焚烧炉尾气中氮氧化合物的处理

2017-03-18潘亮南京210048

化工管理 2017年2期

潘亮（南京 210048）

焚烧炉尾气中氮氧化合物的处理

潘亮（南京 210048）

化工厂焚烧炉中尾气排放中含有的氮氧化合物（NOx）对大气造成了严重的污染，空气中的氮氧化合物会引起酸雨、光化学烟雾等危害。本文主要探究焚烧炉尾气中氮氧化合物的处理方法，介绍了选择性催化还原技术和选择性非催化还原技术在含氮氧化合物尾气处理方面的作用及其主要的影响因素。

氮氧化合物；SCR；SNCR；还原剂

氮氧化合物是大气中的主要污染物，同时也是焚烧炉尾气中的重要组成部分，焚烧炉中排放的NOx以NO、NO2、N2O、N2O3的形式稳定的存在于尾气中，其中NO和NO2为主要污染物。本文通过探究影响选择性催化还原法和选择性非催化还原法处理氮氧化合物的主要因素，为采用最有效的手段对焚烧炉尾气中的NOx排放进行控制，降低大气中的氮氧化合物的含量，创造健康、绿色的生活环境提供技术基础。

1 焚烧炉尾气中氮氧化合物的危害

焚烧炉排放的尾气中含有大量的有害物质，其中包括粉尘、重金属、硫化物和氮氧化合物，这些尾气如果不经过处理便直接排放到大气中将会造成严重的环境污染，影响人类及其他生物的生存环境。以氮氧化合物为例，NOx存在于空气中，会对臭氧层造成严重的危害，空气中氮氧化合物含量的增加会降低大气层外臭氧的含量，臭氧含量的降低会造成大量的紫外线穿过大气层进入到地球表面，破坏地球的生态系统。氮氧化合物还有可能与空气中的光化学氧化剂、颗粒物发生光化学反应，形成光化学烟雾，光化学烟雾会对人体的眼睛和呼吸系统造成严重的危害。此外，NOx与空气中的水蒸气结合还会形成酸雨，酸雨会造成水源和土壤的酸化，严重影响农作物的生长。

2 氮氧化合物的生成机理

焚烧炉内燃烧过程中生成的氮氧化合物主要有NO、NO2、N2O等，其中NO占到了90%。NOx的来源按生成机理的不同主要可以分为三类，热力型、燃料型和快速型。热力型生成机理较为简单，主要是在燃烧过程中参与燃烧的空气中的氮气和氧气发生反应生成了NOx。

燃料型反应机理：在焚烧炉中，氮氧化合物的碳氮键的键能相对氮氮三键的键能小的多，在反应过程中，碳氮键首先断裂，被还原为HCN，NH3等一些中间产物，随后被氧气氧化为氮氧化合物，其生成机理如图1所示：

图1 燃料型生成机理

快速型反应机理：氮氧化合物首先在燃烧的过程中先产生CH、CH2、CH3等基团，这些基团与空气中的N2发生碰撞，从而生成中间产物HCN、N、CN等，中间产物再与O2、OH等活性较强的基团生成NCO，最终NCO会被氧化为NOX，其生成机理如图2所示：

图2 快速型生成机理

3 氮氧化合物处理技术

目前，焚烧炉中尾气氮氧化合物的处理主要采用还原法技术，选择性催化还原技术（SCR）和选择性非催化还原技术（SN⁃CR）是两种最常用的方法。

3.1 SCR工艺

SCR技术是在氧气存在的条件下，通过催化剂的催化作用，NH3能够将尾气中的氮氧化合物还原为氮气，还原过程必须在催化剂的作用下才能发生反应，催化剂通常选用TiO2-V2O5，反应的温度保持在200~400。反应的主要过程是：氨气和尾气同时进入到SCR反应系统中，在催化剂的作用下氨气和氮氧化合物反应生成氮气和水。SCR系统包含有催化剂反应室、氨气储存系统，其中核心装置是SCR脱硝反应器，反应器多采用垂直布置的方式，防止由于灰尘过多造成反应器的堵塞。SCR技术对于氮氧化合物的脱除效率较高，但是由于反应温度、反应停留时间、还原剂与尾气的混合程度等因素的影响，实际的脱除率在70~90%之间，它的缺点是初始投入成本高，后期维护费用也较高。

因此，在1974年，日本最初是将SNCR技术作为商业应用；美国也于1988年首次投入大型SNCR装置；德国于1990年在布莱梅垃圾焚烧厂采用了SNCR技术，使用的还原剂为氨水。

3.2 SNCR工艺

选择性非催化还原技术（SNCR）能够在没有催化剂的条件下使用还原剂将NOx还原为水和氮气，并且该技术具有系统结构简单，初始投资少，后期维护成本低的优势，但是其也存在着NOx脱除率较低，氨气逃逸量高的缺点。

SNCR工艺中常采用的还原剂有氨气和尿素，以尿素为例的SNCR工艺流程为：还原剂的接收和储存，还原剂的计量稀释及混合，混匀的还原剂喷入到锅炉中适合的位置，还原剂和尾气的混合。在还原剂的接受和储存单元，使用氨气时其一般选用浓度为29.49%的水溶液，而尿素一般采用50%的水溶液。还原剂和尾气的混合喷射器一般选用墙式和枪式两种类型，墙式喷射器插入在锅炉内墙，每个喷射部位安装一个喷嘴，枪式一般用于尾气和还原剂难以接触的位置，为了使还原剂和尾气充分混合，选取合适的位置、喷射速度、流量具有重要的影响。

影响SNCR脱除率的主要因素为反应温度，还原剂和尾气的混合程度。NOx还原反应在一定的温度范围内进行，温度太低或太高都会对还原反应产生影响，不同还原剂的最佳温度范围也不同，氨气的最佳反应温度为870~1100，尿素的最佳反应温度为900~1150，不同温度下的氮氧化合物脱除率如图3所示。

图3 不同温度下的氮氧化合物的脱除率

为了促进还原剂和氮氧化合物的反应，还原剂和焚烧尾气充分混合能够促进反应的发生。若以氨气作为还原剂，由于氨气具有较强的挥发能力，还原剂和混合机能够很好的混合，通过控制喷射系统的角度、速度和轨迹可以很好的控制氨气和焚烧尾气的混合。若以尿素溶液作为还原剂时，还原剂和尾气的混合效果相对较差，但是可以通过增加传给液滴的能量，增加溶液喷嘴的数量和喷射区的数量，改进喷嘴的设计来调整液滴的大小、分布和方向等多种手段来提高还原剂和氮氧化合物的混合程度。此外，焚烧炉尾气中氮氧化合物的浓度、喷入的还原剂与氮氧化合物的摩尔比和在最佳温度下的滞留时间等因素也会对氮氧化合物的脱除率具有一定的影响。