選擇性非催化還原（SNCR）脫硝反應影響因素的探索與研究

金 山

（上海浦東環保發展有限公司，上海 200127）

隨著經濟的發展，城市生活垃圾產生量不斷增長。生活垃圾焚燒既能發電，又能實現90%以上的減容，因而成為城市生活垃圾處理的方向及發展趨勢。近年來在國家產業政策鼓勵下，我國垃圾焚燒發電廠數量和處理規模逐年增加，各大中城市都在陸續新上垃圾焚燒發電項目［1］。

由于我國生活垃圾水分含量普遍較高且成分復雜，這對焚燒后的煙氣凈化工藝提出了更嚴苛的要求。目前國內主流的煙氣脫硝工藝為選擇性催化還原（SCR）和選擇性非催化還原（SNCR）。SNCR脫硝技術相對于SCR技術而言，投資及運營成本相對低廉，因而其應用更為廣泛。在垃圾焚燒過程中，由于爐膛煙溫不均、溫度窗狹窄以及反應停留時間短等因素都嚴重制約了SNCR脫硝效率，同時易引發較高的氨逃逸。

本文以氨氣為還原劑，重點考察了不同溫度、一氧化氮起始質量濃度、氧氣質量分數及氨氮摩爾比等因素對SNCR脫硝效率以及氨逃逸的影響程度，為垃圾焚燒發電項目中的SNCR脫硝工藝提供一定的參考依據。

1 試驗裝置

試驗在管殼式反應裝置上進行，系統包含反應裝置本體、溫控系統、模擬煙氣系統以及煙氣取樣分析系統等。試驗裝置如圖1所示。

圖1 脫硝反應裝置Fig.1 Denitrification reaction device

2 脫硝試驗結果分析

2.1 反應溫度對脫硝效率和氨逃逸的影響

反應在特定溫度范圍內進行：溫度過低，則反應緩慢，還原劑不能完全反應，使脫硝效率降低；溫度過高，則還原劑易被氧化，從而會生成更多的NOx。Lucas等［2］的研究結果表明：最佳脫硝反應溫度為952 ℃，在827～1027 ℃，氨氮摩爾比為1:1時，效率達到80%；Kimball-Linne等［3］對燃燒后的煙氣進行試驗，得到的溫度曲線與Lucas等［2］的相似，其最佳的脫硝反應溫度為980 ℃。

以氮氣作為平衡氣體，在氧氣質量分數為4%、氨氮摩爾比為1.5:1、一氧化氮起始質量濃度為310 mg· L-1、常壓、反應物總流量為4.8 L· min-1條件下，考察不同溫度對脫硝效率和氨逃逸的影響。

圖2為反應溫度對脫硝效率和氨逃逸的影響。在800 ℃以下時，脫硝效率較低，皆小于20%；在750～900 ℃，隨著溫度的不斷升高，脫硝效率逐漸上升，在900 ℃時，脫硝效率達到最大值，為74.22%；之后，隨著溫度繼續升高，脫硝效率逐漸下降，在950～1100 ℃，下降較為明顯。同時，在875～1000 ℃，脫硝效率均接近或大于60%，可認為上述溫度區間是較合適的反應溫度窗口。

化學反應方程式為

由上述兩個化學反應方程式可知：在反應溫度較低時，氨氣和一氧化氮的反應速率較慢；但隨著溫度不斷升高，兩者的反應速率逐漸加快，則脫硝效率也逐步提高。另外，在較高的反應溫度下，氨氣與氧氣的反應起主導作用，反應速率隨著溫度的升高而增加。當達到臨界點時，氧化反應產生的一氧化氮遠大于還原反應；當繼續加入還原劑時，則增加了NOx的濃度，而脫硝效率則隨著反應溫度的繼續升高而降低。

圖2 溫度與脫硝效率、氨逃逸的關系Fig.2 Effect of temperature on denitrification efficiency and ammonia escape

在750～950 ℃，氨逃逸逐步下降，其中：在800 ℃以下時，氨逃逸相對較大；而隨著溫度繼續升高，當還原反應占據主導時，氨逃逸迅速下降；在950 ℃時，氨逃逸為32 mg·L-1；在950～1100 ℃，氨逃逸幾乎不變，由于此時氧化反應占主導作用，脫硝效率則逐漸下降。

