SNCR脫硝技術的化學工藝應用研究

吉文志

摘要：本文介紹了以尿素作為還原劑的SNCR脫硝技術應用研究以及脫硝設備。文章以循環流化床鍋爐煙氣SNCR脫硝工程為例，從系統設計、工藝流程等方面對SNCR脫硝技術進行介紹， 為老廠中小型舊鍋爐脫銷改造提供有利的借鑒。

關鍵詞：脫硝；SNCR；尿素；電廠

1 前言

隨著全球經濟的高速發展，煤炭、石油的開發利用已經給環境帶來了嚴重的污染，特別是燃煤電廠鍋爐排放的大量硫氧化物和氮氧化物加劇了大氣環境惡化。其中氮氧化物（NOx）是引起溫室效應、酸雨及臭氧層破壞的根由物之一， 是硝酸型酸雨的基礎， 又是形成光化學煙霧的主要物質， 具有很強的毒性， 對人類健康、環境、生態及社會經濟破壞很大。對于NOx排放則可以根據NOx產生的過程，采用燃燒優化調整與燃燒后處理技術相結合的方式。SNCR是一種無需催化劑的脫硝方式，由于不需要催化劑，為得到較強的化學反應活性，SNCR技術需在較高的爐膛溫度（800-1150℃）下，用氨或尿素等氨基還原劑來選擇性地還原煙氣中的NOx。

針對循環流化床鍋爐的煙氣特點，本文闡述以尿素為還原劑的SNCR脫硝技術，使煙氣NOx排放濃度降低到100mg/Nm3以下。該脫硝技術投資成本較低、運營費用低、改造方便，脫硝效率高達70%以上，適宜協同應用其他脫硝技術，因而在燃煤電廠，尤其是老廠脫硝改造上取得了廣泛的應用。

2 工藝介紹

2.1 工藝原理介紹

SNCR脫硝技術是在高溫沒有催化劑的條件下，氨基還原劑（如氨水、尿素）噴入爐膛，熱解生成NH3與其它副產物，在800-1150℃溫度窗口，NH3與煙氣中的NOx進行選擇性非催化還原反應，將NOx還原成N2與H2O。尿素作為還原劑主要反應為：

2NO+CO（NH2）2+1/2O2→2N2+CO2+2H2O

不同還原劑有不同的反應溫度范圍，此溫度范圍稱為溫度窗。NH3的反應最佳溫度區為800～1150℃。當反應溫度過高時，由于氨的分解會使NOx還原率降低，另一方面，反應溫度過低時，氨的逃逸增加，也會使NOx還原率降低。

SNCR脫硝反應對溫度條件非常敏感，受制于停留時間、NH3/NOx摩爾比（NSR）、混合程度等因素，并對鍋爐效率造成一定的影響（通常在0.2-0.5%）。

2.2 工藝性能參數

2.2.1 影響脫硝效果的主要因素

① 溫度窗口的影響

在SNCR工藝中，最主要的是爐膛上噴入點的選取，即窗口溫度的選擇。對于尿素來說理想的溫度范圍是800-1150℃，溫度高，還原劑被氧化成NOx，煙氣中的NOx含量不減少反而增加；溫度低，反應不充分，造成還原劑流失，對下游設備產生不利的影響甚至造成新的污染。

根據循環流化床鍋爐爐內狀況和煙道內溫度場、煙氣流場情況，采用CFD以及CKM模擬相結合技術。

② 停留時間

任何反應都需要時間，所以還原劑必須和NOx在合適的溫度區域內有足夠停留時間，這樣才能保證煙氣中的NOx還原率。停留時間指的是反應物在爐膛上部對流區內的存在時間，SNCR的所有步驟必須在這里完成。這些步驟包括：注入的尿素和煙氣的混合、水分的蒸發、尿素分解成氨、NH3分解成NH2和一些自由基、NOx的還原反應。加大停留時間有利于質量的輸運和化學反應，從而提高了反應率。

③ NH3/NOx 摩爾比的影響

摩爾比的確定是由想得到的還原效率決定的。根據基本的化學反應方程式，還原2mol的NOx需要1mol的尿素或者2mol的氨。在實際中，需要注入比理論更多的還原劑以達到所需要的還原水平。

因為氨的的消耗涉及到運行的費用問題，所以所選用的摩爾比一般為臨界值， NH3/NOx摩爾比一般控制在1.0～2.0之間，最大不要超過2.5。

④ 煙氣與還原劑的混合情況

兩者的充分混合是保證充分反應的又一個技術關鍵，是保證在適當的NH3/NOx摩爾比下得到較高的NOx還原率的重要環節。為了使還原反應充分進行反應，在尿素混合液噴入后需要立即擴散并與煙氣混合，混合的實現是通過噴射系統，信成科技開發的脫硝專用雙流體噴射器能夠霧化還原劑成合適的液滴尺寸和分布。

