SNCR脫硝氨耗量和氨逃逸的影響分析及對(duì)策

本文通過(guò)分析SNCR脫硝技術(shù)中氨耗量和氨逃逸的主要影響因素，并提出切實(shí)可行的對(duì)策加以控制。

關(guān)鍵詞：脫硝;SNCR;脫硝效率;氨耗量;氨逃逸;

引言

氮氧化物(NOx)是大氣的主要污染物之一，它與碳?xì)浠衔镌趶?qiáng)光作用下會(huì)造成光化學(xué)污染，排放到大氣中的NOx是形成酸雨的主要原因，給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的危害。黨的十九大指出，持續(xù)實(shí)施大氣污染防治行動(dòng)，打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)。目前國(guó)內(nèi)70%左右的NOx是由煤炭燃燒所產(chǎn)生的，因此作為主要燃煤設(shè)備的火電廠和工業(yè)爐窯成為控制NOx排放所關(guān)注的焦點(diǎn)。

目前，燃煤鍋爐主流的NOx控制技術(shù)為低氮燃燒技術(shù)(LNB)和煙氣脫硝技術(shù)，其中煙氣脫硝技術(shù)主要包括選擇性非催化還原反應(yīng)(SNCR)、選擇性催化還原反應(yīng)(SCR)和SNCR/SCR聯(lián)合脫硝技術(shù)。對(duì)于大型燃煤鍋爐而言，SCR以其技術(shù)成熟及90%以上的脫硝效率，毫無(wú)疑問(wèn)在我國(guó)已大規(guī)模的推廣應(yīng)用。伴隨著我國(guó)對(duì)NOx的排放管控日益嚴(yán)厲，中小型燃煤鍋爐、循環(huán)流化床鍋爐、水泥窯爐、陶瓷窯爐、垃圾焚燒爐以及燃?xì)忮仩t等工業(yè)爐窯作為關(guān)鍵的NOx的排放源之一，針對(duì)此類(lèi)爐窯脫硝的工程應(yīng)用技術(shù)持續(xù)發(fā)展，通過(guò)高效低氮燃燒技術(shù)配合SNCR技術(shù)或SNCR/SCR聯(lián)合技術(shù)進(jìn)行脫硝已經(jīng)成為主流。

雖然目前燃煤工業(yè)爐窯NOx的減排效果十分顯著，但是過(guò)分追求脫硝效率，容易增加氨耗量，進(jìn)而引發(fā)氨逃逸，造成二次污染及腐蝕設(shè)備等問(wèn)題。

1SNCR脫硝技術(shù)簡(jiǎn)介

SNCR脫硝工藝是在不使用催化劑的條件下，將含有氨基的還原劑如液氨、氨水或尿素稀溶液等噴入爐膛溫度為850-1100℃的區(qū)域，還原劑迅速熱分解出NH3，再與煙氣中的NOx進(jìn)行選擇性氧化還原反應(yīng)，生成無(wú)害的N2和H2O等氣體。由于整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中未使用催化劑，因此稱(chēng)之為選擇性非催化還原脫硝技術(shù)。

以氨為還原劑的主要反應(yīng)式為：

4NH3+4NO+O2=4N2+6H2O;

4NH3+2NO2+O2=3N2+6H2O;

采用尿素作為還原劑的主要化學(xué)反應(yīng)為：

CO(NH2)2+H2O=2NH3+CO2;

4NH3+4NO+O2=4N2+6H2O;

4NH3+2NO2+O2=3N2+6H2O;

2SNCR系統(tǒng)煙氣脫硝過(guò)程包括下面四個(gè)工藝步驟：

接收和儲(chǔ)存還原劑;

還原劑的計(jì)量輸出、與水或空氣混合稀釋;

在爐膛合適位置噴入稀釋后的還原劑;

