有碱性的溶液。该发明虽然实现了垃圾焚烧过程NOx和二噁英协同减排，但其并未体现出具体的减排效果，其二噁英减排和NOx减排为独立的两个步骤及独立的设备单元。
发明内容
本发明的目的是，解决垃圾焚烧过程中产生大量二噁英的问题，基于大型现代化垃圾焚烧发电厂的SNCR系统，在不增加新设备的条件下，提供一种生活垃圾焚烧过程中二噁英类物质和NOx协同高效减排方法，本发明的SNCR系统使用的是文献(Research toapplication. Progress in Energy and Combustion Science,1997,23(3):233～266)中报道的SNCR系统。
为达到上述技术目的，本发明提供的技术方案为：
本发明首先提供一种钠基化合物组合物在二噁英和NOx协同减排中的应用，兼具二噁英类物质生成抑制作用和尿素脱硝增效功能，其由碳酸钠和硫化钠组成；
基于以上技术方案，优选的，所述钠基化合物组合物中，碳酸钠的质量百分含量为20％～80％；硫化钠的质量百分含量为20％～80％。
本发明所述的碳酸钠和硫化钠，可以自行合成，也可将市售的工业级颗粒物状碳酸钠和硫化钠按所述质量比混合即得到本发明的组合物。
本发明提供的钠基化合物组合物可同时作为二噁英类物质生成抑制剂和尿素脱硝增效剂。
本发明另一方面还提供一种二噁英类物质和NOx协同高效减排方法，所述方法使用上述钠基化合物组合物，包括如下步骤：
将所述的钠基化合物组合物与脱硝还原剂尿素混合，用水溶解，通过SNCR系统将混合物的水溶解液喷入生活垃圾焚烧设施的烟道气中。
基于以上技术方案，优选的，所述钠基化合物组合物中，碳酸钠的质量百分含量为20％～80％，所述硫化钠的质量百分含量为20％～80％。
基于以上技术方案，优选的，所述钠基化合物组合物的使用量为尿素质量的10％～40％。
基于以上技术方案，优选的，所述的SNCR系统至少包括物料配置及输送装置、溶解罐、稀释模块和雾化喷枪，雾化喷枪布设在烟道的850～1050℃温度段，所述混合物的水溶解液通过雾化喷枪喷入烟道中。
基于以上技术方案，优选的，所述的钠基化合物组合物与脱硝还原剂尿素的混合溶解方式为：将钠基化合物组合物与脱硝还原剂尿素直接按比例混合，通过SNCR的物料及输送装置加入到溶解罐中，然后加入25～60℃的水溶解，最终使尿素在溶解罐中的质量浓度为25％～40％。
本发明相比现有技术，本钠基化合物组合物抑制二噁英类物质生成的化学机理主要为：
钠基化合物组合物中的硫化钠在高温烟道气中可分解为单质硫、H2S、SO2、SO3和Na2O 和NaOH；钠基化合物组合物中的碳酸钠在高温烟道气中可分解为Na2O、NaOH和CO2。分解生成的单质硫和含硫化合物一方面可与催化二噁英类物质生成的铜和铁金属粒子发生反应，使其催化活性钝化或失去催化能力；另一方面可与烟气中的Cl2发生反应，在一定程度上减少氯代芳烃类化合物(二噁英类物质生成前体物)的生成量，进而减少二噁英类物质生成。分解生成的Na2O和NaOH可与烟气中的Cl2和HCl发生反应，生成NaCl，会使促进二噁英类物质生成的关键催化剂CuCl2、CuCl、FeCl3和FeCl2的生成量大幅减少，因而减少二噁英类物质生成。硫化钠和碳酸钠在减少二噁英排放方面可发挥协同作用。
本发明相比现有技术，钠基化合物组合物增加还原剂尿素脱硝的化学机理主要为：
尿素在高温烟气中可分解成NH3和异氰酸，钠基化合物组合物中的硫化钠和碳酸钠在高温烟道气中可分解生成Na2O和NaOH。Na2O和NaOH在高温高湿条件下可以促进水分子裂解生成大量的H和OH活性基团。H活性基团和OH活性基团可分别活化NH3和异氰酸，促进脱硝反应，拓宽脱硝反应温度窗口大幅提高脱硝反应效率，并减少NH3逃逸。硫化钠和碳酸钠在减少NOx和NH3排放方面可发挥协同作用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)将钠基化合物组合物与脱硝还原剂尿素混用，在大幅提高尿素的脱硝效率的基础上，对垃圾焚烧过程中二噁英类物质的生成起到显著抑制效果。
(2)方法简单易行，只需利用原有的SNCR系统，无需设备改造或增加新的设备；同时，所用的硫化钠和碳酸钠均为廉价的化工产品，价格低廉，不会增加运行成本。
具体实施方式
