垃圾焚燒爐SNCR脫硝效率的影響因素及建議
摘要：SCNR脫硝效率的影響因素有:溫度、NH3/NOx混合度.分析了NH3/NOx混合度的影響因素.結合垃圾焚燒爐SNCR脫硝工程的實際經驗數據,研究了溫度對脫硝效率的影響,并提出相應的對策.
引言
SNCR（SelectiveNon-CatalyticReduction）脫硝技術于20世紀70年代起源于日本，80年代末在歐盟國家開始工業應用，90年代初進入美國。該技術由丹麥FLOW.VISION有限公司引入我國，隨后美國燃料科技、德國ERC等公司紛紛進入中國推廣。SNCR脫硝技術具有改造工期短、改造難度小、投資少等優點，是一種經濟環保的脫硝技術，目前，已在我國工業經濟中廣泛應用及發展。
1原理
SNCR脫硝技術是在一定的（一般是800°C～1000°C）煙氣條件下，向煙氣中噴入脫硝還原劑。在高溫條件下，還原劑迅速地分解成NH3，同時與煙氣中的NOx發生氧化還原反應，將NOx還原成N2與H2O蒸汽。該技術采用的脫硝還原劑一般為氨水和尿素2種。氨水作為還原劑時，噴射入高溫煙氣后，迅速氣化成NH3和H2O蒸汽。主要化學反應為：
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O
4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O
采用尿素作為還原劑時，噴射入高溫煙氣后，先分解為NH3，同時與煙氣中的NO發生氧化還原反應。主要化學反應為：
2CO(NH2)2+4NO+O2→4N2+2CO2+4H2O
6CO(NH2)2+8NO2+O2→10N2+6CO2+12H2O
2溫度的影響分析
以各行業SNCR脫硝工程實例為基礎，在NH3/NOx混合均勻程度完全相同的前提下，分析不同情況下的溫度對脫硝的影響。
2.1不同還原劑的最佳反應溫度
不同還原劑需要的SNCR脫硝溫度不盡相同。以重慶市某600t/d垃圾焚燒鍋爐和大連市某500t/d垃圾焚燒鍋爐為例。其中，重慶項目還原劑為尿素，大連項目的還原劑為氨水。
重慶項目：在鍋爐負荷控制在80%，噴射入爐膛的尿素溶液（40%，w/w）控制在49.3kg/h，混合液總量控制在450kg/h時，每隔1min，記錄一次SNCR脫硝系統的運行參數（氨逃逸率均為0mg/Nm3）。
大連項目：在鍋爐負荷控制在65%～75%，噴射入爐膛的氨水（20%，w/w）控制在30kg/h，混合液總量控制在180kg/h時，每隔1min，記錄一次SNCR脫硝系統的運行參數（氨逃逸率均為5～6mg/Nm3）。
根據測算CEMS檢測點與噴槍的距離，噴射點（脫硝反應點）至CEMS的時間約3min，扣除時間上的延遲后，測試結果如圖1。
圖1表明，在鍋爐負荷和還原劑噴入量均不變的情況下，氨水作為還原劑，NOx的排放量谷值所對應的煙氣溫度約825°C；尿素作為還原劑時，NOx的排放量谷值所對應的煙氣溫度約930°C。
SNCR脫硝系統比較適宜的反應溫度區域為800°C～1000°C，即脫硝反應效率較高的溫度區間。其中，氨水利用率較高的溫度區間為800°C～870°C；尿素利用率較高的溫度區間為870°C～970°C。當溫度低于該區間時，反應不徹底，即未參加反應的NH3增加，使得NH3逃逸率增加，會產生二次污染；當反應溫度高于該區間時，NH3的氧化反應占主導，增加了還原劑的消耗量，即脫硝效率下降。
2.2還原劑相同，不同溫度對脫硝效率的影響
以大連市某500t/d垃圾焚燒鍋爐為例，在鍋爐負荷控制在65%～75%，噴射入爐膛的氨水（20%，w/w）控制在30kg/h，混合液總量控制在180kg/h時，每隔1min，記錄一次SNCR脫硝系統的運行參數。結果如圖2。
圖2表明，在鍋爐負荷不變，噴入鍋爐的氨水量和稀釋水量均不變的情況下，煙氣溫度在825°C時，NOx的排放濃度最低。煙氣溫度偏高或偏低，NOx的濃度均升高。NH3逃逸率值穩定地控制在6mg/Nm3以下。
1）區間一：780°C～825°C內，隨著溫度升高，NOx的濃度降低。主要是因為溫度的升高，脫硝反應加劇，越來越多的NH3與NOx發生反應，而降低NOx
的濃度。
（2）區間二：825°C～880°C內，隨著溫度的升高，NOx的濃度升高。主要原因有：1）溫度升高，NH3與NOx的反應減弱，NOx的排放濃度升高；2）煙氣溫度的升高，局部會產生NOx，同樣會增加NOx的濃度。
氨逃逸率穩定地控制在6mg/Nm3，而噴氨量不變，說明參與反應的NH3量基本不變，即NH3的利用率不變。
