SNCR脫硝技術在燃煤鍋爐廢氣處理中的應用

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）脫硝技術的脫硝原理、&g-特點及其對脫硝效率的影響因素，結合工程實例，分析了SNCR脫硝技術在臺州某企業燃煤鍋爐廢氣處理中的應用情況，對SNCR脫硝系統及其脫硝效率做出了詳細說明，為SNCR脫硝技術在燃煤鍋爐廢氣處理中的應用提供借鑒。

關鍵詞：燃煤鍋爐;選擇性非催化還原;脫硝

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

1引言

煤炭在我國的能源結構中地位尤為突出，占能源消費總量的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，造成了嚴重的環境問題。

NOx作為大氣中主要的污染物，會導致酸雨形成，酸雨不僅會對生態環境和水體破壞造成破壞，而且會對人身財產安全造成威脅;NOx具有急性刺激性，進人人體呼吸系統后會引起呼吸道疾病;在強光的作用下，NOx會與碳氫化合物反應產生有毒的光化學煙霧，造成光化學污染，威脅人類生命。由于煤炭的燃燒是導致大氣中NOx污染的主要原因，所以必須要嚴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是運用在燃煤鍋爐脫硝中的主要技術。與其他脫硝技術相比，SNCR脫硝技術具有系統簡單、占用空間小、運行費用少、環保且效果顯著等優點。因此，SNCR脫硝技術被廣泛應用于焚燒電廠和燃煤鍋爐當中。但是，目前SNCR脫硝技術在具體的應用過程中還存在許多問題有待解決。為此，本文概述了SNCR脫硝技術的脫硝原理、技術特點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脫硝技術在臺州某企業燃煤鍋爐廢氣處理中的應用情況，對其技術參數、技術要求、脫硝系統和脫硝效率等做出了說明，為SNCR脫硝技術在燃煤鍋爐廢氣處理中的應用提供借鑒。

2SNCR脫硝技術概況

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在爐膛內反應，將NOx還原成無害的氮氣和水。其基本化學反應

式如下。

2.2技術特點

SNCR脫硝技術主要有以下幾個特點。

（1）系統簡單：不需要改變鍋爐主體結構，只需在現有的基礎上添加SNCR脫硝系統，建設周期短，施工簡單，停爐時間短。

（2）投資少：只需添加廉價的還原劑，并且反應在爐膛內發生，所以不需要昂貴的催化劑和催化塔，運行成本低。

（3）運行阻力小：SNCR脫硝系統不會干擾燃煤鍋爐的運行。

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

2.3脫硝效率的影響因素

2.3.1煙氣反應區溫度

NOx的還原需要在一定溫度內進行，由于SNCR脫硝技術無催化劑的參與，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。當反應區溫度過低時，不利于反應的進行，還原劑與煙氣中的NOx反應不充分，這不僅影響了脫硝效果，而且會增加氨的逃逸。陳曉林等人研究發現當溫度不高于850℃時，會嚴重影響尿素的脫硝效果，降低脫硝效果。隨著溫度升高，會增強還原劑與NOx的反應，明顯加快化學反應的速率，但是當溫度過高時，根據反應方程式，還原劑會與氧氣發生反應被氧化成NOx，反而會增加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和分解反應存在差異，導致其反應條件和脫硝效果不同。氨水的反應溫度范圍較廣，反應速度快;而尿素的溫度范圍較窄，反應時間較長，反應速率慢，但是尿素溶液具有更遠的噴射距離，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，發現氨水在800℃時脫硝效果最好，脫硝率可達68%;而尿素在900℃時脫硝效果最好，脫硝率可達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間內的混合條件對脫硝效果起著關鍵作用。還原劑通過噴射裝置進入爐膛內煙，與煙氣邊混合邊發生一系列的化學反應。若還原劑與煙氣沒有均勻混合，或混合時間過短，會導致反應物分布不均，無法供給足夠的反應物，將會抑制的NOx還原反應，導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，不然會導致氨的逃逸，造成二次污染，而且會影響脫硝效率。

