選擇性非催化還原法(SNCR)
SNCR技術(shù)的催化劑費用通常占到SCR系統(tǒng)初始投資的40%左右,其運行成本很大程度上受催化劑壽命的影響,選擇性非催化還原法脫硝技術(shù)應(yīng)運而生。選擇性非催化還原法(Selective Non-Catalytic Reduction,SNCR)技術(shù)是一種不用催化劑,在850℃~1100℃范圍內(nèi)還原NOx的方法,還原劑常用氨或尿素,最初由美國的Exxon公司發(fā)明并于1974在日本成功投入工業(yè)應(yīng)用,后經(jīng)美國Fuel Tech公司推廣,目前美國是世界上應(yīng)用實例最多的國家。 該方法是把含有NHx基的還原劑噴入爐膛溫度為850℃~1100℃的區(qū)域后,迅速熱分解成NH3和其它副產(chǎn)物,隨后NH3與煙氣中的NOx進行SNCR反應(yīng)而生成N2。其反應(yīng)方程式主要為: 4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O (5-6)
4NH3+2NO+2O2→3N2+6H2O (5-7)
8NH3+6NO2→7N2+12H2O (5-8) 而采用尿素作為還原劑還原NOx的主要化學反應(yīng)為:
(NH2)2CO→2NH2+CO (5-9)
NH2+NO→N2+H2O (5-10)
CO+NO→N2+CO2 (5-11)
SNCR還原NO的反應(yīng)對于溫度條件非常敏感,爐膛上噴入點的選擇,也就是所謂的溫度窗口的選擇,是SNCR還原NO效率高低的關(guān)鍵。一般認為理想的溫度范圍為850℃~1100℃,并隨反應(yīng)器類型的變化而有所不同。當反應(yīng)溫度低于溫度窗口時,由于停留時間的限制,往往使化學反應(yīng)進行不夠充分,從而造成NO的還原率較低,同時未參與反應(yīng)的NH3增加也會造成氨氣的逃逸,遇到SO2會產(chǎn)生NH4HSO4和(NH4)2SO4,易造成空氣預(yù)熱器堵塞,并有腐蝕的危險。而當反應(yīng)溫度高于溫度窗口時,NH3的氧化反應(yīng)開始起主導作用: 4NH3+5O2→4NO+6H2O (5-12)
從而,NH3的作用成為氧化并生成NO,而不是還原NO為N2。如何選取合適的溫度條件同時兼顧減少還原劑的泄漏成為SNCR技術(shù)成功應(yīng)用的關(guān)鍵。
圖5-2 SNCR工藝流程示意圖
典型的SNCR系統(tǒng)(如圖5-2)由還原劑儲槽、多層還原劑噴入裝置以及相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成。它的工藝簡單,操作便捷,尤其適用于對現(xiàn)役機組的改造。又因它不需要催化劑床層,而僅僅需要對還原劑的儲存設(shè)備和噴射系統(tǒng)加以安裝,因而初始投資相對于SCR工藝來說要低得多。SNCR煙氣脫硝技術(shù)的脫硝效率一般為25%~35%,且大多用作低NOx燃燒技術(shù)后的二次處置。 影響SNCR還原NO的化學反應(yīng)效率的主要主要因素包括以下幾點。
(1)溫度對SNCR的還原反應(yīng)的影響
溫度對SNCR的還原反應(yīng)的影響最大。當溫度高于1100℃時,NOx的脫除率由于氨氣的熱分解而降低;溫度低于800℃以下時,NH3的反應(yīng)速率下降,還原反應(yīng)進行得不充分,NOx脫除率下降,同時氨氣的逸出量可能也在增加。由于爐內(nèi)的溫度分布受到負荷、煤種等多種因素的影響,溫度窗口隨著鍋爐負荷的變化而變動。根據(jù)鍋爐特性和運行經(jīng)驗,最佳的溫度窗口通常出現(xiàn)在折焰角附近的屏式過熱、再熱器處及水平煙道的末級過、再熱器所在的區(qū)域。 (2)還原劑在最佳溫度窗口的停留時間
還原劑在最佳溫度窗口的停留時間越長,則NOx的脫除效果越好。NH3的停留時間超過1s則可以出現(xiàn)最佳NOx脫除率。尿素和氨水需要0.3s~0.4s的停留時間以達到有效的NOx脫除效果。 (3)SNCR工藝所用的還原劑類型
SNCR工藝所用的還原劑及制備方法與SCR工藝相同,主要是NH3和尿素。為了獲得理想的NOx脫除效率,還原劑的用量(化學當量)比SCR工藝要大。大多數(shù)過量的還原劑分解為氮氣和CO2,但是,也有微量的氨和CO會殘留在尾氣中,造成氨的泄漏問題。其中氨的泄漏量一般小于2.5×10,比較好的情況下可以小于1×10。在用尿素作還原劑的情況下,其N2O的生成幾率要比用氨作還原劑大,這是因為尿素可分解為HNCO,而HNCO又可進一步分解生成為NCO,而NCO可與NO進行反應(yīng)生成氧化二氮: NCO+NO→N2O+CO (5-13)
為了提高SNCR對NOx的還原效率,降低氨的泄漏量,必須在設(shè)計階段重點考慮以下幾個關(guān)鍵的工藝參數(shù):燃料類型、鍋爐負荷、爐膛結(jié)構(gòu)、受熱面布置、過量空氣量、NO濃度、爐膛溫度分布、爐膛氣流分布以及CO濃度等。
在脫硝效率要求不高的情況下使用,該方法的特點是如下。
(1)系統(tǒng)簡單:不需要改變現(xiàn)有鍋爐的設(shè)備設(shè)置,而只需在現(xiàn)有的燃煤鍋爐的基礎(chǔ)上增加氨或尿素儲槽,氨或尿素噴射裝置及其噴射口即可,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單;
(2)系統(tǒng)投資小:由于系統(tǒng)簡單以及運行中不需要昂貴的催化劑,其投資費用比SCR法低。
(3)阻力?。簩﹀仩t的正常運行影響較??;
(4)系統(tǒng)占地面積小:需要的較小的氨或尿素儲槽,可放置于鍋爐鋼架之上而不需要額外的占地。
(5)脫硝效率比SCR法低40~50個百分點。