以氨水為來源的脫硝還原劑制備工藝的選擇

章育銘

（江蘇新世紀(jì)江南環(huán)保股份有限公司，南京 211000）

以氨水為來源的脫硝還原劑制備工藝的選擇

章育銘

（江蘇新世紀(jì)江南環(huán)保股份有限公司，南京 211000）

介紹了蒸汽氣提、熱風(fēng)蒸發(fā)、煙氣原位蒸發(fā)等蒸發(fā)氨水制取脫硝還原劑的典型工藝，闡述了不同工藝的原理、優(yōu)缺點及注意事項，為脫硝還原劑制備工藝的選擇提供參考。

脫硝還原劑；制備；氨水；蒸汽氣提；熱風(fēng)蒸發(fā)；煙氣原位蒸發(fā)

0 引言

近年來，隨著最新的大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的實施，國內(nèi)很多機(jī)組都采用選擇性催化還原（SCR）工藝進(jìn)行鍋爐煙氣脫硝。目前大部分SCR脫硝裝置以液氨為脫硝還原劑來源，采用相對簡單且成熟的液氨蒸發(fā)工藝。而對于一些以氨水作為還原劑的裝置，可以根據(jù)項目自身的特點與條件，選擇不同的還原劑制備方案及工藝路線，以滿足不同的項目需求。

1 氨作為SCR還原劑的反應(yīng)機(jī)制

在催化劑的作用下，向一定溫度（320～420℃）的煙氣中噴入氨，將NOx還原成N2和H2O。主要反應(yīng)式為

脫硝用的氨水中氨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為10%～20%，需要將其有效成分氨蒸發(fā)成氣體后，通入煙氣中進(jìn)行脫硝反應(yīng)。

2 以氨水為來源的脫硝還原劑制備工藝

以氨水作為還原劑來源的裝置，可采用蒸汽氣提、熱風(fēng)蒸發(fā)以及煙氣原位蒸發(fā)等工藝實現(xiàn)氨水的蒸發(fā)氣化。

2.1 蒸汽氣提工藝

氣提的原理是采用一種氣體介質(zhì)破壞原氣液兩相平衡而建立一種新的氣液平衡狀態(tài)，使溶液中的某一組分由于分壓降低而解吸出來，從而達(dá)到分離物質(zhì)的目的。氣提介質(zhì)可以采用蒸汽、空氣、氮氣等。利用蒸汽作為氣提介質(zhì)，不僅能提供操作所需的熱量，還能起到提高操作溫度、降低氨在水中溶解度的作用。該工藝在廢水處理領(lǐng)域有成熟應(yīng)用，常用于從氨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的廢水中回收氨。蒸汽氣提工藝流程如圖1所示。

圖1 蒸汽氣提工藝流程

2.1.1 蒸汽氣提工藝流程

蒸汽氣提工藝具體流程為：原料氨水與氣提塔底高溫廢氨水進(jìn)行換熱，升溫至90℃左右［1］后進(jìn)入氣提塔與上升的蒸汽相遇，由于氨的相對揮發(fā)度大于水，更多的氨氣進(jìn)入氣相，與上一層塔板留下的液體建立新的氣液平衡。塔頂獲得高純度的氨氣、蒸汽混合物，塔底為氨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的廢水。塔頂氣汽混合物中氨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和塔底廢水中氨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以根據(jù)要求設(shè)定：塔頂氣汽混合物中氨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，塔底排放廢水中氨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越小，氨的利用率越高；但氣提塔所需塔板數(shù)多，設(shè)備投資費用高。

2.1.2 蒸汽氣提工藝特點

由于受到蒸汽加熱后氨的溶解度降低，較容易揮發(fā)，該工藝在氨氣化的同時只需蒸發(fā)部分的水，所以蒸汽耗量較少，運行成本較低；但主要設(shè)備氣提塔的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，投資較大。通常塔頂氨的回收率大于98%，在塔底會產(chǎn)生氨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.1%的廢水，與原料氨水換熱后送至廢水處理系統(tǒng)。蒸汽冷凝后大部分進(jìn)入廢水，無法回收。另外，該系統(tǒng)對于SCR區(qū)用氨量的響應(yīng)會有一定程度的延遲。

