SNCR脫硝技術(shù)在陶瓷行業(yè)的應(yīng)用
摘要：選擇性非催化還原脫硝（SNCR）技術(shù)因其系統(tǒng)簡(jiǎn)單、操作方便、運(yùn)行成本低等優(yōu)勢(shì)，在中小窯爐中得到了較為廣泛的應(yīng)用，但在陶瓷煙氣治理中還未見(jiàn)報(bào)道。以SNCR技術(shù)在某陶瓷行業(yè)的應(yīng)用為例，介紹和分析了SNCR脫硝技術(shù)、系統(tǒng)組成模塊化以及反應(yīng)溫度、氨氮摩爾比、混合程度、停留時(shí)間等關(guān)鍵因素對(duì)脫硝效率的影響，為類似的工程設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。
2013年以來(lái)，我國(guó)霧霾天氣持續(xù)嚴(yán)重，嚴(yán)重威脅著人民群眾的身體健康，成為迫切需要解決的環(huán)境問(wèn)題，從中央政府到地方政府不斷加大了對(duì)治霾、工業(yè)生產(chǎn)節(jié)能減排工作的力度。2013年9月10日，國(guó)務(wù)院發(fā)布了《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，再度對(duì)工業(yè)企業(yè)大氣環(huán)境治理提出了具體要求。建筑衛(wèi)生陶瓷工業(yè)屬于原料消耗型、燃料消耗型產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)排放大量的二氧化硫、氮氧化物及粉塵等污染物。2010年開(kāi)始執(zhí)行的《陶瓷工業(yè)污染物排行標(biāo)準(zhǔn)》（GB25464-2010）[1]對(duì)噴霧塔、燒成窯的污染物排放指標(biāo)提出了嚴(yán)格要求。2014年4月1日開(kāi)始實(shí)施的《建筑衛(wèi)生陶瓷行業(yè)準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)》再次明確了粉塵、二氧化硫、氮氧化物等主要污染物的排放要求。
選擇性非催化還原（SelectiveNon-CatalyticReduction，簡(jiǎn)稱SNCR）脫硝是一種成熟的NOx控制處理技術(shù)，系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，脫硝效率能達(dá)到50%，已在水泥行業(yè)得到了較廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)關(guān)于陶瓷煙氣脫硝的研究報(bào)道甚少，文章以某陶瓷企業(yè)的SNCR脫硝系統(tǒng)為例，介紹了SNCR技術(shù)、系統(tǒng)組成模塊化以及反應(yīng)溫度、氨氮摩爾比、混合程度、停留時(shí)間等關(guān)鍵因素對(duì)脫硝效率的影響，為陶瓷行業(yè)的SNCR脫硝提供指導(dǎo)和借鑒。
1脫硝機(jī)理
SNCR脫硝技術(shù)是把爐膛作為反應(yīng)器，在沒(méi)有催化劑的條件下，將還原劑氨水（質(zhì)量濃度20%～25%）或尿素經(jīng)稀釋后通過(guò)霧化噴射單元噴入熱風(fēng)爐或隧道窯內(nèi)合適的溫度區(qū)域（850℃~1050℃），霧化后的還原劑將NOx（NO、NO2等混合物）還原，生成氮?dú)夂退瑥亩_(dá)到脫除NOx的目的。還原NOx的主要化學(xué)反應(yīng)為：
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O
2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O
