垃圾焚烧炉SNCR脱硝效率的影响因素及建议

雷永程，宋薇

（1.武汉武锅能源工程有限公司，武汉 430220；2.湖北永业行评估咨询有限公司，武汉 430062）

引言

SNCR（Selective Non-Catalytic Reduction）脱硝技术于20世纪70年代起源于日本，80年代末在欧盟国家开始工业应用，90年代初进入美国[1]。该技术由丹麦FLOW.VISION有限公司引入我国，随后美国燃料科技、德国ERC等公司纷纷进入中国推广。

SNCR脱硝技术具有改造工期短、改造难度小、投资少等优点，是一种经济环保的脱硝技术，目前，已在我国工业经济中广泛应用及发展。

1 原理

SNCR脱硝技术是在一定的（一般是800℃～1000℃）烟气条件下，向烟气中喷入脱硝还原剂。在高温条件下，还原剂迅速地分解成NH3，同时与烟气中的NOx发生氧化还原反应，将NOx还原成N2与H2O蒸汽。该技术采用的脱硝还原剂一般为氨水和尿素2种。

氨水作为还原剂时，喷射入高温烟气后，迅速气化成NH3和H2O蒸汽。主要化学反应为：

采用尿素作为还原剂时，喷射入高温烟气后，先分解为NH3，同时与烟气中的NO发生氧化还原反应。主要化学反应为：

2 温度的影响分析

以各行业SNCR脱硝工程实例为基础，在NH3/NOx混合均匀程度完全相同的前提下，分析不同情况下的温度对脱硝的影响。

2.1 不同还原剂的最佳反应温度

不同还原剂需要的SNCR脱硝温度不尽相同。以重庆市某600t/d垃圾焚烧锅炉和大连市某500t/d垃圾焚烧锅炉为例。其中，重庆项目还原剂为尿素，大连项目的还原剂为氨水。

重庆项目：在锅炉负荷控制在80%，喷射入炉膛的尿素溶液（40%，w/w）控制在49.3kg/h，混合液总量控制在450kg/h时，每隔1min，记录一次SNCR脱硝系统的运行参数（氨逃逸率均为0mg/Nm3）。

大连项目：在锅炉负荷控制在65%～75%，喷射入炉膛的氨水（20%，w/w）控制在30kg/h，混合液总量控制在180kg/h时，每隔1min，记录一次SNCR脱硝系统的运行参数（氨逃逸率均为5～6mg/Nm3）。

根据测算CEMS检测点与喷枪的距离，喷射点（脱硝反应点）至CEMS的时间约3min，扣除时间上的延迟后，测试结果如图1。

图1 不同还原剂的最佳反应温度

图1表明，在锅炉负荷和还原剂喷入量均不变的情况下，氨水作为还原剂时，NOx的排放量谷值所对应的烟气温度约825℃；尿素作为还原剂时，NOx的排放量谷值所对应的烟气温度约930℃。

SNCR脱硝系统比较适宜的反应温度区域为800℃～1000℃，即脱硝反应效率较高的温度区间。其中，氨水利用率较高的温度区间为800℃～870℃；尿素利用率较高的温度区间为870℃～970℃。当温度低于该区间时，反应不彻底，即未参加反应的NH3增加，使得NH3逃逸率增加，会产生二次污染；当反应温度高于该区间时，NH3的氧化反应占主导，增加了还原剂的消耗量，即脱硝效率下降。

2.2 还原剂相同，不同温度对脱硝效率的影响

以大连市某500t/d垃圾焚烧锅炉为例，在锅炉负荷控制在65%～75%，喷射入炉膛的氨水（20%，w/w）控制在30kg/h，混合液总量控制在180kg/h时，每隔1min，记录一次SNCR脱硝系统的运行参数。结果如图2。

图2表明，在锅炉负荷不变，喷入锅炉的氨水量和稀释水量均不变的情况下，烟气温度在825℃时，NOx的排放浓度最低。烟气温度偏高或偏低，NOx的浓度均升高。NH3逃逸率值稳定地控制在6mg/Nm3以下。

图2 还原剂耗量不变，不同温度条件下NOx排放情况

（1）区间一：780℃～825℃内，随着温度升高，NOx的浓度降低。主要是因为温度的升高，脱硝反应加剧，越来越多的NH3与NOx发生反应，而降低NOx的浓度。

（2）区间二：825℃～880℃内，随着温度的升高，NOx的浓度升高。主要原因有：1）温度升高，NH3与NOx的反应减弱，NOx的排放浓度升高；2）烟气温度的升高，局部会产生NOx，同样会增加NOx的浓度。

氨逃逸率稳定地控制在6mg/Nm3，而喷氨量不变，说明参与反应的NH3量基本不变，即NH3的利用率不变。“区间一”的斜率的绝对值，比“区间二”的要低，说明“区间二”内所产生的NOx浓度高于区间一。即温度越高，产生NOx的速度越快。