2.2 熱風(fēng)蒸發(fā)工藝

熱風(fēng)蒸發(fā)工藝是采用400℃左右的熱空氣或熱煙氣，通過氨水霧化蒸發(fā)器，將氨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的氨水完全蒸發(fā)成氨的體積分?jǐn)?shù)小于5%的氨氣-空氣混合物供脫硝反應(yīng)使用。該工藝類似尿素?zé)峤庵瓢惫に?，區(qū)別在于其能耗低于尿素?zé)峤庵瓢惫に嚕?］；另外，氨水蒸發(fā)所需的停留時間更短，蒸發(fā)設(shè)備體積更小。

2.2.1 熱風(fēng)蒸發(fā)工藝流程

熱風(fēng)蒸發(fā)工藝具體流程：風(fēng)機(jī)提供能夠?qū)饣陌睔庀♂屩馏w積分?jǐn)?shù)低于5%的混合氣體的風(fēng)量，然后通過電加熱器加熱到400℃左右，作為熱源進(jìn)入氨水蒸發(fā)器。氨水蒸發(fā)器側(cè)壁布置有若干根氨水-壓縮空氣雙介質(zhì)霧化噴槍，氨水經(jīng)噴槍霧化后進(jìn)入蒸發(fā)器，被熱風(fēng)快速蒸發(fā)成氨氣和水蒸氣，然后含有氨的熱風(fēng)被送往SCR區(qū)的噴氨格柵供脫硝反應(yīng)。熱風(fēng)蒸發(fā)工藝流程如圖2所示。

圖2 熱風(fēng)蒸發(fā)工藝流程

該工藝的主要控制參數(shù)是熱風(fēng)溫度。有些學(xué)者認(rèn)為將熱風(fēng)溫度控制在250℃較合適［3］，風(fēng)溫越高，所需電加熱器功率越大，不利于節(jié)能。筆者的觀點恰恰相反：能量衡算表明，對于一定流量的氨水，蒸發(fā)所需的能耗是一定的，故電加熱器的功率是一定的。熱風(fēng)溫度越低，蒸發(fā)氨水所需風(fēng)量越大，風(fēng)機(jī)造價及能耗反而越高。據(jù)測算，熱風(fēng)溫度為250℃時風(fēng)機(jī)選型流量約為400℃時的1.6倍，風(fēng)機(jī)能耗增加約60%，因此，在不提高電加熱器及氨水蒸發(fā)器材質(zhì)的前提下，應(yīng)盡量提高熱風(fēng)溫度；另外，提高熱風(fēng)溫度能有效提高蒸發(fā)速度，縮短停留時間，從而減小蒸發(fā)器的體積，降低蒸發(fā)器的造價。綜上所述，熱風(fēng)溫度應(yīng)控制在400℃左右為宜。

2.2.2 熱風(fēng)蒸發(fā)工藝的特點

熱風(fēng)蒸發(fā)工藝將氨水全部蒸發(fā)，氨的利用率為100%，無廢水排放；該工藝同時也會將氨水中的水完全蒸發(fā)，消耗大量的潛熱。

為降低運行能耗，可直接采用250℃左右的高溫?zé)煔饣蛞淮螣犸L(fēng)作為氨水蒸發(fā)的熱源。若采用一次熱風(fēng)，其壓頭一般足以克服風(fēng)道及蒸發(fā)器的壓損，無須設(shè)置增壓風(fēng)機(jī)，但一次熱風(fēng)有一定的含塵量，蒸發(fā)器內(nèi)部會有積灰現(xiàn)象，需要定期檢修清理；若采用高溫?zé)煔?，其壓力不足以克服煙道及蒸發(fā)器的壓損，需要另外設(shè)置增壓風(fēng)機(jī)，該風(fēng)機(jī)不是普通的離心風(fēng)機(jī)，而是高溫風(fēng)機(jī)，運行時過流部件易受熱變形而造成卡澀，風(fēng)機(jī)的制造精度及材質(zhì)要求較高。此外，由于高溫?zé)煔庵泻蠸O3、煙塵等雜質(zhì)，不僅需要考慮設(shè)備堵塞問題，還要考慮酸的腐蝕問題，對蒸發(fā)器的材質(zhì)提出了更高的要求，同時也需要對蒸發(fā)器后的煙道進(jìn)行防腐處理。

