第四節　SNCR脫硝技術

選擇性非催化還原（selective non-catalytic reduction，SNCR）爐內脫硝技術相較于選擇性催化還原（SCR）技術，以低成本優勢受到廣泛關注。SNCR技術由美國電力研究協會（Electric Power Research Institute，EPRI）于1980年研制并獲得專利，美國Fuel-Tech公司在此基礎上做了工藝完善，并持有多項補充專利。20世紀70年代中期日本的一些燃油、燃氣電廠開始應用，目前全球燃煤電廠SNCR工藝的總裝機容量在2GW以上。

一、SNCR脫硝原理

SNCR技術是在沒有催化劑、溫度為850～1100℃的范圍內，將氨（NH₃）或尿素［CO（NH₂）₂］等還原劑注入鍋爐，還原劑在爐內高溫條件下分解為自由基NH₃和NH₂，與NO_x反應生成N₂和H₂O。該反應以爐膛為反應器，利用爐內的高溫驅動還原劑與NO_x的選擇性還原反應，不需要昂貴的催化劑和體積龐大的催化塔，脫硝效率在50%左右。

以NH₃為還原劑在850～1100℃條件下的具體反應如下：

　　 （2-20）

溫度升高，NH₃被氧化為NO：

　　 （2-21）

若反應溫度低于900℃，反應不完全，氨的逃逸率高，會造成脫硝不完全及二次污染。溫度過高或者過低都不利于污染物的控制，因此在SNCR脫硝技術的應用中，適宜溫度區間（即溫度窗口）的選擇至關重要。

氨作為易揮發物質，對人體危害很大，其存儲和運輸受到國家、地方和行業法規的嚴格管控。尿素相比于氨幾乎無害，SNCR也可采用尿素作為還原劑，但必須配制為一定質量濃度的溶液才能使用。

　　 （2-22）

NH₂+NO N₂+H₂O　　 （2-23）

　　 （2-24）

研究表明，SNCR中采用尿素作為還原劑比采用氨作為還原劑產生更多的N₂O，若運行控制不適當，以尿素作為還原劑將釋放更多的CO。另外，在爐膛過熱器前噴入低溫的尿素溶液也會影響燃料的繼續燃燒，造成飛灰含碳量增加。但尿素溶液的噴霧模式可以得到有效的控制，進而促進還原劑與煙氣的良好混合，氨逃逸較低，還原劑的利用率高。尿素SNCR工藝已經在大型燃煤機組中成功應用。

二、SNCR工藝系統

圖2-49為典型的SNCR工藝流程圖，以鍋爐爐膛為脫硝反應器，在爐膛不同位置處布置還原劑噴射點，鍋爐負荷變化時還原劑噴射到具有合適溫度窗口的爐膛區域。SNCR系統主要由還原劑儲槽、多層還原劑噴入裝置和與之相匹配的控制儀表以及NO_x在線監測系統等組成。SNCR反應物儲存和操作系統同SCR系統是相似的，但它所需的還原劑量比SCR工藝要大。

（一）SNCR還原劑儲存和輸送系統

SNCR還原劑來源有液氨、氨水、尿素三種，液氨在常溫常壓下呈氣態，在壓力容器中運輸和存儲，安全要求較高，而氨水一般采用濃度為29%的氨水溶液，氨水溶液濃度超過28%后其運輸和存儲也需要獲得許可，因此也有SNCR系統采用19%的氨水作為還原劑；另外，液氨和氨水都是以氣態形式噴入爐膛。也有SNCR脫硝系統采用50%的尿素溶液為還原劑，但50%的尿素溶液在20℃就開始結晶，為了防止結晶，系統溫度必須保持在30℃以上，因此除了在尿素溶液存儲罐內設置尿素溶液加熱系統外，在尿素溶液管道上還必須安裝伴熱系統。

50%尿素溶液到噴射區稀釋為10%噴入爐膛，或者將尿素溶液的質量濃度降低至10%，溶液的結晶溫度為0℃以下，管路只需要保溫即可，系統可取消伴熱系統，但尿素溶液存儲罐容積要大一些。

