中小型企業(yè)SNCR氨水脫硝技術(shù)探討

王楊軍

【摘 要】為持續(xù)改善京津冀等重點(diǎn)區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量，生態(tài)環(huán)境部對(duì)京津冀及周邊地區(qū)的企業(yè)提出了更嚴(yán)格的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。然而，鍋爐、工業(yè)爐窯在執(zhí)行各排放標(biāo)準(zhǔn)中的特別排放限值后，NOx（氮氧化物）排放濃度仍出現(xiàn)超標(biāo)。采用選擇性非催化還原（Selective Non-Catalytic Reduction，簡(jiǎn)稱SNCR）氨水脫硝技術(shù)可用較低的投資和運(yùn)行成本實(shí)現(xiàn)NOx達(dá)標(biāo)排放，在一定程度上解決氮肥企業(yè)部分稀氨水的利用問題。文章介紹了以稀氨水為還原劑的SNCR脫硝機(jī)理和工藝過程，對(duì)影響SNCR脫硝效率的因素進(jìn)行歸納總結(jié)，為避免二次污染，又提出了控制脫硝氨逃逸的技術(shù)措施，為此技術(shù)的推廣應(yīng)用提供支持。

【關(guān)鍵詞】SNCR脫硝;稀氨水;氨氮比;氨逃逸;氨水用量

【中圖分類號(hào)】TK229.66 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2019）02-0088-04

1 概述

山西省晉城市是京津冀大氣污染傳輸通道“2+26”城市之一，近年來隨著環(huán)境治理力度的加大，生態(tài)環(huán)境部相繼出臺(tái)了方案，不斷提高企業(yè)的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)控制要求，如環(huán)境保護(hù)部公告2018年第9號(hào)《關(guān)于京津冀大氣污染傳輸通道城市執(zhí)行大氣污染物特別排放限值的公告》要求“對(duì)于國家排放標(biāo)準(zhǔn)中已規(guī)定大氣污染物特別排放限值的行業(yè)及鍋爐，自2018年3月1日起，新受理環(huán)評(píng)的建設(shè)項(xiàng)目執(zhí)行大氣污染物特別排放限值”;生態(tài)環(huán)境部辦公廳2018年9月21日印發(fā)的《京津冀及周邊地區(qū)2018～2019年秋冬季大氣污染綜合治理攻堅(jiān)行動(dòng)方案》中也提出更嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)要求：“加快推進(jìn)燃?xì)忮仩t低氮改造，原則上改造后氮氧化物排放濃度不高于50 mg/m3”、“已有行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)爐窯，嚴(yán)格執(zhí)行行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定。暫未制訂行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)的其他工業(yè)爐窯，按照顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放限值分別不高于30 mg/m3、200 mg/m3、300 mg/m3執(zhí)行;鼓勵(lì)各地制定更為嚴(yán)格的地方排放標(biāo)準(zhǔn)”等，表1列出了目前晉城地區(qū)鍋爐及工業(yè)爐窯執(zhí)行的排放標(biāo)準(zhǔn)限值。

為滿足新形勢(shì)下大氣污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)?shù)仄髽I(yè)現(xiàn)有的鍋爐、工業(yè)爐窯很多都需要新建脫硝裝置才能滿足NOx排放限值的要求。作為晉城市重要支柱產(chǎn)業(yè)的氮肥企業(yè)，在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的稀氨水，要實(shí)現(xiàn)工藝廢水零排放，需投入較高成本回收稀氨水，而過剩的稀氨水如果排放掉，又會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生NH3-N污染。本文將重點(diǎn)介紹利用氮肥企業(yè)過剩稀氨水作為還原劑的脫硝工藝在中小型企業(yè)爐窯改造中的應(yīng)用。

2 脫硝工藝選擇

NOx的防治主要從NOx的產(chǎn)生過程中源頭控制和尾氣排放末端治理著手。源頭控制目前主要是采用低氮燃燒技術(shù)控制燃燒過程中NOx的生成;末端治理是指從煙氣中去除NOx，目前國內(nèi)應(yīng)用較廣泛的脫硝工藝有選擇性非催化還原脫硝（SNCR）、選擇性催化還原脫硝（SCR）等。2種脫硝工藝的工藝特性及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較見表2。