上述反應(yīng)中第一個(gè)反應(yīng)是主要的、占主導(dǎo)地位，因?yàn)闊煔庵袔缀?5%的NOx以NO的形式存在，在沒(méi)有催化劑存在的情況下，這個(gè)反應(yīng)只在很狹窄的溫度窗口（850℃~1050℃）進(jìn)行，表現(xiàn)出選擇性，此時(shí)的反應(yīng)就是SNCR的溫度范圍。
2系統(tǒng)模塊化
通常使用氨水、尿素作為還原劑，氨水的反應(yīng)更直接，有著較高的NOx去除率、較低的氨逃逸和較高的化學(xué)反應(yīng)效率；尿素反應(yīng)更復(fù)雜，有著較高的氨逃逸率和較高的CO生成量。根據(jù)這兩種還原劑的理化性質(zhì)，綜合考慮其運(yùn)輸、儲(chǔ)存環(huán)境以及設(shè)備投資、占用場(chǎng)地、運(yùn)行成本、安全管理及風(fēng)險(xiǎn)費(fèi)用等因素，該企業(yè)采用氨水做還原劑。SNCR脫硝系統(tǒng)主要由氨水接收與儲(chǔ)存系統(tǒng)、水輸送與混合系統(tǒng)、計(jì)量分配與噴射系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)等組成，這些系統(tǒng)采用撬裝一體化設(shè)備生產(chǎn)，形成模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，從而提高系統(tǒng)集成和設(shè)備可靠性，減少現(xiàn)場(chǎng)加工制作，縮短工期，降低成本。SNCR脫硝工藝流程見(jiàn)圖1。
2.1氨水接收與儲(chǔ)存系統(tǒng)
外購(gòu)的還原劑運(yùn)輸至廠區(qū)后，通過(guò)管道連接到預(yù)留接口，然后開(kāi)啟入口閥，完全打開(kāi)后，啟動(dòng)卸氨泵，延時(shí)30s后，開(kāi)啟泵的出口閥將槽罐車內(nèi)的氨水輸送至氨水儲(chǔ)罐中。根據(jù)氨水儲(chǔ)罐的液位反饋，到達(dá)一定液位或者罐車的氨水輸送完成時(shí)，關(guān)閉卸氨泵的出口閥，然后停止卸氨泵，再關(guān)閉入口閥。
由于罐區(qū)的占地面積較大，根據(jù)場(chǎng)地的實(shí)際情況綜合考慮。罐區(qū)主要布置氨水儲(chǔ)罐、氨氣吸收罐和稀釋水罐，氨水儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)滿足3天脫硝系統(tǒng)用量要求。為避免罐內(nèi)過(guò)壓或真空，罐頂安裝呼吸閥；儲(chǔ)罐設(shè)液位、溫度監(jiān)測(cè)，通過(guò)液位變送器實(shí)現(xiàn)就地及遠(yuǎn)程連續(xù)監(jiān)測(cè)。由于氨水易揮發(fā)，氨水儲(chǔ)罐內(nèi)的氨蒸氣通過(guò)呼吸閥、中間連通管道連接至氨氣吸收罐，氨蒸氣可被水吸收，防止氨氣泄露。罐區(qū)上方設(shè)有擋棚，四周敞開(kāi)；罐區(qū)四周設(shè)有混凝土圍堰及排水溝，防止氨水泄漏時(shí)向罐區(qū)四周廠區(qū)溢流擴(kuò)散。氨水接收系統(tǒng)模塊見(jiàn)圖2。
2.2氨水輸送與混合系統(tǒng)
來(lái)自罐區(qū)的氨水和稀釋水分別通過(guò)輸送泵輸送至混合系統(tǒng)，從而最終被輸送至噴射系統(tǒng)。氨水輸送系統(tǒng)主要由兩臺(tái)多級(jí)離心泵、回流控制系統(tǒng)、壓力和流量檢測(cè)系統(tǒng)及相應(yīng)閥組組成。稀釋水輸送泵及其控制系統(tǒng)所含設(shè)備與氨水相同。整個(gè)系統(tǒng)布置在罐區(qū)附近，與罐區(qū)共用防護(hù)棚。
由于外購(gòu)氨水濃度相對(duì)較高，為提高氨水的利用效率，需對(duì)氨水加水稀釋。氨水和稀釋水分別由兩個(gè)獨(dú)立管路進(jìn)入混合系統(tǒng)，且兩流體的流量可根據(jù)實(shí)際所需噴氨量進(jìn)行任意濃度的調(diào)配，最終被同時(shí)輸送至靜態(tài)混合器內(nèi)，利用靜態(tài)混合器的強(qiáng)湍流擾動(dòng)特性，將氨水與稀釋水充分混合均勻。氨水輸送和混合系統(tǒng)模塊見(jiàn)圖3。
