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SNCR脱硝技术在陶瓷行业烟气治理的应用

点击:339  添加时间:2018-11-09 09:32:00  来源:《中国环保产业》 吕宏俊 张泽玉等

选择性非催化还原脱硝(SNCR)技术因其系统简单、操作方便、运行成本低等优势,在中小窑炉中得到了较为广泛的应用,但在陶瓷烟气治理中还未见报道。以SNCR技术在某陶瓷行业的应用为例,介绍和分析了SNCR脱硝技术、系统组成模块化以及反应温度、氨氮摩尔比、混合程度、停留时间等关键因素对脱硝效率的影响,为类似的工程设计提供参考和借鉴。

2013年以来,我国雾霾天气持续严重,严重威胁着人民群众的身体健康,成为迫切需要解决的环境问题,从中央政府到地方政府不断加大了对治霾、工业生产节能减排工作的力度。2013年9月10日,国务院发布了《大气污染防治行动计划》,再度对工业企业大气环境治理提出了具体要求。建筑卫生陶瓷工业属于原料消耗型、燃料消耗型产业,生产过程中会排放大量的二氧化硫、氮氧化物及粉尘等污染物。2010年开始执行的《陶瓷工业污染物排行标准》(GB 25464-2010)[1]对喷雾塔、烧成窑的污染物排放指标提出了严格要求。2014年4月1日开始实施的《建筑卫生陶瓷行业准入标准》再次明确了粉尘、二氧化硫、氮氧化物等主要污染物的排放要求。

选择性非催化还原(Selective Non-Catalytic Reduction,简称SNCR)脱硝是一种成熟的NOx控制处理技术,系统相对简单,脱硝效率能达到50%,已在水泥行业得到了较广泛的应用。国内关于陶瓷烟气脱硝的研究报道甚少,文章以某陶瓷企业的SNCR脱硝系统为例,介绍了SNCR技术、系统组成模块化以及反应温度、氨氮摩尔比、混合程度、停留时间等关键因素对脱硝效率的影响,为陶瓷行业的SNCR脱硝提供指导和借鉴。

1 脱硝机理

SNCR脱硝技术是把炉膛作为反应器,在没有催化剂的条件下,将还原剂氨水(质量浓度20%~25%)或尿素经稀释后通过雾化喷射单元喷入热风炉或隧道窑内合适的温度区域(850℃~1050℃),雾化后的还原剂将NOx(NO、NO2等混合物)还原,生成氮气和水,从而达到脱除NOx的目的。还原NOx的主要化学反应为:

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

2NO2+4NH3+O2→ 3N2+6H2O

上述反应中第一个反应是主要的、占主导地位,因为烟气中几乎95%的NOx以NO的形式存在,在没有催化剂存在的情况下,这个反应只在很狭窄的温度窗口(850℃~1050℃)进行,表现出选择性,此时的反应就是SNCR的温度范围。

2 系统模块化

通常使用氨水、尿素作为还原剂,氨水的反应更直接,有着较高的NOx去除率、较低的氨逃逸和较高的化学反应效率;尿素反应更复杂,有着较高的氨逃逸率和较高的CO生成量。根据这两种还原剂的理化性质,综合考虑其运输、储存环境以及设备投资、占用场地、运行成本、安全管理及风险费用等因素,该企业采用氨水做还原剂。SNCR脱硝系统主要由氨水接收与储存系统、水输送与混合系统、计量分配与喷射系统、压缩空气系统、PLC自动控制系统、安全防护系统等组成,这些系统采用撬装一体化设备生产,形成模块化、标准化,从而提高系统集成和设备可靠性,减少现场加工制作,缩短工期,降低成本。SNCR脱硝工艺流程见图1。

SNCR脱硝工艺流程

2.1 氨水接收与储存系统

外购的还原剂运输至厂区后,通过管道连接到预留接口,然后开启入口阀,完全打开后,启动卸氨泵,延时30s后,开启泵的出口阀将槽罐车内的氨水输送至氨水储罐中。根据氨水储罐的液位反馈,到达一定液位或者罐车的氨水输送完成时,关闭卸氨泵的出口阀,然后停止卸氨泵,再关闭入口阀。

由于罐区的占地面积较大,根据场地的实际情况综合考虑。罐区主要布置氨水储罐、氨气吸收罐和稀释水罐,氨水储罐的设计满足3天脱硝系统用量要求。为避免罐内过压或真空,罐顶安装呼吸阀;储罐设液位、温度监测,通过液位变送器实现就地及远程连续监测。由于氨水易挥发,氨水储罐内的氨蒸气通过呼吸阀、中间连通管道连接至氨气吸收罐,氨蒸气可被水吸收,防止氨气泄露。罐区上方设有挡棚,四周敞开;罐区四周设有混凝土围堰及排水沟,防止氨水泄漏时向罐区四周厂区溢流扩散。氨水接收系统模块见图2。

