为达到超低排放标准，某电厂筹备660,WM超临界循环流化床机组时在旋风分离器处安装SNCR脱硝设备.通过实验方法研究温度、氨氮摩尔比(RNS)、氧含量和循环灰对SNCR脱硝的影响.
结果表明，温度从800,℃提升到950,℃，脱硝率不断提高且在950,℃达到峰值，再继续升温由于NH3氧化作用脱硝率下降;在温度低于850,℃时，温度是反应的控制因素，提升RNS影响不大，在温度超过850,℃时，提升RNS会明显提高脱硝率，但RNS大于1.5后，脱硝率增幅放缓;不含氧时，OH等活性基团很少导致SNCR反应进行缓慢，含氧时，氧含量增加会加强NH3氧化减小脱硝率;循环灰含有Fe2O3、CaO金属氧化物可以起到催化作用，加强NH3的氧化反应从而降低脱硝率.
流化床锅炉具有低硫、低氮排放的特点，已被国家大力推广.近几年，国家提出“超低排放”的目标——在基准氧含量(体积分数)6%,的条件下，NOx排放质量浓度小于50,mg/m3，SO2排放质量浓度小于35,mg/m3，烟气排放质量浓度小于5,mg/m3，为达到超低排放标准，需要进一步提高机组脱硝率.
SNCR脱硝技术具有投资少、设备简单的特点并且最主要的是循环流化床锅炉旋风分离器内温度(850～950,℃)在SNCR反应温度窗内，烟气停留时间在1s以上.对于循环流化床锅炉，在旋风分离器处加装SNCR脱硝装置便可以得到超过50%,的脱硝率，远高于煤粉炉.
李穹等[1]运用数值模拟的方法研究了温度和氨氮摩尔比对SNCR脱硝的影响，结果表明：SNCR反应温度窗在850～1,050,℃之间，而且不同氨氮摩尔比的最高脱硝率都集中在980,℃左右，氨氮摩尔比增大可以提高SNCR脱硝率.唐志雄等[2]发现烟气中SO2对NH3选择性还原NOx有促进作用.屈卫东等[3]对实际电厂SNCR脱硝系统进行改造分析，发现脱硫液pH值较高虽利于SO2吸收，但会增大氨气逃逸.高阳等[4]分析煤粉灰对氨气脱硝的影响，得到煤粉灰含有的CaO和Fe2O3对氨气还原脱硝不利的结论.张彦文等[5]使用数值模拟的方法研究了加入CH4对SNCR脱硝的影响，发现加入CH4可以使SNCR反应温度窗向低温区偏移.
本文采用实验的方法对SNCR脱硝影响因素进行研究.采用固定床反应器系统考察温度、氨氮摩尔比(RNS)、氧含量以及循环灰对SNCR脱硝效率的影响，研究分析NH3选择性非催化还原氮氧化合物的机理，为SNCR脱硝技术在运用中提供有意义的参考.
1实验
1.1循环灰原料
某电厂660,WM超临界循环流化床锅炉燃烧的是洗中煤和煤矸石的混煤，实验参照设计煤的热值进行掺混，实验中洗中煤和煤矸石的质量比为60∶40.将配比好的煤放到850,℃的马弗炉里煅烧1h，使用煅烧后剩下的灰做实验.循环灰中氧化物成分的分析结果如表1所示.
表1循环灰的氧化成分
由表1可见，灰中含Si、Al和Fe金属元素较多，共占91.57%,.Ca元素较少，质量分数只有2.36%，这是因为文献中实验所选取的灰是实际运行中的灰，含有大量脱硫剩下的CaO，文献中CaO质量入的石灰石所以CaO含量较少.其他金属元素氧化物都比较少：MgO、TiO2、K2O、Na2O和P2O5质量分数总共占3.71%,.
1.2实验方法
在固定床反应器系统上进行实验，实验设备有反应气瓶、质量流量计、热电阻炉、石英反应器和烟气分析仪(Testo35).图1为实验系统结构示意.
图1实验系统结构示意
由反应气瓶提供反应气N2、O2、NO和NH3(其中O2瓶、NO瓶和NH3瓶都为体积分数1%,的气体与N2的混合气)，通过质量流量计来控制各种反应气体的配比，使用热电阻炉来对石英反应器加热，预热阶段加热速率为10,℃/min，设置预热时间为1.5h，均匀提高温度，预先配比好的反应气体在高温的石英反应器中进行反应，石英反应器出口处使用烟气分析仪来测量反应前、后反应气体的体积分数.
