SNCR脱硝系统的新型喷枪研发

任战士，王水清，赵小兰，曾健，孔郎贤

(佛山市三水新明珠建陶工业有限公司，佛山 528100)

1 前言

目前，陶瓷行业的喷雾塔排放的烟气中含有大量的氮氧化物，氮氧化物是酸雨的主要原因之一，危害人们的身体健康。现在国家和地方对各陶瓷厂的烟气排放标准越来越严，广东地区自2020年7月1日起氮氧化物执行100mg/m3的排放限值。采用水煤浆作为热源的喷雾干燥塔烟气氮氧化物的浓度大多在160mg/m3以上，因此必须要进行脱硝处理后才能排放。

SNCR烟气脱硝技术因其系统操作简单、投资少、设施简单、占地少，目前应用广泛。SNCR技术的还原剂一般为三种，液氨、氨水和尿素。从反应温度来看，温度区间位于730-950℃之间时，选用氨作为还原剂的脱硝效率要高于选用尿素的脱硝效率；当反应区域温度在950℃以上时，尿素的脱硝效率则比氨的脱硝效率高。从系统安全性看，液氨在空气中的爆炸极限为15%-18%，存在爆炸危险；氨水虽然不是危险品，但发生泄漏时，挥发的氨气对人体存在一定的危害；尿素不存在爆炸危险，又是无毒无害的化学制剂。根据场地和人员安全性的要求，采用尿素溶液为还原剂的SNCR脱硝系统为最安全的可行技术（下文中所述SNCR皆指以尿素为还原剂的SNCR）。喷枪的雾化效果和喷射距离是SNCR脱硝系统的关键技术之一，雾化液滴的大小和覆盖面积直接影响整个烟气排放系统的脱硝效率，影响氮氧化物的排放值。

2 SNCR脱硝技术反应原理

将浓度约40%的尿素溶液通过雾化喷射系统直接喷入热风炉合适温度区域（850—1050℃），雾化后的尿素溶液与NOx（NO、NO2等混合物）进行选择性非催化还原反应，将NOx转化成无污染的氮气、二氧化碳和水。喷尿素溶液后炉内发生的反应有：

为了提高脱氮氧化物的效率并实现氨逃逸的最小化，需满足以下条件：在溶液喷入的位置没有火焰；在反应区域维持合适的温度范围（850—1050℃）；在反应区域有足够的停留时间（至少0.5s，900℃）。当反应区温度过低时，反应效率会降低；当反应区温度过高时，NH3的氧化反而起主导作用，产生新的NO，而不是还原NO为N2。

3 SNCR脱硝生产中存在的问题

在SNCR喷射系统中，常用的方式是采用高压泵输送尿素溶液，用压缩空气作为雾化介质，高压液体和高压气体两相混合经由喷头高速喷射雾化。此方式通常是采用扇形喷头，因喷头孔径较小，极易发生杂质或尿素结晶堵塞喷头的问题。同时高压泵输送系统对泵等设备性能要求高，设备维护成本较高。

我们研究将尿素溶液中转罐放置在喷雾塔高位平台，取消加压泵，尿素溶液由高位罐自流到脱硝喷枪，配套开发自流式SNCR脱硝系统。该系统尿素溶液在管道内流动动力只是依靠高位落差产生的势能，自流式SNCR脱硝系统采的用圆形喷片来代替扇形喷头，圆形喷片特点是雾化颗粒较大，射程较远。喷雾塔热风炉内热风为旋风，同时满足SNCR脱硝的温度范围及空间高度足够，有足够反应时间，用圆形喷片喷射尿素可以满足脱硝需求。圆形喷片口径大，喷头堵塞几率大幅度降低，能够持续稳定工作，实现持续稳定达标排放。实际使用中发现圆形喷片有较严重滴液现象，对炉壁产生腐蚀，危害设备。现研发设计一种新型喷枪，解决喷头堵塞、喷头滴液问题。

4 新型SNCR脱硝喷枪研发

4.1 喷头的雾化机理

喷头喷出的液体，要使其雾化，就是要克服液体分子之间的表面张力，使得液体以较小的颗粒状分离开。

按照雾化方式的不同，雾化机理可分为机械雾化，介质雾化，超声波雾化，静电雾化等，其中介质雾化常用的雾化介质是空气，蒸汽等气体，也称为空气雾化。常见的机械雾化有直射式喷嘴，压力式喷嘴和旋转雾化器。介质雾化则是利用低速的液体和高速气体之间的速度差，将液体撕裂，达到雾化效果。

