张扬帆 王 智 刘远强 廖浩淞 李 颖 杨祖旺

（1.国能（泉州）热电有限公司，福建 泉州 362801；2.深圳市安瑞昕电力科技有限公司，广东 深圳 518038）

0 引言

化石能源特别是煤炭在我国能源消费结构中占比很大，随着煤炭的大量燃烧应用，由氮氧化物引起的酸雨以及臭氧层的破坏等环境问题引起了人类社会的广泛关注。我国对燃煤电厂氮氧化物排放也制定了严格的要求，2015年国家三部委联合印发的《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》，要求各火电企业NOx的排放值不高于50mg/Nm3，给火电行业带来了严峻挑战，促成了各火电机组开始新一轮的氮氧化物超低排放改造。我们已经采取诸如低NOx燃烧器、分级配风、OFA（Over Fire Air）、再燃等技术措施来降低NOx的排放，尽管这些方法在降低氮氧化物排放过程中发挥了巨大成效，但是在面对新的超低排放值NOx≤50mg/Nm3显得乏力。选择性非催化还原（SNCR）技术在国外应用较早，其成本低，无二次污染，适合协同应用其它的低氮氧化物减排技术，以其成熟的工艺以及较高的脱硝效率被广泛用于燃煤电厂氮氧化物超低排放改造[1]。现阶段世界上运用选择性非催化还原法（SNCR）的燃煤电厂的总装机量已经达到了5.5GW，并且SNCR的数量还在不断提高，我国目前的600MW、300MW装机容量的机组均已安装了SNCR脱硝技术，其他行业包括工业炉窑、垃圾焚烧炉也装备了SNCR脱硝装置。基于此，本文主要介绍SNCR技术的基本原理、影响因素以及主要应用情况。

1 SNCR简介

1.1 SNCR脱硝机理

SNCR技术就是把氨还原剂（一般为尿素）喷入到炉膛中900～1100℃区域内，受高温影响，氨还原剂快速热解产生NH3，在无催化剂的作用下，选择性地与烟气中的NOx进行还原反应生成N2和H2O。主要反应式如下：

实验研究表明[2]，上述反应在低于900℃时，反应速率低，反应不完全，造成氨逃逸现象，导致烟道部件表面结渣、腐蚀；反应在高于1100℃时，热解产生的NH3会被氧化成NO，造成氮氧化物排放浓度增大。因此，在布置SNCR技术时，温度是首先考虑因素。

1.2 SNCR主要特点

SNCR技术优点较多，主要包括成本低、工期短、见效快、效果好和普适性强等，国内大中型锅炉基本上都配备了SNCR脱硝技术。另外，因其不受烟气温度、锅炉燃烧效率、设备腐蚀以及锅炉受热面等因素的影响，其运行非常稳定，无需过多改造，NOx排放量的控制效果好。

SNCR技术主要由四个部分构成，即氨还原剂的制备、存储系统，氨还原剂喷射系统（喷氨格栅及管道），分配系统。SNCR技术直接以炉膛为反应器，无需再设置反应装置。通过布置不同高度的氨还原剂喷嘴，来满足不同锅炉负荷下炉膛位置的合适温度。整个SNCR脱硝系统主要包括氨还原剂的储藏、输送以及喷射装置组成，具体部件主要包括储藏罐、泵、管道、喷嘴、控制系统以及NOx检测系统。在设计改造时，可以采用CFD仿真分析技术对炉膛流场和温度分布进行模拟，确定氨还原剂最佳喷射位置，保证反应温度符合要求，并保证与烟气的充分混合，达到NOx最佳控制效果。

2 影响SNCR脱硝效率的因素分析

SNCR在实验室中的脱硝效率可达90%以上，但是在工业应用中只有40%～50%，主要有四方面的因素影响[3]：氨还原剂喷嘴布置位置（温度影响）、炉内停留时间、NH3/NOx摩尔比和氨还原剂与烟气的混合情况。

2.1 氨还原剂喷嘴布置位置

氨还原剂喷嘴的布置位置主要是为了满足SNCR反应温度要求，温度过低造成氨逃逸，进而产生烟道部件结渣堵塞、腐蚀等现象；温度过高会导致NH3被还原成NO，造成氮氧化物排放浓度升高，因此，进行炉膛SNCR技术改造时，一定要对炉膛流场和温度分布进行模拟，确定氨还原剂最佳喷射位置，保证反应温度符合要求。