2.3計(jì)量分配和噴射系統(tǒng)
通過(guò)壓力、流量計(jì)等儀表的信號(hào)反饋，進(jìn)入噴槍的稀氨水通過(guò)控制計(jì)量氨水輸送和混合系統(tǒng)上的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥來(lái)自動(dòng)控制稀氨水流量分配，精確控制分配到每支噴槍的還原劑和壓縮空氣的壓力及流量。計(jì)量分配單元模塊見(jiàn)圖4。
噴槍是噴射系統(tǒng)的核心，也是整個(gè)SNCR噴氨系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。噴槍應(yīng)能適應(yīng)不同的稀氨水的流量，在流量變化幅度較大時(shí)也能保持良好的霧化效果。噴槍采用雙流體（壓縮空氣和還原劑溶液）內(nèi)部混合，壓縮空氣作為霧化和冷卻介質(zhì)，通過(guò)冷卻風(fēng)對(duì)保護(hù)套管進(jìn)行冷卻確保噴槍不在高溫、高粉塵條件下?lián)p壞和堵塞。該熱風(fēng)爐設(shè)有3支霧化噴槍，為提高脫硝反應(yīng)的效率，3只噴槍圍繞窯爐周向?qū)ΨQ均布，計(jì)量分配后的稀氨水經(jīng)壓縮空氣霧化后噴入爐內(nèi)，霧化角大約為30°，液滴的初速度由液體總流量確定，液滴粒徑可以通過(guò)霧化壓力調(diào)節(jié)，平均粒徑為100μm，粒徑呈Rosin-rammler分布[2]。整個(gè)噴射系統(tǒng)具有自反饋和自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，通過(guò)在線監(jiān)測(cè)出口NOx排放值，利用反饋系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制氨水噴射量，在保證脫氮效率前提下減少系統(tǒng)運(yùn)行成本。脫硝噴槍示意見(jiàn)圖5。
2.4壓縮空氣系統(tǒng)
采用廠區(qū)自有壓縮空氣氣源作為還原劑噴射系統(tǒng)和儀用壓縮空氣氣源，通過(guò)壓力調(diào)節(jié)和流量控制模塊控制空氣壓力和流量，滿足還原劑噴射系統(tǒng)和氣動(dòng)設(shè)備需要。壓縮空氣系統(tǒng)模塊見(jiàn)圖6。
2.5PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)
采用獨(dú)立的PLC控制系統(tǒng)，以確定SNCR脫硝系統(tǒng)所的還原劑、稀釋水和壓縮空氣用量，實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)噴氨量的自動(dòng)調(diào)節(jié)，脫硝系統(tǒng)能跟隨負(fù)荷變化，使脫硝系統(tǒng)長(zhǎng)期、可靠地安全運(yùn)行。根據(jù)出口NOx濃度在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的信號(hào)反饋，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到出口濃度與設(shè)定值不符時(shí)，在自動(dòng)模式時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整還原劑的噴射量使NOx濃度穩(wěn)定在設(shè)定值范圍內(nèi)；手動(dòng)模式時(shí)可直接手動(dòng)調(diào)節(jié)還原劑噴射量，以達(dá)到所要求的NOx脫除率和較低的氨逃逸率。
2.6安全防護(hù)系統(tǒng)