由表2可以看出，SNCR占地面積較小，無需增加催化劑反應(yīng)器，成本較低，對(duì)鍋爐運(yùn)行幾乎無影響。SNCR的脫硝效率雖然沒有SCR高，但是相對(duì)于SCR技術(shù)，其具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）系統(tǒng)簡(jiǎn)單：不需要改變鍋爐的設(shè)備裝置，僅需加裝氨或者尿素儲(chǔ)槽、脫硝噴槍裝置和噴射口即可，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。

（2）投資少：由于系統(tǒng)簡(jiǎn)單及運(yùn)行中不需要昂貴的催化劑，其投資費(fèi)用比SCR低。

（3）阻力?。簩?duì)鍋爐的正常運(yùn)行影響較小。

（4）占地面積?。盒枰陌被蚰蛩貎?chǔ)槽較小，可放置于鍋爐鋼架之上而不需要額外的占地預(yù)算。

（5）使用性強(qiáng)：SNCR技術(shù)更符合我國目前中小型企業(yè)的爐窯改造，是一種成熟的低成本脫硝技術(shù)，應(yīng)用廣泛。在達(dá)到30%～50%脫硝效率的同時(shí)，還能節(jié)約使用成本。

因此，在當(dāng)前形勢(shì)下，對(duì)于資金緊缺的中小型企業(yè)來說，SNCR是優(yōu)先考慮選用的一種脫硝工藝。該法投資較SCR法小，是已投入商業(yè)運(yùn)行的比較成熟的煙氣脫硝技術(shù)，建設(shè)周期短、投資少、脫硝效率中等，比較適合中小型企業(yè)改造項(xiàng)目。

3 脫硝還原劑選擇

目前SNCR脫硝工藝所使用的還原劑主要分為液氨、氨水和尿素3種。因?yàn)榘痹诔爻合聻闅鈶B(tài)，液氨必須在加壓條件下進(jìn)行運(yùn)輸或貯存，存在較大環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，且中小企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)管理水平較低，因此不宜采用液氨作為還原劑。相較于NOx液氨，氨水在存儲(chǔ)和運(yùn)輸?shù)陌踩苑矫婢邆涓蟮膬?yōu)勢(shì)。

根據(jù)有關(guān)資料，由于尿素?zé)o法直接與煙氣中的NOx發(fā)生反應(yīng)，需要分解才能反應(yīng)，所以尿素作還原劑的反應(yīng)比較慢，效率比氨水差。SNCR系統(tǒng)中，以尿素作為還原劑，在氨氮摩爾比（Normalized Stoichiometric Ratio，簡(jiǎn)稱NSR）為1的時(shí)候，NOx脫除效率為25%～40%;在NSR為1.5的時(shí)候，NOx脫除效率為38%～55%。要達(dá)到更高的效率，需要提高氨氮比，這樣氨的逃逸率也隨之增加。以氨水作為還原劑，在NSR為1的時(shí)候，NOx的脫除效率為48%～70%;在NSR為1.5的時(shí)候，NOx的脫除效率更高。在同等的NSR的條件下，氨水作為還原劑的效率比尿素作為還原劑的效率要高15%～20%。

此外，在氮肥企業(yè)分布集中的地區(qū)，稀氨水來源廣泛，運(yùn)輸距離短，利用氨水作為煙氣脫硝劑，既經(jīng)濟(jì)、方便，又解決了合成氨企業(yè)生產(chǎn)中低濃度氨水的回收利用途徑，適合在此類地區(qū)推廣。因此，大多數(shù)投資少的中小企業(yè)應(yīng)優(yōu)先考慮采用以稀氨水作為脫硝劑的SNCR技術(shù)。下面將著重分析該方法的脫硝原理及實(shí)際設(shè)計(jì)中常遇到的問題。

