SNCR脱硝技术的应用探讨

贾世昌，耿桂淦，宋正华

（江苏科行环保科技有限公司，江苏 盐城 224051）

SNCR（Selective Non-Catalytic Reduction）即选择性非催化还原法，是一种经济实用的NOx脱除技术。SNCR于20世纪70年代中期（1974年）首先在日本的燃气、燃油电厂中得到应用，并逐步推广到欧盟和美国。到目前为止，世界上燃煤电厂SNCR工艺的总装机容量在2GW以上。

SNCR原理是以氨水、尿素（CO(NH2)2）溶液等作为还原剂，通过喷枪喷入炉膛，在适宜的温度范围内，氨水或者尿素溶液就会分解为自由基NH3和NH2，在特定的温度（850℃～1050℃）和氧存在的条件下，还原剂与NOx的反应会优于其他反应而进行。因此，可以认为是选择性化学过程。还原剂反应温度范围称为温度窗口，对本方法的脱硝效率有较大影响。

1 还原剂的选择、还原剂喷射位置的确定

还原剂喷射通常需要做流场模拟以确定实际位置和控制系统。

还原剂的选择会根据锅炉的实际情况、还原剂成本和当地的法规进行确定。当尿素作为还原剂的时候，尿素中的氨基要和氮氧化物反应之前，第一步需要包裹尿素的水溶液蒸发，然后在尿素分解出氨基后才能进行反应，所以相对于氨水，尿素需要更高的温度和更长的停留时间。不过尿素在运输和储运上更有优点，尿素溶液能喷射得更远，能使还原剂分布更均匀的优点也让尿素在大型锅炉上的运用很有优势，几乎所有的大型锅炉都是运用尿素作为还原剂的。

由于SNCR反应需要在特定的温度区间（850℃～1050℃）和一定的停留时间（0.001～5s）下进行，所以还原剂喷射位置的确定对SNCR系统十分关键。错误的喷射位置会造成氨逃逸增加、还原剂用量增加且达不到要求的脱硝效率。一般而言，还原剂喷射位置的确定需要通过流场模拟以确定喷射位置，流场模拟会模拟锅炉温度、气体流动和烟气混合情况，以确定合适的喷射位置。

控制系统会对SNCR系统进行控制，确定系统所需的还原剂、稀释水和压缩空气用量，其SNCR系统也很关键，运行良好的控制系统具有反馈快、反应灵敏的特点，根据锅炉内烟气的实际NOx情况调整相应的还原剂用量，以达到要求的NOx脱除率和较低的氨逃逸率。

2 影响脱硝效果的主要因素

1）温度范围。NOx的还原反应发生在特定的温度范围内（最佳的反应温度为850℃～1050℃）。2）合适的温度范围内需要停留的时间。停留时间是指反应物在反应器内停留的总时间；在此时间内，NH3、尿素等，还原剂与烟气的混合、水的蒸发、还原剂的分解和NOx的还原等步骤必须完成；停留时间的大小取决于锅炉气路的尺寸和烟气流经锅炉气路的气速；SNCR系统中，停留时间一般为0.001～5s。3）反应剂和烟气混合的程度。混合程度：要发生还原反应，还原剂必须与烟气分散和混合均匀；混合程度取决于锅炉的形状与气流通过锅炉的方式。4）NH3/NOx摩尔比（化学当量比）。5）未控制的NOx浓度水平。6）气氛（氧量、一氧化碳浓度）的影响。7）氮剂类型和状态。8）添加剂的作用。

3 SNCR在不同锅炉中的应用

对于垃圾焚烧炉、某些工业锅炉，由于其炉膛内的温度正好处于其反应温度窗内，因此SNCR适应性比较好，喷氨点的设置和控制比较简单。而且由于不经过对流受热面，炉膛内的温度又相对稳定，所以运行的可靠性相对要好一些。因此SNCR在这类锅炉中的应用较多。对于电站锅炉，反应温度窗处于高温对流受热面区域。在这个区域，烟气温度受燃料、燃烧配风等调整和变化以及锅炉负荷的变动影响较大，反应温度窗会沿着烟气流动方向迁移，因此SNCR设计时会设置多个喷射区。另外，在烟道截面上，烟气温度分布不均匀，在不到200℃的最佳反应温度窗内，烟气温度偏差可能达到100℃以上，SNCR的先天不足在此暴露无疑。要解决反应温度窗的迁移问题，烟气温度的测量就是良好控制的前提。

