尿素溶液溶度和反应温度对SNCR脱硝过程的影响
孙军
(上海电气集团股份有限公司中央研究院，上海200070)
摘要：选择性非催化还原(SNCR)是一种通过喷加氨气或尿素溶液还原氮氧化物的工艺，被广泛应用于高温焚烧炉烟气的处理过程。然而SNCR过程中影响脱硝过程的因素很多。文章研究了在相同的NH3/NO摩尔比下，不同浓度尿素溶液对氨逸出的影响，同时研究了不同反应温度梯度对脱硝过程的影响。结果表明，脱硝效率随着温度的升高逐渐下降，随着NH3/NO摩尔比的升高而升高。并且，在恒定的NH3/NO摩尔比下，尾气中排放的氨浓度随着氨溶液浓度的升高而升高。
关键词：脱硝；SNCR；NH3/NO摩尔比；氨逸出；尿素浓度
中图分类号：X705文献标志码:A文章编号：2095-2945(2021)16-0110-05
Abstract:The selective non-catalytic reduction(SNCR)process is one of the widely used methods in NO X controlling by injecting NH3or urea solution into a high-temperature furnace.While there are some factors affect denitration efficiency in the SNCR process.The objective of this study was to determine the effect of urea concentration on ammonia slip at the same NH3/NO molar ratio in the SNCR process using urea
solution as a reductant.Also,the influence of reaction temperature in the De-NO X reaction process was studied.The results indicated that the denitration efficiency declined with the rising of temperature while increased with the growth of NH3/NO molar ratio.Moreover,at a certain NH3/NO molar ratio,the concentration of ammonia in the tail gas increased with the increasing of urea concentration.
Keywords:NO x controlling;SNCR;NH3/NO molar ratio;ammonia escape;urea concentration
近几年，随着垃圾焚烧项目的不断增加（Li et alW），生活垃圾焚烧处置企业烟气排放的污染物总量也在逐年增多。在生活垃圾焚烧处理的过程中，会产生SO x、NO x、CO等大气污染物，不仅使空气质量下降，长期累积还会引起气候变暖、大气污染、酸雨、臭氧层破坏和森林退化等危害（Kowalok ME[2];Ma et al.[3];Vladut et al.[4]）o因此，无论是从人类生存环境保护需求还是从监管日趋严格要求出发，焚烧厂的氮氧化物（NO x）排放必须严格治理。
选择性催化还原（SCR）和选择性非催化还原（SNCR）是两种常用的垃圾焚烧烟气污染控制技术，被广泛地应用于各种焚烧炉、精炼厂和垃圾焚烧项目中（Wang et al.[5];Xiao et al.[6];Zhenzhen and Dezhen[7]）。SNCR技术通过向高温烟气中喷加氨气或尿素溶液来给烟气脱硝（Zhenzhen and Dezhen[7]），与SCR相比较，SNCR工艺过程相对简单、不需要催化剂、易于在既有项目上改造、投资少，因此对不同的炉型有广泛的适用性（Hwang et al.[8];Lee et al.[9]）。
由于氨的运输和储存具有危险性,SNCR脱硝过程中需要的氨通过尿素分解原位生成。之前对SNCR工艺性能的研究主要集中在烟气温度、烟气停留时间、尿素/ NO比（normalized stoichiometric ratio NSR）和混合条件等几个因素上（Nguyen et al.[10];Sahu et al.[11]）o然而，目前 还没有关于氨产生过程中尿素分解平衡研究的文献报道。因此，我们决定更深入地研究相同NSR下尿素浓度与NO x还原效率之间的关系。
