SNCR脫硝氨耗量和氨逃逸的影響分析及對策
摘要：伴隨著我國對NOx的排放管控日益嚴厲，通過高效低氮燃燒技術配合SNCR技術或SNCR/SCR聯合技術進行脫硝已經成為主流。雖然目前燃煤工業爐窯NOx的減排效果十分顯著，但是過分追求脫硝效率，容易增加氨耗量，進而引發氨逃逸，造成二次污染及腐蝕設備等問題。
本文通過分析SNCR脫硝技術中氨耗量和氨逃逸的主要影響因素，并提出切實可行的對策加以控制。
關鍵詞：脫硝;SNCR;脫硝效率;氨耗量;氨逃逸;
引言
氮氧化物(NOx)是大氣的主要污染物之一，它與碳氫化合物在強光作用下會造成光化學污染，排放到大氣中的NOx是形成酸雨的主要原因，給生態環境帶來嚴重的危害。黨的十九大指出，持續實施大氣污染防治行動，打贏藍天保衛戰。目前國內70%左右的NOx是由煤炭燃燒所產生的，因此作為主要燃煤設備的火電廠和工業爐窯成為控制NOx排放所關注的焦點。
目前，燃煤鍋爐主流的NOx控制技術為低氮燃燒技術(LNB)和煙氣脫硝技術，其中煙氣脫硝技術主要包括選擇性非催化還原反應(SNCR)、選擇性催化還原反應(SCR)和SNCR/SCR聯合脫硝技術。對于大型燃煤鍋爐而言，SCR以其技術成熟及90%以上的脫硝效率，毫無疑問在我國已大規模的推廣應用。伴隨著我國對NOx的排放管控日益嚴厲，中小型燃煤鍋爐、循環流化床鍋爐、水泥窯爐、陶瓷窯爐、垃圾焚燒爐以及燃氣鍋爐等工業爐窯作為關鍵的NOx的排放源之一，針對此類爐窯脫硝的工程應用技術持續發展，通過高效低氮燃燒技術配合SNCR技術或SNCR/SCR聯合技術進行脫硝已經成為主流。
雖然目前燃煤工業爐窯NOx的減排效果十分顯著，但是過分追求脫硝效率，容易增加氨耗量，進而引發氨逃逸，造成二次污染及腐蝕設備等問題。
1SNCR脫硝技術簡介
SNCR脫硝工藝是在不使用催化劑的條件下，將含有氨基的還原劑如液氨、氨水或尿素稀溶液等噴入爐膛溫度為850-1100℃的區域，還原劑迅速熱分解出NH3，再與煙氣中的NOx進行選擇性氧化還原反應，生成無害的N2和H2O等氣體。由于整個反應過程中未使用催化劑，因此稱之為選擇性非催化還原脫硝技術。
以氨為還原劑的主要反應式為：
4NH3+4NO+O2=4N2+6H2O;
4NH3+2NO2+O2=3N2+6H2O;
采用尿素作為還原劑的主要化學反應為：
CO(NH2)2+H2O=2NH3+CO2;
4NH3+4NO+O2=4N2+6H2O;
4NH3+2NO2+O2=3N2+6H2O;
2SNCR系統煙氣脫硝過程包括下面四個工藝步驟：
接收和儲存還原劑;
還原劑的計量輸出、與水或空氣混合稀釋;
在爐膛合適位置噴入稀釋后的還原劑;
還原劑與煙氣混合進行脫硝反應。
3SNCR脫硝技術氨耗量和氨逃逸的影響分析及對策
在脫硝反應過程中煙氣中存在著沒有參與反應的氨通過反應器排放到煙氣中的現象叫氨逃逸。氨逃逸可能會導致如下的幾個問題：易使下游裝置如空氣預熱器積灰堵塞，造成壓損升高以及低溫腐蝕等問題;影響飛灰的品質，導致電除塵器極線積灰或布袋除塵器糊袋等問題;形成可見煙柱，增加PM2.5的排放;釋放到大氣中會對人體健康帶來負面影響。
所以，應用脫硝技術的目標是最大程度的降低NOx濃度，同時控制氨耗量，實現最小的氨逃逸。
影響SNCR技術性能的主要因素包括：煙氣組成、煙氣量、氨氮摩爾比NSR值、反應溫度、處理前煙氣中NOx濃度、煙氣氧量、還原劑與煙氣的混合程度等。其中運行過程中影響氨耗量和氨逃逸最重要的3個因素是：反應溫度、還原劑與煙氣的混合程度和NSR值。
3.1反應溫度
反應溫度對SNCR還原NOx的效率至關重要。從通常的實驗以及工程運轉狀況來看，可以進行有效脫硝反應的最佳溫度窗口為850-1100℃，一般情況下氨在850-1050℃之間，尿素在900-1100℃之間。
