选择性非催化还原（SNCR）脱硝反应影响因素的探索与研究

金 山

（上海浦东环保发展有限公司，上海 200127）

随着经济的发展，城市生活垃圾产生量不断增长。生活垃圾焚烧既能发电，又能实现90%以上的减容，因而成为城市生活垃圾处理的方向及发展趋势。近年来在国家产业政策鼓励下，我国垃圾焚烧发电厂数量和处理规模逐年增加，各大中城市都在陆续新上垃圾焚烧发电项目［1］。

由于我国生活垃圾水分含量普遍较高且成分复杂，这对焚烧后的烟气净化工艺提出了更严苛的要求。目前国内主流的烟气脱硝工艺为选择性催化还原（SCR）和选择性非催化还原（SNCR）。SNCR脱硝技术相对于SCR技术而言，投资及运营成本相对低廉，因而其应用更为广泛。在垃圾焚烧过程中，由于炉膛烟温不均、温度窗狭窄以及反应停留时间短等因素都严重制约了SNCR脱硝效率，同时易引发较高的氨逃逸。

本文以氨气为还原剂，重点考察了不同温度、一氧化氮起始质量浓度、氧气质量分数及氨氮摩尔比等因素对SNCR脱硝效率以及氨逃逸的影响程度，为垃圾焚烧发电项目中的SNCR脱硝工艺提供一定的参考依据。

1 试验装置

试验在管壳式反应装置上进行，系统包含反应装置本体、温控系统、模拟烟气系统以及烟气取样分析系统等。试验装置如图1所示。

图1 脱硝反应装置Fig.1 Denitrification reaction device

2 脱硝试验结果分析

2.1 反应温度对脱硝效率和氨逃逸的影响

反应在特定温度范围内进行：温度过低，则反应缓慢，还原剂不能完全反应，使脱硝效率降低；温度过高，则还原剂易被氧化，从而会生成更多的NOx。Lucas等［2］的研究结果表明：最佳脱硝反应温度为952 ℃，在827～1027 ℃，氨氮摩尔比为1:1时，效率达到80%；Kimball-Linne等［3］对燃烧后的烟气进行试验，得到的温度曲线与Lucas等［2］的相似，其最佳的脱硝反应温度为980 ℃。

以氮气作为平衡气体，在氧气质量分数为4%、氨氮摩尔比为1.5:1、一氧化氮起始质量浓度为310 mg· L-1、常压、反应物总流量为4.8 L· min-1条件下，考察不同温度对脱硝效率和氨逃逸的影响。

图2为反应温度对脱硝效率和氨逃逸的影响。在800 ℃以下时，脱硝效率较低，皆小于20%；在750～900 ℃，随着温度的不断升高，脱硝效率逐渐上升，在900 ℃时，脱硝效率达到最大值，为74.22%；之后，随着温度继续升高，脱硝效率逐渐下降，在950～1100 ℃，下降较为明显。同时，在875～1000 ℃，脱硝效率均接近或大于60%，可认为上述温度区间是较合适的反应温度窗口。

化学反应方程式为

由上述两个化学反应方程式可知：在反应温度较低时，氨气和一氧化氮的反应速率较慢；但随着温度不断升高，两者的反应速率逐渐加快，则脱硝效率也逐步提高。另外，在较高的反应温度下，氨气与氧气的反应起主导作用，反应速率随着温度的升高而增加。当达到临界点时，氧化反应产生的一氧化氮远大于还原反应；当继续加入还原剂时，则增加了NOx的浓度，而脱硝效率则随着反应温度的继续升高而降低。

图2 温度与脱硝效率、氨逃逸的关系Fig.2 Effect of temperature on denitrification efficiency and ammonia escape

在750～950 ℃，氨逃逸逐步下降，其中：在800 ℃以下时，氨逃逸相对较大；而随着温度继续升高，当还原反应占据主导时，氨逃逸迅速下降；在950 ℃时，氨逃逸为32 mg·L-1；在950～1100 ℃，氨逃逸几乎不变，由于此时氧化反应占主导作用，脱硝效率则逐渐下降。

2.2 一氧化氮起始质量浓度对其出口质量浓度及脱硝效率的影响

研究发现，一氧化氮起始质量浓度较低时，脱硝效果明显改善。Chen等［4］在煤粉炉上的试验结果证明：当氨氮摩尔比为0.99:1、温度为800 ℃时，充入少量空气，使氨氮摩尔比维持在1.02:1时，可得较理想的脱硝效率。