实验在常压下进行，反应气体总流量保持恒定，约为1,250,cm3/s，NO流量在实验中保持不变为125,cm3/s，反应气中N2为保护气，在研究氨氮摩尔比和氧含量的影响时，要相应改变N2流量来保持气体总流量不变.实验分别研究了温度、氨氮摩尔比、氧含量和循环灰对SNCR脱硝反应的影响.SNCR脱硝效率计算如式(1)所示：
2实验结果与分析
2.1温度的影响
温度对SNCR反应影响最大，温度太低SNCR脱硝反应进行缓慢，温度太高时，NH3会进行氧化反应降低脱硝率，对于SNCR脱硝反应，温度的选取必须合适.SNCR的反应温度一般在850～1,050,℃[1]，反应气中氧气体积分数不同时，反应路径也不同，其中最主要反应[6]是：
图2不同温度下SNCR脱硝率变化曲线
图3NH3还原NO反应机理
在NH3还原NO体系中，主要依靠NH2来还原NO[8]，其中NH2是通过NH3与OH和H基团反应生成的.OH基团是促进NH3转化成NH2的重要物质，当温度在反应温度窗内时，NH2与NO反应会产生OH基团，而在温度较低时，OH基团生成会被抑制，导致反应(2)进行缓慢，脱硝率较低，图2中800,℃下不同氨氮摩尔比下的SNCR脱硝效率都只有30%,左右.当温度提升到850～950,℃时，脱硝率得到了一个大的提升，体现了自加速的现象，如图2所示反应温度950,℃时脱硝率可以达到近85%,.但温度进一步升高，OH等活性基团浓度进一步升高，NH3的氧化反应逐渐加强，反应(4)、(5)开始占主导地位，一方面还原剂NH3被大量消耗;另一方面NH3的氧化反应(5)会增加NO，最终导致脱硝率降低，在图3中表现为950,℃以后，脱硝率开始下降，温度越高下降越厉害，说明温度较高时NH3氧化反应强烈.
2.2氨氮摩尔比的影响
以NH3为还原剂的选择性非催化还原氮氧化合物，还原剂量的选取十分重要.根据化学反应平衡移动规律，NH3的增加可以使反应(2)、(3)向正反应方向移动，增强脱硝效果，但是同时NH3的增加也会加强NH3的氧化反应，使反应(4)、(5)向正反应方向移动，增加NO的量，减弱脱硝效果，而且增加喷入NH3的量也会提高成本.在SNCR脱硝率和成本之间选取合适的氨氮摩尔比具有实际意义.
图4为在ϕ(O2)=6%,时，氨氮摩尔比对脱硝率的影响.
图4不同氨氮摩尔比下SNCR脱硝率变化曲线
从图4中可以看出，在温度低于850,℃时，氨氮摩尔比增加对脱硝率影响不大，800,℃下氨氮摩尔比从1上升到2，SNCR脱硝率从30.3%,提高到34.1%,;850,℃下氨氮摩尔比从1增加到2，脱硝率从36.4%,提高到50.1%,.这主要是因为温度较低，抑制OH基团的生成，NH2含量较少，导致反应(2)进行缓慢.低温时，温度是SNCR反应的控制因素.所以反应温度较低时，还原剂NH3加入再多，也不能有效地提高脱硝率.
当温度超过850,℃时，温度不再是SNCR脱硝反应的控制因素，氨氮摩尔比的增加会显著地提高SNCR脱硝率.而且不同温度下，氨氮摩尔比对脱硝率的影响表现了相同的变化趋势.当反应温度超过850,℃时，氨氮摩尔比从1变化到2，明显提高了脱硝率，但是当氨氮摩尔比大于1.5后脱硝率增加速率逐渐放缓.
分析可知，还原剂过多会促进反应(4)、(5)向正反应方向进行，消耗还原剂，生成NO，使SNCR脱硝率增加放缓.从自由基方面来看[13]，一个NH2可产生4个OH自由基，使NH3有充足的OH自由基来产生NH2，NH2进行NH2+NO反应生成N2和NH2+NO反应生成NNH的链反应，在RNS=1.5时，这两种链反应竞争达到平衡，氨氮摩尔比再继续增加，只能使脱硝率缓慢增加，增加幅度趋于平缓.综合考虑SNCR脱硝率和运行经济性因素，氨氮摩尔比设置为1.5左右较为合适.
2.3氧含量的影响
反应气体中氧含量的不同，SNCR反应的反应路径不同.在实际运行中烟气中都会含有氧气，氧含量增多会促进反应(2)向正反应方向移动，但是同时也会增强NH3氧化反应，合理的氧含量选取对SNCR脱硝率保持较高水平具有重要意义.
图5为RNS=1.5时，氧含量对SNCR脱硝率影响变化曲线.
