改良型SNCR脫硝技術在炭素煅燒爐中的應用

鐘學進 姜樹偉

摘要：炭素行業煅燒爐出口煙氣的NOx濃度大多處于超標排放的狀態，須進行脫硝處理。常用的SCR脫硝技術效率較高，但投資較大，占地大，不是目前排放標準下煅燒爐煙氣中NOx處理的最佳選擇。相比較而言，效率稍低、投資更省、運行維護更簡單、在電力行業廣為使用的SNCR脫硝技術是一種較為合理的處理工藝。本文通過一個在炭素煅燒系統實際應用的改良SNCR脫硝技術實例，簡要介紹該工藝的原理、特點及運行效果。

關鍵詞：炭素;煅燒;SNCR;環保

引言

隨著我國生態文明建設的持續推進，各行業都陸續出臺細化了污染物治理要求及排放標準，標準中陸續增加了特殊時間及特定時段的污染物特別排放值限制，且特別限值有常態化趨勢。《鋁工業污染物排放標準》（GB25465-2010）及2014修改單中對鋁用炭素廠石油焦煅燒爐顆粒物、二氧化硫、氮氧化物的排放標準進行了規定，分別為：10mg/Nm3、100mg/Nm3、100mg/Nm3。

目前石油焦煅燒爐出口NOx的排放濃度大部分在100～150 mg/Nm3這個范圍（少部分高濃度達到200 mg/Nm3以上），須進行必要的脫硝處理后才能滿足NOx濃度排放的要求。根據煅燒爐的特點、現場設備布置及脫硝效率要求不高的特點，采用SNCR脫硝工藝是目前煅燒爐煙氣脫硝的優先方案，該工藝廣泛應用于燃煤鍋爐及工業窯爐中的煙氣脫硝。

多年來，我司對已運行煅燒爐煙氣參數的數據進行收集分析，建立有自己的數據庫。根據炭素煙氣數據庫的有關參數的對比分析，對常規的SCR和SNCR脫硝技術進行針對性優化改良，能更好的適用于煅燒爐煙氣脫硝工藝。在某500kt/y炭素廠進行了改良型SNCR技術的實際工程應用， NOx排放濃度脫硝前為100～140mg/Nm3，脫硝后降為45～60mg/Nm3，脫硝效率達到50%以上，脫硝效果明顯，系統穩定，應用很成功。

1. SNCR脫硝主要原理

選擇性非催化還原（SNCR）脫硝技術是把含有NHx基的還原劑（如氨氣、氨水或者尿素等）噴入到煙氣溫度為800℃～1100℃的區域，使該還原劑中分解出的NH3與煙氣中的NOx進行反應而生成無污染的N2和H2O，從而達到脫除NOx的效果。

NHx基還原NOx的化學反應方程式主要為：

影響SNCR脫硝技術的關鍵是還原劑噴入點處的煙氣溫度即所謂的“溫度窗口”。一般認為理想的“溫度窗口”為800℃～1100℃，其隨著加入還原劑類型的不同而變化;“溫度窗口”會升高或降低，會變寬或收窄。

SNCR脫硝反應在低于“溫度窗口”時NH3的還原反應發生速率降低，脫硝效率下降，氨逃逸增大。在高于“溫度窗口”時，NH3的氧化反應速率增大，NH3被氧化并生成NO，達不到脫除NOx的效果，還有可能造成NOx排放濃度升高。

SNCR脫硝反應是NH3的還原與氧化反應相互競爭、共同作用的結果。所以，合適 “溫度窗口”的選擇，是SNCR脫硝技術成功應用的關鍵。

2.SNCR系統在炭素行業的改良

2.1 溫度窗的選擇

炭素煅燒爐出口匯總煙道煙溫一般在900-1050℃，部分老爐子因漏焦等原因煙道內再次燃燒情況時有發生，其溫度可到1150℃以上。而煅燒爐煙道內的溫度分布受到爐況、排焦時間、焦種等多種因素的影響，最佳“溫度窗口”位置會隨之而移動。

根據煅燒爐燃燒特性、運行經驗及現有數據模型分析，煅燒爐最佳的“溫度窗口”通常出現在末級火道與高溫余熱鍋爐之間的匯總聯通煙道內，需選擇在此處合適位置加入還原劑。

2.2 還原劑停留時間的確定

一般認為還原劑NH3在 “溫度窗口”處達到0.3 s～0.4 s以上的停留時間可以達到較好的脫除NOx的效果。

炭素廠建成時間一般較早，設備布置緊張，煅燒爐出口匯總煙道到余熱鍋爐的聯通煙道普遍很短，且不存在類似循環流化床鍋爐的煙氣返混現象，因此絕大部分煙氣脫硝的還原劑在此處的停留時間都達不到0.3s。為彌補時間上的不足，需進行還原劑加入點及加入方式的優化。

