選擇性非催化還原脫硝氨逃逸及二次污染物排放

摘 要：選擇性非催化還原（SNCR）脫硝是利用還原劑NH3將煙氣中NO還原為N2的NOx凈化技術，本文通過實驗研究了溫度對SNCR脫硝效率的影響，SNCR的反應溫度窗口為950～1100 ℃，在溫度為1050 ℃、NSR為1.5時達到最佳脫硝效率97%。模擬SNCR反應過程中氨逃逸及二次污染物排放情況，NO2排放濃度隨著NSR增加而降低，N2O排放濃度和NH3逃逸量隨著NSR增加而增加。綜合考慮經濟、環保及脫硝效率等因素，選取NSR為1.5為宜。

關鍵詞：選擇性非催化還原脫硝；模擬；氨逃逸；二次污染物

1 引 言

工業燃煤鍋爐排放的氮氧化物會導致光化學煙霧、酸雨等環境問題。選擇性非催化還原（SNCR）脫硝是利用還原劑NH3將煙氣中的NO還原為N2的NOx凈化技術，建設周期短、投資少、脫硝效率中等，比較適合中小型電廠鍋爐改造，因此成為一種有競爭力的煙氣脫硝技術[1]。沈伯雄等[2]通過實驗表明選擇性非催化還原反應在900～1050 ℃的范圍內一直保持較高的脫硝效率，在1000 ℃取得最佳脫硝效率，最高脫硝效率達到90%以上。了解SNCR的脫硝特性對于SNCR的實際應用具有重要的指導作用。而SNCR技術在脫除NO的同時也會造成NH3逃逸及二次污染物NO2、N2O的排放，模擬計算這些組分參數的濃度變化，對于確定SNCR最優工況具有重要意義。本文以NH3作為還原劑，通過實驗研究溫度對SNCR脫硝效率的影響，并模擬SNCR反應過程中氨逃逸及二次污染物NO2、N2O的排放情況。

2 實驗系統與機理模型簡介

2.1 實驗系統

SNCR脫硝實驗系統主要由反應系統、氣體供應系統和煙氣組分分析系統組成。SNCR脫硝實驗裝置圖如圖1所示，模擬煙氣由氣體供應系統提供，包括500 mL/m3 NO，O2（體積分數2%～8%），N2作為平衡氣體，其中N2、O2采用精度為99.99%高純氣體，NO采用20%的標準氣（N2平衡）。還原劑NH3采用2%的標準氣（N2平衡），通過調節NH3濃度，使NSR從1.2變化到2.2。模擬煙氣經混合器混合均勻，在爐膛的入口段預熱后進入反應區，還原劑NH3通過上部支管進入反應器，與模擬煙氣在恒溫段混合進行脫硝反應，反應過程中，實驗氣體的總流量為2.826 L/min。反應后NO的濃度由煙氣分析儀進行測量，NO脫硝效率公式見式（1）：

式中，η為脫硝效率，φ（NO）in為NO的入口濃度，φ（NO）out為NO的出口濃度。

2.2 機理模型簡介

SNCR反應是還原劑NH3與燃燒產物（NOx）進行反應的過程，屬于碳氫燃料氣相組分與含氮組分的反應。采用CHEMKIN的PFR模型進行數值模擬，考察了C1-C3-high-temperature（HT）-NOx機理模型[3]、Urea-2000模型[4]以及C2-NOx機理模型[5]，將三種機理模型分別導入CHEMKIN軟件。為了選取與實驗結果最接近的反應機理模型，設置與實驗條件相同的模擬參數：恒溫區12 cm，反應器內徑為2 cm，模擬條件為：500 mL/m3 NO、750 mL/m3 NH3、4.4% O2，N2為平衡氣，氣體總流量為2.826 L/min。如圖2為三種機理模型模擬SNCR脫硝效率與實驗結果的對比，從圖2中實驗結果可以看出，SNCR反應只有在合適的溫度窗口才能取得良好脫硝效果。NO脫除效率在600～1100 ℃的溫度范圍內呈現出先升高后降低的趨勢。SNCR適宜的反應溫度窗口為950～1100 ℃，溫度窗口內的脫硝效率高于50%，這與沈伯雄等研究結果一致[2]，并且在溫度為1050 ℃、NSR為1.5時達到最佳脫硝效率，測得的NO脫硝效率為97%。600～850 ℃溫度范圍內，脫硝效率較低，說明低溫下NH3和NO幾乎不發生反應。

