陶瓷窑炉氮氧化物排放控制技术可行性探讨

2.2.2陶瓷窑炉SCR法脱硝需要解决的一些问题

SCR法废气脱NOx在理论上已成熟，广泛应用于化工生产、电厂。陶瓷窑炉SCR法脱NOx只要解决在实际操作中以下出现的一些问题，应用前景是光明的。

(1)还原剂NH3与废气的充分混合及其用量的确定可以说，SCR法废气脱硝成功的关键因素有二：一是废气与NH3充分混合；二是按进入反应区的NOx浓度及去除率严格控制NH3的喷入量。

在反应过程中，还原反应并不完全，不参加反应的部分NH3会随排气从烟道逸出。若逸出量过高时，会出现若干有害的副反应，如在有O2存在的条件下，催化剂会将SO2转化为SO3，SO3和多余的NH3与水反应生成硫酸铵或者硫酸氢铵。这种固态物质会污染和堵塞下游部件，沉积或者在烟囱出口处形成蓝色的有害烟雾。因此，不得不设置水洗装置以清除有害的副反应生成物，从而使结构复杂化。

在实际工程中，与陶瓷窑炉相匹配的SCR反应器的尺度通常很大，其进口段内的物理参数很难达到均匀，当脱硝装置要求较高的脱硝效率(如90%以上)时，氨逃逸率迅速增加的可能性大增。而氨逃逸对SCR下游设备影响很大，工程上必须将该值控制在较低的范围内，这对大尺度SCR反应器进口段内物理参数的设计提出了严格的要求。这些参数包括烟气速度场、温度场以及催化剂表面NH3/NOx的混合效果。

一般而言，经过简单调整，烟气速度场就能够满足要求。但如果考虑其对NH3/NOx的混合效果的影响，在喷氨截面上烟气速度场的分布就较难满足要求且又非常关键。

当窑炉高负荷运行时，温度场一般能够满足要求；在低负荷运行时，可以通过减少喷氨量、停止喷氨或者通过旁路烟道来避免较高的氨逃逸率。如果在低负荷工况下需要实现较高的脱硝效率，温度场就很难满足要求。

NH3/NOx的混合效果是SCR装置设计和运行中的重点和难点，当装置设计脱硝效率较高时，其难度更大。在喷氨前后采取适当的策略，都可以不同程度地提高NH3/NOx的混合效果。以较低代价实现良好的NH3/NOx的混合效果是混氨技术研究的主要目标。

氨气经过空气稀释后注入与SCR反应器的连接烟道内，与烟气中NOx混合后进入SCR反应器进行催化还原反应。从喷氨截面至催化剂表层的距离称为混合距离，它直接影响了布置在喷氨截面上的喷氨点数量和混合强度。

在同等混合强度下，混合距离越小，单位面积内所需的喷氨点就越多；当混合距离递减到一定程度时，所需的喷氨点数据迅速增加。在工程设计时，混合距离是根据SCR装置的可用空间、烟道结构等来确定的，在已建窑炉进行脱硝改造的工程中，会因为预留空间不足而影响混合距离的设计。

混合强度则一般受系统压降、烟道结构和设计理念限制，喷氨点数量则受设备成本和运行成本限制。为了在成本控制的条件下实现良好的NH3/NOx的混合效果，应当合理利用装置的可用空间，尽量提高NH3/NOx的混合强度。

氨被喷入烟道后开始扩散，与烟气中NOx发生混合。根据烟道的尺寸和烟气的参数可以确定，烟道内流体的雷诺数远大于4000，所以氨发生涡流扩散。在工程中，由于混合距离和喷氨点数量都受到限制，仅依靠氨扩散一般都不能满足NH3/NOx的混合效果，需要采用一定的策略来提高混合强度，如配置静态混合器、动态混合器和喷氨格栅。

静态混合器需要足够的混合距离，而且系统压降较大，也不容易得到理想的效果；动态混合器效果明显，系统压降略小，所需要的喷氨点少，但是也需要足够的混合距离，而且该技术一般受国外知识产权保护。

总之，对于具体工程，首先应充分考虑SCR反应器前端烟道的长度与布置、系统的压力损失、混合距离、投资、运行费用及安装灵活性等问题，然后选择合适的喷氨和氨/空气混合方式。

(2)SCR反应器设置位置的确定。利用热电偶测定烟道中烟气温度，确定SCR反应器设置位置。

(3)催化剂因烟尘而磨耗的问题。表示进气口附近的催化剂会产生表面硬化而磨损，这可通过控制进气速度小于5m/s而加以防止。

(4)氨粘附于飞灰上。可通过维持氨的泄漏浓度在5ppm以下而得到控制。

(5)烟尘粘附于催化剂上。通过高温静电集尘器的细灰(50-100mg/m3)容易粘附于催化剂表面，因此相应有较多的挥发凝缩物粘附在细灰上。这种细灰可用吹灰器或其他办法除去。此外在脱硝装置中催化剂大多采用多孔结构的钛系氧化物，烟气流过催化剂表面，由于扩散作用进入催化剂的细孔中，使NOx的分解反应得以进行。催化剂有许多种形状，如粒状、板状和格状，最好采用板状或格状以防止烟尘堵塞。

2.3低NOx燃烧技术在陶瓷窑炉应用的探讨

通过对NOx生成机理的分析我们知道，影响NOx的形成有如下一些主要因素：(1)有机地结合燃料中的氮含量。(2)反应区中氧、氮、一氧化氮和烃根的含量。(3)燃烧温度的峰值。(4)可燃物在火焰峰和反应区中的停留时间。

为了控制燃烧过程中NOx的生成，采取的措施原则为：①降低过量空气系数和氧气浓度，使燃料在缺氧条件下燃烧；②降低燃烧温度，防止产生局部高温区；③缩短烟气在高温区的停留时间等。根据这些原则开发研究控制NOx燃烧技术，主要方法有：空气分级燃烧、燃料分级燃烧、烟气再循环降低NOx、低NOx燃烧器和低过量空气系数等技术。

在锅炉设备中，已经使用的控制NOx燃烧技术如表2所示。

当燃烧温度低于1400℃时，热力NOx生成速度较慢，而当温度高于1400℃时，反应速度明显加快，NOx生成速度呈指数增加。陶瓷在窑炉中的烧成温度一般为1100-1300℃，这就决定了燃料燃烧产生的局部高温要高于1400℃。因此，燃料燃烧产生NOx是很难避免的，可以从控制反应区中氧、氮、一氧化氮和烃根的含量、燃烧温度的峰值和烟气在火焰峰的停留时间来入手。

采用低过量空气系数燃烧技术可以从一定程度上抑制NOx的生成。在燃烧过程中，采用低过量空气系数可以限制反应区内的氧量浓度，因而对热力型和燃料型NOx的产生都有一定的抑制作用。一般采用低过量空气系数燃烧可降低NOx排放的15-20%。不过这种方法有一定的局限性，因为当在很低的过量空气系数下运行时，CO和烟尘排放浓度都有可能增加，燃烧效率会降低，并且有可能出现结渣、堵塞和其他问题。因此，运行中最低的过量空气系数受到一定限制。

3展望

随着对NOx产生机理的深入研究及有关NOx治理技术和设备的完善，以及有关企业的大胆创新，氮氧化物在陶瓷行业的治理会越来越普及，效果越来越明显。

参考文献略

来源《中国陶瓷工业》作者：李萍，曾令可，王慧，程小苏

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