2.2 一氧化氮起始質量濃度對其出口質量濃度及脫硝效率的影響

研究發現，一氧化氮起始質量濃度較低時，脫硝效果明顯改善。Chen等［4］在煤粉爐上的試驗結果證明：當氨氮摩爾比為0.99:1、溫度為800 ℃時，充入少量空氣，使氨氮摩爾比維持在1.02:1時，可得較理想的脫硝效率。

當氨氮摩爾比、煙氣流量維持不變，反應溫度為900 ℃時，考察了不同一氧化氮起始質量濃度對于其出口質量濃度及脫硝效率的影響，結果如圖3所示。由圖中可知，隨著一氧化氮起始質量濃度的增加，脫硝效率從51.50%上升至78.33%；同時，一氧化氮出口質量濃度也有所增加，從52 mg·L-1升高至61 mg·L-1，增幅并不明顯。由于反應達到平衡時，其一氧化氮質量濃度就是最低的一氧化氮出口質量濃度，當氨氮摩爾比維持不變時，一氧化氮起始質量濃度的改變并不會打破原先的平衡狀態。

圖3 一氧化氮起始質量濃度對其出口質量濃度及脫硝效率的影響Fig.3 Effect of initial concentration of nitric oxide on its outlet concentration and denitrification efficiency

2.3 氨氮摩爾比對氨逃逸及脫硝效率的影響

隨著氨氮摩爾比的增加，脫硝效率會有一定程度的提高。但當還原劑過量時，運營成本以及氨逃逸也會增加。Lodder等［5］的研究結果表明，隨著氨氮摩爾比的增加，脫硝效率逐漸增加，當氨氮摩爾比大于2:1時，氨逃逸逐漸增大。

在反應溫度為900 ℃，煙氣組分不變時，考察不同氨氮摩爾比對氨逃逸及脫硝效率的影響，結果如圖4所示。在氨氮摩爾比小于1.5:1時，氨逃逸變化相對較小，氨逃逸也較小，而在氨氮摩爾比大于1.5:1時，隨著氨氮摩爾比的增加，氨逃逸迅速增加，主要是因為未反應的氨增加，導致氨逃逸較高；另外，在氨氮摩爾比小于1.5:1時，脫硝效率不斷提高且增速較快，在氨氮摩爾比大于1.5:1時，脫硝效率增速明顯放緩，主要是由于一氧化氮含量較少，從而使還原反應速率緩慢。故結合上述因素，當氨氮摩爾比為1.5:1時，可得最佳反應條件。

圖4 氨氮摩爾比與氨逃逸及脫硝效率的關系Fig.4 Effect of ammonia/nitrogen molar ratio on ammonia escape and denitrification efficiency

2.4 氧氣質量分數對于氨逃逸及脫硝效率的影響

從脫硝機理可知，氧氣對于脫硝反應起著關鍵作用。Lyon等［6］的試驗結果表明，脫硝反應不會在缺氧條件下發生。

當反應溫度為900 ℃時，考察了不同氧氣質量分數對氨逃逸及脫硝效率的影響，結果如圖5所示。隨著氧氣質量分數的增加，氨逃逸及脫硝效率都有不同程度的下降，氨逃逸及脫硝效率分別從86 mg·L-1、85.60%下降至67 mg·L-1、65.50%。由于脫硝反應是氧化反應及還原反應共同作用的結果，氧氣質量分數增加，加快了氧化及還原反應速度，使溫度窗逐步降低。由于氧化反應對于氧氣質量分數的升高更加敏感，致使反應在較低溫度下就可進行，故脫硝效率隨之降低。

圖5 氧氣質量分數與氨逃逸及脫硝效率的關系Fig.5 Effect of oxygen concentration on ammonia escape and denitrification efficiency

3 結 論

（1）溫度對SNCR脫硝反應的影響較大。隨著溫度的升高，脫硝效率先上升后下降，在900 ℃時，脫硝效率達最大值，為74.22%；同時，氨逃逸呈逐步下降趨勢。

（2）隨著一氧化氮起始質量濃度的增加，脫硝效率從51.50%上升至78.33%；同時，一氧化氮出口質量濃度也有增加，從52 mg·L-1升高至 61 mg·L-1。

（3）在氨氮摩爾比小于1.5:1時，氨逃逸較小，脫硝效率不斷提高且增速較快；而在氨氮摩爾比大于1.5:1時，氨逃逸迅速增加，脫硝效率增速則明顯放緩。當氨氮摩爾比為1.5:1時，可得最佳的反應條件。

（4）隨著氧氣質量分數的增加，氨逃逸及脫硝效率分別從 86 mg·L-1、85.60%下降至67 mg·L-1、65.50%。