当氨氮摩尔比、烟气流量维持不变，反应温度为900 ℃时，考察了不同一氧化氮起始质量浓度对于其出口质量浓度及脱硝效率的影响，结果如图3所示。由图中可知，随着一氧化氮起始质量浓度的增加，脱硝效率从51.50%上升至78.33%；同时，一氧化氮出口质量浓度也有所增加，从52 mg·L-1升高至61 mg·L-1，增幅并不明显。由于反应达到平衡时，其一氧化氮质量浓度就是最低的一氧化氮出口质量浓度，当氨氮摩尔比维持不变时，一氧化氮起始质量浓度的改变并不会打破原先的平衡状态。

图3 一氧化氮起始质量浓度对其出口质量浓度及脱硝效率的影响Fig.3 Effect of initial concentration of nitric oxide on its outlet concentration and denitrification efficiency

2.3 氨氮摩尔比对氨逃逸及脱硝效率的影响

随着氨氮摩尔比的增加，脱硝效率会有一定程度的提高。但当还原剂过量时，运营成本以及氨逃逸也会增加。Lodder等［5］的研究结果表明，随着氨氮摩尔比的增加，脱硝效率逐渐增加，当氨氮摩尔比大于2:1时，氨逃逸逐渐增大。

在反应温度为900 ℃，烟气组分不变时，考察不同氨氮摩尔比对氨逃逸及脱硝效率的影响，结果如图4所示。在氨氮摩尔比小于1.5:1时，氨逃逸变化相对较小，氨逃逸也较小，而在氨氮摩尔比大于1.5:1时，随着氨氮摩尔比的增加，氨逃逸迅速增加，主要是因为未反应的氨增加，导致氨逃逸较高；另外，在氨氮摩尔比小于1.5:1时，脱硝效率不断提高且增速较快，在氨氮摩尔比大于1.5:1时，脱硝效率增速明显放缓，主要是由于一氧化氮含量较少，从而使还原反应速率缓慢。故结合上述因素，当氨氮摩尔比为1.5:1时，可得最佳反应条件。

图4 氨氮摩尔比与氨逃逸及脱硝效率的关系Fig.4 Effect of ammonia/nitrogen molar ratio on ammonia escape and denitrification efficiency

2.4 氧气质量分数对于氨逃逸及脱硝效率的影响

从脱硝机理可知，氧气对于脱硝反应起着关键作用。Lyon等［6］的试验结果表明，脱硝反应不会在缺氧条件下发生。

当反应温度为900 ℃时，考察了不同氧气质量分数对氨逃逸及脱硝效率的影响，结果如图5所示。随着氧气质量分数的增加，氨逃逸及脱硝效率都有不同程度的下降，氨逃逸及脱硝效率分别从86 mg·L-1、85.60%下降至67 mg·L-1、65.50%。由于脱硝反应是氧化反应及还原反应共同作用的结果，氧气质量分数增加，加快了氧化及还原反应速度，使温度窗逐步降低。由于氧化反应对于氧气质量分数的升高更加敏感，致使反应在较低温度下就可进行，故脱硝效率随之降低。

图5 氧气质量分数与氨逃逸及脱硝效率的关系Fig.5 Effect of oxygen concentration on ammonia escape and denitrification efficiency

3 结 论

（1）温度对SNCR脱硝反应的影响较大。随着温度的升高，脱硝效率先上升后下降，在900 ℃时，脱硝效率达最大值，为74.22%；同时，氨逃逸呈逐步下降趋势。

（2）随着一氧化氮起始质量浓度的增加，脱硝效率从51.50%上升至78.33%；同时，一氧化氮出口质量浓度也有增加，从52 mg·L-1升高至 61 mg·L-1。

（3）在氨氮摩尔比小于1.5:1时，氨逃逸较小，脱硝效率不断提高且增速较快；而在氨氮摩尔比大于1.5:1时，氨逃逸迅速增加，脱硝效率增速则明显放缓。当氨氮摩尔比为1.5:1时，可得最佳的反应条件。

（4）随着氧气质量分数的增加，氨逃逸及脱硝效率分别从 86 mg·L-1、85.60%下降至67 mg·L-1、65.50%。