为使本发明的上述特征和有益效果更加明显易懂，下面结合一具体的大型生活垃圾焚烧炉进行详细描述，该大型生活垃圾焚烧炉的炉型为炉排炉，日处理城市生活垃圾450吨，烟气流量约为10万立方米/小时。二噁英以国标方法在垃圾焚烧炉的余热锅炉出口处采集烟气样品，分析烟气中的二噁英类物质的毒性当量浓度，作为二噁英类物质生成量的依据；烟气中NOx的浓度变化来自烟囱处的污染物在线监测数据，以NOx浓度的小时均值来计算脱硝效率。监测结果表明，在不采取本发明技术条件下，烟囱出口处垃圾焚烧烟气中二噁英的平均浓度为 0.089ng TEQ/m3，NOX的平均浓度为127mg/m3。具体实施例如下。
实施例1
按质量比，将20％的碳酸钠与80％的硫化钠混合，配制成钠基化合物组合物；将此钠基化合物组合物与脱硝还原剂尿素一同输送入SNCR系统的溶解罐，钠基化合物组合物的使用量为尿素质量的20％，用热水溶解混合物。通过SNCR系统雾化喷头将混合物溶液喷入烟道 950～1020℃温度段，与不添加钠基化合物组合物的情况作为对比，在尿素的用量均为12kg/ 小时的条件下，烟囱烟气中二噁英类物质的浓度为0.048ng TEQ/Nm3，下降了46％，NOX平均浓度为107mg/m3，脱硝效率(按小时均值计)提高了15.8％。
实施例2
按质量比，将80％的碳酸钠与20％的硫化钠混合，配制成钠基化合物组合物；将此钠基化合物组合物与脱硝还原剂尿素一同输送入SNCR系统的溶解罐，钠基化合物组合物的使用量为尿素质量的40％，用热水溶解混合物。通过SNCR系统雾化喷头将混合溶液喷入烟道 850～950℃温度段，与不添加钠基化合物组合物的情况作为对比，在尿素的用量均为14kg/小时的条件下，烟囱烟气中二噁英类物质的平均浓度为0.052ng TEQ/Nm3，下降了42％，NOX平均浓度为100mg/m3，脱硝效率(按小时均值计)提高了21％，
为进一步说明碳酸钠与硫化钠联合使用对焚烧烟气中二噁英和NOx减排起到了联合增效作用，我们进行了只单独使用碳酸钠和单独使用硫化钠的对比试验。在与实施例2描述的碳酸钠和硫化钠同等用量条件下，单独使用碳酸钠处理烟囱烟气中二噁英类物质的平均浓度为 0.082ng TEQ/Nm3，NOX平均浓度为115mg/m3；单独使用硫化钠处理烟囱烟气中二噁英类物质的平均浓度为0.070ng TEQ/Nm3，NOX平均浓度为121mg/m3。二者联合使用对二噁英和NOx的减排效果明显高于二者单独使用之和。
实施例3
按质量比，将50％的碳酸钠与50％的硫化钠混合，配制成钠基化合物组合物；将此钠基化合物组合物与脱硝还原剂尿素一同输送入SNCR系统的溶解罐，钠基化合物组合物的使用量为尿素质量的10％，用热水溶解混合物。通过SNCR系统雾化喷头将混合溶液喷入烟道 900～1000℃温度段，与不添加钠基化合物组合物的情况作为对比，在尿素的用量均为13kg/ 小时的条件下，烟囱烟气中二噁英类物质的平均浓度为0.025ng TEQ/Nm3，下降了37％，NOX平均浓度为82mg/m3，脱硝效率(按小时均值计)提高了15％。
需要说明的是本发明所述的SNCR系统为本领域的公知设备，大型垃圾焚烧发电厂的操作运行人员熟知SNCR系统的使用方法，操作运行人员可以根据烟气中NOx的浓度变化对钠基化合物组合物和尿素的混合溶解液的用量进行实时调整。上述实施例只是用于帮助理解本发明的实质性内容，并不是用来限制本发明。

Claims (3)

1.一种二噁英类物质和NOx协同减排方法，其特征在于，使用碳酸钠和硫化钠组成的钠基化合物组合物，包括如下步骤：
将所述钠基化合物组合物与脱硝还原剂尿素混合，用水溶解，通过SNCR系统将混合物的水溶解液喷入生活垃圾焚烧设施的烟道气中；所述钠基化合物组合物中，碳酸钠的质量百分含量为20%~80%，所述硫化钠的质量百分含量为20%~80%；所述钠基化合物组合物的使用量为尿素质量的10%~40%，混合液中，尿素的质量浓度为25%~40%。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的SNCR系统至少包括物料配置及输送装置、溶解罐、稀释模块和雾化喷枪，雾化喷枪布设在烟道的850~1050 ℃温度段；所述混合物的水溶解液通过雾化喷枪喷入烟道气中。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的钠基化合物组合物与脱硝还原剂尿素的混合溶解方式为：将钠基化合物组合物与脱硝还原剂尿素直接混合，通过SNCR的物料及输送装置加入到溶解罐中，然后加入25~60℃的水溶解。
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