SNCR脫硝技術(shù)的應(yīng)用探討

賈世昌，耿桂淦，宋正華

（江蘇科行環(huán)保科技有限公司，江蘇 鹽城 224051）

SNCR（Selective Non-Catalytic Reduction）即選擇性非催化還原法，是一種經(jīng)濟實用的NOx脫除技術(shù)。SNCR于20世紀70年代中期（1974年）首先在日本的燃氣、燃油電廠中得到應(yīng)用，并逐步推廣到歐盟和美國。到目前為止，世界上燃煤電廠SNCR工藝的總裝機容量在2GW以上。

SNCR原理是以氨水、尿素（CO(NH2)2）溶液等作為還原劑，通過噴槍噴入爐膛，在適宜的溫度范圍內(nèi)，氨水或者尿素溶液就會分解為自由基NH3和NH2，在特定的溫度（850℃～1050℃）和氧存在的條件下，還原劑與NOx的反應(yīng)會優(yōu)于其他反應(yīng)而進行。因此，可以認為是選擇性化學(xué)過程。還原劑反應(yīng)溫度范圍稱為溫度窗口，對本方法的脫硝效率有較大影響。

1 還原劑的選擇、還原劑噴射位置的確定

還原劑噴射通常需要做流場模擬以確定實際位置和控制系統(tǒng)。

還原劑的選擇會根據(jù)鍋爐的實際情況、還原劑成本和當?shù)氐姆ㄒ?guī)進行確定。當尿素作為還原劑的時候，尿素中的氨基要和氮氧化物反應(yīng)之前，第一步需要包裹尿素的水溶液蒸發(fā)，然后在尿素分解出氨基后才能進行反應(yīng)，所以相對于氨水，尿素需要更高的溫度和更長的停留時間。不過尿素在運輸和儲運上更有優(yōu)點，尿素溶液能噴射得更遠，能使還原劑分布更均勻的優(yōu)點也讓尿素在大型鍋爐上的運用很有優(yōu)勢，幾乎所有的大型鍋爐都是運用尿素作為還原劑的。

由于SNCR反應(yīng)需要在特定的溫度區(qū)間（850℃～1050℃）和一定的停留時間（0.001～5s）下進行，所以還原劑噴射位置的確定對SNCR系統(tǒng)十分關(guān)鍵。錯誤的噴射位置會造成氨逃逸增加、還原劑用量增加且達不到要求的脫硝效率。一般而言，還原劑噴射位置的確定需要通過流場模擬以確定噴射位置，流場模擬會模擬鍋爐溫度、氣體流動和煙氣混合情況，以確定合適的噴射位置。

控制系統(tǒng)會對SNCR系統(tǒng)進行控制，確定系統(tǒng)所需的還原劑、稀釋水和壓縮空氣用量，其SNCR系統(tǒng)也很關(guān)鍵，運行良好的控制系統(tǒng)具有反饋快、反應(yīng)靈敏的特點，根據(jù)鍋爐內(nèi)煙氣的實際NOx情況調(diào)整相應(yīng)的還原劑用量，以達到要求的NOx脫除率和較低的氨逃逸率。

2 影響脫硝效果的主要因素

1）溫度范圍。NOx的還原反應(yīng)發(fā)生在特定的溫度范圍內(nèi)（最佳的反應(yīng)溫度為850℃～1050℃）。2）合適的溫度范圍內(nèi)需要停留的時間。停留時間是指反應(yīng)物在反應(yīng)器內(nèi)停留的總時間；在此時間內(nèi)，NH3、尿素等，還原劑與煙氣的混合、水的蒸發(fā)、還原劑的分解和NOx的還原等步驟必須完成；停留時間的大小取決于鍋爐氣路的尺寸和煙氣流經(jīng)鍋爐氣路的氣速；SNCR系統(tǒng)中，停留時間一般為0.001～5s。3）反應(yīng)劑和煙氣混合的程度。混合程度：要發(fā)生還原反應(yīng)，還原劑必須與煙氣分散和混合均勻；混合程度取決于鍋爐的形狀與氣流通過鍋爐的方式。4）NH3/NOx摩爾比（化學(xué)當量比）。5）未控制的NOx濃度水平。6）氣氛（氧量、一氧化碳濃度）的影響。7）氮劑類型和狀態(tài)。8）添加劑的作用。

3 SNCR在不同鍋爐中的應(yīng)用

對于垃圾焚燒爐、某些工業(yè)鍋爐，由于其爐膛內(nèi)的溫度正好處于其反應(yīng)溫度窗內(nèi)，因此SNCR適應(yīng)性比較好，噴氨點的設(shè)置和控制比較簡單。而且由于不經(jīng)過對流受熱面，爐膛內(nèi)的溫度又相對穩(wěn)定，所以運行的可靠性相對要好一些。因此SNCR在這類鍋爐中的應(yīng)用較多。對于電站鍋爐，反應(yīng)溫度窗處于高溫對流受熱面區(qū)域。在這個區(qū)域，煙氣溫度受燃料、燃燒配風(fēng)等調(diào)整和變化以及鍋爐負荷的變動影響較大，反應(yīng)溫度窗會沿著煙氣流動方向遷移，因此SNCR設(shè)計時會設(shè)置多個噴射區(qū)。另外，在煙道截面上，煙氣溫度分布不均勻，在不到200℃的最佳反應(yīng)溫度窗內(nèi)，煙氣溫度偏差可能達到100℃以上，SNCR的先天不足在此暴露無疑。要解決反應(yīng)溫度窗的遷移問題，煙氣溫度的測量就是良好控制的前提。