（二）SNCR還原劑噴射混合系統

還原劑噴入系統必須能夠將還原劑噴入鍋爐內最有效的部位，因為NO_x的分布在爐膛對流斷面上是經常變化的，如果噴入控制點太少或噴到鍋爐中整個斷面上的氨不均勻，則一定會出現分布率較差和較高的氨逸出量。在較大的燃煤鍋爐中，還原劑的分布則更困難，因為較長的噴入距離需要覆蓋相當大的爐內截面。多層投料同單層投料一樣在每個噴入的水平切面上通常都要遵循鍋爐負荷改變引起溫度變化的原則。較為典型的設計是設多個噴射區，每個區設噴射器；噴射器一般布置在鍋爐過熱器和再熱器之間，舊鍋爐改造時也可以設在水冷壁區。

為保證脫硝反應能充分地進行，以最少的噴氨量達到最好的還原效果，必須設法使噴入的NH₃與煙氣混合良好。若噴入的NH₃不充分反應，則泄漏的NH₃不僅會使煙氣中的飛灰容易沉積在鍋爐尾部的受熱面上，與煙氣中SO₃生成銨鹽易造成空氣預熱器堵塞，并有腐蝕的危險。因此對SNCR還原劑噴射系統及噴氨均勻性要求較高。

1.SNCR還原劑噴射器及噴射位置

（1）噴射器

還原劑噴射器有槍式和墻式兩種，圖2-50為兩種現場SNCR噴射照片。墻式噴射器一般用于短程噴射就能使反應劑與煙氣達到均勻混合的小型鍋爐和尿素SNCR系統。墻式噴射器在特定部位插入鍋爐內墻，一般每個噴射部位設置一個噴嘴，并且墻式噴射器不直接暴露于高溫煙氣中，因此其使用壽命比槍式噴射器長。槍式噴射器一般用于煙氣與還原劑較難混合的噴氨SNCR系統和大容量鍋爐。其由一根細管和噴嘴組成，在某些設計中噴槍可延伸到鍋爐整個斷面。

因噴射器需要承受高溫和煙氣的沖擊，容易腐蝕和結構破壞，所以噴射器一般用不銹鋼制造。另外，噴射器常用空氣、蒸汽和水進行冷卻。為使噴射器最小限度地暴露于高溫煙氣中，槍式噴射器和墻式噴射器設計成可伸縮的，當遇到鍋爐啟動、停運、季節性運行或一些其他原因SNCR需停運時，可將噴射器退出運行。

還原劑在有壓條件下噴射，因此需要專門設計噴嘴以獲得噴射液滴的最佳尺寸和分布，利用噴嘴的噴射角度和噴射速度控制還原劑軌跡。尿素系統通常采用雙流體噴嘴，用載體流如空氣或蒸汽與還原劑一起噴射。用于大容量鍋爐的尿素一般采用高能系統。高能系統需要裝備大容量的空氣壓縮機、堅固的噴射系統和消耗較多的電能，制造和運行費用較高；而用氨基作還原劑的噴射系統一般比尿素系統復雜且昂貴。

美國MOBOTEC公司開發的SNCR/ROTAMIX技術利用SOFA為SNCR的還原劑噴口，在SOFA分級送風降氮的基礎上進一步降低NO_x達35%。該系統的特點是采用了增壓旋轉二次風，SNCR系統的噴口可以在SOFA各風口間進行選擇，并被高速二次風帶進爐膛上部，依靠SOFA的強渦流，使還原劑與煙氣均勻混合。

（2）噴射點選取

選擇性非催化還原NO_x的反應是在特定溫度下進行的，溫度過高或過低都不利于NO_x的有效控制。溫度低于900℃，NH₃反應不完全，造成所謂的“氨穿透”；而溫度過高，NH₃氧化為NO的量增加，導致NO_x排放濃度增大，所以，SNCR法的溫度控制是至關重要的。

