SNCR控制优化-提高脱硝效率和降低氨逃逸率

SNCR –用于垃圾焚烧厂的最佳脱硝技术

简介

近20年来，SNCR系统被广泛的应用于垃圾焚烧厂的烟气脱销处理。自2000年以来，多数垃圾焚烧厂选择了应用SNCR 系统。目前，在讨论如何进一步降低垃圾焚烧发电厂的污染排放的同时，也提出了更具挑战性的更低的NOx排放限值。

工艺过程的技术原理

在选择性非催化还原（SNCR）的氮氧化物去除的过程中，还原剂是以水溶液状态（氨水，尿素）或气态的形式（氨气）喷射到热的烟气中。以下为化学反应式：

尿素 NH2CONH2+2NO+1/2O2=2N2+CO2+2H2O

或

氨水 4NH3+4NO+O2=4N2+6H2O

通过上述反应，最终形成氮气，水和二氧化碳。依据烟气组分不同，可以有效的进行脱硝反应的温度区间为900-

1100 °C。超过这个温度，氨气会被氧化成氮氧化物(图1)。

当温度降低时，反应速度减慢，会导致逃逸的氨气在烟道内形成氨盐，从而导致其它的问题。因此，需要将氨的逃逸量控制在最低。

在使用催化剂的脱硝过程中，化学反应是相似的，而且也是具有有限的反应温度窗口，只是化学反应是发生在炉膛外部。

应用脱硝过程的目标是最大程度的降低NOx的浓度，同时实现最小的NH3逃逸。基本上，尿素和氨水都可以用于垃圾焚烧厂的脱硝过程。为了实现最佳的脱硝效率和最小的NH3逃逸，还原剂需要与烟气充分的混合。除了需要实现还原剂与烟气的充分混合外，需要使还原剂在最佳的温度区间内在烟气中均匀分布。

使用尿素的SNCR脱硝过程包括下面四个工艺步骤：

1.将含有尿素的液滴分布在烟气

2.含有溶解的尿素的水滴蒸发

3.尿素分解为自由基参与脱硝过程的化学反应

4.NH2和NOx之间的气相反应

图1. 与温度相关的脱硝效率

由于氨在无需预先分解的情况下即可参与反应，因此当氨水喷射到烟气中后，会立即与氮氧化物发生反应。除了氨水在烟气中的分布以及其与烟气的混合状况外，氨水的液滴大小也对脱硝效率有着重要的影响。如果液滴过小，会迅速蒸发，因此可能会使反应在过高的温度区间内形成，或反应会在温度较低的炉膛壁附近区域内发生。这两种情况都会造成对脱硝过程的不良影响，以及导致过高的氨逃逸率。

如果液滴过大，蒸发速度太慢，会导致在较低的温度区间内或，甚至在反应所需的温度窗口外的低温条件下反应，从而增加氨逃逸率，降低脱硝效率。

使用氨水和尿素这两种还原剂的脱硝过程的主要区别如图2所示。

图2. 尿素和氨水在脱硝应用过程中的比较

在使用尿素溶液时，只有水份被完全蒸发后，其中的尿素才能分解为可以参与反应的自由基。通过预先设定液滴的大小以及喷射的范围和距离，可以设定在烟道中尿素与烟气反应的空间位置。如果尿素溶液的液滴足够大，溶液的喷射距离足够长，就可以控制尿素避免在高温区与烟气中的氮氧化物反应，而是在适当的温度区间与烟气中的氮氧化物反应。通常用水作为尿素溶液喷射的驱动载体，通过控制喷水量，可以在很少消耗能量的条件下，有效的增加尿素溶液的喷射距离，同时也可以在必要的时候用于降低烟气温度，使尿素在适当的温度区间与烟气中的氮氧化物反应。

相反的，在使用氨水的厂子，当氨水进入炉膛后，氨气立即蒸发后进入烟气当中。由于氨水液滴的重量较尿素液滴小，因此为了达到足够的喷射距离，就需要消耗更多的能量，因为通常用空气作为氨水喷射的驱动载体。这样就需要增加用于喷射氨水的空气的流量。即使这样，也很难保证氨水与烟气的均匀混合。这样会导致高的氨逃逸率。为了弥补这个缺点，也可以采用水作为氨水喷射的驱动载体。

由于水的质量更大，相对于仅用气体喷射，用水喷射时在喷嘴附近的喷射区域中会产生更大的负压。由于这个负压的存在，烟气会被吸入喷射区域中，与氨气混合。通过这种方法，目前也实现了相对较好的脱硝效果和相对较低的氨逃逸量。

而应用尿素的脱硝过程，在九十年代就已经达到了这种效果。

图3. 自由喷射状态下的烟气混合

氨气是有毒和易燃气体，在环境温度下易溶于水。运行人员出于安全考虑，会采用浓度低于25%的氨水。然而，如果温度升高，氨气会迅速的从水中蒸发出来。在38℃时，氨气的偏压达到约1bar，这是对于氨水的存储，就需要采取特殊的安全措施。这些安全措施包括，氨气传感器，带照明指示的风向标，带卸压和真空阀的灭火器，压力补偿管线，紧急喷淋装置和眼睛清洗装置。

由于尿素中的氨分子的化学键，即使尿素溶液被加热到106℃也不会有氨气蒸发出来。与此相反，尿素分解为氨和二氧化碳的过程必须在温度高于130℃才开始，分解效率的峰值温度为380°C。在尿素溶液存储时是不会达到如此高的温度的。因此，无需采用存储氨水时所必须的复杂的安全保护和处理措施（氨水在从装运车辆卸载到存储罐的过程中，需采用带有