本研究搭建了一台小试反应器用于研究尿素浓度对SNCR工艺的影响。
1材料和方法
1.1材料
试验所用的小试装置如图1所示（内径140mm，长度1000mm），试验装置内部有K型热电偶，其工作温度可以高达1100°C并能保持工作温度恒定。原料气体和混合后的模拟污染气体分别来自气瓶和混合罐，通过质量流量控制器（MFC）测量和调节各自的流量。将氮气（N2）、一氧化氮（NO）和氧气（。2）引入混合槽，并在进入反应器之前进行混合。在反应器内放置一个多孔气体分布器（45个孔，直径1mm，间隔2mm）来分布散装气体。NO的初始浓度为2000ppm,02和N的纯度超过99.995%vol.%o还原剂[NH3]/[NO]的计量比（NSR）在1~3之间变化。使用手持式气体分析仪（图2）测量NO浓度。使用高精度注射器（图3）将尿素溶液泵入反应器。
作者简介：孙军（1986-），男，硕士研究生，研发工程师，研究方向：固体废物处理处置与资源化。-110-
图1脱硝试验反应装置
图2手持式气体分析仪（型号:desto  350，德国）1.2方法
1.2.1尿素溶液脱硝实验
氮气输送到反应器的过程中加热到1000益。温度达 到1000益后5分钟,N 2 （高纯级）、O 2 （高纯级）和NO
（2000mg/m 3）混合后注入反应器混合罐。实际测得掺合气 中NO 浓度为1227mg/m 30 N 2,O 2和NO 的流量分别为
3.97L/min 、0.65L/min  和
4.63L/min 。
SNCR 工艺的总体反应如下：
4NO+4NH 3+O 2=4N 2+6H 2O
在脱硝过程中使用的尿素溶液质量百分比一般在
10%〜40%之间。在本研究中，尿素溶液浓度设置为10%、
20%,30%和40%o 根据化学方程式，尿素溶液的流量是 设定在 0.228，0.342，0.456，0.570，0.684ml/min ， 温度设定
在 850°C 、900°C 、950°C  ,1000益测试脱硝效率。
1.2.2氨逸出测定
reactor technology 文章翻译用0.01mol/L  H 2SO 4吸收反应器中逸出的氨，用比
200 300
400 500
600
, , . （00
urea  solution  flow  rate
（ mm ）
图4尿素浓度和流量对脱硝过程的影响
图3高精度注射器（型号：LSP01-1A，中国）
法测定。尾气中氨浓度公式如下：
C （NH3）=C （N ）x V o  0
vxt
其中,C （NH3）为尾气中氨的浓度,mg/L;C （N ）为吸收液中
NH 3-N 的浓度,mg/L;V 。为吸收液体积,L;v 为烟气流量,
L/min;t 是吸收时间，分钟。
2结果与讨论
2.1不同流速下尿素溶液的脱硝效率
本项目研究了四种尿素浓度下尿素溶液流速对脱硝
效率的影响。结果如图4所示，当尿素溶液浓度分别是为
10%、20%、30%和40%，脱硝效率欲达到90%以上，需要
尿素溶液流速分别高于600ul/min 、500ul/min 、470ul/min  和370ul/min o 结果表明，在相同尿素浓度下，脱硝效率随
尿素溶液流速的增加而增加；在相同的尿素溶液流速下，
尿素浓度越高，脱硝效果越好。当尿素溶液流速大于
600ul/min 时，在尿素浓度为10%〜40%范围内脱硝效率
—■— 20% urea  solution
—♦— 40% urea  solution
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-
均可达90%以上。
2.2不同流速下尿素溶液的氨逸出
如图4所示，脱硝效率随尿素溶液浓度和流量的增加而增大。但脱硝过程中尿素过量会导致氨逸出(Hwang et al.叫Li et al.[12])o图5为氨逸出的研究结果，在尿素溶液浓度相同的条件下，氨逸出随尿素溶液流速的增加而增加。在尿素溶液流速相同的条件下，随着尿素溶液浓度的增加，氨逸出增大。因此，在实际应用中，不能只追求高脱硝效率而忽略氨逸出。当初始氮氧化物浓度约为1000mg/L时，脱硝效率一般在90%以上，达到环保要求。而与图4相比，脱硝效率在95%以上时，氨氮逸出量迅速增加。因此，对于浓度为10%、20%、30%和40%尿素溶液，最佳流速分别为684ul/min、570ul/min、570ul/min 和456ul/min。