氨水接收系统模块

2.2 氨水输送与混合系统

来自罐区的氨水和稀释水分别通过输送泵输送至混合系统,从而最终被输送至喷射系统。氨水输送系统主要由两台多级离心泵、回流控制系统、压力和流量检测系统及相应阀组组成。稀释水输送泵及其控制系统所含设备与氨水相同。整个系统布置在罐区附近,与罐区共用防护棚。

由于外购氨水浓度相对较高,为提高氨水的利用效率,需对氨水加水稀释。氨水和稀释水分别由两个独立管路进入混合系统,且两流体的流量可根据实际所需喷氨量进行任意浓度的调配,最终被同时输送至静态混合器内,利用静态混合器的强湍流扰动特性,将氨水与稀释水充分混合均匀。氨水输送和混合系统模块见图3。

氨水输送和混合系统模块

2.3 计量分配和喷射系统

通过压力、流量计等仪表的信号反馈,进入喷枪的稀氨水通过控制计量氨水输送和混合系统上的气动调节阀来自动控制稀氨水流量分配,精确控制分配到每支喷枪的还原剂和压缩空气的压力及流量。计量分配单元模块见图4。

计量分配单元模块

喷枪是喷射系统的核心,也是整个SNCR喷氨系统的关键部件。喷枪应能适应不同的稀氨水的流量,在流量变化幅度较大时也能保持良好的雾化效果。喷枪采用双流体(压缩空气和还原剂溶液)内部混合,压缩空气作为雾化和冷却介质,通过冷却风对保护套管进行冷却确保喷枪不在高温、高粉尘条件下损坏和堵塞。该热风炉设有3支雾化喷枪,为提高脱硝反应的效率,3只喷枪围绕窑炉周向对称均布,计量分配后的稀氨水经压缩空气雾化后喷入炉内,雾化角大约为30°,液滴的初速度由液体总流量确定,液滴粒径可以通过雾化压力调节,平均粒径为100μm,粒径呈Rosin-rammler分布[2]。整个喷射系统具有自反馈和自动调节功能,通过在线监测出口NOx排放值,利用反馈系统自动调节和控制氨水喷射量,在保证脱氮效率前提下减少系统运行成本。脱硝喷枪示意见图5。

2.4 压缩空气系统

采用厂区自有压缩空气气源作为还原剂喷射系统和仪用压缩空气气源,通过压力调节和流量控制模块控制空气压力和流量,满足还原剂喷射系统和气动设备需要。压缩空气系统模块见图6。

压缩空气系统模块

2.5 PLC自动控制系统

采用独立的PLC控制系统,以确定SNCR脱硝系统所的还原剂、稀释水和压缩空气用量,实现炉内喷氨量的自动调节,脱硝系统能跟随负荷变化,使脱硝系统长期、可靠地安全运行。根据出口NOx浓度在线监测设备的信号反馈,当系统检测到出口浓度与设定值不符时,在自动模式时系统自动调整还原剂的喷射量使NOx浓度稳定在设定值范围内;手动模式时可直接手动调节还原剂喷射量,以达到所要求的NOx脱除率和较低的氨逃逸率。

2.6 安全防护系统

罐区周边设有氨气泄漏检测仪,以检测氨气的泄漏,并显示大气中氨的浓度,同时氨水罐设置温度变送器,以检测氨水罐实时温度。当检测仪测得大气中氨浓度过高或者氨水罐溶液温度过高时,会发出警报,并联锁开启紧急喷淋系统以吸收泄漏的氨气和冷却氨水罐。

另外氨水储存区配置一套紧急救护安全防护用品—洗眼器,当作业者身体部位接触氨水溶液或者发生火灾引起工作人员衣物着火时,洗眼器可以进行紧急冲洗或者冲淋,避免对人体造成进一步伤害。氨水储存厂房配置照明,并采取防雷、接地措施。

3 关键因素

SNCR脱硝的关键主要取决于反应温度、氨氮摩尔比NSR、混合程度、停留时间等,还原剂喷射在合适的温度窗口,喷入的还原剂与烟气中的NOx充分反应,从而实现较高的脱硝效率,降低还原剂的耗量和残余氨逃逸。

3.1 反应温度

在SNCR反应中,温度是影响NOx脱除率的重要因素,SNCR具有一个最佳的反应温度窗口。氨水、尿素还原NOx的过程是还原剂还原与还原剂氧化两类反应相互竞争、共同作用的结果,温度过高时还原剂的氧化反应占主导,还原剂易被氧化成NO,会增加NOx的浓度;反应温度过低时还原反应不充分,反应速率慢,反应效率会降低,且会造成还原剂逃逸(NH3 slip),对下游设备产生不利的影响甚至产生新的污染。还原剂氨水和尿素在不同炉温下的脱硝效率见图7。

