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SNCR脫硝技術在陶瓷行業煙氣治理的應用

點擊:6299  添加時間:2018-11-09 09:32:00  来源:《中国环保产业》 吕宏俊 张泽玉等

選擇性非催化還原脫硝(SNCR)技術因其让球胜平负簡單、操作方便、運行成本低等優勢,在中小窯爐中得到了較爲廣泛的應用,但在陶瓷煙氣治理中還未見報道。以SNCR技術在某陶瓷行業的應用爲例,介紹和分析了SNCR脫硝技術、让球胜平负組成模塊化以及反應溫度、氨氮摩爾比、混合程度、停留時間等關鍵因素對脫硝效率的影響,爲類似的工程設計提供參考和借鑑。

2013年以來,我國霧霾天氣持續嚴重,嚴重威脅着人民羣衆的身體健康,成爲迫切需要解決的環境問題,從中央政府到地方政府不斷加大了對治霾、工業生產節能減排工作的力度。2013年9月10日,國務院發佈了《大氣污染防治行動計劃》,再度對工業企業大氣環境治理提出了具體要求。建築衛生陶瓷工業屬於原料消耗型、燃料消耗型產業,生產過程中會排放大量的二氧化硫、氮氧化物及粉塵等污染物。2010年開始執行的《陶瓷工業污染物排行標準》(GB 25464-2010)[1]對噴霧塔、燒成窯的污染物排放指標提出了嚴格要求。2014年4月1日開始實施的《建築衛生陶瓷行業准入標準》再次明確了粉塵、二氧化硫、氮氧化物等主要污染物的排放要求。

選擇性非催化還原(Selective Non-Catalytic Reduction,簡稱SNCR)脫硝是一種成熟的NOx控制處理技術,让球胜平负相對簡單,脫硝效率能達到50%,已在水泥行業得到了較廣泛的應用。國內關於陶瓷煙氣脫硝的研究報道甚少,文章以某陶瓷企業的SNCR脫硝让球胜平负爲例,介紹了SNCR技術、让球胜平负組成模塊化以及反應溫度、氨氮摩爾比、混合程度、停留時間等關鍵因素對脫硝效率的影響,爲陶瓷行業的SNCR脫硝提供指導和借鑑。

1 脱硝机理

SNCR脫硝技術是把爐膛作爲反應器,在沒有催化劑的條件下,將還原劑氨水(質量濃度20%~25%)或尿素經稀釋後通過霧化噴射單元噴入熱風爐或隧道窯內合適的溫度區域(850℃~1050℃),霧化後的還原劑將NOx(NO、NO2等混合物)還原,生成氮氣和水,從而達到脫除NOx的目的。還原NOx的主要化學反應爲:

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

2NO2+4NH3+O2→ 3N2+6H2O

上述反應中第一個反應是主要的、占主導地位,因爲煙氣中幾乎95%的NOx以NO的形式存在,在沒有催化劑存在的情況下,這個反應只在很狹窄的溫度窗口(850℃~1050℃)進行,表現出選擇性,此時的反應就是SNCR的溫度範圍。

2 让球胜平负模塊化

通常使用氨水、尿素作爲還原劑,氨水的反應更直接,有着較高的NOx去除率、較低的氨逃逸和較高的化學反應效率;尿素反應更復雜,有着較高的氨逃逸率和較高的CO生成量。根據這兩種還原劑的理化性質,綜合考慮其運輸、儲存環境以及設備投資、佔用場地、運行成本、安全管理及風險費用等因素,該企業採用氨水做還原劑。SNCR脫硝让球胜平负主要由氨水接收與儲存让球胜平负、水輸送與混合让球胜平负、計量分配與噴射让球胜平负、壓縮空氣让球胜平负、PLC自動控制让球胜平负、安全防護让球胜平负等組成,這些让球胜平负採用撬裝一體化設備生產,形成模塊化、標準化,從而提高让球胜平负集成和設備可靠性,減少現場加工製作,縮短工期,降低成本。SNCR脫硝工藝流程見圖1。

