靳志森

（河北冀中新材料有限公司，河北 邢台 054000）

0 引 言

随着我国经济的快速增长，氮氧化物排放总量逐年递增，废气脱硝工艺技术更新迭代加快，但污染形势依然十分严峻。氮氧化物作为玻纤池窑主要尾气排放物，除本身的化学和生物毒性以外，也是形成酸雨的重要原因。氮氧化物作为我国一系列大气问题根源之一，既是污染物总量控制指标之一，同时要求浓度限值排放。

京津冀及周边地区一度是我国大气污染最为严重的区域，河北省政府先后出台了《美丽河北建设行动方案》、《河北省深入实施大气污染物综合治理十条措施》等一些列政策文件，有效推动了工业脱硝设施升级改造。随着《平板玻璃工业大气污染物超低排放标准》（DB13/2168-2020） 实施，对河北省内玻璃行业的NOx 排放量进行规定，排放量限制为200 mg/m3，省内工业窑炉脱硝装置的改造和升级成为必然趋势。

在玻纤生产中，玻纤窑炉是熔化玻璃液的主要设备，目前大多数玻纤公司窑炉的燃料为天然气并采用纯氧助燃，氧气纯度在94%左右，在燃烧过程中不可避免的产生NOx，NOx 主要组成为NO 和NO2，玻纤窑炉废气中的NO 占到NOx 的90%以上。当地政府对环境保护越来越重视，对企业外排NOx 的浓度标准排放总量越来越低，企业须建设废气脱硝设施及其配套脱硝工艺，减少NOx 排放，以达到国家的环保标准，从而保证企业的可持续健康发展。

1 SCR 和SNCR 两种脱硝技术原理及工艺异同

目前燃烧产生的废气的NOx 脱除技术主要为SCR 脱硝技术或SNCR 脱硝技术，其次是二者联合使用的脱硝技术，但由于此种方法投资较大，采用相对较少。

SNCR（选择性非催化还原法） 和SCR（选择性催化还原法） 都是将还原性物质氨水、尿素等雾化喷入烟道与NOx 发生还原反应，生成N2和H2O。两者的区别在于是否使用催化剂，而催化剂在反应前后物质量不发生变化，仅是改变反应条件。在NOx 被还原过程中，催化剂将SNCR 的反应温度窗口由850-1 100 ℃降低到300-420 ℃。以尿素作为还原剂为例，主要化学反应方程式为：

以上是采用尿素作为还原剂的脱硝反应，下面是采用氨气或氨水作为还原剂在合适条件下发生的脱硝化学反应方程式：

从两种反应结果可以看出，最终的生成物都是氮气和水，这两种物质均不会对大气造成二次污染。在炉窑烟气中常常伴随着SO2和H2O 存在，还原性物质同时会发生以下副反应：

下面将这两种脱硝工艺的异同点进行比较，见表1。

表1 SCR 与SNCR 异同比较Table 1 Comparison of similarities and differences between SCR and SNCR

2 窑炉氮氧化物产生

燃烧天然气炉窑产生的NOx 主要来源于三个方面：一是原料型NOx：含氮原料在熔制过程中发生分解反应产生氮氧化物；二是高温型NOx：窑炉结构漏入的空气进入窑炉高温空间产生氮氧化物；三是燃料型NOx：助燃纯氧中带入的氮气在烧枪出口与氧气发生化学反应产生氮氧化物。

进入窑炉空气中的氮气和助燃纯氧中含的小部分氮气在高温状态下氧化而成，因为所用氧气纯度在92%左右，其余为4%的氮气和4%的氩气，NOx的生成过程是一个不分支连锁反应，高温下总的生成反应式为：

有资料表明，在温度低于1 227 ℃情况下，上述反应速度缓慢，产生的NOx 很少，在温度高于1 227 ℃情况下，反应速度随着温度升高而升高，且主要按照第一个反应式进行，产生大量的NO，生成量与温度、时间的试验数据见表2。

表2 不同温度条件下NO 生成时间及浓度Table 2 NO generation time and concentration under different temperature conditions

表2 表明，NOx 的生成时间、数量和温度相关，玻纤窑炉内的空间温度在1 550 ℃--1 600 ℃之间，产生大量的NOx，主要组成为NO。玻纤窑炉中氮氧化物主要来源于高温型NOx。

3 控制玻纤窑炉NOx 的方法

控制窑炉NOx 的方法有两种，一种是燃烧过程中控制NOx，减少其生成量。第二种是采用技术措施来减少已生成的NOx，降低NOx 排放，这属于烟气脱硝技术范畴，主要技术包括直接催化分解、选择性催化还原、选择性非催化还原等。

