SNCR 脫硝技術在大型煤粉爐中應用探討
NOx 是一種主要的大氣污染物質，NOx 與碳氫化合物可以在強光作用下造成光化學污染，排放到大氣中的NOx是形成酸雨的主要原因，嚴重危害生態環境。目前國內65%左右的NOx是由煤燃燒所產生的，因此作為主要燃煤設備的電站鍋爐和工業鍋爐成為今后控制 NOx排放所必須關注的焦點。目前我們已經采取諸如低NOx燃燒器、分級配風、OFA(Over Fire Air)、再燃等技術措施來降低 NOx的排放，并取得了一定的效果。但隨著人們對環保要求的不斷提高，今后的NOx排放標準勢必也越來越嚴格。 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，相對于目前650 mg⋅Nm-3 的國標要求要嚴格得多，采用上述幾種技術措施往往很難達到250 mg.Nm-3 的排放指標。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90%的 NOx脫除率，但 SCR 技術由于其昂貴的催化劑及壽命問題造成了投資過大(大約 40 美元⋅kW-1 ~ 60 美元⋅kW-1 )，限制了其廣泛應用。而相對較廉價的選擇性非催化還原(SNCR)技術(大約 5 美元⋅kW-1 ~10美元⋅kW-1 )，其最大 NOx 脫除率可達70 %~80 %。作為一種經濟實用的 NOx 脫除技術，SNCR 于 20 世紀70 年代中期首先在日本的燃氣、燃油電廠中得到應用，并逐步推廣到歐盟和美國。到目前為止世界上燃煤電廠 SNCR 工藝的總裝機容量大約在 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℃的區域，該還原劑迅速熱分解成 NH3 和其它副產物，隨后 NH3 與煙氣中的 NOx 進行 SNCR 反應而生成 N2。
采用 NH3 作為還原劑，在溫度為 900℃~1 100℃的范圍內，還原 NOx 的化學反應方程式主要為：
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而采用尿素作為還原劑還原 NOx 的主要化學反應為：
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SNCR 還原 NO的反應對于溫度條件非常敏感，爐膛上噴入點的選擇，也就是所謂的溫度窗口的選擇，是 SNCR還原 NO效率高低的關鍵。一般認為理想的溫度范圍為 700℃~1 100℃, 并隨反應器類型的變化而有所不同。當反應溫度低于溫度窗口時，由于停留時間的限制，往往使化學反應進行的程度較低反應不夠徹底，從而造成 NO 的還原率較低，同時未參與反應的 NH3 增加也會造成氨氣泄漏。 而當反應溫度高于溫度窗口時， NH3 的氧化反應開始起主導作用：
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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。總之，SNCR 還原 NO的過程是上述兩類反應相互競爭、 共同作用的結果。 如何選取合適的溫度條件同時兼顧減少還原劑的泄漏成為 SNCR 技術成功應用的關鍵。
2 SNCR脫硝的優點
選擇性非催化還原技術(SNCR)具有以下優點：
(1) 系統簡單：不需要改變現有鍋爐的設備設置，而只需在現有的燃煤鍋爐的基礎上增加氨或尿素儲槽，氨或尿素噴射裝置及其噴射口即可，系統結構比較簡單；
(2) 系統投資小：相對于SCR的大約40美元kW-1 ~60美元kW-1 的昂貴造價，由于系統簡單以及運行中不需要昂貴的催化劑而只需要廉價的尿素或液氨，所以 SNCR 大約 5 美元⋅kW-1 ~10 美元kW-1 的造價顯然更適合我國國情；
(3) 阻力小：對鍋爐的正常運行影響較小；
(4) 系統占地面積小：需要的較小的氨或尿素儲槽，可放置于鍋爐鋼架之上而不需要額外的占地預算。
3 SNCR系統及其影響因素
如圖 1， 典型的 SNCR 系統由還原劑儲槽、 多層還原劑噴入裝置以及相應的控制系統組成。它的工藝簡單，操作便捷。SNCR 工藝可以方便地在現有裝置上進行改裝。因為它不需要催化劑床層，而僅僅需要對還原劑的儲存設備和噴射系統加以安裝，因而初始投資相對于 SCR 工藝來說要低得多，操作費用與 SCR 工藝相當。一般情況下 SNCR 可達到 60%至 70%的 NOx 還原率，足以滿足有關環保要求。
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SNCR 還原 NO的化學反應效率取決于煙氣溫度，高溫下停留時間，含氨化合物即還原劑注入的類型和數量、混合效率以及 NOx 的含量等等。
3.1 溫度對 SNCR 的還原反應的影響
溫度對 SNCR 的還原反應的影響最大。當溫度高于 1 000℃時，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，NH3 的反應速率下降，還原反應進行得不充分，NOx 脫除率下降，同時氨氣的逸出量可能也在增加。由于爐內的溫度分布受到負荷、煤種等多種因素的影響，溫度窗口隨著鍋爐負荷的變化而變動。根據鍋爐特性和運行經驗，最佳的溫度窗口通常出現在折焰角附近的屏式過、再熱器處及水平煙道的末級過、再熱器所在的區域。
3.2 還原劑在最佳溫度窗口的停留時間
還原劑在最佳溫度窗口的停留時間越長，則脫除 NOx 的效果越好。NH3 的停留時間超過 1 s則可以出現最佳NOx脫除率。 尿素和氨水需要0.3 s~0.4 s的停留時間以達到有效的脫除NOx 的效果。
3.3 SNCR 工藝所用的還原劑類型
SNCR 工藝所用的兩種最基本的還原劑是無水泊液氨和尿素。為了獲得理想的 NOx 脫除效率，還原劑的用量必須比化學計量的要多。大多數過量的還原劑分解為氮氣和 CO2，但是，也有微量的氨和 CO會殘留在尾氣中，造成氨的泄漏問題。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，這是因為尿素可分解為 HNCO，而 HNCO 又可進一步分解生成為 NCO，而 NCO可與 NO進行反應生成氧化二氮：
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在以尿素為還原劑的操作系統中，可能會有高至 10%的 NOx 轉變為 N2O，不過這可以通過比較精確的操作條件控制而達到削減 N2O 生成的目的。另外，如果操作條件未能控制到優化的狀態，亦可排放出大量的 CO。
為了提高 SNCR 對 NOx的還原效率，降低氨的泄漏量，必須在設計階段重點考慮以下幾個關鍵的工藝參數：燃料類型、鍋爐負荷、爐膛結構、受熱面布置、過量空氣量、NOx 濃度、爐膛溫度分布、爐膛氣流分布以及 CO濃度等。
4 總結
SNCR 裝置簡單經濟、操作方便、價格低廉，是一種經濟實用的 NOx 還原技術。相對于別的脫硝技術來說，它是目前適合我國國情的脫硝技術的最佳選擇。
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