SNCR脫硝工藝流程

2.1 氨水接收與儲存让球胜平负

外購的還原劑運輸至廠區後,通過管道連接到預留接口,然後開啓入口閥,完全打開後,啓動卸氨泵,延時30s後,開啓泵的出口閥將槽罐車內的氨水輸送至氨水儲罐中。根據氨水儲罐的液位反饋,到達一定液位或者罐車的氨水輸送完成時,關閉卸氨泵的出口閥,然後停止卸氨泵,再關閉入口閥。

由於罐區的佔地面積較大,根據場地的實際情況綜合考慮。罐區主要佈置氨水儲罐、氨氣吸收罐和稀釋水罐,氨水儲罐的設計滿足3天脫硝让球胜平负用量要求。爲避免罐內過壓或真空,罐頂安裝呼吸閥;儲罐設液位、溫度監測,通過液位變送器實現就地及遠程連續監測。由於氨水易揮發,氨水儲罐內的氨蒸氣通過呼吸閥、中間連通管道連接至氨氣吸收罐,氨蒸氣可被水吸收,防止氨氣泄露。罐區上方設有擋棚,四周敞開;罐區四周設有混凝土圍堰及排水溝,防止氨水泄漏時向罐區四周廠區溢流擴散。氨水接收让球胜平负模塊見圖2。

氨水接收让球胜平负模塊

2.2 氨水輸送與混合让球胜平负

來自罐區的氨水和稀釋水分別通過輸送泵輸送至混合让球胜平负,從而最終被輸送至噴射让球胜平负。氨水輸送让球胜平负主要由兩臺多級離心泵、迴流控制让球胜平负、壓力和流量檢測让球胜平负及相應閥組組成。稀釋水輸送泵及其控制让球胜平负所含設備與氨水相同。整個让球胜平负佈置在罐區附近,與罐區共用防護棚。

由於外購氨水濃度相對較高,爲提高氨水的利用效率,需對氨水加水稀釋。氨水和稀釋水分別由兩個獨立管路進入混合让球胜平负,且兩流體的流量可根據實際所需噴氨量進行任意濃度的調配,最終被同時輸送至靜態混合器內,利用靜態混合器的強湍流擾動特性,將氨水與稀釋水充分混合均勻。氨水輸送和混合让球胜平负模塊見圖3。

氨水輸送和混合让球胜平负模塊

2.3 計量分配和噴射让球胜平负

通過壓力、流量計等儀表的信號反饋,進入噴槍的稀氨水通過控制計量氨水輸送和混合让球胜平负上的氣動調節閥來自動控制稀氨水流量分配,精確控制分配到每支噴槍的還原劑和壓縮空氣的壓力及流量。計量分配單元模塊見圖4。

計量分配單元模塊

噴槍是噴射让球胜平负的核心,也是整個SNCR噴氨让球胜平负的關鍵部件。噴槍應能適應不同的稀氨水的流量,在流量變化幅度較大時也能保持良好的霧化效果。噴槍採用雙流體(壓縮空氣和還原劑溶液)內部混合,壓縮空氣作爲霧化和冷卻介質,通過冷卻風對保護套管進行冷卻確保噴槍不在高溫、高粉塵條件下損壞和堵塞。該熱風爐設有3支霧化噴槍,爲提高脫硝反應的效率,3只噴槍圍繞窯爐周向對稱均布,計量分配後的稀氨水經壓縮空氣霧化後噴入爐內,霧化角大約爲30°,液滴的初速度由液體總流量確定,液滴粒徑可以通過霧化壓力調節,平均粒徑爲100μm,粒徑呈Rosin-rammler分佈[2]。整個噴射让球胜平负具有自反饋和自動調節功能,通過在線監測出口NOx排放值,利用反饋让球胜平负自動調節和控制氨水噴射量,在保證脫氮效率前提下減少让球胜平负運行成本。脫硝噴槍示意見圖5。