噴入點位置的選擇受爐膛溫度的制約。一般采用計算機模擬鍋爐內煙氣的流場分布和溫度分布，同時輔以冷態與實物等比例縮小的流場裝置試驗，以此為設計依據來合理選擇噴射點和噴射方式。噴射點的選取著重考慮以下幾個方面：a.還原劑分布均勻性；b.噴入點溫度；c.還原劑與NO_x的反應及停留時間；d.噴射區CO濃度及氨逃逸比例。最重要的是還原劑與NO_x的反應溫度，溫度太低，反應動力學進行緩慢，逸出的氨量增加；溫度太高，還原劑被氧化，增加了NO_x的生成。圖2-51所示為尿素和氨為還原劑時在鍋爐不同溫度下的NO_x去除率。還原劑氨噴入的理想溫度是850～1050℃，尿素為900～1100℃，因此SNCR法的最佳噴氨點應選擇在鍋爐爐膛上部相應的位置，鍋爐中注入還原劑的位置一般在過熱器和再熱器的輻射對流區，并要保證與煙氣良好混合，實現高的NO_x還原效率。然而由于不同鍋爐之間爐膛上部對流區煙溫相差±150℃，鍋爐負荷波動也影響爐內溫度，因此需要在爐膛內不同高度處安裝噴射器，以保證還原劑能夠在適當的溫度噴入爐內。

采用氨作為還原劑，添加氫氣可以減小最佳反應溫度范圍，添加甲烷可以降低最佳操作溫度，但相應的NO_x脫除率降低。在尿素中添加有機烴類可增加燃氣中的烴基濃度，不僅NO_x的還原效果提高，還可以擴大還原反應的溫度窗口。使用輔助劑在尿素SNCR系統中還可以抑制N₂O的生成。

2.SNCR噴射均勻性

（1）氨氮摩爾比

氨氮摩爾比（NSR，即NH₃/NO_x）決定還原劑噴入量，還原劑與煙氣在爐內的混合程度及還原劑在爐內的停留時間影響氨氮摩爾比，要在較低的氨氮摩爾比條件下達到較好的NO_x脫除效果，就必須要保證還原劑噴射均勻且與煙氣混合良好。典型的氨氮摩爾比為1～2，爐內實際還原劑噴入量要比理論值多，但氨氮摩爾比過高，氨逃逸量增大，運行費用相應增加。

（2）停留時間

還原劑和NO_x在合適的溫度區域內有足夠的停留時間才能保證較好的NO_x還原效果（圖2-52），停留時間是指還原劑在反應區爐膛上部和對流區存在的總時間。在還原劑離開最佳溫度區域時，必須使還原劑與煙氣混合均勻，尿素分解產生的·NH₃、·NH₂自由基與NO_x反應完全。若反應窗口溫度較低，為獲得較好的NO_x脫除效果，就要有較長的停留時間。如圖2-52所示，相同條件下停留時間由100ms增加至500ms，NO_x的最大還原率從70%上升至93%。

而還原劑在反應溫度窗口的停留時間與煙氣體積流量及鍋爐氣流通道有關，為了避免管路的腐蝕，還原劑的最低流速也需要高于一定的值。

（3）煙氣與還原劑的混合情況

還原劑與煙氣的充分混合是保證NO_x還原充分的關鍵因素，還原劑與煙氣的混合程度基本決定了其他參數如氨氮摩爾比、停留時間等的設計和選擇。還原劑通過噴槍以細小液滴的形式噴入爐內，噴嘴可控制液滴的粒徑和粒徑分布，通過控制噴嘴的安裝角度、噴射速度就可以調節還原劑與煙氣的混合程度。一般粒徑較大的液滴在煙氣中運動的時間較長，但其本身揮發的時間較長，需要較長的停留時間才能充分反應。增加噴入液滴的動量、增加噴嘴數量、增加噴入區的數量以及改善霧化噴嘴的設計等均可以提高還原劑與煙氣的混合程度。

3.添加劑

近年來，科學工作者深入研究了添加劑對SNCR反應的影響。SNCR反應的添加劑主要有堿性金屬添加劑和還原性氣體添加劑兩種。堿性金屬添加劑（如Na、K、Ca鹽）可以促進對于脫硝還原反應非常重要的中間產物·OH的生成，有利于脫硝反應的進行，且該種類添加劑能使溫度窗口變寬，整體上提高NO_x脫除效率，其中以Na₂CO₃作為添加劑時的NO_x脫除效率為最佳。

