中小型企業SNCR氨水脫硝技術探討

王楊軍

【摘 要】為持續改善京津冀等重點區域環境空氣質量，生態環境部對京津冀及周邊地區的企業提出了更嚴格的污染物排放標準。然而，鍋爐、工業爐窯在執行各排放標準中的特別排放限值后，NOx（氮氧化物）排放濃度仍出現超標。采用選擇性非催化還原（Selective Non-Catalytic Reduction，簡稱SNCR）氨水脫硝技術可用較低的投資和運行成本實現NOx達標排放，在一定程度上解決氮肥企業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脫硝機理和工藝過程，對影響SNCR脫硝效率的因素進行歸納總結，為避免二次污染，又提出了控制脫硝氨逃逸的技術措施，為此技術的推廣應用提供支持。

【關鍵詞】SNCR脫硝;稀氨水;氨氮比;氨逃逸;氨水用量

【中圖分類號】TK229.66 【文獻標識碼】A 【文章編號】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，近年來隨著環境治理力度的加大，生態環境部相繼出臺了方案，不斷提高企業的污染物排放標準控制要求，如環境保護部公告2018年第9號《關于京津冀大氣污染傳輸通道城市執行大氣污染物特別排放限值的公告》要求“對于國家排放標準中已規定大氣污染物特別排放限值的行業及鍋爐，自2018年3月1日起，新受理環評的建設項目執行大氣污染物特別排放限值”;生態環境部辦公廳2018年9月21日印發的《京津冀及周邊地區2018～2019年秋冬季大氣污染綜合治理攻堅行動方案》中也提出更嚴格的排放標準要求：“加快推進燃氣鍋爐低氮改造，原則上改造后氮氧化物排放濃度不高于50 mg/m3”、“已有行業排放標準的工業爐窯，嚴格執行行業排放標準相關規定。暫未制訂行業排放標準的其他工業爐窯，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執行;鼓勵各地制定更為嚴格的地方排放標準”等，表1列出了目前晉城地區鍋爐及工業爐窯執行的排放標準限值。

為滿足新形勢下大氣污染物的排放標準要求，當地企業現有的鍋爐、工業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業的氮肥企業，在生產過程中產生大量的稀氨水，要實現工藝廢水零排放，需投入較高成本回收稀氨水，而過剩的稀氨水如果排放掉，又會對環境產生NH3-N污染。本文將重點介紹利用氮肥企業過剩稀氨水作為還原劑的脫硝工藝在中小型企業爐窯改造中的應用。

2 脫硝工藝選擇

NOx的防治主要從NOx的產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，目前國內應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經濟性比較見表2。

由表2可以看出，SNCR占地面積較小，無需增加催化劑反應器，成本較低，對鍋爐運行幾乎無影響。SNCR的脫硝效率雖然沒有SCR高，但是相對于SCR技術，其具有以下優點。

（1）系統簡單：不需要改變鍋爐的設備裝置，僅需加裝氨或者尿素儲槽、脫硝噴槍裝置和噴射口即可，系統結構比較簡單。

（2）投資少：由于系統簡單及運行中不需要昂貴的催化劑，其投資費用比SCR低。

（3）阻力小：對鍋爐的正常運行影響較小。

（4）占地面積小：需要的氨或尿素儲槽較小，可放置于鍋爐鋼架之上而不需要額外的占地預算。

（5）使用性強：SNCR技術更符合我國目前中小型企業的爐窯改造，是一種成熟的低成本脫硝技術，應用廣泛。在達到30%～50%脫硝效率的同時，還能節約使用成本。

因此，在當前形勢下，對于資金緊缺的中小型企業來說，SNCR是優先考慮選用的一種脫硝工藝。該法投資較SCR法小，是已投入商業運行的比較成熟的煙氣脫硝技術，建設周期短、投資少、脫硝效率中等，比較適合中小型企業改造項目。

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。因為氨在常溫常壓下為氣態，液氨必須在加壓條件下進行運輸或貯存，存在較大環境風險，且中小企業風險管理水平較低，因此不宜采用液氨作為還原劑。相較于NOx液氨，氨水在存儲和運輸的安全性方面具備更大的優勢。

根據有關資料，由于尿素無法直接與煙氣中的NOx發生反應，需要分解才能反應，所以尿素作還原劑的反應比較慢，效率比氨水差。SNCR系統中，以尿素作為還原劑，在氨氮摩爾比（Normalized Stoichiometric Ratio，簡稱NSR）為1的時候，NOx脫除效率為25%～40%;在NSR為1.5的時候，NOx脫除效率為38%～55%。要達到更高的效率，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的時候，NOx的脫除效率為48%～70%;在NSR為1.5的時候，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，在氮肥企業分布集中的地區，稀氨水來源廣泛，運輸距離短，利用氨水作為煙氣脫硝劑，既經濟、方便，又解決了合成氨企業生產中低濃度氨水的回收利用途徑，適合在此類地區推廣。因此，大多數投資少的中小企業應優先考慮采用以稀氨水作為脫硝劑的SNCR技術。下面將著重分析該方法的脫硝原理及實際設計中常遇到的問題。