2.2 炉内停留时间

氨还原剂与烟气混合后在炉内的停留时间对脱硝效率也有很大的影响，要使脱硝效率达到最高，就必须控制混合气在炉内的停留时间，过少的停留时间同样会导致反应进行的不完全，造成氨逃逸现象；过多的停留时间会导致烟气中的N向NO转化，图1为NOx还原效率与反应温度和停留时间的关系

图1 NOx还原效率与反应温度和停留时间关系图

2.3 NH3/NOx摩尔比

根据SNCR技术脱除NOx主要反应式，NH3/NOx摩尔比为1时为最佳，但在炉膛实际反应过程，摩尔比大于1时才能达到理想效果，如图2所示，NO还原效率随着NH3/NOx摩尔比的增大而升高，待得NH3/NOx摩尔比为2时，NO还原效率逐渐保持不变，虽然高NH3/NOx摩尔比会增大NO还原效率，但是会造成氨逃逸现象，同时增加了运行的费用，如图3所示。因此，实际SNCR系统运行时，NH3/NOx摩尔比一般控制在1.0～2.0之间，最大不要超过2.5。

图2 NH3/NOx摩尔比与NO还原效率的关系图

图3 NOx还原效率与氨逃逸的关系图

2.4 氨还原剂与烟气的混合情况

反应物的混合情况是影响化学反应能否完全进行的关键因素，混合均匀，则反应速率加快，反应程度增加，混合不均，不仅会降低NOx脱除效率，同时还会造成局部氨逃逸现象，给锅炉运行增加不稳定因素。

在实际运行过程中，难以同时满足上述四个要求，可能会带来如下问题：（1）在用尿素作为氨还原剂时，可能会产生较多的温室气体N2O，另外，低温尿素溶液喷入炉膛会导致局部区域温度骤降，影响燃烧，引发高含碳量飞灰以及造成CO排放增高等问题；（2）为了保持较高的NOx脱除效率，喷入的NH3含量必然高于设计工况，这也会导致氨逃逸现象，造成烟气污染、部件结渣堵塞、腐蚀等问题。因此，根据实际锅炉改造，合理布置SNCR工艺，尽量满足上述四个影响因素，保证氮氧化物较高的脱除效率。

3 SNCR技术优化改造问题

3.1 炉膛内部NOx浓度变化较大

因锅炉炉膛内部流场复杂度高，炉膛各部位的喷氨量控制较差，造车局部喷氨量高，局部欠喷，容易形成氨还原剂堆积的情况，造成部分NOx还原率高，部分还原率低。其值主要在20～250mg/Nm3之间。主要解决办法有燃料投放量作为控制系统前馈，燃料波动小，NOx排放量波动较小，稳定度高。

3.2 高硫煤会降低NOx还原率

脱硫与脱硝一直是燃煤电厂面临的主要难题，其原因是为提高脱硫效率必向炉内投放大量石灰石，但石灰石对NOx的生成具有极强的促进作用，使炉内的燃料氮迅速变为NOx，造成NOx浓度升高，又加上炉内流场分布不均，复杂程度高，导致烟气NOx含量增加。主要的解决措施是将水平烟道喷射方式改为错列成对式，使烟气充分接触氨还原剂，增强NOx的脱除效率。

3.3 SNCR技术与分级燃烧技术结合

现阶段分级燃烧方式被广泛应用于燃煤锅炉，降低一次风量，即降低给氧量，在锅炉主燃区燃烧呈缺氧形式，降低燃烧速度、温度，减少NOx的生成量；其次，加大二次风量，使区域的燃烧温度升高，给与氨还原剂还原NOx最佳温度，进一步还原NOx,降低NOx排放量。这不仅可以从根源上减少NOx的生成量，还能增加NOx的还原量，进一步减少烟气中NOx的含量。

