中小型企業(yè)SNCR氨水脫硝技術(shù)探討

山西省晉城市是京津冀大氣污染傳輸通道“2+26”城市之一，近年來隨著環(huán)境治理力度的加大，生態(tài)環(huán)境部相繼出臺了方案，對企業(yè)的污染物排放標準控制要求不斷提高，如環(huán)境保護部公告2018年第9號《關(guān)于京津冀大氣污染傳輸通道城市執(zhí)行大氣污染物特別排放限值的公告》要求“對于國家排放標準中已規(guī)定大氣污染物特別排放限值的行業(yè)以及鍋爐，自2018年3月1日起，新受理環(huán)評的建設(shè)項目執(zhí)行大氣污染物特別排放限值”；生態(tài)環(huán)境部辦公廳2018年9月21日印發(fā)的《京津冀及周邊地區(qū)2018-2019年秋冬季大氣污染綜合治理攻堅行動方案》中也提出更嚴格的排放標準要求:“加快推進燃氣鍋爐低氮改造，原則上改造后氮氧化物排放濃度不高于50 毫克/立方米”、“已有行業(yè)排放標準的工業(yè)爐窯，嚴格執(zhí)行行業(yè)排放標準相關(guān)規(guī)定。暫未制訂行業(yè)排放標準的其他工業(yè)爐窯，按照顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放限值分別不高于30、200、300 毫克/立方米執(zhí)行；鼓勵各地制定更為嚴格的地方排放標準”等等，表1列出了目前晉城地區(qū)鍋爐及工業(yè)爐窯執(zhí)行的排放標準限值。

表1   京津冀及周邊地區(qū)現(xiàn)行氮氧化物排放標準    單位：mg/m3

污染源類型 限值   執(zhí)行標準

燃煤鍋爐         200       GB13271-2014《鍋爐大氣污染物排放標準》特別排放限值

燃氣鍋爐          50     《京津冀及周邊地區(qū)2018-2019年秋冬季大氣污染綜合治理攻堅行動方案》

工業(yè)爐窯          300     《京津冀及周邊地區(qū)2018-2019年秋冬季大氣污染綜合治理攻堅行動方案》

電廠燃煤鍋爐  100       GB13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》特別排放限值

水泥窯           320      GB4915-2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標準》特別排放限值

為滿足新形勢下的排放標準要求，當?shù)仄髽I(yè)現(xiàn)有的鍋爐、工業(yè)爐窯很多都需要新建脫硝裝置，才能滿足氮氧化物排放限值的要求。而另一方面，作為晉城市重要支柱產(chǎn)業(yè)的氮肥企業(yè)，在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的稀氨水，為實現(xiàn)工藝廢水零排放，稀氨水回收成本較高，而過剩的稀氨水如果排放掉,又會對環(huán)境產(chǎn)生NH3-N污染。本文將重點介紹利用氮肥企業(yè)過剩稀氨水作為還原劑的脫硝工藝在中小型企業(yè)爐窯改造中的應(yīng)用。

1  脫硝工藝選擇

氮氧化物（NOx）的防治主要從兩個方面進行：NOx的產(chǎn)生過程中源頭控制和尾氣排放末端治理。源頭控制目前主要是采用低氮燃燒技術(shù)控制燃燒過程中NOx的生成，末端治理是指從煙氣中去除NOx，目前在國內(nèi)應(yīng)用較廣泛的脫硝工藝有選擇性非催化還原脫硝(SNCR)、選擇性催化還原脫硝(SCR)等。2種脫硝工藝的工藝特性及技術(shù)經(jīng)濟性比較見表2。