2.3.4還原劑停留時間

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

2.3.5氨氮比

氨氮比（NSR）是指SNCR脫硝反應中還原劑（以NH3計算）與NOx（以NO計算）的摩爾數之比。根據反應方程式，理論上當NSR等于1時就能達到理想的脫硝效果。而實際上，系統內的反應受各種因素的影響，為了提高NOx的脫除效果，通常維持反應體系中的NSR要大于理論值。當NSR在1.0～2.0時，NSR的增加會促進反應的進行，提高NOx的脫除效率;但是當NSR大于2.0時，反應已接近飽和，NSR的增加不僅不會增加NOx的脫除效率，而且還會降低還原劑的利用率。因此，NSR一般控制在1.0～2.0。周俊虎等人研究發現在800℃時，NSR>1.5后氨水和尿素的脫硝效果已經趨于飽和;在900℃時，NSR大于2時，再提高NSR也不能進一步提高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：（1）選取合適的還原劑;（2）控制反應區溫度，將其維持在一個最佳的溫度范圍;（3）控制反應時間，保證還原劑在煙氣中有足夠的停留時間;（3）改善還原劑與煙氣中的NOx混合程度;（5）確定一個合適的NSR。

3工程實例

3.1工程概況

為打造美麗城市，保護生態環境，臺州政府建設領導小組辦公室下發了相關文件，要求臺州某企業對現有的15t/h燃煤鍋爐的廢氣處理設備進行提標改造。根據通知要求，該企業通過SNCR脫硝技術對現有燃煤鍋爐廢氣處理設施進行了提標改造。

3.2企業基本情況

臺州市某企業是一家以廢紙為原料的造紙企業，全廠占地面積10522.8m²，主要生產楞紙，產能約為4萬噸/a。由于目前該企業所在區域的天然氣管網尚未接通，現有一臺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除塵，再利用雙堿法進行脫硫，最后通過排氣管向40m的高空排放。

3.3SNCR脫硝系統設計

根據國家有關環保法律法規的要求，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準））（GBl3271-2014）表1規定的特別排放限值，特設計了一套SNCR脫硝系統對企業燃煤鍋爐廢氣處理設備進行提標改造，其工藝流程如圖2所示。

3.3.1主要設計技術參數

設計技術參數見表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，尿素優點明顯。尿素無毒，不易燃燒和爆炸，所以在運輸、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，在本項目中采用尿素作為還原劑。

3.3.3SNCR脫硝系統

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

（1）尿素儲倉系統。脫硝系統運行后，需要較大的尿素量，為了保證SNCR脫硝系統的正常運作，必須儲存一定量的尿素。因此，尿素必須有個固定的倉室用以儲存尿素。固體尿素通過叉車搬運至輸送泵，再由輸送泵將尿素儲備在尿素儲存倉內。

（2）尿素溶解儲存系統。通過螺旋給料機將固體尿素輸送至計量倉，計量倉將一定量的固體尿素注入配料池，同時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。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。

（4）尿素溶液噴射系統。在尿素噴人爐膛前，先將尿素溶液精確計量分配到每個噴槍，再通過噴嘴噴入爐膛噴射層，與煙氣均勻混合。尿素系統設有流量調節閥，可以根據煙氣的具體工況對流量進行調節。

3.4監測與評價

為了評價應用SNCR脫硝技術后燃煤鍋爐排放的廢氣是否達到《鍋爐大氣污染物排放標準》（GB 13271-2014）規定的排放限值，共設置了2個監測斷面，監測鍋爐爐膛廢氣出口和廢氣處理設施排放口污染物的濃度，具體監測點位如圖2所示，具體監測項目及采樣頻次見表3。

采樣前根據《浙江省環境監測質量保證技術規定》要求對自動煙塵（氣）測試儀采用標準氣進行校準。

通過對燃煤鍋爐脫硝前后廢氣進行監測，結果如表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61.8%，達到設計技術參數中處理效率高于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◎2#監測斷面廢氣監測結果，鍋爐廢氣處理設施排放口中廢氣中的顆粒物實測濃度均值為9.0 mg/m³、二氧化硫實測濃度均值為69.7mg/m³、氮氧化物實測濃度均值為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準》（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準》中煙囪最低允許排放高度。綜上，SNCR脫硝技術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上，結合SNCR脫硝技術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結語

通過對SNCR脫硝技術的技術特點、工藝原理和脫硝效率的影響因素的概述，并結合SNCR脫硝技術在燃煤鍋爐廢氣中應用情況，SNCR脫硝技術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61.8%。結合SNCR脫硝技術，經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。