4 SNCR氨水脫硝機理

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

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O（1）

4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O（2）

實際上，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罐，氨水儲罐儲存的氨水可供鍋爐至少連續運行5～7 d。為了滿足霧場覆蓋的需求，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靜態混合器（或混合罐）均勻混合，氨水被稀釋成8%～15%的濃度，然后再經過管路送到噴槍，氨水經過噴槍霧化后噴射到爐窯的合適溫度位置進行脫氮氧化物反應。

5 影響SNCR脫硝效率的因素

SNCR系統下，影響NOx還原效率的參數主要包括反應溫度、還原劑和煙氣的混合程度、停留時間、氨氮比、NOx排放濃度、還原劑類型等。

5.1 反應溫度

SNCR最佳的反應溫度區間為870～1 100 ℃。當煙氣溫度大于1 050 ℃時，氨就會開始被氧化成NOx，到1 100 ℃，氧化速度會明顯加快，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。當煙氣溫度低于870 ℃時，脫硝反應速度大幅降低。可見，爐膛上溫度窗口的選擇較為重要，溫度過高或過低都會導致還原劑的損失和NOx脫除率下降。出了一個以氨為還原劑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進程和速度，還原劑和煙氣在爐窯內是邊混合邊反應，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，導致脫硝效率低;局部的NOx濃度過低，還原劑未全部發生還原反應，導致還原劑利用率低，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 還原劑停留時間

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

5.4 氨氮比（NSR）

即反應中氨基與NOx的摩爾比值。按照SNCR反應，還原1mol NO需要1mol氨，但實際中還原劑的量要比這個量大，但隨著氨氮比的增加脫硝效率增加，氨逃逸也會增加，成本升高。目前鍋爐SNCR的經濟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，還原劑類型和狀態等都會影響脫硝效率的高低。

在實際應用中，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措施

在脫硝過程中，由于氨具有很強的揮發性，未完全反應的氨氣隨著煙氣排向空氣中，產生逃逸氨廢氣。

企業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值超過設定值，控制系統將自動調節還原劑分配模塊的控制部分，降低噴氨量;并適當調整氨水的噴槍分配，進而改善氨和煙氣的混合效果，通過輔助手段進行調節等，使氨逃逸速率低于8 mg/Nm3。同時可在氨水罐的氨水液面上覆蓋一層機油，防止氨水分解放出氨氣，減少在儲存過程中有氨氣呈無組織狀態排放。卸車時通過專用的卸料管將氨水從罐底卸入罐內，嚴格控制卸車、輸送過程中因跑、冒、滴、漏產生的無組織NH3排放。

7 氨水消耗量計算

以晉城市某企業SZL6-1.25-WⅢ蒸汽鍋爐為例，燃料為沁水煤田3#煤層的優質低硫無煙煤，根據該廠環保驗收監測報告，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%），計劃采用SNCR進行煙氣脫硝，脫硝劑采用ω=25%氨水（項目所在地為山西省晉城市，氮肥制造業為當地支柱產業之一，稀氨水來源有保障），脫硝效率η=40%，SNCR脫硝系統氨逃逸濃度按8 mg/m3考慮，正常運行下每小時的氨水用量計算如下。

7.1 NOX排放量計算

根據上述計算，得出：擬采用的SNCR脫硝系統的氨水用量約為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準》中燃煤鍋爐NOX特別排放限值200 mg/m3的要求。該計算方法可供環評工作者在實際工作中參考使用。

8 結語

選擇NOX排放的控制技術是一項系統工程，必須按照國家及地方的政策、法規、標準和各地自身特點，系統考慮各項措施的技術、經濟性能。SNCR法脫硝效率較SCR低，但投資和運行成本也較低，在執行新的排放標準后，對于NOx排放濃度超標不嚴重的燃煤鍋爐、工業爐窯（梭式窯、豎窯、節能反射爐等），投入較少的資金即可實現達標排放，還能在一定程度上解決當地氮肥企業部分稀氨水的利用問題。SCR是利用SCR反應器進行脫硝，后置一個脫硝反應器，反應器中有催化劑;而SNCR是采用爐內噴氨水來進行脫硝的。如企業具備較好的經濟條件，可考慮采用SNCR+SCR耦合進行脫硝，以保證較高的脫硝效率。

參 考 文 獻

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[責任編輯：鐘聲賢]