SNCR脫硝技術(shù)在燃煤鍋爐廢氣處理中的應(yīng)用

何明乙 葉太林 張燕飛 張海明 繆雙雙

摘要：闡述了選擇性非催化還原（SNCR）脫硝技術(shù)的脫硝原理、&g-特點(diǎn)及其對脫硝效率的影響因素，結(jié)合工程實(shí)例，分析了SNCR脫硝技術(shù)在臺州某企業(yè)燃煤鍋爐廢氣處理中的應(yīng)用情況，對SNCR脫硝系統(tǒng)及其脫硝效率做出了詳細(xì)說明，為SNCR脫硝技術(shù)在燃煤鍋爐廢氣處理中的應(yīng)用提供借鑒。

關(guān)鍵詞：燃煤鍋爐;選擇性非催化還原;脫硝

中圖分類號：X701.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）18-0132-04

1引言

煤炭在我國的能源結(jié)構(gòu)中地位尤為突出，占能源消費(fèi)總量的60%左右，是我國非常重要的原料與能源。目前，我國對煤炭主要的利用方式是燃燒。由于對煤炭資源不合理的利用，導(dǎo)致了大量的NOx、SO2以及懸浮顆粒物等污染物的釋放，造成了嚴(yán)重的環(huán)境問題。

NOx作為大氣中主要的污染物，會(huì)導(dǎo)致酸雨形成，酸雨不僅會(huì)對生態(tài)環(huán)境和水體破壞造成破壞，而且會(huì)對人身財(cái)產(chǎn)安全造成威脅;NOx具有急性刺激性，進(jìn)人人體呼吸系統(tǒng)后會(huì)引起呼吸道疾病;在強(qiáng)光的作用下，NOx會(huì)與碳?xì)浠衔锓磻?yīng)產(chǎn)生有毒的光化學(xué)煙霧，造成光化學(xué)污染，威脅人類生命。由于煤炭的燃燒是導(dǎo)致大氣中NOx污染的主要原因，所以必須要嚴(yán)格控制燃煤鍋爐排放廢氣中NOx的濃度。

目前，選擇性非催化還原（SNCR）、選擇性催化還原、濕法煙氣和低氮燃燒等脫硝技術(shù)是運(yùn)用在燃煤鍋爐脫硝中的主要技術(shù)。與其他脫硝技術(shù)相比，SNCR脫硝技術(shù)具有系統(tǒng)簡單、占用空間小、運(yùn)行費(fèi)用少、環(huán)保且效果顯著等優(yōu)點(diǎn)。因此，SNCR脫硝技術(shù)被廣泛應(yīng)用于焚燒電廠和燃煤鍋爐當(dāng)中。但是，目前SNCR脫硝技術(shù)在具體的應(yīng)用過程中還存在許多問題有待解決。為此，本文概述了SNCR脫硝技術(shù)的脫硝原理、技術(shù)特點(diǎn)及其對脫硝效率的影響因素，并在第二次全國污染源普查過程中分析了SNCR脫硝技術(shù)在臺州某企業(yè)燃煤鍋爐廢氣處理中的應(yīng)用情況，對其技術(shù)參數(shù)、技術(shù)要求、脫硝系統(tǒng)和脫硝效率等做出了說明，為SNCR脫硝技術(shù)在燃煤鍋爐廢氣處理中的應(yīng)用提供借鑒。

2SNCR脫硝技術(shù)概況

2.1脫硝原理

在無催化劑參與的情況下，利用氨或尿素等氨基還原劑在有氧的條件下與煙氣中的NOx在爐膛內(nèi)反應(yīng)，將NOx還原成無害的氮?dú)夂退?。其基本化學(xué)反應(yīng)

式如下。

2.2技術(shù)特點(diǎn)

SNCR脫硝技術(shù)主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

（1）系統(tǒng)簡單：不需要改變鍋爐主體結(jié)構(gòu)，只需在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上添加SNCR脫硝系統(tǒng)，建設(shè)周期短，施工簡單，停爐時(shí)間短。