2.4 壓縮空氣让球胜平负

採用廠區自有壓縮空氣氣源作爲還原劑噴射让球胜平负和儀用壓縮空氣氣源,通過壓力調節和流量控制模塊控制空氣壓力和流量,滿足還原劑噴射让球胜平负和氣動設備需要。壓縮空氣让球胜平负模塊見圖6。

壓縮空氣让球胜平负模塊

2.5 PLC自動控制让球胜平负

採用獨立的PLC控制让球胜平负,以確定SNCR脫硝让球胜平负所的還原劑、稀釋水和壓縮空氣用量,實現爐內噴氨量的自動調節,脫硝让球胜平负能跟隨負荷變化,使脫硝让球胜平负長期、可靠地安全運行。根據出口NOx濃度在線監測設備的信號反饋,當让球胜平负檢測到出口濃度與設定值不符時,在自動模式時让球胜平负自動調整還原劑的噴射量使NOx濃度穩定在設定值範圍內;手動模式時可直接手動調節還原劑噴射量,以達到所要求的NOx脫除率和較低的氨逃逸率。

2.6 安全防護让球胜平负

罐區周邊設有氨氣泄漏檢測儀,以檢測氨氣的泄漏,並顯示大氣中氨的濃度,同時氨水罐設置溫度變送器,以檢測氨水罐實時溫度。當檢測儀測得大氣中氨濃度過高或者氨水罐溶液溫度過高時,會發出警報,並聯鎖開啓緊急噴淋让球胜平负以吸收泄漏的氨氣和冷卻氨水罐。

另外氨水儲存區配置一套緊急救護安全防護用品—洗眼器,當作業者身體部位接觸氨水溶液或者發生火災引起工作人員衣物着火時,洗眼器可以進行緊急衝洗或者衝淋,避免對人體造成進一步傷害。氨水儲存廠房配置照明,並採取防雷、接地措施。

3 关键因素

SNCR脫硝的關鍵主要取決於反應溫度、氨氮摩爾比NSR、混合程度、停留時間等,還原劑噴射在合適的溫度窗口,噴入的還原劑與煙氣中的NOx充分反應,從而實現較高的脫硝效率,降低還原劑的耗量和殘餘氨逃逸。

3.1 反應溫度

在SNCR反應中,溫度是影響NOx脫除率的重要因素,SNCR具有一個最佳的反應溫度窗口。氨水、尿素還原NOx的過程是還原劑還原與還原劑氧化兩類反應相互競爭、共同作用的結果,溫度過高時還原劑的氧化反應占主導,還原劑易被氧化成NO,會增加NOx的濃度;反應溫度過低時還原反應不充分,反應速率慢,反應效率會降低,且會造成還原劑逃逸(NH3 slip),對下游設備產生不利的影響甚至產生新的污染。還原劑氨水和尿素在不同爐溫下的脫硝效率見圖7。

由圖7可看出,相同條件下, 氨水將在相對稍低的最佳脫硝溫度下達到比尿素溶液更高的最佳脫硝效率,尿素溶液的脫硝溫度範圍整體上要比氨水的脫硝溫度範圍稍偏向高溫方向。通常認爲使用尿素作爲還原劑的SNCR最佳反應溫度爲960℃[3],而氨水的最佳反應溫度較尿的稍低。由此可見,還原劑噴射位置的確定對SNCR让球胜平负十分關鍵。不恰當的噴射位置會造成殘餘氨的逃逸增加、還原劑用量增加且達不到所要求的脫硝效率。一般而言,還原劑噴射位置的確定需要通過流場模擬或通過安裝溫度傳感器測試爐內溫度分佈來確定;流場模擬會模擬爐內溫度、氣體流動和煙氣混合情況,溫度傳感器可實測出爐內不同高度、不同區域的溫度分佈情況,以此來確定合適的噴射位置。