NH3逃逸率一直处于5～6mg/Nm3，说明烟气中有部分NH3未与NOx发生反应，而直接随烟气一起排入大气。可能是由喷枪雾化的分布不均匀导致。

2.3 负荷不变，温度升高对脱硝效率的影响

由于垃圾的热值不同（特别是垃圾焚烧炉），在垃圾投料量不变的情况下，炉膛内温度会出现波动。以大连市某500t/d垃圾焚烧锅炉为例。该系统喷枪设置为前墙2支、侧墙各2支，共6支。运行时全部启用。

在锅炉负荷80%不变，即垃圾投料量保持不变的情况下，设定喷射入氨水耗量25kg/h不变，测试不同温度条件下，通过调节混合液总量，使NOx的排放值控制在200mg/Nm3以下。

图3显示了烟气温度与混合液总量的关系。趋势表明：在锅炉负荷不变情况下，烟气温度升高时，增加混合液的总量，可使NOx排放值保持不变。

根据程序控制原理：混合液总量=喷氨量+稀释水量。在喷氨量不变的情况下，混合总量增加，体现为稀释水量的增加，喷射入炉膛内的氨水浓度变低。

图3 温度与混合液总量的关系

混合液总量的增加，说明每支喷枪的流量增加。在喷枪的设计出力下，流量增加后，喷枪雾化的液滴粒径会增加，液滴在高温烟气中的气化时间增加。因此，液滴在气化的过程中，随烟气向上流动至温度稍低的区域，气化后的NH3与NOx在温度稍低的区域，发生氧化还原反应。

3 NH3/NOx混合度

NH3与烟气（NOx）的混合是通过喷枪实现。NH3与烟气（NOx）混合得越充分，发生氧化还原反应后，NH3的利用效率越高，脱硝效率也越高，反之越低。

SNCR脱硝还原剂（氨水或尿素溶液），均是以液态形式喷射入烟气中，通过喷枪，将液体雾化成无数个小粒径的液滴，均匀地分布在烟道截面上。其混合的均匀程度，与喷枪有很大关系。因此，在SNCR脱硝系统中，喷枪是最为关键的一个设备。

3.1 喷枪布置

喷枪的布置，涵盖两方面：喷枪数量和喷枪的雾化形式。根据控制逻辑，正常运行时，喷入锅炉的混合液总量（Q）不变。在一定的烟气截面积（S）上，布置一定数量（n）的喷枪，单支喷枪的流量为（）。因此，喷枪的数量决定了每支喷枪的流量。数量越多，单支喷枪流量越小，反之越大。

不考虑烟气自然混合的因素，使还原剂覆盖整个烟气截面，则每支喷枪需要覆盖的一定截面积（）。一定的喷枪流量（）下，喷枪的不同雾化形式，脱硝的效率也不完全一样。江宝宝[2]等对CFB锅炉的研究表明，在同样喷枪数量下，扇形喷枪喷射速率比圆锥形喷枪大2.8m/s，雾化后粒径比圆锥形喷枪小9～16μm，更有利于提高脱硝效率。

3.2 喷枪雾化粒径

喷枪雾化液滴粒径的大小，决定了NH3与烟气的接触面大小。理论上来说，喷枪雾化后的液滴粒径越小，液滴与烟气（NOx）的接触面越大，NH3的利用率越高，脱硝效率越高。然而，液滴越小，质量就越小，单个液滴获得的动量越小，其在烟气中的阻力作用下，液滴的穿透力衰减极快，导致液滴在烟气中的覆盖面小。

因此，雾化后液滴的动量（粒径大小和速率），直接影响到液滴对烟气截面的覆盖率。选择合适的喷枪参数，即合适的雾化液滴的动量，成为SNCR脱硝工程成败的关键。

江宝宝[2]等对不同负荷和不同的雾化形式下，SNCR脱硝的效率进行研究，并研究了喷枪不同出力下的雾化特性。但未对雾化液滴的动量（大小、速率）与脱硝效率的关系做研究。喷枪最佳的动量（大小、速率），将是SNCR脱硝效率提升的主要研究方向。对SNCR脱硝工程的设计和效率提升，将起到很明显的指导作用。

4 结论及建议

（1）不同还原剂利用率的最佳温度不同。氨水利用率最高时烟气温度约为825℃，较高的温度区间800℃～870℃；尿素利用率最高时的烟气温度约为930℃，较高的温度区间为870℃～970℃。

（2）同一还原剂在不同温度下的利用率不一样。在利用率最高所对应的烟气温度两侧，离得越远，还原剂利用率越低。高温区的利用率高于低温区。

（3）当喷枪处的温度仍高于最佳反应温度区间时，可通过增加混合液（还原剂+稀释水）的总量，达到较高的脱硝效率。在炉膛产生的初始NOx浓度不变的情况下，即还原剂的耗量不变，则只需通过增加稀释水的量即可。

SNCR脱硝系统设计时，建议设置多层喷枪，以适应炉膛负荷调整时引起的温度变化。由于炉膛内温度呈现上低下高的分布，当高负荷时，上层喷枪处温度适合，喷枪自动切换至上层；当低负荷时，下层喷枪处温度适合，喷枪自动切换至下层。这样，不论炉膛的负荷如何变化，SNCR脱硝反应点，始终处于最佳温度区间内。