2.3 煙氣原位蒸發(fā)工藝

煙氣原位蒸發(fā)工藝為：直接在鍋爐煙道內(nèi)，利用400～600℃的熱煙氣將氨水蒸發(fā)。該工藝類似于選擇性非催化還原（SNCR）工藝，區(qū)別在于所需煙氣溫度要比SNCR工藝溫度低，過高的溫度會使氨被氧化，所以噴槍的布置位置比SNCR工藝要靠下些，一般位于過熱器或省煤器后。

2.3.1 煙氣原位蒸發(fā)工藝流程

煙氣原位蒸發(fā)工藝具體流程：在鍋爐煙道壁側(cè)布置有若干根氨水-壓縮空氣雙介質(zhì)霧化噴槍，氨水經(jīng)噴槍霧化成霧滴后進(jìn)入煙道，被高溫?zé)釤煔饪焖僬舭l(fā)成氨氣和水蒸氣，然后含有氨的煙氣通過催化劑床層直接進(jìn)行脫硝反應(yīng)。煙氣原位蒸發(fā)工藝流程如圖3所示。

圖3 煙氣原位蒸發(fā)工藝流程

2.3.2 煙氣原位蒸發(fā)工藝的特點

該工藝不增加額外的蒸發(fā)設(shè)備，也無需將煙氣引出，不增設(shè)煙道及增壓風(fēng)機(jī)；利用熱煙氣原位將氨水全部蒸發(fā)，流程簡單、設(shè)備較少；氨的利用率為100%，無廢水排放；該工藝同時也將氨水中的水完全蒸發(fā)，會降低鍋爐的熱效率，通常不超過0.5%。

煙氣原位蒸發(fā)工藝采用霧化噴槍代替噴氨格柵，但噴槍的均勻性不如噴氨格柵。為保證噴入的氨水蒸發(fā)完全，以及催化劑表面氨、氮氧化物混合均勻，噴槍和第1層催化劑之間需有一定長度的直段，且噴射點下游需設(shè)置靜態(tài)混合器及導(dǎo)流板，噴槍的具體布置需通過流場模擬的結(jié)果來確定。

3 結(jié)束語

以氨水為原料蒸發(fā)制取脫硝還原劑，工藝較為靈活，可以針對不同的項目，根據(jù)自身特點和需求因地制宜地選擇合適的工藝，以期取得較好的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益。

［1］郭秀玲，馬弘.直接蒸氨工藝與間接蒸氨工藝的比較［J］.煤化工，2009（1）：48-50.

［2］杜成章，劉誠.尿素?zé)峤夂退饧夹g(shù)在鍋爐煙氣脫硝工程中的應(yīng)用［J］.華北電力技術(shù)，2010（6）：39-41.

［3］白文輝.氨水作為SCR反應(yīng)還原劑在燃煤鍋爐上的應(yīng)用［C］／／2013年中電聯(lián)節(jié)能環(huán)保分會年會暨燃煤電廠煙氣污染治理技術(shù)交流會會議論文集.南京：中國電力企業(yè)聯(lián)合會節(jié)能環(huán)保分會，2013.

（本文責(zé)編：劉芳）

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：1674-1951（2015）01-0062-02

章育銘（1981—），男，江蘇啟東人，工程師，工學(xué)碩士，從事鍋爐煙氣脫硫脫硝設(shè)計工作（E-mail：zymtt1234＠163.com）。

2014-05-30；

2014-10-20