2.3 工藝流程介紹

本文SNCR工藝以尿素溶液作為還原劑，在尿素溶液溶解過程中，采用70℃以上工藝除鹽水將尿素顆粒溶解成40%～50%尿素溶液經還原劑輸送泵送至靜態混合器，與稀釋水模塊送過來的軟化水進行定量的混合配比，40%～50%尿素溶液被稀釋至10%～20%尿素溶液，通過計量分配裝置精確分配到每個噴槍，然后經過噴槍噴入爐膛，實現脫硝反應。

本文SNCR脫硝工程由尿素溶液制備與儲存系統、稀釋水系統、壓縮空氣系統、噴射系統、計量分配系統、電氣自控系統等組成。

3 脫硝主要設備

3.1 尿素溶液制備與儲存系統

袋裝尿素顆粒儲存在尿素儲存間，經過人工破袋后倒入螺旋輸送機中，送尿素溶解罐中，并與按比例補充的70℃以上工藝除鹽水充分溶解，配制成40%～50%濃度的尿素溶液，溶解罐中的尿素溶液通過循環泵送入尿素溶液儲罐中。

設置一臺尿素溶解罐和兩臺尿素溶液儲存罐。溶解罐上設置進水電動閥門和溫度壓力變送器，使進水和混合溶液的溫度自動保持在合理的溫度范圍。尿素溶解罐和儲存罐均設置攪拌器，保證尿素顆粒快速均勻溶解，罐和攪拌器材質為不銹鋼。

罐體外還配備電加熱和保溫裝置，保證尿素在配制時維持在合適溫度，能充分溶解。尿素溶解罐和尿素溶液儲存罐之間設置循環泵。

3.2 稀釋水系統

稀釋水系統設置稀釋水泵，材質為不銹鋼，入口設置壓力調節閥，以保證入口稀釋水壓力變化而泵的出口壓力保持恒定，從而保證噴槍入口的尿素溶液壓力，達到要求的噴射效果。

3.3壓縮空氣系統

壓縮空氣系統為尿素溶液的霧化提供霧化介質。

3.4還原劑噴射系統

還原劑噴射系統設置噴射泵，噴射泵入口設置過濾器，以防止設備堵塞，出口設置計量回水調節閥、流量計和壓力變送器。

尿素溶液混合管道采用不銹鋼材質。處在室外的管道，外壁配置電加熱和保溫層。

3.5計量分配系統

計量分配系統通過尿素側和稀釋水側的變頻泵、流量調節閥和壓力調節閥自動調節進入每個鍋爐注入區域的尿素溶液濃度和流量，以響應煙氣中NOx的濃度、鍋爐負荷、燃料量的變化，自動調節進入鍋爐噴射區的反應劑流量，對各噴射區各噴射器的還原劑噴射流量進行逐個分配。

3.6噴射器布置

每臺鍋爐布置固定式脫硝噴槍， 分別布置在左右旋風分離器入口煙道處。SNCR系統長期停運時噴槍需要拔出爐膛， 以避免噴槍受熱損壞。噴槍采用不銹鋼制造。

噴射出的霧滴顆粒非常細密均勻，確保噴射穿透性。噴霧覆蓋均勻，確保還原劑溶液與煙氣混合充分均勻。內部混合式霧化，氣水壓力不超過0.6Mpa，節能顯著。流量從1.2L/min到117L/min線性調節，實現不同工況下還原劑噴射量需求。

3.7 電氣自控系統

SNCR采用獨立的控制系統，采用PLC控制系統，在各部分系統上，設計有控制柜體，面板設有人機界面（MMI）。各部分系統留有接口，可以通過網絡在上層控制系統對SNCR系統進行實時控制、指示和趨勢線方面與主要控制裝置進行通訊聯系。

4 工程效果

整套脫硝系統具備更強的穩定性、安全性和設備的抗腐蝕性，噴射系統的布置符合CFD以及CKM模擬試驗，適宜的溫度窗口選擇和雙流體式噴槍設計，保證還原反應最佳化，脫硝效率最大化。易于操作的系統，全自動控制，一鍵操作來執行整個系統，友好的操作界面，制定 PLC通訊和控制設置。

通過采用SNCR脫硝改造， 能夠將NOx的排放濃度控制在100mg/Nm3以下，NH3逃逸濃度小于8mg/m3，鍋爐負荷60～110%時脫硝效率大于70%。

參考文獻

[1]鐘秦 燃煤煙氣脫硫脫硝技術及工程實例 化學工業出版社 2002

[2孫克勤 鐘秦 火電廠煙氣脫硝技術及工程應用 化學工業出版社 2006

[3]段傳和 夏懷祥 選擇性非催化還原法（SNCR）煙氣脫硝 中國電力出版社 2012