燃烧过程控制NOx 的方法，主要是减少NOx的生成量，一是加强窑炉的密封和窑炉内保持正压，减少进入窑炉的空气，减少NOx 的生成量；二是在保证熔制玻璃液质量的前提下，尽可能的降低窑炉空间温度，减少NOx 的生成量；三是尽可能用高纯度氧气，减少氧气中的含氮量，减少NOx的生成量；四是各燃烧器采用不同的氧燃比，降低过氧量在一个低水平运行；五是采用分级燃烧器，在燃烧器周围形成弱还原性气氛，减少氮氧化物生成量。

烟气脱硝的方法，分别是选择性催化还原法脱硝技术（SCR） 和选择性非催化还原法脱硝技术（SNCR），此外还有一种是臭氧脱硝技术，目前正在试验阶段，尚未成功。

选择性催化还原法脱硝技术（SCR），该技术原理是将还原剂（氨气、氨水或尿素） 喷入300 ～420℃的烟气中，一起通过有催化剂填充的脱硝反应器中，催化剂多层放置，在催化剂的催化作用下，采用氨气或氨水为还原剂的烟气中发生如下反应：

采用尿素为还原剂的发生如下反应：

在上述温度下，在催化剂作用下才能发生上述反应，通过以上反应达到去除NOx，减少NOx 的排放。这项技术最大的问题是催化剂的堵塞和中毒。造成催化剂堵塞的原因是烟气中的SO2反应生成的硫酸氢铵和挥发到烟气中附着在催化剂蜂窝的原料。烟尘中的碱金属（Na+、K+） 与催化剂中的活性位发生结合，造成催化剂中毒失活。催化剂需要定期更换，其成本占整个脱硝成本的40%左右，更换下催化剂作为危险废物，其贮存、处置需要与专业公司签订协议进行方可处理。在玻纤窑炉废气处理中采用这项技术，为了延长催化剂的使用寿命，必须在进脱硝反应器前加装高温除尘器，去除废气中的尘，以避免催化剂的堵塞和中毒。高温除尘器的采购成本和维护成本都较高，在满足该项技术的使用条件情况下，脱硝效率稳定在80%以上，目前有些企业采用这项技术进行废气脱硝处理，但运行成本确实很高，因此并没有得到大范围推广。

选择性非催化还原法脱硝技术（SNCR），该技术原理是将还原剂（氨气、氨水、尿素溶液） 喷入850 ～1 100 ℃的烟气中，在没有催化剂的情况下，也会发生和SCR 脱硝技术一样的化学反应，从而减少NOx 的排放。该项技术优势是：一是设备投资小，工艺流程简单。整个系统仅需要还原剂贮存、控制系统、还原剂雾化喷射系统即可，利用金属换热器或者烟道完成脱硝过程，无需增加高温除尘器、脱硝塔等设备，设备投资较SCR 降低约3/4。二是系统运行维护成本低。与SCR 脱硝发相比，脱硝使用的还原剂用量基本相同，区别是少了高温除尘器的布袋支出、脱硝塔前降温用电支出以及潜在的热能浪费。非催化还原法脱硝最大问题是脱硝效率不稳定，大约在50%左右。脱硝效率不稳定的原因是因为影响脱硝效率的因素较多，一是还原剂喷入点的位置和温度范围；二是还原剂的类型；三是如何控制适当的NH3/NO 摩尔比；四是还原剂能否和烟气充分混合以及合适的反应时间；五是烟气中含氧量的影响。以上这些因素的变化都会对脱硝效率产生影响，这就是造成脱硝效率不稳定的原因。但由于该脱硝技术投资低、运行成本低，将以上影响因素有效控制后，脱硝效率会有较大的提高。因此企业的窑炉脱硝工艺也采用这项技术，控制较好同时取得了不错的脱硝效率，满足环保要求。

这两种脱硝技术各有优缺点，企业根据自己公司的实际情况选用适合自己的脱硝技术，并且有个别企业还采用这两种工艺联合的脱硝工艺，也就是先采用SNCR，之后再采用SCR，取得了较好的脱硝效果，但是投资和运行成本较高，大多数企业一般采用一种，也能满足政府环保要求的排放标准。

4 结 语

国家对大气主要污染物NOx 的排放控制越来越严格，这就对众多的玻纤生产企业是一个严峻的挑战，烟气SNCR 脱硝技术与采用燃烧过程中脱硝相结合，可以有效减少NOx 的排放，达到环境保护排放要求。