4 SNCR氨水脫硝機(jī)理

SNCR脫除NOx技術(shù)是把含有NHx基的還原劑（如氨水等）噴入爐膛溫度為870～1 100 ℃的區(qū)域，該還原劑迅速熱分解釋放出NH3，然后與煙氣中的NOx進(jìn)行SNCR反應(yīng)而生成N2。與SCR法相比，SCNR法除不用催化劑外，基本原理和化學(xué)反應(yīng)基本相同。采用NH3作為還原劑，在870～1 100 ℃溫度范圍內(nèi)，還原NOx的化學(xué)反應(yīng)方程式主要如下：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O（1）

4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O（2）

實(shí)際上，大部分燃燒過程排出的尾氣中90%～95%的NOx是以NO形式存在。

氨水SNCR脫硝工藝過程，氨水罐車送來質(zhì)量濃度為20%～25%的氨水，用卸氨泵或者罐車自帶泵打到氨水儲(chǔ)罐，氨水儲(chǔ)罐儲(chǔ)存的氨水可供鍋爐至少連續(xù)運(yùn)行5～7 d。為了滿足霧場(chǎng)覆蓋的需求，需要噴入比較多的還原劑溶液，所以噴射前需要將氨水進(jìn)行一定比例的稀釋，來自氨水罐的氨水和來自清水罐的清水通過混合泵加壓后再經(jīng)靜態(tài)混合器（或混合罐）均勻混合，氨水被稀釋成8%～15%的濃度，然后再經(jīng)過管路送到噴槍，氨水經(jīng)過噴槍霧化后噴射到爐窯的合適溫度位置進(jìn)行脫氮氧化物反應(yīng)。

5 影響SNCR脫硝效率的因素

SNCR系統(tǒng)下，影響NOx還原效率的參數(shù)主要包括反應(yīng)溫度、還原劑和煙氣的混合程度、停留時(shí)間、氨氮比、NOx排放濃度、還原劑類型等。

5.1 反應(yīng)溫度

SNCR最佳的反應(yīng)溫度區(qū)間為870～1 100 ℃。當(dāng)煙氣溫度大于1 050 ℃時(shí)，氨就會(huì)開始被氧化成NOx，到1 100 ℃，氧化速度會(huì)明顯加快，一方面降低了脫硝效率，另一方面增加了還原劑的用量和成本。當(dāng)煙氣溫度低于870 ℃時(shí)，脫硝反應(yīng)速度大幅降低?？梢?，爐膛上溫度窗口的選擇較為重要，溫度過高或過低都會(huì)導(dǎo)致還原劑的損失和NOx脫除率下降。出了一個(gè)以氨為還原劑SNCR工藝的中試裝置的NOx脫除曲線。

5.2 還原劑和煙氣的混合程度

還原劑與煙氣的混合程度決定了反應(yīng)進(jìn)程和速度，還原劑和煙氣在爐窯內(nèi)是邊混合邊反應(yīng)，混合效果直接決定了脫硝效率的高低。SNCR脫硝效率低的主要原因之一就是混合問題，例如，局部的NOx濃度過高，不能被還原劑還原，導(dǎo)致脫硝效率低;局部的NOx濃度過低，還原劑未全部發(fā)生還原反應(yīng)，導(dǎo)致還原劑利用率低，還增加氨逃逸。因此，還原劑與煙氣的混合程度直接影響脫硝效果。

5.3 還原劑停留時(shí)間

在合適的溫度范圍內(nèi)必須保證還原劑在煙氣中有足夠的停留時(shí)間。在相同條件下，還原劑停留時(shí)間越長(zhǎng)脫硝效果更好，一般要求時(shí)間為0.3～0.5 s。而霧化狀態(tài)的氨在爐窯的停留時(shí)間長(zhǎng)短取決于爐窯的尺寸、煙氣流經(jīng)煙道的速度、溶液霧化狀況、霧場(chǎng)與煙氣混合的形式等因素。

5.4 氨氮比（NSR）

即反應(yīng)中氨基與NOx的摩爾比值。按照SNCR反應(yīng)，還原1mol NO需要1mol氨，但實(shí)際中還原劑的量要比這個(gè)量大，但隨著氨氮比的增加脫硝效率增加，氨逃逸也會(huì)增加，成本升高。目前鍋爐SNCR的經(jīng)濟(jì)NSR一般控制在1.2～1.5。

