選擇性非催化還原技術降氮淺析

張揚帆 王 智 劉遠強 廖浩淞 李 穎 楊祖旺

（1.國能（泉州）熱電有限公司，福建 泉州 362801；2.深圳市安瑞昕電力科技有限公司，廣東 深圳 518038）

0 引言

化石能源特別是煤炭在我國能源消費結構中占比很大，隨著煤炭的大量燃燒應用，由氮氧化物引起的酸雨以及臭氧層的破壞等環境問題引起了人類社會的廣泛關注。我國對燃煤電廠氮氧化物排放也制定了嚴格的要求，2015年國家三部委聯合印發的《全面實施燃煤電廠超低排放和節能改造工作方案》，要求各火電企業NOx的排放值不高于50mg/Nm3，給火電行業帶來了嚴峻挑戰，促成了各火電機組開始新一輪的氮氧化物超低排放改造。我們已經采取諸如低NOx燃燒器、分級配風、OFA（Over Fire Air）、再燃等技術措施來降低NOx的排放，盡管這些方法在降低氮氧化物排放過程中發揮了巨大成效，但是在面對新的超低排放值NOx≤50mg/Nm3顯得乏力。選擇性非催化還原（SNCR）技術在國外應用較早，其成本低，無二次污染，適合協同應用其它的低氮氧化物減排技術，以其成熟的工藝以及較高的脫硝效率被廣泛用于燃煤電廠氮氧化物超低排放改造[1]。現階段世界上運用選擇性非催化還原法（SNCR）的燃煤電廠的總裝機量已經達到了5.5GW，并且SNCR的數量還在不斷提高，我國目前的600MW、300MW裝機容量的機組均已安裝了SNCR脫硝技術，其他行業包括工業爐窯、垃圾焚燒爐也裝備了SNCR脫硝裝置。基于此，本文主要介紹SNCR技術的基本原理、影響因素以及主要應用情況。

1 SNCR簡介

1.1 SNCR脫硝機理

SNCR技術就是把氨還原劑（一般為尿素）噴入到爐膛中900～1100℃區域內，受高溫影響，氨還原劑快速熱解產生NH3，在無催化劑的作用下，選擇性地與煙氣中的NOx進行還原反應生成N2和H2O。主要反應式如下：

實驗研究表明[2]，上述反應在低于900℃時，反應速率低，反應不完全，造成氨逃逸現象，導致煙道部件表面結渣、腐蝕；反應在高于1100℃時，熱解產生的NH3會被氧化成NO，造成氮氧化物排放濃度增大。因此，在布置SNCR技術時，溫度是首先考慮因素。

1.2 SNCR主要特點

SNCR技術優點較多，主要包括成本低、工期短、見效快、效果好和普適性強等，國內大中型鍋爐基本上都配備了SNCR脫硝技術。另外，因其不受煙氣溫度、鍋爐燃燒效率、設備腐蝕以及鍋爐受熱面等因素的影響，其運行非常穩定，無需過多改造，NOx排放量的控制效果好。

SNCR技術主要由四個部分構成，即氨還原劑的制備、存儲系統，氨還原劑噴射系統（噴氨格柵及管道），分配系統。SNCR技術直接以爐膛為反應器，無需再設置反應裝置。通過布置不同高度的氨還原劑噴嘴，來滿足不同鍋爐負荷下爐膛位置的合適溫度。整個SNCR脫硝系統主要包括氨還原劑的儲藏、輸送以及噴射裝置組成，具體部件主要包括儲藏罐、泵、管道、噴嘴、控制系統以及NOx檢測系統。在設計改造時，可以采用CFD仿真分析技術對爐膛流場和溫度分布進行模擬，確定氨還原劑最佳噴射位置，保證反應溫度符合要求，并保證與煙氣的充分混合，達到NOx最佳控制效果。

2 影響SNCR脫硝效率的因素分析

SNCR在實驗室中的脫硝效率可達90%以上，但是在工業應用中只有40%～50%，主要有四方面的因素影響[3]：氨還原劑噴嘴布置位置（溫度影響）、爐內停留時間、NH3/NOx摩爾比和氨還原劑與煙氣的混合情況。

2.1 氨還原劑噴嘴布置位置

氨還原劑噴嘴的布置位置主要是為了滿足SNCR反應溫度要求，溫度過低造成氨逃逸，進而產生煙道部件結渣堵塞、腐蝕等現象；溫度過高會導致NH3被還原成NO，造成氮氧化物排放濃度升高，因此，進行爐膛SNCR技術改造時，一定要對爐膛流場和溫度分布進行模擬，確定氨還原劑最佳噴射位置，保證反應溫度符合要求。