圖2三種機理模型模擬結果表明，C1-C3-HT-NOx機理模型和Urea-2000機理模型模擬的結果非常相似，但與實驗值偏差較大，在800～980 ℃的溫度范圍，模擬值高于實驗值，當溫度超過980 ℃，模擬得到的脫硝效率低于實驗值，與實驗點相差較大；采用C2-NOx機理模型模擬時，超過1000 ℃模擬結果較實驗結果偏小，但整體上看與實驗數據最為接近。因此，本文最終選取與實驗最接近的C2-NOx機理模型來進一步研究SNCR反應過程中氨逃逸及二次污染物排放情況。

3 SNCR氨逃逸及二次污染物排放模擬研究

基于CHEMKIN反應器模型計算了尾部氨逃逸及二次污染物排放情況。圖3為不同NSR對NO2排放濃度的影響，溫度較低時，氨還原NO過程中沒有NO2生成，溫度超過850 ℃時NO2快速生成，隨著溫度繼續升高，NO2排放濃度呈現先升高后降低的趨勢，即：在不同NSR下，NO2排放濃度存在一個峰值，在峰值兩側，NO2排放濃度變化較為迅速。NSR為1.2～1.8時，NO2排放濃度在950 ℃達到峰值，NSR為2.2時，在900 ℃達到峰值，當溫度超過1050 ℃時，不同NSR下的NO2濃度均下降至5 mL/m3左右。不同NSR對NO2排放濃度影響較大，NSR越低，NO2排放濃度越高，當NSR為1.2時，NO2排放濃度的峰值可以達到27 mL/m3，NSR為2.2時，NO2排放濃度峰值僅為10 mL/m3，總體而言，NSR=2.2時，NO2排放濃度處于較低的水平。

SNCR技術在脫除NO的同時也會生成少量的N2O[6]，N2O是一種重要的溫室氣體，也會危害人的身體健康[7]。圖4為不同溫度和NSR對N2O排放量的影響。低溫范圍內（600～900 ℃）N2O生成量很低，溫度高于900 ℃，N2O才開始生成，隨著溫度繼續升高，N2O濃度先升高后降低，在1000 ℃達到峰值。N2O的排放濃度隨著NSR的增加而增加，NSR為2.2時，N2O排放濃度最高，為30 mL/m3。總體上看，在950～1100 ℃溫度范圍內，N2O的排放濃度水平為8～30 mL/m3。

盡管大部分還原劑NH3能與NO反應，但仍有一部分NH3未參與反應，這就造成大量的尾部氨逃逸。還原劑NH3與煙氣未充分混合、反應時間不足、溫度窗口不適合都會造成氨逃逸。逃逸的氨，能與煙氣中含硫組分反應生成硫酸氨鹽，阻塞和腐化設備。圖5為不同溫度和NSR下對NH3逃逸的影響。從圖5中可以看出NH3選擇性非催化還原NO時，低溫下NH3與NO反應速率很低，未反應的氨濃度很高，隨著NSR增加NH3逃逸量也明顯增多。提高溫度，NH3逃逸逐漸下降，超過900 ℃，氨逃逸水平迅速降低，在1000 ℃以后，逃逸量很少，當溫度高于1050 °C時，氨逃逸幾乎為0，說明氨即使沒有與NO完全反應，高溫下也會被氧氣氧化[8]。

4 結論

本文通過實驗研究了溫度對SNCR脫硝效率的影響，使用三種反應機理模型（C1-C3-HT-NOx、Urea-2000和C2-NOx機理模型）模擬SNCR在不同溫度下的脫硝效率，與SNCR脫硝實驗數據對比，得出C2-NOx機理模型較符合實驗結果和趨勢，選取該機理模型，進一步模擬SNCR反應過程中氨逃逸及二次污染物排放情況，得出以下結論：

（1）溫度對SNCR的脫硝效率影響較大，600～900 ℃時脫硝效率低于10%，說明低溫下NH3和NO幾乎不發生反應。SNCR的反應溫度窗口為950～1100 ℃，并且在溫度為1050 ℃、NSR為1.5時達到最佳脫硝效率，NO脫硝效率為97%。

（2）NSR越低，NO2排放濃度越高，控制NO2排放濃度的同時也要考慮脫硝效率，NSR取1.5或1.8為宜。N2O排放濃度的變化趨勢與NO2排放濃度相反，隨著NSR增加而增加。NH3逃逸量隨著NSR增加而增加。在反應溫度窗口（950～1100 ℃），NH3逃逸逐漸下降，在1000 ℃以后，逃逸量很少。綜合考慮，在SNCR脫硝反應過程中，保證脫硝效率的同時盡量減少氨逃逸及二次污染物的排放，降低NSR，NSR取1.5為宜。

參考文獻

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[8] 鄭日韋. SNCR脫硝過程反應機理初步研究[D]. 上海： 同濟大學， 2007.

作者簡介：張茹杰（1996- ），山西晉城人，碩士，助教，研究方向為污染物控制。

基金項目： 太原學院青年項目（23TYQN15）