压力补偿的管线，而且需要采用带防爆等级的输送泵）。

图4. 使用尿素溶液的脱硝过程系统简图

符合17th BimSchV的工程实施

图4. 给出了符合17th BlmSchV要求的工艺流程简图，以及使用尿素作为还原剂的典型的SNCR系统在垃圾焚烧厂应用时的基本功能和设备。经过调整，NOx的去除水平可以高达60 ％。依据技术要求，焚烧厂可以配备两层喷嘴，可根据不同的锅炉负荷或烟气温度，在两层喷嘴之间进行切换，从不同的位置喷射尿素。

使用上述方法时，如果在一个相对较宽的温度窗口范围内有效的布置尿素喷射范围，可以确保NOx的排放值稳定的达到120至150mg/Nm3。由于温度的变化和温度场的不均匀分布，在某个区域的脱硝效率可能较低，而另一个区域脱硝效率较高，这样即可以实现满足整体的脱硝效率。为了避免由于运行过程中的温度变化和不均匀性所造成的不良影响，可以采用两层喷嘴，这种方法经实践证明是非常有效的。通过测量炉膛后端的温度，可以控制两层喷嘴的相互切换。在极佳的运行工况下，即垃圾热值稳定，锅炉负荷稳定时，经过处理的NOx的排放值甚至可以达到100mg/Nm3一下，同时保证很

小的NH3逃逸。

可以满足未来更低排放法规要求的先进技术

对于垃圾焚烧发电，替代燃料发电，水泥厂和电厂等，目前正在讨论进一步采用越来越严格的排放标准。为了达到严格的排放标准，就必须保证在不同的工况条件下，喷射的还原剂液体能够全面的覆盖最佳的脱硝温度窗口（如图1所示）。这个温度窗口范围大约只有50K。对于垃圾焚烧厂，在通常的工况条件下，采用采用更为精确和快速的方法测量炉膛内的温度场分布，从而才能稳定的保证脱硝效率。

图5. 通过声学方法在垃圾焚烧炉运行的一小时内所测量得到的炉膛断面上的温度分布

由于垃圾焚烧厂所燃烧的垃圾的成分是不断变化的，其热值和燃烧特性也会迅速变化，这样就会造成焚烧炉的温度和释放的热量有相当大的差异。如图5所示。此外，由于垃圾在燃烧室内部行进过程中，随着表面热量的不断累积，温度窗口会上移。根据不同的燃料类型，燃料分布和送风情况，温度不平衡可高达150 C ，有时甚至更高。

目前的焚烧炉，通常采用热电偶测温，温度的平均值信号被用来表示尿素喷嘴附近区域的参考温度，但是这并不能用于描述温度场的实际分布情况，也不能用于描述尿素喷入层的温度变化。此外，焚烧炉炉壁的辐射热量也会对温度测量形成干扰，由此也会造成测量的温度与实际温度存在60－100K的差别。同时，在焚烧炉运行过程中在热电偶表面的沉积物也会造成隔热效应，造成控制系统的温度信号与实际状况有10分钟左右的延迟，如果沉积物厚度增加，延迟时间会更长。

通过声学测温优化SNCR系统运行

在脱硝的温度窗口的高温区域，脱硝的效率最高，氨逃逸率最低，对于环保指标要求最高的焚烧厂，为了保证在各种不同的工况条件下，都能使尿素喷射到温度窗口的高温区，这时就需要使用声学气体温度监测系统来确定温度场的分布和高温区的位置。声学气体温度监测系统可以测量焚烧炉炉膛断面上在喷射口附近区域的实际气体温度，并确定温度场的分布。

图6. 声学测温系统的基本布局

声学气体温度监测系统中包括机械和电子结构设计相同的发射器单元和接收器单元，他们都固定在焚烧炉的炉壁上，还包括一个单独的控制单元（图6）。在测量过程中，在发射器单元一侧的压缩空气管路上的电磁阀打开，产生声学信号。发射器和接收器同时接收这个声学信号。通过这个信号可以确定声音传播的时间。由于距离是已知的，声速也可以确定，因此可以将这些信号转换成一个温度信号，即声音传播路径上的温度信号。通过将几组这样的发射器和接收器安装在同一个炉膛的断面内，并将他们的测量路径较差成网络，就可以在无时间延迟的情况下立即测得炉膛断面内二维分布的温度场。

图7. 用于焚烧炉SNCR系统控制的炉膛温度监测系统

将温度场分布划分为几个区域，之后安装与每个区域对应的一个或一组尿素喷嘴，通过所测量得到的温度分布，在各尿素喷嘴间进行切换。通过这个方法可以保证即使在烟气温度变化很快的情况下，也可以控制将尿素喷射到特定的区域。通过这种方法，焚烧厂的SNCR系统可以始终在最佳的温度窗口范围内工作，实现最佳的脱硝效率，最小的氨逃逸率，和最少的尿素消

耗。如图7所示。

图8. 依据不同的温度分布状况调整每个尿素喷嘴的工作状态

尿素喷嘴的切换可以仅与焚烧炉在不同运行状况下的温度变化相关。然而，如果能依据烟气温度场分布以及烟气流速对尿素喷射进行综合控制，将会达到更好的净化效果。这样会减少SNCR系统控制的突然变化，同时使NOx在净化后的浓度更为稳定。对于垃圾焚烧厂，不仅可以用声学系统测得的温度场分布直接用于SNCR系统控制，而且还可以用于焚烧量和炉排进料速度等控制。

通过在垃圾焚烧厂的实际运行过程中进行测量，证明可以实现净化后NOx浓度始终低于100mg/Nm3，同时保证NH3逃逸量小于10mg/Nm3。有时甚至可以达到更低的NOx排放。目前，在德国的垃圾焚烧厂，可以实现处理后NOx的浓

度值稳定在70mg/Nm3，同时NH3的逃逸小于8mg/Nm3。