SNCR 脫硝技術(shù)在大型煤粉爐中應(yīng)用探討
NOx 是一種主要的大氣污染物質(zhì)，NOx 與碳?xì)浠衔锟梢栽趶?qiáng)光作用下造成光化學(xué)污染，排放到大氣中的NOx是形成酸雨的主要原因，嚴(yán)重危害生態(tài)環(huán)境。目前國(guó)內(nèi)65%左右的NOx是由煤燃燒所產(chǎn)生的，因此作為主要燃煤設(shè)備的電站鍋爐和工業(yè)鍋爐成為今后控制 NOx排放所必須關(guān)注的焦點(diǎn)。目前我們已經(jīng)采取諸如低NOx燃燒器、分級(jí)配風(fēng)、OFA(Over Fire Air)、再燃等技術(shù)措施來(lái)降低 NOx的排放，并取得了一定的效果。但隨著人們對(duì)環(huán)保要求的不斷提高，今后的NOx排放標(biāo)準(zhǔn)勢(shì)必也越來(lái)越嚴(yán)格。 北京市要求燃煤電站鍋爐NOx的排放必須低于250 mg⋅Nm-3 的要求，相對(duì)于目前650 mg⋅Nm-3 的國(guó)標(biāo)要求要嚴(yán)格得多，采用上述幾種技術(shù)措施往往很難達(dá)到250 mg.Nm-3 的排放指標(biāo)。作為煙氣凈化方式的選擇性催化還原(SCR)雖然可以取得高達(dá)90%的 NOx脫除率，但 SCR 技術(shù)由于其昂貴的催化劑及壽命問(wèn)題造成了投資過(guò)大(大約 40 美元⋅kW-1 ~ 60 美元⋅kW-1 )，限制了其廣泛應(yīng)用。而相對(duì)較廉價(jià)的選擇性非催化還原(SNCR)技術(shù)(大約 5 美元⋅kW-1 ~10美元⋅kW-1 )，其最大 NOx 脫除率可達(dá)70 %~80 %。作為一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的 NOx 脫除技術(shù)，SNCR 于 20 世紀(jì)70 年代中期首先在日本的燃?xì)、燃油電廠(chǎng)中得到應(yīng)用，并逐步推廣到歐盟和美國(guó)。到目前為止世界上燃煤電廠(chǎng) SNCR 工藝的總裝機(jī)容量大約在 2 GW 以上。
1 SNCR脫硝原理
選擇性非催化還原(SNCR)脫除 NOx技術(shù)是把含有 NHx 基的還原劑(如氨氣、 氨水或者尿素等)噴入爐膛溫度為 800℃~1 100℃的區(qū)域，該還原劑迅速熱分解成 NH3 和其它副產(chǎn)物，隨后 NH3 與煙氣中的 NOx 進(jìn)行 SNCR 反應(yīng)而生成 N2。
采用 NH3 作為還原劑，在溫度為 900℃~1 100℃的范圍內(nèi)，還原 NOx 的化學(xué)反應(yīng)方程式主要為：
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而采用尿素作為還原劑還原 NOx 的主要化學(xué)反應(yīng)為：
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SNCR 還原 NO的反應(yīng)對(duì)于溫度條件非常敏感，爐膛上噴入點(diǎn)的選擇，也就是所謂的溫度窗口的選擇，是 SNCR還原 NO效率高低的關(guān)鍵。一般認(rèn)為理想的溫度范圍為 700℃~1 100℃, 并隨反應(yīng)器類(lèi)型的變化而有所不同。當(dāng)反應(yīng)溫度低于溫度窗口時(shí)，由于停留時(shí)間的限制，往往使化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的程度較低反應(yīng)不夠徹底，從而造成 NO 的還原率較低，同時(shí)未參與反應(yīng)的 NH3 增加也會(huì)造成氨氣泄漏。 而當(dāng)反應(yīng)溫度高于溫度窗口時(shí)， NH3 的氧化反應(yīng)開(kāi)始起主導(dǎo)作用：
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從而，NH3 的作用成為氧化并生成 NO，而不是還原 NO為 N2？傊，SNCR 還原 NO的過(guò)程是上述兩類(lèi)反應(yīng)相互競(jìng)爭(zhēng)、 共同作用的結(jié)果。 如何選取合適的溫度條件同時(shí)兼顧減少還原劑的泄漏成為 SNCR 技術(shù)成功應(yīng)用的關(guān)鍵。
2 SNCR脫硝的優(yōu)點(diǎn)
選擇性非催化還原技術(shù)(SNCR)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1) 系統(tǒng)簡(jiǎn)單：不需要改變現(xiàn)有鍋爐的設(shè)備設(shè)置，而只需在現(xiàn)有的燃煤鍋爐的基礎(chǔ)上增加氨或尿素儲(chǔ)槽，氨或尿素噴射裝置及其噴射口即可，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單；
