SNCR脫硝系統的新型噴槍研發

任戰士，王水清，趙小蘭，曾健，孔郎賢

(佛山市三水新明珠建陶工業有限公司，佛山 528100)

1 前言

目前，陶瓷行業的噴霧塔排放的煙氣中含有大量的氮氧化物，氮氧化物是酸雨的主要原因之一，危害人們的身體健康。現在國家和地方對各陶瓷廠的煙氣排放標準越來越嚴，廣東地區自2020年7月1日起氮氧化物執行100mg/m3的排放限值。采用水煤漿作為熱源的噴霧干燥塔煙氣氮氧化物的濃度大多在160mg/m3以上，因此必須要進行脫硝處理后才能排放。

SNCR煙氣脫硝技術因其系統操作簡單、投資少、設施簡單、占地少，目前應用廣泛。SNCR技術的還原劑一般為三種，液氨、氨水和尿素。從反應溫度來看，溫度區間位于730-950℃之間時，選用氨作為還原劑的脫硝效率要高于選用尿素的脫硝效率；當反應區域溫度在950℃以上時，尿素的脫硝效率則比氨的脫硝效率高。從系統安全性看，液氨在空氣中的爆炸極限為15%-18%，存在爆炸危險；氨水雖然不是危險品，但發生泄漏時，揮發的氨氣對人體存在一定的危害；尿素不存在爆炸危險，又是無毒無害的化學制劑。根據場地和人員安全性的要求，采用尿素溶液為還原劑的SNCR脫硝系統為最安全的可行技術（下文中所述SNCR皆指以尿素為還原劑的SNCR）。噴槍的霧化效果和噴射距離是SNCR脫硝系統的關鍵技術之一，霧化液滴的大小和覆蓋面積直接影響整個煙氣排放系統的脫硝效率，影響氮氧化物的排放值。

2 SNCR脫硝技術反應原理

將濃度約40%的尿素溶液通過霧化噴射系統直接噴入熱風爐合適溫度區域（850—1050℃），霧化后的尿素溶液與NOx（NO、NO2等混合物）進行選擇性非催化還原反應，將NOx轉化成無污染的氮氣、二氧化碳和水。噴尿素溶液后爐內發生的反應有：

為了提高脫氮氧化物的效率并實現氨逃逸的最小化，需滿足以下條件：在溶液噴入的位置沒有火焰；在反應區域維持合適的溫度范圍（850—1050℃）；在反應區域有足夠的停留時間（至少0.5s，900℃）。當反應區溫度過低時，反應效率會降低；當反應區溫度過高時，NH3的氧化反而起主導作用，產生新的NO，而不是還原NO為N2。

3 SNCR脫硝生產中存在的問題

在SNCR噴射系統中，常用的方式是采用高壓泵輸送尿素溶液，用壓縮空氣作為霧化介質，高壓液體和高壓氣體兩相混合經由噴頭高速噴射霧化。此方式通常是采用扇形噴頭，因噴頭孔徑較小，極易發生雜質或尿素結晶堵塞噴頭的問題。同時高壓泵輸送系統對泵等設備性能要求高，設備維護成本較高。

我們研究將尿素溶液中轉罐放置在噴霧塔高位平臺，取消加壓泵，尿素溶液由高位罐自流到脫硝噴槍，配套開發自流式SNCR脫硝系統。該系統尿素溶液在管道內流動動力只是依靠高位落差產生的勢能，自流式SNCR脫硝系統采的用圓形噴片來代替扇形噴頭，圓形噴片特點是霧化顆粒較大，射程較遠。噴霧塔熱風爐內熱風為旋風，同時滿足SNCR脫硝的溫度范圍及空間高度足夠，有足夠反應時間，用圓形噴片噴射尿素可以滿足脫硝需求。圓形噴片口徑大，噴頭堵塞幾率大幅度降低，能夠持續穩定工作，實現持續穩定達標排放。實際使用中發現圓形噴片有較嚴重滴液現象，對爐壁產生腐蝕，危害設備。現研發設計一種新型噴槍，解決噴頭堵塞、噴頭滴液問題。

4 新型SNCR脫硝噴槍研發

4.1 噴頭的霧化機理

噴頭噴出的液體，要使其霧化，就是要克服液體分子之間的表面張力，使得液體以較小的顆粒狀分離開。

按照霧化方式的不同，霧化機理可分為機械霧化，介質霧化，超聲波霧化，靜電霧化等，其中介質霧化常用的霧化介質是空氣，蒸汽等氣體，也稱為空氣霧化。常見的機械霧化有直射式噴嘴，壓力式噴嘴和旋轉霧化器。介質霧化則是利用低速的液體和高速氣體之間的速度差，將液體撕裂，達到霧化效果。