4 SNCR的应用限制

（1）高温和氮氧化合物的平衡浓度

随着温度的上升，在指定的氧气含量下，NOx的平衡浓度增加。在高温情况下，SNCR技术和其他脱氮技术脱除的NOx将会被氮气的氧化反应抵消。由于这个原因，在高温和NOx低于平衡浓度的情况下，喷射进去的氨和尿素还会导致NOx含量的增加。同样，如果初始NOx浓度高于平衡浓度，NOx浓度就会降低。针对典型的燃煤或燃油锅炉，其锅炉的上方NOx平衡浓度为70～90ppm（0.1lb/MMbtu）。

（2）锅炉内一氧化碳含量

高含量的一氧化碳能改变SNCR反应的温度区间。当还原剂喷射位置的一氧化碳含量高于300ppm时，NOx平衡浓度和SNCR反应速度都会比一氧化碳浓度低时有所增加，其与温度提高有同样的效果。所以，在一些一氧化碳浓度高的锅炉中，还原剂喷射在较低的温度条件下能更好地控制NOx。

CO排放：在良好运行的尿素SNCR系统下，尿素中含的碳都会完全氧化成二氧化碳。在限定的温度范围内，控制氨逃逸的步骤都阻止了大量一氧化碳的生成和排放。

N2O排放：N2O是SNCR反应的副产物，相对于氨水SNCR系统，尿素SNCR系统会产生更多的N2O。最多有10%的NOx在尿素SNCR系统中会转化成N2O。而在适当的条件下，N2O的产生量会被控制到低水平。N2O会形成酸雨，破坏臭氧层和造成温室效应，其单分子增温潜势是CO2的310倍。

5 SNCR脱硝几个难题的解决

（1）氨逃逸

氨逃逸是指没有和NOx反应的还原剂逃逸到空气中。氨逃逸可以造成一个或更多的问题，如：形成硫酸铵或其他的铵盐，能堵塞和腐蚀空气预热器和其他下游的设备；氨和飞灰吸附在一起，会导致处理或再利用飞灰的困难；烟囱上会排放白色的含氯化铵气体；在工厂附近，会有氨气的臭味。

氨逃逸的控制，需要喷射合适的还原剂进入炉膛和合适的反应条件（温度、停留时间和NOx含量）。如果还原剂与NOx在温度过低的位置进行反应，未反应的氨就会形成氨逃逸。同样，如果喷射的氨过量，过量的氨就会导致氨逃逸。所以，SNCR系统的喷射系统以达到适当的还原喷射量和还原剂分布是非常重要的。

控制氨逃逸的难点，各种系统之间不一样。大多数商业运行的SNCR系统，尤其是电力行业，要求小于等于5ppm的排放以达到业主的排放要求。这比烟气排放标准严格很多。在任何情况下，氨浓度在一个低值的时候，会让氨气的臭味和毒性减少到最低。

控制系统的升级和流程的优化都能让SNCR系统的氨逃逸得到降低。比如，燃煤锅炉，升级优化前的氨逃逸含量为10～15ppm，升级后可以低于5ppm，同时也让与飞灰附着的氨含量减半。

SNCR系统后面串联SCR系统也可以降氨逃逸率。

（2）随着锅炉的增大，SNCR的效率会降低

只要还原剂在炉膛内能很好地分配，大型锅炉SNCR的效率没有任何的技术限制。而造成这个误解的造成原因是几个运用于美国加利福利亚州的大型电站锅炉的失败案例。这些锅炉都配备了低氮燃烧系统，烟气出口温度都很高，锅炉对流区的烟气冷却速度也非常快。这些燃气锅炉低的初始NOx水平和快速冷却的烟气，导致了在使用SNCR系统的时候有较低的NOx脱除率和较大的氨逃逸率。随着对SNCR技术的增强和不断增加的应用经验，能对SNCR的控制更多的了解。此后，在电站锅炉上有过60%以上的脱硝效率的例子。