還原性氣體添加劑主要有H₂、CH₄、CO、醇類、烴類等。可燃還原性氣體的促進機理與堿性金屬添加劑相似，也是通過與煙氣成分之間的反應來促進脫硝反應中有益于自維持反應進行的鏈載體OH或H的產生，進而影響脫硝反應進程。諸多學者的研究結果表明還原性氣體添加劑對脫硝效率的影響不大，但可以使脫硝的溫度窗口向低溫方向移動。

三、SNCR系統應用

1.循環流化床

采用低溫燃燒方式的循環流化床鍋爐（CFB）是我國火電廠行業主要爐型之一，因其具有煤種適應性好、負荷調節性能優良、爐內降氮和脫硫功效良好等優勢，在我國劣質煤利用領域得到大規模推廣。循環流化床由于低床溫和本身合理的配風方式，其出口NO_x濃度一般可控制在200～300mg/m3，但隨著實際煤種與設計煤種的偏離、燃燒工況控制不到位等因素，導致相當一部分的循環流化床出口NO_x濃度偏高，有些甚至有趕超常規煤粉爐的趨勢，失去循環流化床鍋爐低污染排放的優勢。

流化床燃燒溫度為850～950℃，遠低于熱力型NO_x生成的溫度。循環流化床燃燒煙氣中的NO_x主要為燃料型。NO_x生成過程主要集中在CFB鍋爐密相區，尤其是在給煤口附近［39］。NO_x隨煙氣沿CFB爐膛高度方向向上流動，直至爐膛出口，質量濃度沿高度呈下降趨勢。由于循環流化床的特點，一般選用選擇性非催化還原（SNCR）脫硝技術更為合理。圖2-53為典型的循環流化床鍋爐結構示意。

CFB鍋爐中旋風分離器入口是理想的SNCR還原劑噴入點，煤燃燒在爐膛出口處基本結束，O₂濃度近似保持不變，分離器入口煙溫在800～950℃，恰好處于SNCR的最佳反應溫度；煙氣在分離器內的停留時間較長（一般為2～3s），煙氣和還原劑溶液可以充分混合；分離器內煙氣旋流強烈，有助于還原劑溶液的快速擴散；循環灰為多孔疏松結構且含有Fe、Ni、Al、Ti等金屬化合物，也是NO_x反應的催化劑。某1180t/h CFB鍋爐上采用SNCR脫硝技術后，NO_x排放量由改造前的300mg/m3減少到50mg/m3以下，脫硝效率達80%以上［41］。

2.其他鍋爐

煤粉鍋爐是應用最為廣泛的爐型。火電廠煤粉鍋爐一般都采用SCR煙氣脫硝工藝，部分中小型煤粉鍋爐也可以考慮采用SNCR煙氣脫硝工藝。煤粉鍋爐中煤粉燃燒較為充分，爐膛溫度一般要高于CFB鍋爐的爐膛溫度。燃燒器上方區域至爐膛出口區域10m左右高度范圍內，煙氣溫度從1400～1500℃降低到900～1000℃，平均每米高差就要降低50℃左右。從還原劑的停留時間分析，假設爐膛內平均煙氣流速為5m/s，要滿足0.3s的停留時間，其距離是1.5m，在這么長的距離范圍內，煙氣溫降接近75℃，所以煤粉鍋爐具備SNCR煙氣脫硝工藝的時空距離。考慮到SNCR工藝的最佳溫度，煤粉鍋爐爐膛內具有滿足SNCR煙氣脫硝工藝的溫度窗口。此外，由于爐膛四周布滿了水冷壁吸收燃煤產生的熱量，在靠近爐膛壁面附近的煙氣溫度要低于爐膛中心的煙氣溫度。因此煤粉爐SNCR還原劑的噴入點處于爐膛的上部、水平煙道和折焰角等部位。

與CFB鍋爐相比，煤粉鍋爐不具備旋風分離器式的混合條件，只能借助于噴槍霧化效果和還原劑在爐膛內的擴散效果。因此，煤粉鍋爐上實施SNCR煙氣脫硝工藝的效果要比循環流化床鍋爐差很多。在工程實踐中，一般通過設置2～3層噴槍來適應煤粉鍋爐負荷變化時溫度窗口的變遷；通過設置多把噴槍、甚至不同類型的噴槍，以保證還原劑噴入爐膛時有較好的混合效果。