表2  SNCR與SCR脫硝工藝特性、技術(shù)經(jīng)濟性對比

項目                           工藝方法

                          SNCR             SCR

還原劑                尿素或NH3 NH3或尿素

反應(yīng)溫度/℃          870~1100 250~427

催化劑及其成分 不使用催化劑 主要為TiO2，V2O5-WO3

脫硝效率/%             30~50           70~90

氨氮比                     1.2~1.5   0.8~1.0

SO2氧化               不導致SO2氧化   催化劑中的V、Mn、Fe等多種金屬會對SO2的氧化起催化作用

NH3逃逸/ppm               5~10             3~5

對空氣預熱器影響 造成堵塞或腐蝕的機會較SCR低                NH3與SO3易形成NH4HSO4，造成堵塞或腐蝕

系統(tǒng)壓力損失          無壓力損失    催化劑會造成較大的壓力損失

鍋爐的影響 受爐膛內(nèi)煙氣流速、溫度分布及NOx分布的影響 受省煤器及出口煙氣溫度的影響

占地空間                小，無需增加催化劑反應(yīng)器      較大，需增加催化劑反應(yīng)器和供氨或尿素系統(tǒng)

投資成本（元/kw）        50~70     60~200

運行成本（分/kw.h） 0.5             0.5~2

由上表可以看出，SNCR占地面積較小，無需增加催化劑反應(yīng)器，成本較低，對鍋爐運行幾乎無影響。SNCR的脫硝效率沒有SCR技術(shù)的脫硝效率高，但是相對于SCR技術(shù)，具有以下優(yōu)點：

 (1)?系統(tǒng)簡單：不需要改變鍋爐的設(shè)備裝置，僅需加裝氨或者尿素儲槽、脫硝噴槍裝置和噴射口即可，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單。

（2）投資少：由于系統(tǒng)簡單以及運行中不需要昂貴的催化劑，其投資費用比SCR法低。

（3）阻力小：對鍋爐的正常運行影響較小。

（4）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。

（5）使用性強：SNCR技術(shù)更符合我國目前中小型企業(yè)的爐窯改造，是一種成熟的低成本脫硝技術(shù)，在實際應(yīng)用中較廣泛。在達到30-50%脫硝效率的同時，還能節(jié)約使用成本。

因此，在當前形勢下，對于資金緊缺的中小型企業(yè)來說，SNCR是優(yōu)先考慮選用的一種脫硝工藝。該法投資較SCR法小，是已投入商業(yè)運行的比較成熟的煙氣脫硝技術(shù)，建設(shè)周期短、投資少、脫硝效率中等，比較適合中小型企業(yè)改造項目。

2  脫硝還原劑選擇

目前SNCR脫硝工藝所使用的還原劑——氨的形態(tài)，主要可分為液氨、氨水和尿素3種。常用還原劑有尿素、液氨、氨水等，因為氨在常溫常壓下為氣態(tài)，液氨必須在加壓條件下進行運輸或貯存，存在較大環(huán)境風險，且中小企業(yè)風險管理水平較低，不宜采用液氨作為還原劑。因此相比較于危險品液氨，氨水在存儲和運輸?shù)陌踩苑矫婢邆涓蟮膬?yōu)勢。

根據(jù)有關(guān)資料，由于尿素無法直接與煙氣中的氮氧化物發(fā)生反應(yīng)，需要分解才能反應(yīng)，所以尿素作還原劑的反應(yīng)比較慢，效率比氨水的要差。SNCR系統(tǒng)中，以尿素作為還原劑，在氨氮摩爾比(Normalized Stoichiometric Ratio，簡稱NSR)為1的時候，氮氧化物脫除效率為25%—40%；在NSR為1.5的時候，氮氧化物脫除效率為38—55%。要達到更高的效率，就要提高氨氮比，這樣氨的逃逸率也隨之增加。以氨水作為還原劑，在NSR為1的時候，氮氧化合物的脫除效率為48—70%；在NSR為1.5的時候，氮氧化物的脫除效率更高，在同等的氨氮摩爾比的條件下，氨水作為還原劑的效率比尿素作為還原劑的效率要高15%—20%。

因此，在氮肥企業(yè)分布集中的地區(qū)，稀氨水來源廣泛，運輸距離短，利用氨水作為煙氣脫硝劑，既經(jīng)濟方便，又解決了合成氨企業(yè)生產(chǎn)中低濃度氨水的回收利用途徑，適合于在此類地區(qū)推廣。因此對大多數(shù)投資少的中小企業(yè)來說，優(yōu)先考慮采用此種脫硝技術(shù)，即以稀氨水作為脫硝劑的選擇性非催化還原法脫硝（SNCR）。下面將著重分析該方法脫硝的原理及實際設(shè)計中常遇到的問題。