4.2 新型噴槍研發

尿素溶液罐放置高位自流式SNCR脫硝，尿素溶液由高度差產生的勢能自流到SNCR噴槍，尿素溶液壓力較低，因此新型噴槍設計采用空氣霧化，利用高壓壓縮空氣產生高速氣流將尿素溶液剪切、撕裂，達到霧化效果。

初步設計噴槍如圖1所示。

圖1 初步設計噴槍示意圖

圖1 說明：1、壓縮空氣第一入口；2、第一壓縮空氣管；3、尿素溶液入口；4、尿素溶液管、5、進液孔；6、壓縮空氣第二入口；7、氣液混合管；8、第二壓縮空氣管；9、第二壓縮空氣管射入口；10、噴槍出口。

尿素溶液進液孔5靠近第一壓縮空氣管2末端，進液孔有8個，沿圓周均勻分布。第二壓縮空氣管射入口9位于氣液混合管7尾部，第二壓縮空氣管射入口有8個。第二壓縮空氣管射入口9與氣液混合管7形成夾角，夾角為45°。氣液混合管7的直徑為13mm，壓縮空氣管射入口9與噴槍出口10的距離為16mm，此距離設定條件是能使壓縮空氣管射入口9射出的高速氣流在氣液混合管7的末端管壁上形成反射。

具體的工作流程為：壓縮空氣由壓縮空氣第一入口1進入，在第一壓縮空氣管2末端高速噴出；尿素溶液由尿素溶液入口3進入，流經尿素溶液管4，進液孔5與第一入口的壓縮空氣兩相混合。第一壓縮空氣管2噴出高速氣流，使氣液混合管7在進液孔5處形成一定真空度，對尿素溶液產生吸力作用，在氣液混合管7中尿素溶液與壓縮空氣不斷撞擊剪切，使液滴不斷霧化。壓縮空氣管射入口9高速射出的高速氣流對氣液混合管7中已經霧化的液滴進行撞擊剪切，進行二次霧化，高速氣流在氣液混合管7的末端管壁上反射對霧化液滴再次撞擊、剪切，進行三次霧化，尿素溶液經三次霧化后從噴槍出口噴出。

經試驗驗證，新設計噴槍尿素溶液霧化效果較好，噴射角度較大，無滴液現象；但壓縮空氣耗量較大，同時因霧化液滴較細導致射程較近。噴射效果如圖2。

圖2 噴射效果

4.3 新型噴槍結構改進

根據試驗，將新型噴槍進行改進，主要以下幾個方面：將噴槍出口端9、10與本體切割開變更為噴槍本體與噴頭兩部分的組合結構，噴槍本體與噴頭采用螺紋連接。將壓縮空氣進口改為一個進口；壓縮空氣管射入口與氣液混合管夾角由45度改為30度；壓縮空氣管射入口與噴槍出口的距離由16mm改為20mm。

改進后噴槍如圖3。

圖3 改進后噴槍示意圖

圖3說明：1、尿素溶液入口；2、壓縮空氣入口；3、尿素溶液管；4、壓縮空氣管；5、連接部；6、進液孔；7、壓縮空氣管射入口；8、氣液混合管；9、噴槍出口

尿素溶液由尿素溶液入口1進入，流經尿素溶液管3，進液孔6進入氣液混合管8。壓縮空氣由壓縮空氣入口2進入，流經壓縮空氣管4，經壓縮空氣管射入口7高速射入氣液混合管8。壓縮空氣管射入口7高速射出的氣流使氣液混合管8在進液孔6處局部形成一定的真空度，對尿素溶液起吸力作用，高速氣流對進液孔6吸入的液滴進行高速剪切、撞擊，將液滴霧化，高速氣流在氣液混合管8的管壁上反射對細小液滴再次進行撞擊、剪切，再次霧化，霧化后的尿素溶液經噴槍出口9高速噴出。

改進后的新型SNCR噴槍，射程與霧化顆粒均可滿足使用需求，同時新型SNCR噴槍可有效改善噴頭堵塞、滴液問題，避免了還原劑對爐壁的腐蝕。新型噴槍與圓形噴片噴射霧化效果對比如下。新型噴槍見圖4，圓形噴片見圖5（由圖可見噴頭下面有滴液現象）。

圖4 新型噴槍效果

圖5 圓形噴片

5 結語

新研制的SNCR噴槍，利用高速氣體將尿素溶液撞擊、剪切成細小霧滴，高速氣液混合體再高速撞擊噴嘴內壁，再一次進行機械撞擊霧化，形成更小的霧化顆粒，使霧化效果更均勻，表面積更大，反應更充分。新型SNCR噴槍可有效改善噴頭堵塞、滴液問題，避免了因噴頭堵塞造成煙氣氮氧化物排放不穩定，甚至超標的問題；改善了噴頭滴液導致尿素溶液對爐壁的腐蝕問題。同時新型SNCR噴槍均勻，液滴總表面積大，脫硝效率高反應更充分，可有效提高脫硝效率，降低尿素使用量，經濟效益顯著。