2.3温度对脱硝过程的影响
本部分研究了在前文最佳适尿素溶液流速下，温度对脱硝效率的影响。根据GB18485-2019《生活垃圾焚烧污染控制标准》要求，燃烧温度不应低于850益，因为这项研究的温度范围从850益到1000益。从图6可以看出，随着温度的升高，脱硝效率逐渐降低o脱硝过程是由尿素分解而来的氨对NO进行还原。温度在850益和950益，发生的主要反应是还原反应。当温度高于950益，发生的主要是氧化反应，从而导致脱硝效率下降。因此，脱硝效率较高的适宜温度是850°C~950°C。
2.4反应温度对氨逸出的影响
从以上研究，我们可以得出推断—
—在相同尿素浓度和流量的情况下，氨产量随温度的升高而降低。为了验证这一推测，进行了进一步的研究。
如图7所示，本研究测量了不同温度下的氨逸出。当温度在850°C~950°C，氨逸出随着温度的上升而急剧减少，当温度高于950益氨逸出浓度接近为0o由图6和图7可以得出结论，在相同尿素浓度下，随着温度的升高，氨逸出和脱硝效率均降低，说明氨产生量降低。
2.5相同NH/NO摩尔比下不同尿素浓度对脱硝效率的影响
一般认为NHJNO摩尔比率是影响脱硝效率的主要因素(MUA et al.[13];Javed et al.[14])o但在一定NHJNO摩尔比下，脱硝效率会因尿素浓度的变化而不同—
—高尿素浓度低流量或低尿素浓度高流量。图8为4组NHJNO
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摩尔比下浓度变化对脱硝效率的影响。从图中可以看岀， 在尿素浓度不变的情况下，脱硝效率随NHJNO 摩尔比 的增加而增加。而在相同NH 3/NO 摩尔比下，不同尿素浓 度下的脱硝效率不同。当NH 3/NO 摩尔比为1时，10%和
20%尿素溶液的脱氮效率分别为79%和65%o 当NH 3/NO
摩尔比为1.5时，10%、20%和30%尿素溶液的脱氮效率
分别为94%,78%和71%o 当NH 3/NO 摩尔比为2时,20% 和40%尿素溶液的脱氮效率分别为86%和77%o 当NH 3/
NO 摩尔比为3时,20%、30%和40%尿素溶液的脱氮效
率分别为98%、89%和87% o 因此，在相同的NH 3/NO 摩
尔比下，低尿素浓度的脱硝效果更好。
3结论
随着尿素溶液浓度和流量的增加，脱硝效率增加，氨
逸出增加。在一定NHJNO 摩尔比下，尾气中氨的浓度随 着尿素浓度的增加而增加。温度850益和1000益，是脱硝
效率下降与上升的温度。温度高于950益时，氧化反应占 主导，脱硝效率下降。除温度和NHJNO 摩尔比外，尿素
溶液浓度也是影响脱硝效率的因素。在相同的脱硝温度 和NHJNO 摩尔比下，低尿素浓度的脱硝效果较好。
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16th  International  Conference  on  System  Theory, Control  and
2500.00
2000.00
1500.00
1000.00
500.00
0.00
temperature
(° C)
图7反应温度对氨逸出的影响
H  10% urea  solution  H  20% urea  solution □ 30% urea  solution  S  40% urea  solution
NH 3/NO  ratio
图8在相同的NHJNO 摩尔比下尿素浓度对脱硝效率的影响
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(上接109页)
印刷面润湿性能应在一定范围，确保接装纸非印刷面在前2s内的吸水速率适宜，使胶水干燥速度与卷烟机搓接速度相匹配，是解决泡皱问题更关键的因素。
3结论
通过接触角法对正常镀铝接装纸与缺陷镀铝接装纸表面润湿性能及其随时间变化情况进行分析，探索泡皱问题产生原因及改进方案。针对镀铝接装纸非印刷面润湿性能及吸水速率两项指标进行改进。实际卷
制效果说明，仅仅对接装纸非印刷面润湿性能高低的评价并不能完全衡量镀铝接装纸上机适应性能，而非印刷面在前2s 内吸水速率的匹配性则是更关键的因素。该方法将为企业实际生产过程中质量问题的解决提供参考依据。参考文献：
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