4 SNCR的應(yīng)用限制

（1）高溫和氮氧化合物的平衡濃度

隨著溫度的上升，在指定的氧氣含量下，NOx的平衡濃度增加。在高溫情況下，SNCR技術(shù)和其他脫氮技術(shù)脫除的NOx將會被氮氣的氧化反應(yīng)抵消。由于這個原因，在高溫和NOx低于平衡濃度的情況下，噴射進去的氨和尿素還會導(dǎo)致NOx含量的增加。同樣，如果初始NOx濃度高于平衡濃度，NOx濃度就會降低。針對典型的燃煤或燃油鍋爐，其鍋爐的上方NOx平衡濃度為70～90ppm（0.1lb/MMbtu）。

（2）鍋爐內(nèi)一氧化碳含量

高含量的一氧化碳能改變SNCR反應(yīng)的溫度區(qū)間。當還原劑噴射位置的一氧化碳含量高于300ppm時，NOx平衡濃度和SNCR反應(yīng)速度都會比一氧化碳濃度低時有所增加，其與溫度提高有同樣的效果。所以，在一些一氧化碳濃度高的鍋爐中，還原劑噴射在較低的溫度條件下能更好地控制NOx。

CO排放：在良好運行的尿素SNCR系統(tǒng)下，尿素中含的碳都會完全氧化成二氧化碳。在限定的溫度范圍內(nèi)，控制氨逃逸的步驟都阻止了大量一氧化碳的生成和排放。

N2O排放：N2O是SNCR反應(yīng)的副產(chǎn)物，相對于氨水SNCR系統(tǒng)，尿素SNCR系統(tǒng)會產(chǎn)生更多的N2O。最多有10%的NOx在尿素SNCR系統(tǒng)中會轉(zhuǎn)化成N2O。而在適當?shù)臈l件下，N2O的產(chǎn)生量會被控制到低水平。N2O會形成酸雨，破壞臭氧層和造成溫室效應(yīng)，其單分子增溫潛勢是CO2的310倍。

5 SNCR脫硝幾個難題的解決

（1）氨逃逸

氨逃逸是指沒有和NOx反應(yīng)的還原劑逃逸到空氣中。氨逃逸可以造成一個或更多的問題，如：形成硫酸銨或其他的銨鹽，能堵塞和腐蝕空氣預(yù)熱器和其他下游的設(shè)備；氨和飛灰吸附在一起，會導(dǎo)致處理或再利用飛灰的困難；煙囪上會排放白色的含氯化銨氣體；在工廠附近，會有氨氣的臭味。

氨逃逸的控制，需要噴射合適的還原劑進入爐膛和合適的反應(yīng)條件（溫度、停留時間和NOx含量）。如果還原劑與NOx在溫度過低的位置進行反應(yīng)，未反應(yīng)的氨就會形成氨逃逸。同樣，如果噴射的氨過量，過量的氨就會導(dǎo)致氨逃逸。所以，SNCR系統(tǒng)的噴射系統(tǒng)以達到適當?shù)倪€原噴射量和還原劑分布是非常重要的。

控制氨逃逸的難點，各種系統(tǒng)之間不一樣。大多數(shù)商業(yè)運行的SNCR系統(tǒng)，尤其是電力行業(yè)，要求小于等于5ppm的排放以達到業(yè)主的排放要求。這比煙氣排放標準嚴格很多。在任何情況下，氨濃度在一個低值的時候，會讓氨氣的臭味和毒性減少到最低。

控制系統(tǒng)的升級和流程的優(yōu)化都能讓SNCR系統(tǒng)的氨逃逸得到降低。比如，燃煤鍋爐，升級優(yōu)化前的氨逃逸含量為10～15ppm，升級后可以低于5ppm，同時也讓與飛灰附著的氨含量減半。

SNCR系統(tǒng)后面串聯(lián)SCR系統(tǒng)也可以降氨逃逸率。

（2）隨著鍋爐的增大，SNCR的效率會降低

只要還原劑在爐膛內(nèi)能很好地分配，大型鍋爐SNCR的效率沒有任何的技術(shù)限制。而造成這個誤解的造成原因是幾個運用于美國加利福利亞州的大型電站鍋爐的失敗案例。這些鍋爐都配備了低氮燃燒系統(tǒng)，煙氣出口溫度都很高，鍋爐對流區(qū)的煙氣冷卻速度也非常快。這些燃氣鍋爐低的初始NOx水平和快速冷卻的煙氣，導(dǎo)致了在使用SNCR系統(tǒng)的時候有較低的NOx脫除率和較大的氨逃逸率。隨著對SNCR技術(shù)的增強和不斷增加的應(yīng)用經(jīng)驗，能對SNCR的控制更多的了解。此后，在電站鍋爐上有過60%以上的脫硝效率的例子。

