论SNCR脱硝技术的缺陷与解决措施

郭健

（广东博德精工建材有限公司，佛山528000）

1 前言

自2013年9月份国务院颁布的“大气十条”以来，各省、市政府持续发力推动空气质量向好的方向前行。作为地处佛山的陶瓷行业而言，经历了最为严格的2014年度陶瓷行业废气综合整治任务和近年持续不断的各级环保督查，环保时刻保持高压态势。2017年，佛山陶瓷行业氮氧化物污染物限额标准由180 mg/m3降至100 mg/m3，为能达标，陶瓷企业大多引入了选择性非催化还原（SNCR）烟气脱硝技术。SNCR烟气脱硝技术是成熟的经济的烟气脱硝技术，具有投资少、运行费用低、周期短等优点，但存在氨逃逸二次污染及腐蚀设备等缺陷。因此，本文通过分析SNCR脱硝技术氨逃逸产生具体原因，并提出切实可行的措施加以控制，以减少氨逃逸二次污染、降低运行成本及避免设备的腐蚀。

2 SN CR脱硝技术氨逃逸产生原因分析

SNCR法是把含有NHX基的还原剂，喷入炉膛温度为850～1100℃区域，该还原剂迅速热分解为NH3，并与NOX进行SNCR反应生成N2和H2O。目前主要采用氨或尿素作为还原剂，其化学反应如下：

该法脱硝效率在30～80%不等，脱硝效率的低下将会直接影响氨逃逸的产生，且由于氨具有腐蚀性，过多的氨逃逸会腐蚀设备，因此，必须实时保证脱硝效率在高点。经研究发现，脱硝效率或氨逃逸主要与喷入点的烟气温度、自动控制水平有关。因此，通过CFD模拟，发现温度对氨逃逸的影响如下图：

图1 温度与氨逃逸的关系

上述模拟表明：当温度小于900℃时，氨逃逸随着温度的降低迅速增大；当温度大于900℃后，氨逃逸则迅速减少，并随着温度的增大逐步趋于最低水平。

当然，若氨喷入量与烟气工况条件未能实时匹配，比如，氨氮摩尔比增大或喷射不均等均会造成氨逃逸的增加。此类影响均可归为自动控制水平不够，未能根据实际工况条件进行匹配氨喷入量等。

因此，下面将重点从喷入点的精确选取和精细化自动控制两大方面阐述如何有效控制氨逃逸。

3 控制措施一：喷入点的精确选取

理论上SNCR烟气脱硝技术的反应温度窗为850～1100℃，无论喷入点的烟气温度低于还是高于反应温度窗，均会造成脱硝效率低下、氨逃逸的迅速增加及腐蚀设备。为进一步获取最佳的喷入点温度，采用CFD模拟温度对脱硝效率的影响，其关系曲线图2所示：

图2 温度与脱硝效率的关系曲线图

为进一步验证上述模拟结果，以陶瓷行业原料制粉工序一座5000型喷雾塔热风炉为例，热风炉燃料为水煤浆，在热风炉中轴线上从水煤浆喷枪处往上依次在1.5 m、3.3 m、4.8 m处取喷入点，并在喷入点处各安装一支尿素溶液喷枪，伸入塔内距离一致。脱硝测试结果如下表1。

从实验结果来看，SNCR脱硝存在最佳的反应温度窗，结合模拟结果，可得出最佳的反应温度窗应该在950～1030℃。考虑到脱硝剂采用尿素溶液，喷入的尿素溶液首先得吸取部分热量进行分解成NH3，因此，最佳的喷入点烟气温度应该适当调高些，在970～1030℃之间最为合理。

实际选择喷入点位置时，应结合设备工况，因当生产产品结构发生较大变动时，应重新选择喷入点。如熔块窑，生产不同产品所需的温度差异较大（1350～1600℃不等），造成熔块窑蓄热室中的烟气温度波动较大。因此，建议在安装点安装温度监控，当监控温度离开最佳的反应温度窗，应结合实际情况考虑是否在不同位置加装喷氨喷头与温度监控，以便根据实际生产情况进行切换喷氨喷头系统。

4 控制措施二：精细化自动控制

控制氨逃逸的另一关键措施是精细化自动控制，它能够让喷氨量实时与烟气工况相匹配，使得氨逃逸水平降到最低（小于8 ppm）。精细化自动控制包括三部分：脱硝剂制备与存储系统、自动增压输送控制系统和良好的喷射系统，示意图如图3。

4.1 脱硝剂制备与存储系统

此系统的关键在于能够稳定提供恒定浓度的脱硝剂溶液，首先将脱硝剂（尿素）加入定量加药罐中，配置一定浓度的脱硝剂溶液（具体比例依据实际情况确定）并加以搅拌均匀，再通过PLC液位执行程序自动控制水泵给药至使用罐。

表1 1座5000型喷雾塔脱硝测试结果

4.2 自动增压输送控制系统

自动增压输送控制系统是整个精细化自动控制的核心，其目的就是采用烟气在线监控氮氧化物实时数据来控制脱硝剂喷入量，以实时匹配烟气实际工况。首先从烟气在线监控实时数据中取得氮氧化物实测值信号和氧含量实测值信号（信号一般为4～20 mA的电流信号），并送至PLC中；其次通过人机界面设定氮氧化物折算值控制范围（80～95 mg/m3）、偏差量报警值等；最后由PLC执行程序输出变量至变频器控制脱硝增压泵流量，以达到最佳的氨喷入量。这里需说明的是变频器小于一定频率后，会出现喷雾压力不够，因此，需根据实际情况确定变频器下限频率。以下为一座5000型水煤浆喷雾塔脱硝自动控制电路设计图（见图4，共3张）。

图3 SNCR脱硝精细化控制系统

图4 SNCR脱硝精细化控制系统电路设计图（共3张）

4.3 优良的喷射系统

好的喷射系统不仅要求喷枪雾化效果（包含喷射覆盖面恰当、均匀雾化等）突出，而且要求做好喷枪的耐热保护（一般情况均在喷枪外加一套筒进行保护）。这里建议在喷枪前面增加电接点压力表与自动滑动模块，当电接点压力表低于某一压力时即探测到喷枪前存在管道堵塞时，喷枪可自动退出高温设备。

4.4 测试结果

对脱硝系统进行精细化控制后，脱硝剂（尿素）的使用量降低约1/3，原先1座5000型水煤浆喷雾塔一个班需加500 kg尿素才能确保氮氧化物均值小于100 mg/m3，改造后同一批次水煤浆燃料条件下一个班只需330 kg尿素即可满足要求，且改造后测取氨逃逸数据为6.8 ppm、脱硝效率为67%。具体数据见表2。

表2 1座5000型喷雾塔改造后脱硝测试结果

5 结论

针对SNCR脱硝技术分析其氨逃逸产生主要原因，采取精准的温度（970～1030℃）与选取精细的自动控制可以有效降低氨逃逸（基本不超过8 ppm）、提高脱硝效率（＞65%），同时避免因过量的氨逃逸导致设备的腐蚀等。

参考文献

[1]王纯,张殿印.废气处理工程技术手册 [M].化学工业出版社,2013.

[2]李穹,吴玉新,杨海瑞,等.SNCR脱硝特性的模拟及优化[J].化工学报,2013,64(5)：1789-1796.

[3]段传和.选择性非催化还原法(SNCR)烟气脱硝[M].中国电力出版社,2012.

[4]周晓猛.烟气脱硫脱硝工艺手册[M].化学工业出版社,2016.