罐區(qū)周邊設(shè)有氨氣泄漏檢測(cè)儀，以檢測(cè)氨氣的泄漏，并顯示大氣中氨的濃度，同時(shí)氨水罐設(shè)置溫度變送器，以檢測(cè)氨水罐實(shí)時(shí)溫度。當(dāng)檢測(cè)儀測(cè)得大氣中氨濃度過(guò)高或者氨水罐溶液溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)發(fā)出警報(bào)，并聯(lián)鎖開(kāi)啟緊急噴淋系統(tǒng)以吸收泄漏的氨氣和冷卻氨水罐。
另外氨水儲(chǔ)存區(qū)配置一套緊急救護(hù)安全防護(hù)用品—洗眼器，當(dāng)作業(yè)者身體部位接觸氨水溶液或者發(fā)生火災(zāi)引起工作人員衣物著火時(shí)，洗眼器可以進(jìn)行緊急沖洗或者沖淋，避免對(duì)人體造成進(jìn)一步傷害。氨水儲(chǔ)存廠房配置照明，并采取防雷、接地措施。
3關(guān)鍵因素
SNCR脫硝的關(guān)鍵主要取決于反應(yīng)溫度、氨氮摩爾比NSR、混合程度、停留時(shí)間等，還原劑噴射在合適的溫度窗口，噴入的還原劑與煙氣中的NOx充分反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)較高的脫硝效率，降低還原劑的耗量和殘余氨逃逸。
3.1反應(yīng)溫度
在SNCR反應(yīng)中，溫度是影響NOx脫除率的重要因素，SNCR具有一個(gè)最佳的反應(yīng)溫度窗口。氨水、尿素還原NOx的過(guò)程是還原劑還原與還原劑氧化兩類反應(yīng)相互競(jìng)爭(zhēng)、共同作用的結(jié)果，溫度過(guò)高時(shí)還原劑的氧化反應(yīng)占主導(dǎo)，還原劑易被氧化成NO，會(huì)增加NOx的濃度；反應(yīng)溫度過(guò)低時(shí)還原反應(yīng)不充分，反應(yīng)速率慢，反應(yīng)效率會(huì)降低，且會(huì)造成還原劑逃逸（NH3slip），對(duì)下游設(shè)備產(chǎn)生不利的影響甚至產(chǎn)生新的污染。還原劑氨水和尿素在不同爐溫下的脫硝效率見(jiàn)圖7。
由圖7可看出，相同條件下，氨水將在相對(duì)稍低的最佳脫硝溫度下達(dá)到比尿素溶液更高的最佳脫硝效率，尿素溶液的脫硝溫度范圍整體上要比氨水的脫硝溫度范圍稍偏向高溫方向。通常認(rèn)為使用尿素作為還原劑的SNCR最佳反應(yīng)溫度為960℃[3]，而氨水的最佳反應(yīng)溫度較尿的稍低。由此可見(jiàn)，還原劑噴射位置的確定對(duì)SNCR系統(tǒng)十分關(guān)鍵。不恰當(dāng)?shù)膰娚湮恢脮?huì)造成殘余氨的逃逸增加、還原劑用量增加且達(dá)不到所要求的脫硝效率。一般而言，還原劑噴射位置的確定需要通過(guò)流場(chǎng)模擬或通過(guò)安裝溫度傳感器測(cè)試爐內(nèi)溫度分布來(lái)確定；流場(chǎng)模擬會(huì)模擬爐內(nèi)溫度、氣體流動(dòng)和煙氣混合情況，溫度傳感器可實(shí)測(cè)出爐內(nèi)不同高度、不同區(qū)域的溫度分布情況，以此來(lái)確定合適的噴射位置。
3.2氨氮摩爾比
氨氮摩爾比（NormalizedStoichiometricRatio，簡(jiǎn)稱NSR）是指噴入的還原劑所含的氨基量與初始NOx含量之間的摩爾比值。合適的NSR是保證脫硝效率的關(guān)鍵因素，由于實(shí)際的化學(xué)反應(yīng)比較復(fù)雜，為保證脫硝效率，在實(shí)際反應(yīng)中要注入多于理論量的還原劑。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[4]，當(dāng)NSR＜1.6時(shí)，脫硝效率隨NSR增加提高明顯，NSR增加0.2，脫硝效率提高約6%；但當(dāng)NSR超過(guò)1.6，脫硝效率提高不到2%，增長(zhǎng)趨勢(shì)趨于緩慢，繼續(xù)增加NSR對(duì)提高脫硝效率的貢獻(xiàn)很小，這是由于一方面爐內(nèi)NOx量有限，在一定的混合條件下，局部反應(yīng)已趨于飽和，NSR繼續(xù)增大對(duì)NOx的脫除效果逐漸減弱。另一方面，氨逃逸量是隨著NSR的增大而增加。因此，應(yīng)選用合適的NSR，以期在保證較高的NOx去除率的同時(shí)，降低氨的逃逸量。NSR對(duì)NOx脫硝效率的影響見(jiàn)圖8。