2.2 爐內停留時間

氨還原劑與煙氣混合后在爐內的停留時間對脫硝效率也有很大的影響，要使脫硝效率達到最高，就必須控制混合氣在爐內的停留時間，過少的停留時間同樣會導致反應進行的不完全，造成氨逃逸現象；過多的停留時間會導致煙氣中的N向NO轉化，圖1為NOx還原效率與反應溫度和停留時間的關系

圖1 NOx還原效率與反應溫度和停留時間關系圖

2.3 NH3/NOx摩爾比

根據SNCR技術脫除NOx主要反應式，NH3/NOx摩爾比為1時為最佳，但在爐膛實際反應過程，摩爾比大于1時才能達到理想效果，如圖2所示，NO還原效率隨著NH3/NOx摩爾比的增大而升高，待得NH3/NOx摩爾比為2時，NO還原效率逐漸保持不變，雖然高NH3/NOx摩爾比會增大NO還原效率，但是會造成氨逃逸現象，同時增加了運行的費用，如圖3所示。因此，實際SNCR系統運行時，NH3/NOx摩爾比一般控制在1.0～2.0之間，最大不要超過2.5。

圖2 NH3/NOx摩爾比與NO還原效率的關系圖

圖3 NOx還原效率與氨逃逸的關系圖

2.4 氨還原劑與煙氣的混合情況

反應物的混合情況是影響化學反應能否完全進行的關鍵因素，混合均勻，則反應速率加快，反應程度增加，混合不均，不僅會降低NOx脫除效率，同時還會造成局部氨逃逸現象，給鍋爐運行增加不穩定因素。

在實際運行過程中，難以同時滿足上述四個要求，可能會帶來如下問題：（1）在用尿素作為氨還原劑時，可能會產生較多的溫室氣體N2O，另外，低溫尿素溶液噴入爐膛會導致局部區域溫度驟降，影響燃燒，引發高含碳量飛灰以及造成CO排放增高等問題；（2）為了保持較高的NOx脫除效率，噴入的NH3含量必然高于設計工況，這也會導致氨逃逸現象，造成煙氣污染、部件結渣堵塞、腐蝕等問題。因此，根據實際鍋爐改造，合理布置SNCR工藝，盡量滿足上述四個影響因素，保證氮氧化物較高的脫除效率。

3 SNCR技術優化改造問題

3.1 爐膛內部NOx濃度變化較大

因鍋爐爐膛內部流場復雜度高，爐膛各部位的噴氨量控制較差，造車局部噴氨量高，局部欠噴，容易形成氨還原劑堆積的情況，造成部分NOx還原率高，部分還原率低。其值主要在20～250mg/Nm3之間。主要解決辦法有燃料投放量作為控制系統前饋，燃料波動小，NOx排放量波動較小，穩定度高。

3.2 高硫煤會降低NOx還原率

脫硫與脫硝一直是燃煤電廠面臨的主要難題，其原因是為提高脫硫效率必向爐內投放大量石灰石，但石灰石對NOx的生成具有極強的促進作用，使爐內的燃料氮迅速變為NOx，造成NOx濃度升高，又加上爐內流場分布不均，復雜程度高，導致煙氣NOx含量增加。主要的解決措施是將水平煙道噴射方式改為錯列成對式，使煙氣充分接觸氨還原劑，增強NOx的脫除效率。

3.3 SNCR技術與分級燃燒技術結合

現階段分級燃燒方式被廣泛應用于燃煤鍋爐，降低一次風量，即降低給氧量，在鍋爐主燃區燃燒呈缺氧形式，降低燃燒速度、溫度，減少NOx的生成量；其次，加大二次風量，使區域的燃燒溫度升高，給與氨還原劑還原NOx最佳溫度，進一步還原NOx,降低NOx排放量。這不僅可以從根源上減少NOx的生成量，還能增加NOx的還原量，進一步減少煙氣中NOx的含量。