（2）投資少：只需添加廉價(jià)的還原劑，并且反應(yīng)在爐膛內(nèi)發(fā)生，所以不需要昂貴的催化劑和催化塔，運(yùn)行成本低。

（3）運(yùn)行阻力?。篠NCR脫硝系統(tǒng)不會(huì)干擾燃煤鍋爐的運(yùn)行。

（4）效果顯著：在中小型余熱鍋爐中脫硝效率達(dá)50%～70%;在大型余熱鍋爐中脫硝效率效率達(dá)30%～50%。

2.3脫硝效率的影響因素

2.3.1煙氣反應(yīng)區(qū)溫度

NOx的還原需要在一定溫度內(nèi)進(jìn)行，由于SNCR脫硝技術(shù)無催化劑的參與，所以對溫度相對較為敏感。因此，只有在較高的溫度范圍（800～1150℃）才能保證還原劑有效還原煙氣中的NOx。當(dāng)反應(yīng)區(qū)溫度過低時(shí)，不利于反應(yīng)的進(jìn)行，還原劑與煙氣中的NOx反應(yīng)不充分，這不僅影響了脫硝效果，而且會(huì)增加氨的逃逸。陳曉林等人研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度不高于850℃時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響尿素的脫硝效果，降低脫硝效果。隨著溫度升高，會(huì)增強(qiáng)還原劑與NOx的反應(yīng)，明顯加快化學(xué)反應(yīng)的速率，但是當(dāng)溫度過高時(shí)，根據(jù)反應(yīng)方程式，還原劑會(huì)與氧氣發(fā)生反應(yīng)被氧化成NOx，反而會(huì)增加NOx的濃度，降低脫硝效果。

2.3.2還原劑種類

由于不同還原劑之間形態(tài)和分解反應(yīng)存在差異，導(dǎo)致其反應(yīng)條件和脫硝效果不同。氨水的反應(yīng)溫度范圍較廣，反應(yīng)速度快;而尿素的溫度范圍較窄，反應(yīng)時(shí)間較長，反應(yīng)速率慢，但是尿素溶液具有更遠(yuǎn)的噴射距離，可以改善與煙氣的混合效果，從而提高脫硝效率。另外，周俊虎等人研究了不同還原劑對氮氧化物的還原，發(fā)現(xiàn)氨水在800℃時(shí)脫硝效果最好，脫硝率可達(dá)68%;而尿素在900℃時(shí)脫硝效果最好，脫硝率可達(dá)84%。一般氨水的最佳溫度窗口在800～1100℃，尿素的最佳溫度窗口在900～1150℃。

2.3.3混合條件

還原劑與煙氣在短時(shí)間內(nèi)的混合條件對脫硝效果起著關(guān)鍵作用。還原劑通過噴射裝置進(jìn)入爐膛內(nèi)煙，與煙氣邊混合邊發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)。若還原劑與煙氣沒有均勻混合，或混合時(shí)間過短，會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)物分布不均，無法供給足夠的反應(yīng)物，將會(huì)抑制的NOx還原反應(yīng)，導(dǎo)致脫硝效果和還原劑的利用率降低。所以必須改善還原劑與煙氣的混合條件，不然會(huì)導(dǎo)致氨的逃逸，造成二次污染，而且會(huì)影響脫硝效率。

2.3.4還原劑停留時(shí)間

任何反應(yīng)的進(jìn)行都需要時(shí)間，若還原劑在煙氣中的停留時(shí)間過短，會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)物分布不均，將會(huì)抑制的NOx還原反應(yīng)，導(dǎo)致脫硝效率的降低;若停留時(shí)間過長，NOx的還原已趨于飽和，會(huì)導(dǎo)致還原劑自身氧化反應(yīng)的發(fā)生。一般情況下，隨著溫度的升高，脫硝反應(yīng)加劇，所需時(shí)間也會(huì)相應(yīng)縮短。當(dāng)溫度大于850℃時(shí)，整個(gè)過程所需的反應(yīng)時(shí)間在0.3s以內(nèi);當(dāng)溫度900℃時(shí)，尿素在不到0.05s的時(shí)間內(nèi)就已基本分解。若想得到合適的脫硝效率，需保證停留時(shí)間在0.3～0.5s;若想取得最大的NOx還原率，則需保證停留時(shí)間需大于1S。