若SNCR煙氣脫硝工藝不能完全滿足脫硝要求，可以輔助低氮燃燒技術、SCR煙氣脫硝技術來實現煤粉鍋爐的脫硝減排。某110MW煤粉鍋爐進行低氮燃燒改造和SNCR改造后，在 110MW 時，鍋爐低氮燃燒和噴氨系統投運后，實測空預器入口處平均煙氣溫度為 431.9℃，NO_x平均濃度為124.1mg/m3（標態、干基、6%O₂），脫硝效率為 31.4%，NH₃逃逸率為2.10mg/m3。

文獻［42］中某300MW鍋爐上采用空氣分級與SNCR技術聯合脫硝，NO_x排放濃度降低至186mg/m3，SNCR噴槍采用長短槍配合的噴射方案，獲得較高的脫硝效率和低的氨逃逸率。

除上述幾種爐型外，SNCR工藝還被用于化工、冶金、建材等行業的窯爐。而近年來學者們在SNCR優化方面的研究主要基于FLUENT軟件平臺，通過對各鍋爐中SNCR系統進行建模和模擬計算，如噴氨位置、噴氨均勻性優化等來促使SNCR達到最佳的運行狀態和最高的脫硝效率。

3. SNCR應用對鍋爐影響

向鍋爐爐膛噴射尿素溶液脫除煙氣中NO_x的同時，尿素溶液以及空氣的蒸發熱解是一個吸熱過程，會對鍋爐的熱平衡及鍋爐效率產生一定的影響；從SNCR系統逸出的氨可能隨煙氣進入下游煙道，容易造成空預器的堵塞和腐蝕。SNCR系統中氨逃逸有兩種情況：一是由于噴入的溫度低影響了氨與NO_x的反應；二是噴入的還原劑過量，從而導致還原劑不均勻分布。由于不可能得到有效的噴入還原劑的反饋信息，所以控制SNCR體系中氨的逸出相當困難，但在出口煙管增設能連續準確測量氨逸出量的裝置，可改進現行的SNCR系統。此外SNCR脫硝過程伴隨著副反應的進行，SNCR工藝通常會產生N₂O［式（2-25）］，引起溫室效應。

　　 （2-25）

有研究發現，煤粉鍋爐SNCR系統中氨的注入改變了SO₃生成機理和主要路徑，明顯促進煙氣中SO₂向SO₃氧化。在NH₃的體積濃度為300μL/L、SO₂的體積濃度為2000μL/L、停留時間1.9s、溫度從1373K降低至573K時，生成的SO₃體積濃度大于10μL/L。

四、SNCR/SCR聯合煙氣脫硝技術

SNCR/SCR聯合煙氣脫硝技術將SNCR工藝的低費用特點同SCR工藝的高效脫硝率及低的氨逸出率有效結合［43］。理論上，SNCR反應中逃逸的氨為后面的SCR催化法提供了所需的還原劑（圖2-54）。

目前單純的SCR脫硝長期穩定運行的脫硝效率不超過93%，對入口NO_x濃度超過1000mg/m3的鍋爐很難通過單純的SCR技術控制到超低排放水平，而爐膛型SNCR+煙道型SCR混合技術成為一種達到超低排放的方法。在SCR前單獨設置噴氨格柵，SNCR逃逸的氨與噴氨格柵新注入的氨一起作為SCR還原劑。經過SNCR后SCR入口NO_x濃度控制在600mg/m3以內，進而再由SCR將其脫除至50mg/m3以下。這種技術特別適用于燃用無煙煤或者貧煤等NO_x初始濃度排放很高的鍋爐。

聯合工藝NO_x的脫除率是SNCR工藝特性、氨的噴入量及擴散速率、催化劑體積的函數。要達到90%以上NO_x的脫除率和氨的逸出濃度在3×10-6以下的要求，采用聯合工藝在技術上是可行的。然而，NO_x的脫除率還必須同還原劑的消耗量和所需催化劑體積保持均衡。