4 SNCR技術應用進展[4,5]

SNCR是一項非常成熟的技術，但是礙于實際工業運行過程中低的氮氧化物脫除效率，常與分級燃燒、SCR技術耦合，保證燃煤機組較高的氮氧化物脫除率。Daood等學者進行了煤或生物質在富氧條件下的分級燃燒和SCNR技術相結合的實驗研究。結果表明，在分級燃燒80%的氮氧化物脫除率的基礎上，加入SNCR技術可使NOx還原率進一步增加，煙氣出口氮氧化物濃度降低50%。Tree和Clark研究了天然氣再燃與SNCR技術耦合，發現當煙氣中O2體積分數為0.7%～3%，煙溫為1274～1343K時，耦合技術的最佳氮氧化物脫除效率最高，與SNCR理想脫硝效率相近。李超研究了空氣分級與SNCR技術耦合，通過實驗得出當主燃區溫度為1300℃，過量空氣系數為0.75和0.85時，相比于單項技術最佳氮氧化物脫出效率有所提高。Neuffer和Laney報道了在水泥爐窯分級燃燒與SNCR耦合技術，研究表明，分級燃燒技術單獨作用氮氧化物脫除效率達17～43%，SNCR技術單獨作用達10%～50%，兩者耦合后NOx的排放濃度可降至100～200mg/m3。李雙喜分析了分級燃燒與SNCR兩種技術在水泥爐窯中的降氮原理，通過實驗和工業應用證明，兩者耦合后的脫硝技術可使NOx排放量減少50%以上。Guo等學者研究了堿金屬K/Na添加劑對SNCR脫硝過程的影響，實驗結果表明，K/Na添加劑可使SNCR過程的溫度區間擴展約50～100K。劉平安等在陶瓷生成過程中對NOx生成進行測試，結果表明，陶瓷的燒成在溫度高于950℃后，該過程會進入還原階段，NOx發生還原反應，降低NOx的濃度，同時其NOx的生成速率也會大大減小。Iliyta等學者使用耦合焦炭燃燒，采用石灰石分解等方式建立了水泥分解爐的非均相反應模型，從而研究NO的生成機理，結果表明，分解爐還原去出口的三次風的混合速率和焦炭反應性等都是重要的影響參數，同時，CO在CaO表面引起的NO還原反應十分重要。王智化等以氨為還原劑在小型沉淀爐上做了SNCR實驗研究，研究表明，在最佳溫度為850～1100℃噴氨時，NOx的還原率高達82%且氨逃逸率較低。Fan等研究了水泥分解爐中的SNCR脫硝機理。結果表明：增加O2濃度，脫硝的效率降低，最佳的脫硝溫度減小，溫度窗口向低溫側移動；水分會促進NOx脫 除，拓寬脫硝的溫度窗口；當溫度低于900℃時，H2O、O2、SO2和CO濃度的增加有利于減少氨逃逸。分級燃燒與SNCR優化控制關鍵技術針對NOx和SOx等高排放的問題，需要綜合優化分解爐分級燃燒與再燃、SNCR脫硝、爐窯自脫硫技術，實現NOx及SOx的低排放，研發分級燃燒與新型SNCR等污染物控制技術。（1）研究工業爐窯分級燃燒還原區過量系數和燃盡風送入位置對NOx排放和燃燒效率的影響，研究替代燃料（如煤矸石、垃圾、生物質等）等對于碳酸鹽生料分解的影響；優化設計工業爐窯分級燃燒時各股風的位置，確定分級燃燒接入點的位置、角度以及進入分解爐的速度等因素，研究低NOx燃燒過程中分解爐的局部高溫結皮特性；（2）開展工業爐窯內部燃燒過程和SNCR脫硝技術的數值模擬研究，優化SNCR噴嘴在爐膛中的數量分布、速度和位置研究煙氣初始NOx。盡管國內外對于SNCR耦合其他脫硝技術開展了長足的研究，也證明了耦合技術的經濟性和穩定性，但是爐內準確的工藝參數和工業爐窯的實際應用問題還有待解決。

5 結語

選擇性非催化還原（SNCR）技術具有成本低，無二次污染，適合協同應用其它的低氮氧化物減排技術等特點，被廣泛用于燃煤電廠當氧化物超低排放改造。但是其NOx脫除效率不高和氨逃逸問題等缺點是限制其應用的主要因素。本文根據SNCR技術特點，分析了影響其脫硝效率的主要因素：氨還原劑噴嘴布置位置（實質是溫度）、爐內停留時間、NH3/NOx摩爾比和氨還原劑與煙氣的混合情況；闡述了其與分級燃燒耦合技術的研究和應用，雖然該技術具有較高的經濟性和穩定性，但是爐內準確的工藝參數和工業爐窯的實際應用問題還有待解決。