2.3.5氨氮比

氨氮比（NSR）是指SNCR脫硝反應(yīng)中還原劑（以NH3計(jì)算）與NOx（以NO計(jì)算）的摩爾數(shù)之比。根據(jù)反應(yīng)方程式，理論上當(dāng)NSR等于1時(shí)就能達(dá)到理想的脫硝效果。而實(shí)際上，系統(tǒng)內(nèi)的反應(yīng)受各種因素的影響，為了提高NOx的脫除效果，通常維持反應(yīng)體系中的NSR要大于理論值。當(dāng)NSR在1.0～2.0時(shí)，NSR的增加會(huì)促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，提高NOx的脫除效率;但是當(dāng)NSR大于2.0時(shí)，反應(yīng)已接近飽和，NSR的增加不僅不會(huì)增加NOx的脫除效率，而且還會(huì)降低還原劑的利用率。因此，NSR一般控制在1.0～2.0。周俊虎等人研究發(fā)現(xiàn)在800℃時(shí)，NSR>1.5后氨水和尿素的脫硝效果已經(jīng)趨于飽和;在900℃時(shí)，NSR大于2時(shí)，再提高NSR也不能進(jìn)一步提高NOx的脫除率。

因此，為了保證SNCR對燃煤鍋爐廢氣中NOx的處理效率并降低氨的逃逸，需要做到以下幾點(diǎn)：（1）選取合適的還原劑;（2）控制反應(yīng)區(qū)溫度，將其維持在一個(gè)最佳的溫度范圍;（3）控制反應(yīng)時(shí)間，保證還原劑在煙氣中有足夠的停留時(shí)間;（3）改善還原劑與煙氣中的NOx混合程度;（5）確定一個(gè)合適的NSR。

3工程實(shí)例

3.1工程概況

為打造美麗城市，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，臺州政府建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室下發(fā)了相關(guān)文件，要求臺州某企業(yè)對現(xiàn)有的15t/h燃煤鍋爐的廢氣處理設(shè)備進(jìn)行提標(biāo)改造。根據(jù)通知要求，該企業(yè)通過SNCR脫硝技術(shù)對現(xiàn)有燃煤鍋爐廢氣處理設(shè)施進(jìn)行了提標(biāo)改造。

3.2企業(yè)基本情況

臺州市某企業(yè)是一家以廢紙為原料的造紙企業(yè)，全廠占地面積10522.8m²，主要生產(chǎn)楞紙，產(chǎn)能約為4萬噸/a。由于目前該企業(yè)所在區(qū)域的天然氣管網(wǎng)尚未接通，現(xiàn)有一臺15t/h燃煤鍋爐提供過渡期熱源。原有的燃煤鍋爐廢氣處理工藝流程如圖l所示，廢氣先通過多管旋風(fēng)除塵，再利用雙堿法進(jìn)行脫硫，最后通過排氣管向40m的高空排放。

3.3SNCR脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)國家有關(guān)環(huán)保法律法規(guī)的要求，為使燃煤鍋爐排放煙氣中的NOx濃度符合《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)））（GBl3271-2014）表1規(guī)定的特別排放限值，特設(shè)計(jì)了一套SNCR脫硝系統(tǒng)對企業(yè)燃煤鍋爐廢氣處理設(shè)備進(jìn)行提標(biāo)改造，其工藝流程如圖2所示。

3.3.1主要設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)

設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)見表2。

3.3.2還原劑的選擇

目前，尿素、液氨和氨水是SNCR脫硝工藝中常用的還原劑。但是與液氨和氨水相比，尿素優(yōu)點(diǎn)明顯。尿素?zé)o毒，不易燃燒和爆炸，所以在運(yùn)輸、儲存和使用過程中安全性高，無安全隱患。另外，尿素溶液揮發(fā)性小，具有較好的穿透性，可以更有效地與煙氣混合，改善與煙氣中NOx的混合效果，提高脫硝效率高。因此，在本項(xiàng)目中采用尿素作為還原劑。

3.3.3SNCR脫硝系統(tǒng)

SNCR脫硝系統(tǒng)主要由尿素儲倉系統(tǒng)、尿素溶解儲存系統(tǒng)、尿素溶液傳輸系統(tǒng)以及尿素溶液噴射系統(tǒng)組成，其裝置示意圖如圖2所示。

