SNCR脫硝技術(shù)的化學(xué)工藝應(yīng)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(shù)應(yīng)用研究以及脫硝設(shè)備。文章以循環(huán)流化床鍋爐煙氣SNCR脫硝工程為例，從系統(tǒng)設(shè)計、工藝流程等方面對SNCR脫硝技術(shù)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(guān)鍵詞：脫硝；SNCR；尿素；電廠

1 前言

隨著全球經(jīng)濟的高速發(fā)展，煤炭、石油的開發(fā)利用已經(jīng)給環(huán)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(huán)境惡化。其中氮氧化物（NOx）是引起溫室效應(yīng)、酸雨及臭氧層破壞的根由物之一， 是硝酸型酸雨的基礎(chǔ)， 又是形成光化學(xué)煙霧的主要物質(zhì)， 具有很強的毒性， 對人類健康、環(huán)境、生態(tài)及社會經(jīng)濟破壞很大。對于NOx排放則可以根據(jù)NOx產(chǎn)生的過程，采用燃燒優(yōu)化調(diào)整與燃燒后處理技術(shù)相結(jié)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(xué)反應(yīng)活性，SNCR技術(shù)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(huán)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(shù)，使煙氣NOx排放濃度降低到100mg/Nm3以下。該脫硝技術(shù)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(xié)同應(yīng)用其他脫硝技術(shù)，因而在燃煤電廠，尤其是老廠脫硝改造上取得了廣泛的應(yīng)用。

2 工藝介紹

2.1 工藝原理介紹

SNCR脫硝技術(shù)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(chǎn)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(yīng)，將NOx還原成N2與H2O。尿素作為還原劑主要反應(yīng)為：

2NO+CO（NH2）2+1/2O2→2N2+CO2+2H2O

不同還原劑有不同的反應(yīng)溫度范圍，此溫度范圍稱為溫度窗。NH3的反應(yīng)最佳溫度區(qū)為800～1150℃。當反應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shù)

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(yīng)不充分，造成還原劑流失，對下游設(shè)備產(chǎn)生不利的影響甚至造成新的污染。

根據(jù)循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)狀況和煙道內(nèi)溫度場、煙氣流場情況，采用CFD以及CKM模擬相結(jié)合技術(shù)。

② 停留時間

任何反應(yīng)都需要時間，所以還原劑必須和NOx在合適的溫度區(qū)域內(nèi)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(yīng)物在爐膛上部對流區(qū)內(nèi)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(fā)、尿素分解成氨、NH3分解成NH2和一些自由基、NOx的還原反應(yīng)。加大停留時間有利于質(zhì)量的輸運和化學(xué)反應(yīng)，從而提高了反應(yīng)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(jù)基本的化學(xué)反應(yīng)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(yīng)的又一個技術(shù)關(guān)鍵，是保證在適當?shù)腘H3/NOx摩爾比下得到較高的NOx還原率的重要環(huán)節(jié)。為了使還原反應(yīng)充分進行反應(yīng)，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(xiàn)是通過噴射系統(tǒng)，信成科技開發(fā)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(jīng)還原劑輸送泵送至靜態(tài)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(jīng)過噴槍噴入爐膛，實現(xiàn)脫硝反應(yīng)。

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

3 脫硝主要設(shè)備

3.1 尿素溶液制備與儲存系統(tǒng)

袋裝尿素顆粒儲存在尿素儲存間，經(jīng)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(huán)泵送入尿素溶液儲罐中。

設(shè)置一臺尿素溶解罐和兩臺尿素溶液儲存罐。溶解罐上設(shè)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(shè)置攪拌器，保證尿素顆?？焖倬鶆蛉芙猓藓蛿嚢杵鞑馁|(zhì)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(shè)置循環(huán)泵。

3.2 稀釋水系統(tǒng)

稀釋水系統(tǒng)設(shè)置稀釋水泵，材質(zhì)為不銹鋼，入口設(shè)置壓力調(diào)節(jié)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(tǒng)

壓縮空氣系統(tǒng)為尿素溶液的霧化提供霧化介質(zhì)。

3.4還原劑噴射系統(tǒng)

還原劑噴射系統(tǒng)設(shè)置噴射泵，噴射泵入口設(shè)置過濾器，以防止設(shè)備堵塞，出口設(shè)置計量回水調(diào)節(jié)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(zhì)。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(tǒng)

計量分配系統(tǒng)通過尿素側(cè)和稀釋水側(cè)的變頻泵、流量調(diào)節(jié)閥和壓力調(diào)節(jié)閥自動調(diào)節(jié)進入每個鍋爐注入?yún)^(qū)域的尿素溶液濃度和流量，以響應(yīng)煙氣中NOx的濃度、鍋爐負荷、燃料量的變化，自動調(diào)節(jié)進入鍋爐噴射區(qū)的反應(yīng)劑流量，對各噴射區(qū)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(fēng)分離器入口煙道處。SNCR系統(tǒng)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(nèi)部混合式霧化，氣水壓力不超過0.6Mpa，節(jié)能顯著。流量從1.2L/min到117L/min線性調(diào)節(jié)，實現(xiàn)不同工況下還原劑噴射量需求。

3.7 電氣自控系統(tǒng)

SNCR采用獨立的控制系統(tǒng)，采用PLC控制系統(tǒng)，在各部分系統(tǒng)上，設(shè)計有控制柜體，面板設(shè)有人機界面（MMI）。各部分系統(tǒng)留有接口，可以通過網(wǎng)絡(luò)在上層控制系統(tǒng)對SNCR系統(tǒng)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(lián)系。

4 工程效果

整套脫硝系統(tǒng)具備更強的穩(wěn)定性、安全性和設(shè)備的抗腐蝕性，噴射系統(tǒng)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(shè)計，保證還原反應(yīng)最佳化，脫硝效率最大化。易于操作的系統(tǒng)，全自動控制，一鍵操作來執(zhí)行整個系統(tǒng)，友好的操作界面，制定 PLC通訊和控制設(shè)置。

通過采用SNCR脫硝改造， 能夠?qū)Ox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

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[2孫克勤 鐘秦 火電廠煙氣脫硝技術(shù)及工程應(yīng)用 化學(xué)工業(yè)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