可伸縮的多孔噴槍（retractable multi-nozzle）的發(fā)展和前置反饋控制的應(yīng)用，使尿素SNCR系統(tǒng)的應(yīng)用更為廣泛。這些技術(shù)讓還原劑在大型鍋爐內(nèi)分布得更好，在歐洲和美國都有大量應(yīng)用，超過600MW的電站鍋爐也使用了SNCR系統(tǒng)。

（3）SNCR系統(tǒng)應(yīng)用于安有低氮燃燒系統(tǒng)的鍋爐

SNCR系統(tǒng)已經(jīng)商業(yè)應(yīng)用于安有低氮燃燒器、OFA、煙氣再循環(huán)（flue gas recirculation）的鍋爐中。已經(jīng)證明SNCR系統(tǒng)在這些技術(shù)情況下能良好地運行。

（4）SNCR系統(tǒng)應(yīng)用于燃煤電廠

除了氨逃逸，飛灰也會吸附一部分氨。飛灰的特征如pH值、堿性物質(zhì)含量、硫化物含量、氯化物含量能反映飛灰是否容易吸附氨。在大多數(shù)的裝置中，設(shè)計良好的SNCR系統(tǒng)能夠保證氨逃逸在一個低的水平，保證飛灰的出售不會受到影響。

（5）煙氣中氧含量對SNCR工藝的影響

在SNCR反應(yīng)開始的時候，氧氣的存在是至關(guān)重要的。在沒有氧氣的條件下，NO的去除率很低。有研究表明：當O2的含量從2%增加到4%時，NO去除率一直保持在較高的水平。

氧氣對SNCR反應(yīng)的影響機理如下：

生成的NH2與NO進一步發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，而在此過程中，O2為含氧基團的形成提供了保證。Miller等的研究機理揭示了如下反應(yīng)。

由式①可見，SNCR系統(tǒng)中·OH的濃度對整個反應(yīng)的啟動至關(guān)重要，隨著反應(yīng)的進行，·OH的濃度會不斷降低。因此，只有在反應(yīng)過程中連續(xù)不斷產(chǎn)生·OH基團，才能保證SNCR整個反應(yīng)持續(xù)進行，而O2的存在恰恰為·OH的產(chǎn)生提供了條件。

6 SNCR系統(tǒng)的發(fā)展方向

（1）SNCR系統(tǒng)能和SCR系統(tǒng)結(jié)合

由于受氨逃逸率的影響，SNCR可達到的效率受到限制。在SNCR-SCR系統(tǒng)中，多噴氨，使SNCR效率更高，逃逸的氨可作為SCR的還原劑，從而使得SCR需要的催化劑也大大小于單獨使用SCR的裝置，也省去了SCR的配套設(shè)施，所以聯(lián)合系統(tǒng)成本低于SCR，效率高達75%以上，氨逃逸卻低于5ppm。

（2）SNCR技術(shù)和再燃燒技術(shù)結(jié)合

在富燃料情況下進行再燃燒能減少NOx的生成。在燃盡階段，也就是比一般燃燒溫度低一點的情況下，有大量的NOx轉(zhuǎn)化為氮氣。目前，已經(jīng)有實例證明在燃盡區(qū)域的情況適合SNCR工藝。因此對電廠來說，再燃燒技術(shù)和SNCR技術(shù)結(jié)合能達到70%的NOx脫除效率。比如，美國第1臺商業(yè)運行的再燃燒技術(shù)和SNCR結(jié)合的電廠脫硝效率就達到了60%。

（3）SNCR技術(shù)和控制其他污染物技術(shù)結(jié)合

除了NOx，煙氣中的其他物質(zhì)也需要控制，如二氧化硫、氯化物、重金屬、二英和呋喃。已經(jīng)有SNCR同時噴射尿素水溶液和石灰漿的項目，證明了對二氧化硫、氮氧化物和氯化物都能有效地控制。由于減少了氯化物，所以二英和呋喃的排放也會減少。現(xiàn)今已經(jīng)證明爐內(nèi)噴石灰漿能減少重金屬的排放。所以，SNCR與石灰漿噴射結(jié)合的工藝有很大的發(fā)展?jié)摿Γ淠苓_到對NOx、二氧化硫、氯化物、重金屬、二英和呋喃的同時脫除。

（4）SNCR和污水處理

許多項目的污水排放到河流或污水管道中是受到限制的，一些敏感地區(qū)，還要求污水零排放。SNCR系統(tǒng)也能控制污水排放，當用還原劑水溶液的時候，經(jīng)過處理后的污水能噴射入爐膛和其他的燃燒系統(tǒng)，所以在脫除NOx的同時也達到了處理污水的目的。