3  SNCR氨水脫硝機理

SNCR脫除NOx技術(shù)是把含有NHx基的還原劑(如氨水等)噴入爐膛溫度為870~1100℃的區(qū)域，該還原劑迅速熱分解釋放出NH3，然后與煙氣中的NOx進行SNCR反應(yīng)而生成N2。與SCR法相比，SCNR法除不用催化劑外，基本原理和化學反應(yīng)基本相同。采用NH3作為還原劑，在溫度為870~1100℃的范圍內(nèi)，還原NOx的化學反應(yīng)方程式主要為：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O                 （4－1）

4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O                 （4－2）

實際上，大部分燃燒過程排出的尾氣中大約90%-95%的NOx是以NO形式存在。

氨水SNCR脫硝工藝過程如圖1所示，氨水罐車送來質(zhì)量濃度20%-25%的氨水，用卸氨泵或者罐車自帶泵打到氨水儲罐，氨水儲罐儲存的氨水可供鍋爐至少連續(xù)運行5-7天，為了滿足霧場覆蓋的需求，需要噴入比較多的還原劑溶液，所以噴射前需要將氨水進行一定的稀釋，來自氨水罐的氨水和來自清水罐的清水通過混合泵加壓后再經(jīng)靜態(tài)混合器（或混合罐）均勻混合，氨水被稀釋成8%-15%的濃度，然后再經(jīng)過管路送到噴槍，氨水經(jīng)過噴槍的霧化后噴射到爐窯的合適溫度位置進行脫氮氧化物反應(yīng)。

4  影響SNCR脫硝效率的因素

SNCR系統(tǒng)下，影響NOx還原效率的參數(shù)主要包括反應(yīng)溫度、還原劑和煙氣的混合程度、停留時間、氨氮比、NOx排放濃度、還原劑類型等。

4.1  反應(yīng)溫度

SNCR最佳的反應(yīng)溫度區(qū)間870℃～1100℃。當煙氣溫度大于1050℃時，氨就會開始被氧化成NOx，到1100℃，氧化速度會明顯加快，一方面，降低了脫硝效率，另外一方面，增加了還原劑的用量和成本。當煙氣溫度低于870℃時，脫硝的反應(yīng)速度大幅降低。可見，爐膛上溫度窗口的選擇較為重要，溫度過高或過低都會導致還原劑的損失和NOx脫除率下降。圖2示出了一個以氨為還原劑SNCR工藝的中試裝置的NOx脫除曲線。

4.2  反應(yīng)劑和煙氣混合的程度

還原劑與煙氣的混合程度決定了反應(yīng)的進程和速度，還原劑和煙氣在爐窯內(nèi)是邊混合邊反應(yīng)，混合的效果直接決定了脫硝效率的高低。SNCR脫硝效率低的主要原因之一就是混合問題，例如，局部的NOx濃度過高，不能被還原劑還原，導致脫硝效率低；局部的NOx濃度過低，還原劑未全部發(fā)生還原反應(yīng)，導致還原劑利用率低還，還增加氨逃逸。因此，還原劑與煙氣的混合程度的充分與否，直接影響脫硝成果。

4.3  還原劑停留的時間

在合適的溫度范圍內(nèi)必須保證還原劑在煙氣中有足夠的停留時間。在相同條件下，較長的還原劑停留時間，脫硝效果更好，一般要求時間為0.3～0.5s。而霧化狀態(tài)的氨在爐窯的停留時間長短取決于爐窯的尺寸、煙氣流經(jīng)煙道的速度、溶液霧化狀況、霧場與煙氣混合的形式等因素。