（1）尿素儲倉系統(tǒng)。脫硝系統(tǒng)運(yùn)行后，需要較大的尿素量，為了保證SNCR脫硝系統(tǒng)的正常運(yùn)作，必須儲存一定量的尿素。因此，尿素必須有個(gè)固定的倉室用以儲存尿素。固體尿素通過叉車搬運(yùn)至輸送泵，再由輸送泵將尿素儲備在尿素儲存?zhèn)}內(nèi)。

（2）尿素溶解儲存系統(tǒng)。通過螺旋給料機(jī)將固體尿素輸送至計(jì)量倉，計(jì)量倉將一定量的固體尿素注入配料池，同時(shí)向配料池中注入稀釋水和蒸汽通過攪拌將尿素溶解，將其制備成50%的尿素溶液。

（3）尿素溶液輸送系統(tǒng)。通過尿素溶液輸送泵將尿素溶液輸送至混合器與稀釋水混合，將其稀釋成10%的尿素溶液，然后輸送至尿素噴射系統(tǒng)。

（4）尿素溶液噴射系統(tǒng)。在尿素噴人爐膛前，先將尿素溶液精確計(jì)量分配到每個(gè)噴槍，再通過噴嘴噴入爐膛噴射層，與煙氣均勻混合。尿素系統(tǒng)設(shè)有流量調(diào)節(jié)閥，可以根據(jù)煙氣的具體工況對流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.4監(jiān)測與評價(jià)

為了評價(jià)應(yīng)用SNCR脫硝技術(shù)后燃煤鍋爐排放的廢氣是否達(dá)到《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13271-2014）規(guī)定的排放限值，共設(shè)置了2個(gè)監(jiān)測斷面，監(jiān)測鍋爐爐膛廢氣出口和廢氣處理設(shè)施排放口污染物的濃度，具體監(jiān)測點(diǎn)位如圖2所示，具體監(jiān)測項(xiàng)目及采樣頻次見表3。

采樣前根據(jù)《浙江省環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量保證技術(shù)規(guī)定》要求對自動(dòng)煙塵（氣）測試儀采用標(biāo)準(zhǔn)氣進(jìn)行校準(zhǔn)。

通過對燃煤鍋爐脫硝前后廢氣進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果如表5、6所示。鍋爐爐膛廢氣出口脫硝前氮氧化物濃度均值為262.0mg/m³，脫硝后濃度均值為100.0mg/m³，脫硝后氮氧化物濃度降低了162mg/m³，其處理效率達(dá)61.8%，達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)中處理效率高于50%的要求，并且鍋爐煙囪排放口廢氣中的氮氧化物的排放濃度符合燃煤鍋爐大氣污染特別排放限值。

根據(jù)◎2#監(jiān)測斷面廢氣監(jiān)測結(jié)果，鍋爐廢氣處理設(shè)施排放口中廢氣中的顆粒物實(shí)測濃度均值為9.0 mg/m³、二氧化硫?qū)崪y濃度均值為69.7mg/m³、氮氧化物實(shí)測濃度均值為37.0mg/m³以及煙氣黑度小于1級，均符合《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GBl3271-2014）中的燃煤鍋爐大氣污染特別排放限值，并且煙囪排放高度在40m，也符合《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中煙囪最低允許排放高度。綜上，SNCR脫硝技術(shù)能夠有效降低燃煤鍋爐廢氣中的氮氧化物濃度，在原有燃煤鍋爐廢氣處理工藝的基礎(chǔ)上，結(jié)合SNCR脫硝技術(shù)能夠有效處理燃煤鍋爐廢氣，使其滿足大氣污染物排放限值的要求。

4結(jié)語

通過對SNCR脫硝技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)、工藝原理和脫硝效率的影響因素的概述，并結(jié)合SNCR脫硝技術(shù)在燃煤鍋爐廢氣中應(yīng)用情況，SNCR脫硝技術(shù)可以有效降低鍋爐廢氣中氮氧化物的濃度。脫硝前廢氣中氮氧化物濃度均值為262mg/m³，脫硝后濃度為100mg/m³，處理效率高達(dá)61.8%。結(jié)合SNCR脫硝技術(shù)，經(jīng)過處理的燃煤鍋爐廢氣中的顆粒物、二氧化硫、氮氧化物濃度及煙氣黑度均能滿足大氣污染物排放限值的要求。