2.3 還原劑加入方式

通常情況下，SNCR采用直接噴入液體或固體還原劑，即以氣液或氣固的雙相反應方式，在足夠長的反應空間內完成NOx的還原反應。但受限于2.2的原因，該方式在煅燒爐上不宜直接采用。為確保反應的充分，需要加大原煙氣與還原劑的混合均勻度，以實現快速均勻反應的需要。為此，我們進行了加入方式的優化：

1）通過有關模擬及相應的數據分析，設計了獨特的噴入格柵，選擇了一種特定的噴槍，以確保加入還原劑后能在加入斷面處快速均勻分布。

2）還原劑經過加熱、蒸發成氣態，在脫硝區域進行氣氣反應，盡可能增加反應進行需要的時間。

3.工程實際應用

某500kt/y炭素廠建有多臺32罐煅燒爐，每臺煅燒爐后配置1臺余熱鍋爐進行余熱回收利用。余熱鍋爐入口煙氣溫度850～1100℃，各煅燒爐煙氣匯總后直接進余熱鍋爐，余熱鍋爐入口的聯通煙道長度約3m。NOx排放濃度在脫硝前為100～140mg/Nm3，采用20%濃度的氨水作為脫硝還原劑，保證脫硝效率不低于50%。

根據本煅燒爐的特點，其末級火道出口的匯總段煙道長約20m，連接余熱鍋爐和旁路煙道兩個出口。與余熱鍋爐的聯通煙道只有約3m長，且設置有1臺插板門，此處煙氣壓力約-180Pa，煙氣溫度約850～1050℃。根據計算機模擬計算，還原劑加入點設置在煅燒爐末級火道出口的匯總煙道上，每臺煅燒爐需要設置4個還原劑噴入點以保證煅燒爐煙氣不低于50%的脫硝效率。

根據計算，1臺32罐煅燒爐使用20%氨水的消耗量約8.5kg/h（約9L/h），如按照常規的SNCR工藝，直接噴射稀釋后的氨水，每支雙流體噴槍液體最小流量20L/h計算，則至少需要增加約71L/h工藝水，至少60m3/h的壓縮空氣。這樣的工藝增加了煙氣中的含水量，同時由于氨水消耗量非常小，負荷波動需要調整是時，不利于調節閥的選型與流量的精確控制，增加了運行操作的難度，降低了系統的安全可靠性。

根據以上問題，我司另辟蹊徑，摸索出一套新的SNCR脫硝方法，避免了上述問題的發生。

我司采用在SCR脫硝工藝中常用的氨水蒸發器的方法，將濃度為20%的氨水蒸發產生氨/蒸汽混合氣，再將混合氣與經過加熱后的200℃的熱風混合，生成含氨量小于3%的氨/空氣混合物，再利用噴槍將氨/空氣混合物加入到對應的煙道噴入點中參與脫硝反應。這樣既不增加還原劑噴入煙道中水的含量，同時稀釋了還原劑的濃度，增大了系統控制的還原劑的流量。這樣設備選型，控制操作等就可以按照常規的SNCR脫硝技術進行，增加了系統運行的可靠性。

目前，經過一年多的運行，該脫硝裝置運行正常，出口NOx濃度控制在45～60 mg/Nm3，優于設計值，出口氨逃逸小于8ppm。具體數據見下圖。

4.改良型SNCR脫硝技術的優點

通過工程實踐，本改良型選擇性非催化還原技術（SNCR）具有以下優點：

1）系統簡單：不需要改變現有煅燒爐及余熱鍋爐的設備設置，而只需在現有的煅燒爐廠房的基礎上增加還原劑的存儲、制備分配裝置及其噴入裝置即可，且還原劑存儲及制備裝置占地較小。非常適用于目前占地緊張的煅燒爐廠區的脫硝改造工程。

2）投資省：相對于SCR脫硝的催化劑及反應器裝置的高昂造價，SNCR總投資約為SCR脫硝的1/3～1/2;同時還不需要改造現有余熱鍋爐。

3）阻力小：基本上不增加現有煙風系統阻力及風量，不需要對現有風機進行改造。

4）不積灰：由于在煙道中不增加設備，不用擔心出現SCR脫硝工藝中催化劑等設備經常積灰而影響裝置穩定運行的情況。

5）對余熱鍋爐影響低：通過還原劑加入方式的合理優化設計，保證了其正常的利用率，大大延緩了其他方法因過量加入還原劑生成NH4HSO3、（NH4）2SO4導致余熱鍋爐積灰腐蝕的現象。

6）系統穩定：對于一般炭素行業煅燒爐，可以穩定達到目前執行的NOx排放濃度小于100 mg/Nm3的環保標準。

7）施工簡單：不需要停爐改造，工期短，一般2個月內即可改造完成。

5.總結

本改良型SNCR脫硝工藝從炭素煅燒爐實際特點出發，集合了SNCR脫硝工藝系統簡單、投資少、占地少、性能可靠的特點，在炭素行業煅燒爐中進行了成功的應用，穩定達到目前執行的NOx排放濃度小于100 mg/Nm3的環保標準，是一種經濟、實用、可靠的脫硝技術。

參考文獻：

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