反應溫度過低或過高都會導致還原劑損失和脫硝效率下降。若溫度過低，會導致NH3反應不完全，通常低于800℃的時候，反應速度減慢，脫硝效率下降，氨逃逸增加;當溫度過高，譬如溫度高于1200℃的時候，NH3與02的氧化反應會加劇，NH3更易于被氧化成為NOx，NOx排放量可能會不降反升。
所以，實際選擇噴入點位置時，應當通過數學模型計算(CFD)和物理模型實驗，結合爐窯設備工況，在爐膛上選取恰當的噴入點。另外，為適應鍋爐負荷波動造成爐膛溫度的變動，應考慮在爐膛內不同高度處安裝多層噴射裝置與溫度監控，以便根據實際生產情況進行切換噴射系統，保證在最佳的反應溫度窗口噴入還原劑。同時，在每根還原劑分支管道上設置就地流量計、就地壓力表、流量調節閥及電動閥，通過計量分配系統根據運行需要，對不同溫度區域的SNCR噴射裝置分別進行流量分配。當爐膛溫度發生較大變動時，應重新選擇噴入點。
3.2還原劑與煙氣的混合程度
目前，SNCR技術在工業應用過程中，通常采用液體霧滴噴射的形式，噴入的還原劑與煙氣在極短時間內得到充分混合同樣是保證SNCR技術達到理想脫硝效率、減少氨逃逸的關鍵因素之一。
還原劑與煙氣的混合主要由噴射系統來實現，通過調整不同位置處的還原劑噴入量及霧化效果來提高混合程度，可用下列方法來改善混合效果：
適當提升霧化氣體壓力，提高傳給還原劑液滴的動能，增加還原劑穿透度，提高霧化效果;
增加噴射區的層數和噴射裝置的個數;
調節噴射溶液的濃度，改變液體霧滴的蒸發時間;
改進霧化噴嘴的設計以改善液滴的大小、分布、噴射角度和方向，使液滴更容易穿透爐膛進入煙氣流。
3.3氨氮摩爾比(NSR)
氨氮摩爾比NSR即反應中氨與NO的摩爾比值，按照SNCR反應式，還原1molNO需要1mol氨或0.5mol尿素。但實際運行中噴入還原劑的量要比此值高，根據脫硝實驗表明，當NSR小于2.0時，NOx的脫除效率會隨著NSR值的增加而顯著增加，同時有效溫度區域范圍會擴大。但是當NSR大于2.0時，隨著NSR值的逐漸提升，NOx的脫除效率增加并不明顯，NSR過大則會引起氨逃逸量增大，氨耗量升高。
為提高脫硝效率、減少氨耗量和降低氨逃逸，SNCR的NSR值一般控制在1.2-1.5左右。
工程應用實例
以某熱電廠490t/h循環流化床鍋爐實際運用情況為例，該發電機組采用氨水SNCR脫硝裝置，在左右旋風分離器位置各設置從上到下4層噴射裝置，每層內外側各1套噴射裝置，共16套噴射裝置。經過一段時間運行后，業主反饋脫硝效率降低、氨耗量增加和氨逃逸提高等一系列問題。通過現場分析，對SNCR脫硝進行如下性能優化調試：
控制燃燒溫度，調節旋風分離器入口煙溫為920-950℃;
檢查噴槍的霧化效果(適當提升霧化氣體壓力)、清理噴嘴的堵塞、更換磨損噴嘴以及調整噴槍的插入深度(噴槍噴嘴與外管向爐外微縮數毫米)。
檢查氨水濃度和配比溶度，控制氨氮摩爾比在1.5左右;
通過現場試驗比較，分別對比左右兩個分離器的脫硝效率、內外側各8根噴槍的脫硝效率和從上到下的4層噴槍的脫硝效率，根據試驗結果合理調整每根噴槍流量計的流量。
調整配風方式，并控制燃燒過程的含氧量，適當延長反應滯留時間;
通過PLC控制系統，根據對鍋爐負荷及排放煙氣中NOx和氨氣的在線監測情況，自動控制調節每根噴槍的氨水流量及壓縮空氣量，使脫硝系統能根據負荷變化自動調節工藝參數，以實現脫硝系統的穩定運行，在保證脫硝效率的前提下，降低使用成本。
經過性能優化調試后，脫硝效率大幅提高、氨耗量減少并且氨逃逸降低。具體數據見下表：
結論
本文通過分析SNCR脫硝技術中氨耗量和氨逃逸的主要影響因素，并提出切實可行的對策加以控制。SNCR脫硝運轉過程中，為了實現最佳的脫硝效率、最少的氨耗量和最小的氨逃逸，需要選擇適量的還原劑在最佳的溫度區間內與煙氣中充分的混合，采用優化的噴射策略，通過提高NH3的反應效率，降低還原劑的使用量，將氨逃逸降至最低，以降低運行成本、減少二次污染及避免設備的腐蝕。
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