“區間一”的斜率的絕對值，比“區間二”的要低，說明“區間二”內所產生的NOx濃度高于區間一。即溫度越高，產生NOx的速度越快。
NH3逃逸率一直處于5～6mg/Nm3，說明煙氣中有部分NH3未與NOx發生反應，而直接隨煙氣一起排入大氣。可能是由噴槍霧化的分布不均勻導致。
2.3負荷不變，溫度升高對脫硝效率的影響
由于垃圾的熱值不同（特別是垃圾焚燒爐），在垃圾投料量不變的情況下，爐膛內溫度會出現波動。以大連市某500t/d垃圾焚燒鍋爐為例。該系統噴槍設置為前墻2支、側墻各2支，共6支。運行時全部啟用。
在鍋爐負荷80%不變，即垃圾投料量保持不變的情況下，設定噴射入氨水耗量25kg/h不變，測試不同溫度條件下，通過調節混合液總量，使NOx的排放值控制在200mg/Nm3以下。
圖3顯示了煙氣溫度與混合液總量的關系。趨勢表明：在鍋爐負荷不變情況下，煙氣溫度升高時，增加混合液的總量，可使NOx排放值保持不變。
根據程序控制原理：混合液總量=噴氨量+稀釋水量。在噴氨量不變的情況下，混合總量增加，體現為稀釋水量的增加，噴射入爐膛內的氨水濃度變低混合液總量的增加，說明每支噴槍的流量增加。在噴槍的設計出力下，流量增加后，噴槍霧化的液滴粒徑會增加，液滴在高溫煙氣中的氣化時間增加。因此，液滴在氣化的過程中，隨煙氣向上流動至溫度稍低的區域，氣化后的NH3與NOx在溫度稍低的區域，發生氧化還原反應。
3NH3/NOx混合度
NH3與煙氣（NOx）的混合是通過噴槍實現。NH3與煙氣（NOx）混合得越充分，發生氧化還原反應后，NH3的利用效率越高，脫硝效率也越高，反之越低。SNCR脫硝還原劑（氨水或尿素溶液），均是以液態形式噴射入煙氣中，通過噴槍，將液體霧化成無數個小粒徑的液滴，均勻地分布在煙道截面上。其混合的均勻程度，與噴槍有很大關系。因此，在SNCR脫硝系統中，噴槍是最為關鍵的一個設備。
3.1噴槍布置
噴槍的布置，涵蓋兩方面：噴槍數量和噴槍的霧化形式。根據控制邏輯，正常運行時，噴入鍋爐的混合液總量（Q）不變。在一定的煙氣截面積（S）上，布置一定數量（n）的噴槍，單支噴槍的流量為（）。因此，噴槍的數量決定了每支噴槍的流量。數量越多，單支噴槍流量越小，反之越大。
不考慮煙氣自然混合的因素，使還原劑覆蓋整個煙氣截面，則每支噴槍需要覆蓋的一定截面積（）。一定的噴槍流量（）下，噴槍的不同霧化形式，脫硝的效率也不完全一樣。江寶寶等對CFB鍋爐的研究表明，在同樣噴槍數量下，扇形噴槍噴射速率比圓錐形噴槍大2.8m/s，霧化后粒徑比圓錐形噴槍小9～16μm，更有利于提高脫硝效率。
3.2噴槍霧化粒徑
噴槍霧化液滴粒徑的大小，決定了NH3與煙氣的接觸面大小。理論上來說，噴槍霧化后的液滴粒徑越小，液滴與煙氣（NOx）的接觸面越大，NH3的利用率越高，
脫硝效率越高。然而，液滴越小，質量就越小，單個液滴獲得的動量越小，其在煙氣中的阻力作用下，液滴的穿透力衰減極快，導致液滴在煙氣中的覆蓋面小。
因此，霧化后液滴的動量（粒徑大小和速率），直接影響到液滴對煙氣截面的覆蓋率。選擇合適的噴槍參數，即合適的霧化液滴的動量，成為SNCR脫硝工程成敗的關鍵。
江寶寶等對不同負荷和不同的霧化形式下，SNCR脫硝的效率進行研究，并研究了噴槍不同出力下的霧化特性。但未對霧化液滴的動量（大小、速率）與脫硝效率的關系做研究。噴槍最佳的動量（大小、速率），將是SNCR脫硝效率提升的主要研究方向。對SNCR脫硝工程的設計和效率提升，將起到很明顯的指導作用。
4結論及建議
（1）不同還原劑利用率的最佳溫度不同。氨水利用率最高時煙氣溫度約為825°C，較高的溫度區間800°C～870°C；尿素利用率最高時的煙氣溫度約為930°C，較高的溫度區間為870°C～970°C。
（2）同一還原劑在不同溫度下的利用率不一樣。在利用率最高所對應的煙氣溫度兩側，離得越遠，還原劑利用率越低。高溫區的利用率高于低溫區。
（3）當噴槍處的溫度仍高于最佳反應溫度區間時，可通過增加混合液（還原劑+稀釋水）的總量，達到較高的脫硝效率。在爐膛產生的初始NOx濃度不變的情況下，即還原劑的耗量不變，則只需通過增加稀釋水的量即可。
SNCR脫硝系統設計時，建議設置多層噴槍，以適應爐膛負荷調整時引起的溫度變化。由于爐膛內溫度呈現上低下高的分布，當高負荷時，上層噴槍處溫度適合，噴槍自動切換至上層；當低負荷時，下層噴槍處溫度適合，噴槍自動切換至下層。這樣，不論爐膛的負荷如何變化，SNCR脫硝反應點，始終處于最佳溫度區間內。
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