4.2 新型喷枪研发

尿素溶液罐放置高位自流式SNCR脱硝，尿素溶液由高度差产生的势能自流到SNCR喷枪，尿素溶液压力较低，因此新型喷枪设计采用空气雾化，利用高压压缩空气产生高速气流将尿素溶液剪切、撕裂，达到雾化效果。

初步设计喷枪如图1所示。

图1 初步设计喷枪示意图

图1 说明：1、压缩空气第一入口；2、第一压缩空气管；3、尿素溶液入口；4、尿素溶液管、5、进液孔；6、压缩空气第二入口；7、气液混合管；8、第二压缩空气管；9、第二压缩空气管射入口；10、喷枪出口。

尿素溶液进液孔5靠近第一压缩空气管2末端，进液孔有8个，沿圆周均匀分布。第二压缩空气管射入口9位于气液混合管7尾部，第二压缩空气管射入口有8个。第二压缩空气管射入口9与气液混合管7形成夹角，夹角为45°。气液混合管7的直径为13mm，压缩空气管射入口9与喷枪出口10的距离为16mm，此距离设定条件是能使压缩空气管射入口9射出的高速气流在气液混合管7的末端管壁上形成反射。

具体的工作流程为：压缩空气由压缩空气第一入口1进入，在第一压缩空气管2末端高速喷出；尿素溶液由尿素溶液入口3进入，流经尿素溶液管4，进液孔5与第一入口的压缩空气两相混合。第一压缩空气管2喷出高速气流，使气液混合管7在进液孔5处形成一定真空度，对尿素溶液产生吸力作用，在气液混合管7中尿素溶液与压缩空气不断撞击剪切，使液滴不断雾化。压缩空气管射入口9高速射出的高速气流对气液混合管7中已经雾化的液滴进行撞击剪切，进行二次雾化，高速气流在气液混合管7的末端管壁上反射对雾化液滴再次撞击、剪切，进行三次雾化，尿素溶液经三次雾化后从喷枪出口喷出。

经试验验证，新设计喷枪尿素溶液雾化效果较好，喷射角度较大，无滴液现象；但压缩空气耗量较大，同时因雾化液滴较细导致射程较近。喷射效果如图2。

图2 喷射效果

4.3 新型喷枪结构改进

根据试验，将新型喷枪进行改进，主要以下几个方面：将喷枪出口端9、10与本体切割开变更为喷枪本体与喷头两部分的组合结构，喷枪本体与喷头采用螺纹连接。将压缩空气进口改为一个进口；压缩空气管射入口与气液混合管夹角由45度改为30度；压缩空气管射入口与喷枪出口的距离由16mm改为20mm。

改进后喷枪如图3。

图3 改进后喷枪示意图

图3说明：1、尿素溶液入口；2、压缩空气入口；3、尿素溶液管；4、压缩空气管；5、连接部；6、进液孔；7、压缩空气管射入口；8、气液混合管；9、喷枪出口

尿素溶液由尿素溶液入口1进入，流经尿素溶液管3，进液孔6进入气液混合管8。压缩空气由压缩空气入口2进入，流经压缩空气管4，经压缩空气管射入口7高速射入气液混合管8。压缩空气管射入口7高速射出的气流使气液混合管8在进液孔6处局部形成一定的真空度，对尿素溶液起吸力作用，高速气流对进液孔6吸入的液滴进行高速剪切、撞击，将液滴雾化，高速气流在气液混合管8的管壁上反射对细小液滴再次进行撞击、剪切，再次雾化，雾化后的尿素溶液经喷枪出口9高速喷出。

改进后的新型SNCR喷枪，射程与雾化颗粒均可满足使用需求，同时新型SNCR喷枪可有效改善喷头堵塞、滴液问题，避免了还原剂对炉壁的腐蚀。新型喷枪与圆形喷片喷射雾化效果对比如下。新型喷枪见图4，圆形喷片见图5（由图可见喷头下面有滴液现象）。

图4 新型喷枪效果

图5 圆形喷片

5 结语

新研制的SNCR喷枪，利用高速气体将尿素溶液撞击、剪切成细小雾滴，高速气液混合体再高速撞击喷嘴内壁，再一次进行机械撞击雾化，形成更小的雾化颗粒，使雾化效果更均匀，表面积更大，反应更充分。新型SNCR喷枪可有效改善喷头堵塞、滴液问题，避免了因喷头堵塞造成烟气氮氧化物排放不稳定，甚至超标的问题；改善了喷头滴液导致尿素溶液对炉壁的腐蚀问题。同时新型SNCR喷枪均匀，液滴总表面积大，脱硝效率高反应更充分，可有效提高脱硝效率，降低尿素使用量，经济效益显著。