1.SNCR/SCR混合關鍵技術

爐膛型SNCR+煙道型SCR技術需要在煙道中布置SCR催化劑，若煙道截面一般較小，會導致催化劑內流速偏高，影響催化劑的脫硝效率，加速催化劑磨損［44］，因此高速耐磨催化劑對于該布置方案十分關鍵。若煙道截面過小則需要考慮對煙道局部進行擴容。SNCR體系可向SCR催化劑提供充足的氨，但是要想控制好氨的分布以適應NO_x分布的改變卻是非常困難的，并且鍋爐越大，SCR前NH₃的分布越差。為了解決氨分布不均的現象，聯合工藝的設計應提供一個充足的氨給予系統，如在標準尺寸的SCR反應器中安裝一個輔助氨噴射系統。此外，要使SCR的脫硝效率達到甚至超過90%，對NH₃/NO_x摩爾比分布均勻性要求非常高，可以采用下述方法來調整SCR入口NH₃/NO_x摩爾比分布均勻性。

①調試SNCR噴氨，SNCR需要在達到較高脫硝效率的前提下為下游SCR提供均勻分布的氨逃逸，或在SCR前布置補氨噴槍［45］，以利于SCR入口還原劑的均布。

②在SNCR與SCR之間增設煙氣混合構件。一般采用利于混合的煙道及導流板等結構，或增加氣流擾動設備，強化NH₃與煙氣的混合。

③采用分區可調節混合性能優異的噴氨格柵。在裝置啟動后，根據實際運行情況進行噴氨優化調整，可以在一定程度上彌補SCR入口逃逸氨的均勻性。

④采用SNCR-SCR聯合工藝，必須進行脫硝系統優化試驗，以適應爐內溫度場隨鍋爐負荷的變化，減少還原劑用量，降低氨逃逸。

2. SNCR/SCR工程應用

某電廠4臺鍋爐為哈爾濱鍋爐廠生產的HG-410/9.8-YM15型鍋爐，2004年對鍋爐進行增容改造，改造后額定蒸發量為450t/h。2006年采用煤粉再燃和低氧分級燃燒技術控制爐內NO_x生成，將NO_x濃度（標態）由原來的550～700mg/m3降低至350mg/m3以下，為達到北京市污染物排放標準，在國內首先采用SNCR與SCR組合的脫硝工藝進行降低NO_x排放改造。

（1）SNCR系統改造

考慮到還原劑的運輸及儲存安全等，電廠采用尿素溶液為還原劑，通過不同負荷下爐內溫度場的測量，確定尿素噴槍的安裝位置，在爐膛前墻和側墻的不同標高處分別安裝了49支尿素溶液噴槍（圖2-55），噴入爐內的尿素采用高溫蒸汽霧化，使尿素溶液和煙氣相對充分混合。SNCR投入后進行了一系列的優化運行調整，最終鍋爐在不同負荷下均能達到（標態）180mg/m3以下。不同負荷下SNCR投運前后NO_x排放調整試驗結果如表2-5所列。

（2）SNCR-SCR改造

由于現場條件限制無法單獨安裝尿素熱解裝置及NH₃噴入系統，考慮到SNCR反應中需噴入過量尿素溶液，將尿素溶液在爐膛高溫下熱解產生的NH₃作為尾部煙道SCR的還原劑。由于鍋爐尾部煙道用于安裝催化劑的空間有限，因此將原有的光管式高溫省煤器改為H型省煤器，同時整體上移省煤器，減少其占用空間，在高溫省煤器和高溫空氣預熱器之間安裝催化劑（圖2-56）。

SNCR-SCR工程改造最大的難題在于SNCR逃逸氨的均勻分布，即如何使SCR第一層催化劑上游截面上NH₃/NO_x摩爾比分布狀況達到技術要求。該電廠為解決SCR中NO_x和NH₃分布不均的問題，在鍋爐轉向室位置安裝了5個噴嘴蒸汽擾動裝置，作為尾部煙道流場的擾動汽源，使NO_x與NH₃的分布更加均勻。

SNCR-SCR改造后，電廠進行了SNCR-SCR運行優化調整，找到了最佳的聯合運行方式。通過不同負荷下不同噴入層的噴槍組合試驗、不同尿素噴入量試驗、投入不同蒸汽擾動層試驗等，得到不同負荷工況下應投入尿素流量及最佳噴槍投運方式，基本實現不同工況下SCR后NO_x濃度（標態）低于100mg/m3。