還原劑與煙氣混合進(jìn)行脫硝反應(yīng)。

3SNCR脫硝技術(shù)氨耗量和氨逃逸的影響分析及對(duì)策

在脫硝反應(yīng)過(guò)程中煙氣中存在著沒(méi)有參與反應(yīng)的氨通過(guò)反應(yīng)器排放到煙氣中的現(xiàn)象叫氨逃逸。氨逃逸可能會(huì)導(dǎo)致如下的幾個(gè)問(wèn)題：易使下游裝置如空氣預(yù)熱器積灰堵塞，造成壓損升高以及低溫腐蝕等問(wèn)題;影響飛灰的品質(zhì)，導(dǎo)致電除塵器極線積灰或布袋除塵器糊袋等問(wèn)題;形成可見(jiàn)煙柱，增加PM2.5的排放;釋放到大氣中會(huì)對(duì)人體健康帶來(lái)負(fù)面影響。

所以，應(yīng)用脫硝技術(shù)的目標(biāo)是最大程度的降低NOx濃度，同時(shí)控制氨耗量，實(shí)現(xiàn)最小的氨逃逸。

影響SNCR技術(shù)性能的主要因素包括：煙氣組成、煙氣量、氨氮摩爾比NSR值、反應(yīng)溫度、處理前煙氣中NOx濃度、煙氣氧量、還原劑與煙氣的混合程度等。其中運(yùn)行過(guò)程中影響氨耗量和氨逃逸最重要的3個(gè)因素是：反應(yīng)溫度、還原劑與煙氣的混合程度和NSR值。

3.1反應(yīng)溫度

反應(yīng)溫度對(duì)SNCR還原NOx的效率至關(guān)重要。從通常的實(shí)驗(yàn)以及工程運(yùn)轉(zhuǎn)狀況來(lái)看，可以進(jìn)行有效脫硝反應(yīng)的最佳溫度窗口為850-1100℃，一般情況下氨在850-1050℃之間，尿素在900-1100℃之間。

反應(yīng)溫度過(guò)低或過(guò)高都會(huì)導(dǎo)致還原劑損失和脫硝效率下降。若溫度過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致NH3反應(yīng)不完全，通常低于800℃的時(shí)候，反應(yīng)速度減慢，脫硝效率下降，氨逃逸增加;當(dāng)溫度過(guò)高，譬如溫度高于1200℃的時(shí)候，NH3與02的氧化反應(yīng)會(huì)加劇，NH3更易于被氧化成為NOx，NOx排放量可能會(huì)不降反升。

所以，實(shí)際選擇噴入點(diǎn)位置時(shí)，應(yīng)當(dāng)通過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算(CFD)和物理模型實(shí)驗(yàn)，結(jié)合爐窯設(shè)備工況，在爐膛上選取恰當(dāng)?shù)膰娙朦c(diǎn)。另外，為適應(yīng)鍋爐負(fù)荷波動(dòng)造成爐膛溫度的變動(dòng)，應(yīng)考慮在爐膛內(nèi)不同高度處安裝多層噴射裝置與溫度監(jiān)控，以便根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況進(jìn)行切換噴射系統(tǒng)，保證在最佳的反應(yīng)溫度窗口噴入還原劑。同時(shí)，在每根還原劑分支管道上設(shè)置就地流量計(jì)、就地壓力表、流量調(diào)節(jié)閥及電動(dòng)閥，通過(guò)計(jì)量分配系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行需要，對(duì)不同溫度區(qū)域的SNCR噴射裝置分別進(jìn)行流量分配。當(dāng)爐膛溫度發(fā)生較大變動(dòng)時(shí)，應(yīng)重新選擇噴入點(diǎn)。

3.2還原劑與煙氣的混合程度

目前，SNCR技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用過(guò)程中，通常采用液體霧滴噴射的形式，噴入的還原劑與煙氣在極短時(shí)間內(nèi)得到充分混合同樣是保證SNCR技術(shù)達(dá)到理想脫硝效率、減少氨逃逸的關(guān)鍵因素之一。

還原劑與煙氣的混合主要由噴射系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)整不同位置處的還原劑噴入量及霧化效果來(lái)提高混合程度，可用下列方法來(lái)改善混合效果：