可伸缩的多孔喷枪（retractable multi-nozzle）的发展和前置反馈控制的应用，使尿素SNCR系统的应用更为广泛。这些技术让还原剂在大型锅炉内分布得更好，在欧洲和美国都有大量应用，超过600MW的电站锅炉也使用了SNCR系统。

（3）SNCR系统应用于安有低氮燃烧系统的锅炉

SNCR系统已经商业应用于安有低氮燃烧器、OFA、烟气再循环（flue gas recirculation）的锅炉中。已经证明SNCR系统在这些技术情况下能良好地运行。

（4）SNCR系统应用于燃煤电厂

除了氨逃逸，飞灰也会吸附一部分氨。飞灰的特征如pH值、碱性物质含量、硫化物含量、氯化物含量能反映飞灰是否容易吸附氨。在大多数的装置中，设计良好的SNCR系统能够保证氨逃逸在一个低的水平，保证飞灰的出售不会受到影响。

（5）烟气中氧含量对SNCR工艺的影响

在SNCR反应开始的时候，氧气的存在是至关重要的。在没有氧气的条件下，NO的去除率很低。有研究表明：当O2的含量从2%增加到4%时，NO去除率一直保持在较高的水平。

氧气对SNCR反应的影响机理如下：

生成的NH2与NO进一步发生了氧化还原反应，而在此过程中，O2为含氧基团的形成提供了保证。Miller等的研究机理揭示了如下反应。

由式①可见，SNCR系统中·OH的浓度对整个反应的启动至关重要，随着反应的进行，·OH的浓度会不断降低。因此，只有在反应过程中连续不断产生·OH基团，才能保证SNCR整个反应持续进行，而O2的存在恰恰为·OH的产生提供了条件。

6 SNCR系统的发展方向

（1）SNCR系统能和SCR系统结合

由于受氨逃逸率的影响，SNCR可达到的效率受到限制。在SNCR-SCR系统中，多喷氨，使SNCR效率更高，逃逸的氨可作为SCR的还原剂，从而使得SCR需要的催化剂也大大小于单独使用SCR的装置，也省去了SCR的配套设施，所以联合系统成本低于SCR，效率高达75%以上，氨逃逸却低于5ppm。

（2）SNCR技术和再燃烧技术结合

在富燃料情况下进行再燃烧能减少NOx的生成。在燃尽阶段，也就是比一般燃烧温度低一点的情况下，有大量的NOx转化为氮气。目前，已经有实例证明在燃尽区域的情况适合SNCR工艺。因此对电厂来说，再燃烧技术和SNCR技术结合能达到70%的NOx脱除效率。比如，美国第1台商业运行的再燃烧技术和SNCR结合的电厂脱硝效率就达到了60%。

（3）SNCR技术和控制其他污染物技术结合

除了NOx，烟气中的其他物质也需要控制，如二氧化硫、氯化物、重金属、二英和呋喃。已经有SNCR同时喷射尿素水溶液和石灰浆的项目，证明了对二氧化硫、氮氧化物和氯化物都能有效地控制。由于减少了氯化物，所以二英和呋喃的排放也会减少。现今已经证明炉内喷石灰浆能减少重金属的排放。所以，SNCR与石灰浆喷射结合的工艺有很大的发展潜力，其能达到对NOx、二氧化硫、氯化物、重金属、二英和呋喃的同时脱除。

（4）SNCR和污水处理

许多项目的污水排放到河流或污水管道中是受到限制的，一些敏感地区，还要求污水零排放。SNCR系统也能控制污水排放，当用还原剂水溶液的时候，经过处理后的污水能喷射入炉膛和其他的燃烧系统，所以在脱除NOx的同时也达到了处理污水的目的。