5.5 其他因素

另外，煙氣中氧含量、初始NOx的含量，還原劑類型和狀態(tài)等都會(huì)影響脫硝效率的高低。

在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到NH3損耗和泄漏等問題，SNCR脫硝效率為30%～50%。

6 控制脫硝氨逃逸的技術(shù)措施

在脫硝過程中，由于氨具有很強(qiáng)的揮發(fā)性，未完全反應(yīng)的氨氣隨著煙氣排向空氣中，產(chǎn)生逃逸氨廢氣。

企業(yè)可通過在煙囪出口安裝一套NH3在線分析儀。一旦氨逃逸分析儀反饋來的數(shù)值超過設(shè)定值，控制系統(tǒng)將自動(dòng)調(diào)節(jié)還原劑分配模塊的控制部分，降低噴氨量;并適當(dāng)調(diào)整氨水的噴槍分配，進(jìn)而改善氨和煙氣的混合效果，通過輔助手段進(jìn)行調(diào)節(jié)等，使氨逃逸速率低于8 mg/Nm3。同時(shí)可在氨水罐的氨水液面上覆蓋一層機(jī)油，防止氨水分解放出氨氣，減少在儲(chǔ)存過程中有氨氣呈無組織狀態(tài)排放。卸車時(shí)通過專用的卸料管將氨水從罐底卸入罐內(nèi)，嚴(yán)格控制卸車、輸送過程中因跑、冒、滴、漏產(chǎn)生的無組織NH3排放。

7 氨水消耗量計(jì)算

以晉城市某企業(yè)SZL6-1.25-WⅢ蒸汽鍋爐為例，燃料為沁水煤田3#煤層的優(yōu)質(zhì)低硫無煙煤，根據(jù)該廠環(huán)保驗(yàn)收監(jiān)測(cè)報(bào)告，煙氣量為11 147 Nm3/h，NOX排放濃度為242 mg/Nm3（NO占92.5%，NO2占7.5%），計(jì)劃采用SNCR進(jìn)行煙氣脫硝，脫硝劑采用ω=25%氨水（項(xiàng)目所在地為山西省晉城市，氮肥制造業(yè)為當(dāng)?shù)刂еa(chǎn)業(yè)之一，稀氨水來源有保障），脫硝效率η=40%，SNCR脫硝系統(tǒng)氨逃逸濃度按8 mg/m3考慮，正常運(yùn)行下每小時(shí)的氨水用量計(jì)算如下。

7.1 NOX排放量計(jì)算

根據(jù)上述計(jì)算，得出：擬采用的SNCR脫硝系統(tǒng)的氨水用量約為2.876 kg/h，理論氨氮比為1.21，按脫硝效率平均40%計(jì)算，改造后NOX排放濃度降至145.2 mg/m3，能夠滿足GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中燃煤鍋爐NOX特別排放限值200 mg/m3的要求。該計(jì)算方法可供環(huán)評(píng)工作者在實(shí)際工作中參考使用。

8 結(jié)語

選擇NOX排放的控制技術(shù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，必須按照國家及地方的政策、法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)和各地自身特點(diǎn)，系統(tǒng)考慮各項(xiàng)措施的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性能。SNCR法脫硝效率較SCR低，但投資和運(yùn)行成本也較低，在執(zhí)行新的排放標(biāo)準(zhǔn)后，對(duì)于NOx排放濃度超標(biāo)不嚴(yán)重的燃煤鍋爐、工業(yè)爐窯（梭式窯、豎窯、節(jié)能反射爐等），投入較少的資金即可實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，還能在一定程度上解決當(dāng)?shù)氐势髽I(yè)部分稀氨水的利用問題。SCR是利用SCR反應(yīng)器進(jìn)行脫硝，后置一個(gè)脫硝反應(yīng)器，反應(yīng)器中有催化劑;而SNCR是采用爐內(nèi)噴氨水來進(jìn)行脫硝的。如企業(yè)具備較好的經(jīng)濟(jì)條件，可考慮采用SNCR+SCR耦合進(jìn)行脫硝，以保證較高的脫硝效率。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：鐘聲賢]