4.4  氨氮比（NSR）

即反應(yīng)中氨基與NOx的摩爾比值。按照SNCR反應(yīng),還原1mol NO需要 1mol氨,但實際中還原劑的量要比這個量大,但隨著氨氮比的增加脫硝效率增加，氨逃逸也會增加，成本升高，目前鍋爐SNCR的經(jīng)濟NSR一般控制在1.2-1.5左右。

4.5  其他因素

另外，煙氣中氧含量、初始NOx的含量，還原劑類型和狀態(tài)等都會影響脫硝效率的高低。

在實際應(yīng)用中，考慮到NH3損耗和泄漏等問題，SNCR脫硝效率約為30%～50%。

5  控制脫硝氨逃逸的技術(shù)措施

在脫硝過程中，由于氨具有很強的揮發(fā)性，未完全反應(yīng)的氨氣隨著煙氣排向空氣中，產(chǎn)生逃逸氨廢氣。

企業(yè)可通過在煙囪出口安裝一套NH3在線分析儀。一旦氨逃逸分析儀反饋來的數(shù)值超過設(shè)定值，控制系統(tǒng)將自動調(diào)節(jié)還原劑分配模塊的控制部分，降低噴氨量；并適當調(diào)整氨水的噴槍分配，進而改善氨和煙氣的混合效果輔助手段進行調(diào)節(jié)等，使氨逃逸速率低于8mg/Nm3。同時可在氨水罐的氨水液面上覆蓋一層機油，可防止氨水分解放出氨氣，減少在儲存過程中有氨氣呈無組織狀態(tài)排放。卸車時通過專用的卸料管將氨水從罐底卸入罐內(nèi)，嚴格控制卸車、輸送過程中因跑、冒、滴、漏產(chǎn)生的無組織NH3排放。

6  氨水消耗量計算

以晉城市某企業(yè)SZL6-1.25-WⅢ蒸汽鍋爐為例計算，燃料為沁水煤田3#煤層的優(yōu)質(zhì)低硫無煙煤，根據(jù)該廠環(huán)保驗收監(jiān)測報告，煙氣量為11147Nm3/h，NOX排放濃度242mg/Nm3(NO占92.5%，NO2占7.5%)，目前未采取脫硝措施，計劃采用SNCR進行煙氣脫硝，脫硝劑采用ω=25%氨水（項目所在地為山西省晉城市，氮肥制造業(yè)為當?shù)刂еa(chǎn)業(yè)之一，稀氨水來源有保障），脫硝效率η=40%，SNCR脫硝系統(tǒng)氨逃逸濃度按8mg/m3考慮，擬采用的SNCR脫硝系統(tǒng)的氨水用量約為2.876kg/h，理論氨氮比為1.21，按脫硝效率平均40%計算，改造后NOX排放濃度降至145.2mg/Nm3，能夠滿足GB13271-2014《鍋爐大氣污染物排放標準》中燃煤鍋爐NOX特別排放限值200mg/m3的要求。該計算方法可供環(huán)評工作者在實際工作中參考使用。

7  結(jié)語

選擇氮氧化物排放的控制技術(shù)，是一項系統(tǒng)工程，必須按照國家及地方的政策、法規(guī)、標準和各地自身特點，系統(tǒng)考慮各項措施的技術(shù)、經(jīng)濟性能。SNCR法脫硝效率較SCR低，但投資和運行成本也較低，在執(zhí)行新的排放標準后，對于NOx排放濃度超標不嚴重的燃煤鍋爐、工業(yè)爐窯（梭式窯、豎窯、節(jié)能反射爐等），投入較少的資金即可實現(xiàn)達標排放，另一方面又能在一定程度上解決當?shù)氐势髽I(yè)部分稀氨水的利用問題。SCR是利用SCR反應(yīng)器來進行脫硝，后置一個脫硝反應(yīng)器，反應(yīng)器中有催化劑。而SNCR是爐內(nèi)噴氨水來進行脫硝的。如企業(yè)具備較好的經(jīng)濟條件，可考慮采用SNCR+SCR耦合來進行脫硝，以保證較高的脫硝效率。

本文來源：《企業(yè)科技與發(fā)展》：http://m.00559.cn/w/kj/21223.html