溫度傳感器

3.2 氨氮摩爾比

氨氮摩爾比(Normalized Stoichiometric Ratio,簡稱NSR)是指噴入的還原劑所含的氨基量與初始NOx含量之間的摩爾比值。合適的NSR是保證脫硝效率的關鍵因素,由於實際的化學反應比較複雜,爲保證脫硝效率,在實際反應中要注入多於理論量的還原劑。試驗發現[4],當NSR<1.6時,脫硝效率隨NSR增加提高明顯,NSR增加0 . 2,脫硝效率提高約6 %;但當N S R 超過1 . 6,脫硝效率提高不到2%,增長趨勢趨於緩慢,繼續增加NSR對提高脫硝效率的貢獻很小,這是由於一方面爐內NOx量有限,在一定的混合條件下,局部反應已趨於飽和,NSR繼續增大對NOx的脫除效果逐漸減弱。另一方面,氨逃逸量是隨着NSR的增大而增加。因此,應選用合適的NSR,以期在保證較高的NOx去除率的同時,降低氨的逃逸量。NSR對NOx 脫硝效率的影響見圖8。

NSR對NOx 脫硝效率的影響

3.3 混合程度

還原劑噴入到爐內後,要求還原劑與NOx在很短的時間內很好地混合並完成反應,否則還原劑會流動到較低的溫度區域而降低還原NOx的反應程度。所以噴槍的霧化效果及噴霧的覆蓋面積就決定了NOx去除率。噴槍的霧化顆粒並不是越細越好,顆粒大小應適中。顆粒太細,則穿透性太差,會降低脫硝效率;顆粒太粗,則顆粒的總體表面積太小,也會降低脫硝效率,而且太大的顆粒,由於煙氣流速較快,會導致噴霧顆粒不能在短時間內氣化完全,有時會產生滴液,導致爐膛爆管。最佳顆粒粒徑約爲100μm。

3.4 停留時間

停留時間是指反應物在爐內停留的總時間。在此時間內,還原劑與煙氣混合、還原劑中水分蒸發、還原劑分解和NOx還原等步驟必須完成;停留時間的大小取決於爐內氣路的尺寸和煙氣流經氣路的氣速。在SNCR反應過程中,需要有充足的停留時間,以保證還原劑與煙氣充分混合。還原劑在最佳反應溫度區域的停留時間越長,則脫除NOx的效果越好。實踐發現,有效脫除NOx需要氨水停留0.7~1s的時間。

4 结语

(1)SNCR工藝流程簡潔、操作方便,是一種成熟的煙氣脫硝技術,採用撬裝一體化設備生產,形成模塊化、標準化,提高让球胜平负集成和設備可靠性,減少現場加工製作,縮短工期,降低成本。雖然相對於SCR脫硝技術而言,其脫硝效率較低。但是,由於其投資和運行成本低,在小容量鍋爐、窯爐上可以做到較高的脫硝效率,綜合性價比較高。

(2)爲獲得較高脫硝率,SNCR噴槍噴入還原劑的最佳溫度窗口在950℃~1000℃,溫度過低時還原反應不充分,反應效率會降低,還會造成還原劑逃逸增多,而溫度過高將加劇還原劑的氧化反應,增加NOx的濃度;隨着NSR的增大,脫硝率增加,當NSR>1.6後,繼續增大NSR對提高脫硝效率的作用較小;還原劑與NOx的充分混合以及適當粒徑的霧化顆粒都有益於脫硝效率的提高,同時保證了反應物在最佳反應溫度區域內有充足的停留時間,有利於NOx的脫除。

(3)氨逃逸量則是隨着NSR的增大而增加,隨着反應溫度的升高而降低;在理想的溫度窗口,氨逃逸量隨着混合程度的改善及停留時間的延長而呈現遞減趨勢,且逃逸的還原劑大部分被飛灰吸附。

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