4 SNCR技术应用进展[4,5]

SNCR是一项非常成熟的技术，但是碍于实际工业运行过程中低的氮氧化物脱除效率，常与分级燃烧、SCR技术耦合，保证燃煤机组较高的氮氧化物脱除率。Daood等学者进行了煤或生物质在富氧条件下的分级燃烧和SCNR技术相结合的实验研究。结果表明，在分级燃烧80%的氮氧化物脱除率的基础上，加入SNCR技术可使NOx还原率进一步增加，烟气出口氮氧化物浓度降低50%。Tree和Clark研究了天然气再燃与SNCR技术耦合，发现当烟气中O2体积分数为0.7%～3%，烟温为1274～1343K时，耦合技术的最佳氮氧化物脱除效率最高，与SNCR理想脱硝效率相近。李超研究了空气分级与SNCR技术耦合，通过实验得出当主燃区温度为1300℃，过量空气系数为0.75和0.85时，相比于单项技术最佳氮氧化物脱出效率有所提高。Neuffer和Laney报道了在水泥炉窑分级燃烧与SNCR耦合技术，研究表明，分级燃烧技术单独作用氮氧化物脱除效率达17～43%，SNCR技术单独作用达10%～50%，两者耦合后NOx的排放浓度可降至100～200mg/m3。李双喜分析了分级燃烧与SNCR两种技术在水泥炉窑中的降氮原理，通过实验和工业应用证明，两者耦合后的脱硝技术可使NOx排放量减少50%以上。Guo等学者研究了碱金属K/Na添加剂对SNCR脱硝过程的影响，实验结果表明，K/Na添加剂可使SNCR过程的温度区间扩展约50～100K。刘平安等在陶瓷生成过程中对NOx生成进行测试，结果表明，陶瓷的烧成在温度高于950℃后，该过程会进入还原阶段，NOx发生还原反应，降低NOx的浓度，同时其NOx的生成速率也会大大减小。Iliyta等学者使用耦合焦炭燃烧，采用石灰石分解等方式建立了水泥分解炉的非均相反应模型，从而研究NO的生成机理，结果表明，分解炉还原去出口的三次风的混合速率和焦炭反应性等都是重要的影响参数，同时，CO在CaO表面引起的NO还原反应十分重要。王智化等以氨为还原剂在小型沉淀炉上做了SNCR实验研究，研究表明，在最佳温度为850～1100℃喷氨时，NOx的还原率高达82%且氨逃逸率较低。Fan等研究了水泥分解炉中的SNCR脱硝机理。结果表明：增加O2浓度，脱硝的效率降低，最佳的脱硝温度减小，温度窗口向低温侧移动；水分会促进NOx脱 除，拓宽脱硝的温度窗口；当温度低于900℃时，H2O、O2、SO2和CO浓度的增加有利于减少氨逃逸。分级燃烧与SNCR优化控制关键技术针对NOx和SOx等高排放的问题，需要综合优化分解炉分级燃烧与再燃、SNCR脱硝、炉窑自脱硫技术，实现NOx及SOx的低排放，研发分级燃烧与新型SNCR等污染物控制技术。（1）研究工业炉窑分级燃烧还原区过量系数和燃尽风送入位置对NOx排放和燃烧效率的影响，研究替代燃料（如煤矸石、垃圾、生物质等）等对于碳酸盐生料分解的影响；优化设计工业炉窑分级燃烧时各股风的位置，确定分级燃烧接入点的位置、角度以及进入分解炉的速度等因素，研究低NOx燃烧过程中分解炉的局部高温结皮特性；（2）开展工业炉窑内部燃烧过程和SNCR脱硝技术的数值模拟研究，优化SNCR喷嘴在炉膛中的数量分布、速度和位置研究烟气初始NOx。尽管国内外对于SNCR耦合其他脱硝技术开展了长足的研究，也证明了耦合技术的经济性和稳定性，但是炉内准确的工艺参数和工业炉窑的实际应用问题还有待解决。

5 结语

选择性非催化还原（SNCR）技术具有成本低，无二次污染，适合协同应用其它的低氮氧化物减排技术等特点，被广泛用于燃煤电厂当氧化物超低排放改造。但是其NOx脱除效率不高和氨逃逸问题等缺点是限制其应用的主要因素。本文根据SNCR技术特点，分析了影响其脱硝效率的主要因素：氨还原剂喷嘴布置位置（实质是温度）、炉内停留时间、NH3/NOx摩尔比和氨还原剂与烟气的混合情况；阐述了其与分级燃烧耦合技术的研究和应用，虽然该技术具有较高的经济性和稳定性，但是炉内准确的工艺参数和工业炉窑的实际应用问题还有待解决。