[发明专利]利用液体流束喷射技术的选择性非催化还原脱硝方法

说明书

技术领域

本发明涉及控制燃烧生成的氮氧化物（NO_x）的低排放技术。更具体地说，是一种新的向炉内喷射尿素（或氨气、氨水）的方法，从而通过还原反应来减少NO_x的排放。

背景技术

NO_x是严重的大气污染物，选择性还原反应是一种控制燃烧生成NO_x的低排放技术。它的原理是利用氨气或尿素与NO_x反应的选择性，将富氧烟气中的NO_x还原成氮气和水，是一种成熟的氮氧化物脱除（脱硝）技术。其还原反应如下(以一氧化氮为例)：

NH₃作为还原剂：

4NH₃+4NO+O₂→4N₂+6H₂O

尿素作为还原剂：

选择性催化还原（SCR）技术是通过在催化剂上游的烟气中喷入还原剂，利用还原剂在催化剂的作用下，选择性的与NO_x发生反应，通常在350～400^OC的温度下进行。SCR是目前商业技术中脱硝效果最好的成熟技术，其脱硝率可达80%甚至90%以上。在其脱硝过程中，催化剂的选择和使用是最为重要的一部分，大部分的费用也都源于催化剂的老化。因此，价格昂贵的催化剂使得SCR技术投资巨大。

而SNCR技术是在870～1205℃下，将氮还原剂喷入烟气中，将NO_x还原，生成氮气和水。与SCR技术相比，SNCR技术利用炉内的高温驱动氨与NO的选择性发生还原反应，因此，不需要昂贵的催化剂与体积庞大的催化塔。

但是，SNCR技术还原NO的反应对于温度条件非常敏感：当温度过高时，NH₃的氧化反应开始起主导作用，又会重新生成NO，反应式如下：

4NH₃+5O₂→4NO+6H₂O

而当温度过低时，由于停留时间的限制，往往使化学反应进行的程度较低，反应不够彻底，从而造成NO的还原率较低，同时未参与反应的NH₃的增加也会造成氨气泄漏。NH₃是高挥发性的有毒物质，氨的逃逸会造成新的环境污染。

此外，还原剂与烟气的混合程度同样是保证SNCR技术达到理想脱硝率、减少氨逃逸的关键因素之一。为使还原反应发生，还原剂必须被分散并与烟气均匀混合。然而，在大型锅炉上还原剂很难与烟气得到充分混合，主要是由于炉膛尺寸越大，动能相对较小的雾化液滴就越难进入烟气流，液滴的扩散路径受到影响，从而加大了炉膛内部各个区域中还原剂与烟气均匀混合的难度；并且大炉膛中锅炉的温度梯度比较大，因此要保证在最佳温度区域的滞留时间内，还原剂与烟气能较快充分混合并完成还原反应，若混合时间越长就越会影响其脱硝效果；此外，还原剂与烟气的混合是由喷射装置来实现的，而炉内的喷入位置受到限制，当炉膛的尺寸越大，要想取得混合良好的效果，所需的工程量就会加大。

因此，为了满足反应时温度在温度窗口的范围内，并使还原剂与烟气能够得到充分混合的条件，所以对喷氨的控制要求很高。现有的SNCR技术是将液体雾化后再喷入到炉膛内部，使还原剂与NO_x进行混合，来达到良好的脱硝效果。

经过试验，若选择合适的温度窗口，在小试验台上SNCR的脱硝效率可达80%以上。因此，从混合良好的实验室实验结果来看，SNCR是一种脱硝效率很高的技术。然而，在实际大型工业应用中，由于受到锅炉结构形式和运行方式的影响，SNCR脱硝技术的脱硝率在30%～75%之间，而长期现场应用仅能达到30%～50%的NO_x降低。由此看来，SNCR技术有很大的脱硝潜力可以发掘。

总的来说，SNCR脱硝技术目前还存在着以下问题：

1. 合适的反应温度区间窄：如果炉内降温速度快，适合反应的温度区间内停留时间不足，将引起尾部氨逃逸；在高温喷入氮还原剂又会降低脱硝效果，甚至生成更高的NO_x。

2. 混合问题：炉膛的尺寸越大，充分混合越困难；锅炉温度梯度大，混合时间长会影响脱硝效果；炉内喷入位置有限制，要取得好的效果，工程量就会增大。

3. 工况变化的波动影响大：负荷、煤种、磨煤机的停用、炉内吹灰等工况变化都对炉内的温度、速度、浓度场的分布有一定的影响，进而影响SNCR技术的应用效果。