3.3混合程度
還原劑噴入到爐內(nèi)后，要求還原劑與NOx在很短的時(shí)間內(nèi)很好地混合并完成反應(yīng)，否則還原劑會(huì)流動(dòng)到較低的溫度區(qū)域而降低還原NOx的反應(yīng)程度。所以噴槍的霧化效果及噴霧的覆蓋面積就決定了NOx去除率。噴槍的霧化顆粒并不是越細(xì)越好，顆粒大小應(yīng)適中。顆粒太細(xì)，則穿透性太差，會(huì)降低脫硝效率；顆粒太粗，則顆粒的總體表面積太小，也會(huì)降低脫硝效率，而且太大的顆粒，由于煙氣流速較快，會(huì)導(dǎo)致噴霧顆粒不能在短時(shí)間內(nèi)氣化完全，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生滴液，導(dǎo)致?tīng)t膛爆管。最佳顆粒粒徑約為100μm。
3.4停留時(shí)間
停留時(shí)間是指反應(yīng)物在爐內(nèi)停留的總時(shí)間。在此時(shí)間內(nèi)，還原劑與煙氣混合、還原劑中水分蒸發(fā)、還原劑分解和NOx還原等步驟必須完成；停留時(shí)間的大小取決于爐內(nèi)氣路的尺寸和煙氣流經(jīng)氣路的氣速。在SNCR反應(yīng)過(guò)程中，需要有充足的停留時(shí)間，以保證還原劑與煙氣充分混合。還原劑在最佳反應(yīng)溫度區(qū)域的停留時(shí)間越長(zhǎng)，則脫除NOx的效果越好。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，有效脫除NOx需要氨水停留0.7~1s的時(shí)間。
4結(jié)語(yǔ)
（1）SNCR工藝流程簡(jiǎn)潔、操作方便，是一種成熟的煙氣脫硝技術(shù)，采用撬裝一體化設(shè)備生產(chǎn)，形成模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，提高系統(tǒng)集成和設(shè)備可靠性，減少現(xiàn)場(chǎng)加工制作，縮短工期，降低成本。雖然相對(duì)于SCR脫硝技術(shù)而言，其脫硝效率較低。但是，由于其投資和運(yùn)行成本低，在小容量鍋爐、窯爐上可以做到較高的脫硝效率，綜合性價(jià)比較高。
（2）為獲得較高脫硝率，SNCR噴槍噴入還原劑的最佳溫度窗口在950℃~1000℃，溫度過(guò)低時(shí)還原反應(yīng)不充分，反應(yīng)效率會(huì)降低，還會(huì)造成還原劑逃逸增多，而溫度過(guò)高將加劇還原劑的氧化反應(yīng)，增加NOx的濃度；隨著NSR的增大，脫硝率增加，當(dāng)NSR＞1.6后，繼續(xù)增大NSR對(duì)提高脫硝效率的作用較；還原劑與NOx的充分混合以及適當(dāng)粒徑的霧化顆粒都有益于脫硝效率的提高，同時(shí)保證了反應(yīng)物在最佳反應(yīng)溫度區(qū)域內(nèi)有充足的停留時(shí)間，有利于NOx的脫除。
（3）氨逃逸量則是隨著NSR的增大而增加，隨著反應(yīng)溫度的升高而降低；在理想的溫度窗口，氨逃逸量隨著混合程度的改善及停留時(shí)間的延長(zhǎng)而呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，且逃逸的還原劑大部分被飛灰吸附。
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