適當(dāng)提升霧化氣體壓力，提高傳給還原劑液滴的動(dòng)能，增加還原劑穿透度，提高霧化效果;

增加噴射區(qū)的層數(shù)和噴射裝置的個(gè)數(shù);

調(diào)節(jié)噴射溶液的濃度，改變液體霧滴的蒸發(fā)時(shí)間;

改進(jìn)霧化噴嘴的設(shè)計(jì)以改善液滴的大小、分布、噴射角度和方向，使液滴更容易穿透爐膛進(jìn)入煙氣流。

3.3氨氮摩爾比(NSR)

氨氮摩爾比NSR即反應(yīng)中氨與NO的摩爾比值，按照SNCR反應(yīng)式，還原1molNO需要1mol氨或0.5mol尿素。但實(shí)際運(yùn)行中噴入還原劑的量要比此值高，根據(jù)脫硝實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)NSR小于2.0時(shí)，NOx的脫除效率會(huì)隨著NSR值的增加而顯著增加，同時(shí)有效溫度區(qū)域范圍會(huì)擴(kuò)大。但是當(dāng)NSR大于2.0時(shí)，隨著NSR值的逐漸提升，NOx的脫除效率增加并不明顯，NSR過(guò)大則會(huì)引起氨逃逸量增大，氨耗量升高。

為提高脫硝效率、減少氨耗量和降低氨逃逸，SNCR的NSR值一般控制在1.2-1.5左右。

工程應(yīng)用實(shí)例

以某熱電廠490t/h循環(huán)流化床鍋爐實(shí)際運(yùn)用情況為例，該發(fā)電機(jī)組采用氨水SNCR脫硝裝置，在左右旋風(fēng)分離器位置各設(shè)置從上到下4層噴射裝置，每層內(nèi)外側(cè)各1套噴射裝置，共16套噴射裝置。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行后，業(yè)主反饋脫硝效率降低、氨耗量增加和氨逃逸提高等一系列問(wèn)題。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析，對(duì)SNCR脫硝進(jìn)行如下性能優(yōu)化調(diào)試：

控制燃燒溫度，調(diào)節(jié)旋風(fēng)分離器入口煙溫為920-950℃；

檢查噴槍的霧化效果(適當(dāng)提升霧化氣體壓力)、清理噴嘴的堵塞、更換磨損噴嘴以及調(diào)整噴槍的插入深度(噴槍噴嘴與外管向爐外微縮數(shù)毫米)；

檢查氨水濃度和配比溶度，控制氨氮摩爾比在1.5左右；

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)比較，分別對(duì)比左右兩個(gè)分離器的脫硝效率、內(nèi)外側(cè)各8根噴槍的脫硝效率和從上到下的4層噴槍的脫硝效率，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果合理調(diào)整每根噴槍流量計(jì)的流量；

調(diào)整配風(fēng)方式，并控制燃燒過(guò)程的含氧量，適當(dāng)延長(zhǎng)反應(yīng)滯留時(shí)間;

通過(guò)PLC控制系統(tǒng)，根據(jù)對(duì)鍋爐負(fù)荷及排放煙氣中NOx和氨氣的在線監(jiān)測(cè)情況，自動(dòng)控制調(diào)節(jié)每根噴槍的氨水流量及壓縮空氣量，使脫硝系統(tǒng)能根據(jù)負(fù)荷變化自動(dòng)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)脫硝系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，在保證脫硝效率的前提下，降低使用成本；

結(jié)論：

本文通過(guò)分析SNCR脫硝技術(shù)中氨耗量和氨逃逸的主要影響因素，并提出切實(shí)可行的對(duì)策加以控制。SNCR脫硝運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)最佳的脫硝效率、最少的氨耗量和最小的氨逃逸，需要選擇適量的還原劑在最佳的溫度區(qū)間內(nèi)與煙氣中充分的混合，采用優(yōu)化的噴射策略，通過(guò)提高NH3的反應(yīng)效率，降低還原劑的使用量，將氨逃逸降至最低，以降低運(yùn)行成本、減少二次污染及避免設(shè)備的腐蝕；