由图7可看出,相同条件下, 氨水将在相对稍低的最佳脱硝温度下达到比尿素溶液更高的最佳脱硝效率,尿素溶液的脱硝温度范围整体上要比氨水的脱硝温度范围稍偏向高温方向。通常认为使用尿素作为还原剂的SNCR最佳反应温度为960℃[3],而氨水的最佳反应温度较尿的稍低。由此可见,还原剂喷射位置的确定对SNCR系统十分关键。不恰当的喷射位置会造成残余氨的逃逸增加、还原剂用量增加且达不到所要求的脱硝效率。一般而言,还原剂喷射位置的确定需要通过流场模拟或通过安装温度传感器测试炉内温度分布来确定;流场模拟会模拟炉内温度、气体流动和烟气混合情况,温度传感器可实测出炉内不同高度、不同区域的温度分布情况,以此来确定合适的喷射位置。

温度传感器

3.2 氨氮摩尔比

氨氮摩尔比(Normalized Stoichiometric Ratio,简称NSR)是指喷入的还原剂所含的氨基量与初始NOx含量之间的摩尔比值。合适的NSR是保证脱硝效率的关键因素,由于实际的化学反应比较复杂,为保证脱硝效率,在实际反应中要注入多于理论量的还原剂。试验发现[4],当NSR<1.6时,脱硝效率随NSR增加提高明显,NSR增加0 . 2,脱硝效率提高约6 %;但当N S R 超过1 . 6,脱硝效率提高不到2%,增长趋势趋于缓慢,继续增加NSR对提高脱硝效率的贡献很小,这是由于一方面炉内NOx量有限,在一定的混合条件下,局部反应已趋于饱和,NSR继续增大对NOx的脱除效果逐渐减弱。另一方面,氨逃逸量是随着NSR的增大而增加。因此,应选用合适的NSR,以期在保证较高的NOx去除率的同时,降低氨的逃逸量。NSR对NOx 脱硝效率的影响见图8。

NSR对NOx 脱硝效率的影响

3.3 混合程度

还原剂喷入到炉内后,要求还原剂与NOx在很短的时间内很好地混合并完成反应,否则还原剂会流动到较低的温度区域而降低还原NOx的反应程度。所以喷枪的雾化效果及喷雾的覆盖面积就决定了NOx去除率。喷枪的雾化颗粒并不是越细越好,颗粒大小应适中。颗粒太细,则穿透性太差,会降低脱硝效率;颗粒太粗,则颗粒的总体表面积太小,也会降低脱硝效率,而且太大的颗粒,由于烟气流速较快,会导致喷雾颗粒不能在短时间内气化完全,有时会产生滴液,导致炉膛爆管。最佳颗粒粒径约为100μm。

3.4 停留时间

停留时间是指反应物在炉内停留的总时间。在此时间内,还原剂与烟气混合、还原剂中水分蒸发、还原剂分解和NOx还原等步骤必须完成;停留时间的大小取决于炉内气路的尺寸和烟气流经气路的气速。在SNCR反应过程中,需要有充足的停留时间,以保证还原剂与烟气充分混合。还原剂在最佳反应温度区域的停留时间越长,则脱除NOx的效果越好。实践发现,有效脱除NOx需要氨水停留0.7~1s的时间。

4 结语

(1)SNCR工艺流程简洁、操作方便,是一种成熟的烟气脱硝技术,采用撬装一体化设备生产,形成模块化、标准化,提高系统集成和设备可靠性,减少现场加工制作,缩短工期,降低成本。虽然相对于SCR脱硝技术而言,其脱硝效率较低。但是,由于其投资和运行成本低,在小容量锅炉、窑炉上可以做到较高的脱硝效率,综合性价比较高。

(2)为获得较高脱硝率,SNCR喷枪喷入还原剂的最佳温度窗口在950℃~1000℃,温度过低时还原反应不充分,反应效率会降低,还会造成还原剂逃逸增多,而温度过高将加剧还原剂的氧化反应,增加NOx的浓度;随着NSR的增大,脱硝率增加,当NSR>1.6后,继续增大NSR对提高脱硝效率的作用较小;还原剂与NOx的充分混合以及适当粒径的雾化颗粒都有益于脱硝效率的提高,同时保证了反应物在最佳反应温度区域内有充足的停留时间,有利于NOx的脱除。

(3)氨逃逸量则是随着NSR的增大而增加,随着反应温度的升高而降低;在理想的温度窗口,氨逃逸量随着混合程度的改善及停留时间的延长而呈现递减趋势,且逃逸的还原剂大部分被飞灰吸附。

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