(2) 系統(tǒng)投資。合鄬(duì)于SCR的大約40美元kW-1 ~60美元kW-1 的昂貴造價(jià)，由于系統(tǒng)簡(jiǎn)單以及運(yùn)行中不需要昂貴的催化劑而只需要廉價(jià)的尿素或液氨，所以 SNCR 大約 5 美元⋅kW-1 ~10 美元kW-1 的造價(jià)顯然更適合我國(guó)國(guó)情；
(3) 阻力。簩(duì)鍋爐的正常運(yùn)行影響較小；
(4) 系統(tǒng)占地面積。盒枰妮^小的氨或尿素儲(chǔ)槽，可放置于鍋爐鋼架之上而不需要額外的占地預(yù)算。
3 SNCR系統(tǒng)及其影響因素
如圖 1， 典型的 SNCR 系統(tǒng)由還原劑儲(chǔ)槽、 多層還原劑噴入裝置以及相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成。它的工藝簡(jiǎn)單，操作便捷。SNCR 工藝可以方便地在現(xiàn)有裝置上進(jìn)行改裝。因?yàn)樗恍枰呋瘎┐矊，而僅僅需要對(duì)還原劑的儲(chǔ)存設(shè)備和噴射系統(tǒng)加以安裝，因而初始投資相對(duì)于 SCR 工藝來(lái)說(shuō)要低得多，操作費(fèi)用與 SCR 工藝相當(dāng)。一般情況下 SNCR 可達(dá)到 60%至 70%的 NOx 還原率，足以滿(mǎn)足有關(guān)環(huán)保要求。
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SNCR 還原 NO的化學(xué)反應(yīng)效率取決于煙氣溫度，高溫下停留時(shí)間，含氨化合物即還原劑注入的類(lèi)型和數(shù)量、混合效率以及 NOx 的含量等等。
3.1 溫度對(duì) SNCR 的還原反應(yīng)的影響
溫度對(duì) SNCR 的還原反應(yīng)的影響最大。當(dāng)溫度高于 1 000℃時(shí)，NOx 的脫除率由于氨氣的熱分解而降低；溫度低于 1 000℃以下時(shí)，NH3 的反應(yīng)速率下降，還原反應(yīng)進(jìn)行得不充分，NOx 脫除率下降，同時(shí)氨氣的逸出量可能也在增加。由于爐內(nèi)的溫度分布受到負(fù)荷、煤種等多種因素的影響，溫度窗口隨著鍋爐負(fù)荷的變化而變動(dòng)。根據(jù)鍋爐特性和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，最佳的溫度窗口通常出現(xiàn)在折焰角附近的屏式過(guò)、再熱器處及水平煙道的末級(jí)過(guò)、再熱器所在的區(qū)域。
3.2 還原劑在最佳溫度窗口的停留時(shí)間
還原劑在最佳溫度窗口的停留時(shí)間越長(zhǎng)，則脫除 NOx 的效果越好。NH3 的停留時(shí)間超過(guò) 1 s則可以出現(xiàn)最佳NOx脫除率。 尿素和氨水需要0.3 s~0.4 s的停留時(shí)間以達(dá)到有效的脫除NOx 的效果。
3.3 SNCR 工藝所用的還原劑類(lèi)型
SNCR 工藝所用的兩種最基本的還原劑是無(wú)水泊液氨和尿素。為了獲得理想的 NOx 脫除效率，還原劑的用量必須比化學(xué)計(jì)量的要多。大多數(shù)過(guò)量的還原劑分解為氮?dú)夂?CO2，但是，也有微量的氨和 CO會(huì)殘留在尾氣中，造成氨的泄漏問(wèn)題。其中氨的泄漏量一般小于 2.5×10-5 ，比較好的情況下可以小于 10-5 。在用尿素作還原劑的情況下，其 N2O 的生成幾率要比用氨作還原劑大得多，這是因?yàn)槟蛩乜煞纸鉃?HNCO，而 HNCO 又可進(jìn)一步分解生成為 NCO，而 NCO可與 NO進(jìn)行反應(yīng)生成氧化二氮：
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在以尿素為還原劑的操作系統(tǒng)中，可能會(huì)有高至 10%的 NOx 轉(zhuǎn)變?yōu)?N2O，不過(guò)這可以通過(guò)比較精確的操作條件控制而達(dá)到削減 N2O 生成的目的。另外，如果操作條件未能控制到優(yōu)化的狀態(tài)，亦可排放出大量的 CO。
為了提高 SNCR 對(duì) NOx的還原效率，降低氨的泄漏量，必須在設(shè)計(jì)階段重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)關(guān)鍵的工藝參數(shù)：燃料類(lèi)型、鍋爐負(fù)荷、爐膛結(jié)構(gòu)、受熱面布置、過(guò)量空氣量、NOx 濃度、爐膛溫度分布、爐膛氣流分布以及 CO濃度等。
4 總結(jié)
SNCR 裝置簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)、操作方便、價(jià)格低廉，是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的 NOx 還原技術(shù)。相對(duì)于別的脫硝技術(shù)來(lái)說(shuō)，它是目前適合我國(guó)國(guó)情的脫硝技術(shù)的最佳選擇。
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