图5不同氧含量SNCR脱硝率变化曲线
从图5可以看出，ϕ(O2)=0时，SNCR脱硝率较低，温度从800,℃提升到1,050,℃，脱硝率也仅是从1.2%,提升到了18.2%,，Lyon等[11]通过研究发现ϕ(O2)=0时，OH和O基团含量较少，抑制NH2基团的生成，NH3还原NO反应进行缓慢.氧含量从0增加后，SNCR脱硝率显著提升，这是因为O和OH等活性基团浓度增加，促进了NH2基团的生成.
图4不同氨氮摩尔比下SNCR脱硝率变化曲线图5不同氧含量SNCR脱硝率变化曲线在含氧时，发现氧含量的增加会导致SNCR脱硝率的减小.分析可知，因为NH3在高温下不仅会发生还原NO的反应，同时也会和O2发生氧化反应，反应NH3+NO和NH3+O2存在竞争关系，而在高温下O2的增加对NH3氧化反应的促进作用要大于对NH3还原反应的促进作用，导致NH3被大量消耗，还原剂大量减少，同时NH3氧化反应(4)又会产生NO，综合作用下，SNCR脱硝率降低.
2.4循环灰的影响
循环流化床锅炉实际运行时，烟气不会是纯净的气体，烟气会携带许多灰进入旋风分离器.SNCR脱硝系统是对携带循环灰的烟气进行脱硝，其中灰中含有大量具有催化作用的金属氧化物，对SNCR脱硝反应有较大影响.研究循环灰对SNCR脱硝反应的影响具有重要的实际意义.
实验中，先在固定床系统的石英反应器中加入煅烧好的循环灰，然后再通入配比好的反应气进行反应，烟气分析仪读取反应前后数据，与不加循环灰时的反应进行比较，研究循环灰对SNCR脱硝的影响.
图6为RNS=1.5、ϕ(O2)=6%,时，循环灰对SNCR脱硝率影响的变化曲线.
图6循环灰对SNCR脱硝率的影响
从图6可知，添加循环灰与不添加循环灰，SNCR脱硝率随温度变化趋势相同，在850,℃到950,℃，脱硝率不断增加，在950,℃达到峰值，温度再提高后，脱硝率开始下降，但是添加循环灰与不添加循环灰相比，会使SNCR脱硝率下降，以最高点950,℃为例，添加循环灰后SNCR脱硝率从82.9%,下降到了78.6%,，说明循环灰有抑制SNCR脱硝的作用，这与文献[6]中实验结果相似.
分析可知，循环灰中主要成分为SiO2、Al2O3和Fe2O3，占到91.57%,.其中SiO2和Al2O3对反应基本呈惰性，而Fe2O3和CaO是促进反应的活性成分.随着温度升高，NH3开始发生氧化反应.在高温NH3+NO+O2体系中，Fe2O3和CaO促进NH3还原NO的同时也会促进NH3的氧化反应，并且NH3的氧化反应要强于NH3还原反应，循环灰中Fe2O3和CaO越多，NH3的氧化反应越剧烈，导致还原剂NH3被大量消耗，降低了氨氮摩尔比，而且NH3氧化反应(4)会产生NO，使添加循环灰的SNCR脱硝率比不添加循环灰的SNCR脱硝率低.
3结论
(1)温度对SNCR脱硝反应的影响最大.在实验的条件下，温度由800,℃变化到1,050,℃时，SNCR脱硝率先增后减，在950,℃达到最大值.在温度较低(小于850,℃)时，SNCR反应进行缓慢，脱硝率只有30%,左右;在温度大于950,℃后，NH3氧化反应加剧会降低脱硝率.
(2)氨氮摩尔比对SNCR反应具有重要影响.在温度小于850,℃时，温度是SNCR的控制因素，改变氨氮摩尔比对反应影响不大;当温度大于850,℃时，提升氨氮摩尔比可以明显提高脱硝率，但是氨氮摩尔比大于1.5时，NH2+NO和NH2+NO链式反应已达到平衡，继续提高氨氮摩尔比，脱硝率的增幅放缓.
(3)在不含氧,时，OH等活性基团很少，SNCR反应进行缓慢;在有氧时，氧含量增加促进了NH3氧化反应，降低了NH3+NO还原反应的选择性，会降低SNCR反应的脱硝率.
(4)循环灰中含有大量金属元素，其中SiO2和Al2O3对反应基本呈惰性，Fe2O3和CaO是促进反应的活性成分，在高温条件下，Fe2O3和CaO对NH3氧化反应的催化效果要强于对NH3还原反应的催化效果，因此降低了脱硝率.
