靳志森

（河北冀中新材料有限公司，河北 邢臺(tái) 054000）

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，氮氧化物排放總量逐年遞增，廢氣脫硝工藝技術(shù)更新迭代加快，但污染形勢(shì)依然十分嚴(yán)峻。氮氧化物作為玻纖池窯主要尾氣排放物，除本身的化學(xué)和生物毒性以外，也是形成酸雨的重要原因。氮氧化物作為我國(guó)一系列大氣問題根源之一，既是污染物總量控制指標(biāo)之一，同時(shí)要求濃度限值排放。

京津冀及周邊地區(qū)一度是我國(guó)大氣污染最為嚴(yán)重的區(qū)域，河北省政府先后出臺(tái)了《美麗河北建設(shè)行動(dòng)方案》、《河北省深入實(shí)施大氣污染物綜合治理十條措施》等一些列政策文件，有效推動(dòng)了工業(yè)脫硝設(shè)施升級(jí)改造。隨著《平板玻璃工業(yè)大氣污染物超低排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB13/2168-2020） 實(shí)施，對(duì)河北省內(nèi)玻璃行業(yè)的NOx 排放量進(jìn)行規(guī)定，排放量限制為200 mg/m3，省內(nèi)工業(yè)窯爐脫硝裝置的改造和升級(jí)成為必然趨勢(shì)。

在玻纖生產(chǎn)中，玻纖窯爐是熔化玻璃液的主要設(shè)備，目前大多數(shù)玻纖公司窯爐的燃料為天然氣并采用純氧助燃，氧氣純度在94%左右，在燃燒過程中不可避免的產(chǎn)生NOx，NOx 主要組成為NO 和NO2，玻纖窯爐廢氣中的NO 占到NOx 的90%以上。當(dāng)?shù)卣畬?duì)環(huán)境保護(hù)越來(lái)越重視，對(duì)企業(yè)外排NOx 的濃度標(biāo)準(zhǔn)排放總量越來(lái)越低，企業(yè)須建設(shè)廢氣脫硝設(shè)施及其配套脫硝工藝，減少NOx 排放，以達(dá)到國(guó)家的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，從而保證企業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展。

1 SCR 和SNCR 兩種脫硝技術(shù)原理及工藝異同

目前燃燒產(chǎn)生的廢氣的NOx 脫除技術(shù)主要為SCR 脫硝技術(shù)或SNCR 脫硝技術(shù)，其次是二者聯(lián)合使用的脫硝技術(shù)，但由于此種方法投資較大，采用相對(duì)較少。

SNCR（選擇性非催化還原法） 和SCR（選擇性催化還原法） 都是將還原性物質(zhì)氨水、尿素等霧化噴入煙道與NOx 發(fā)生還原反應(yīng)，生成N2和H2O。兩者的區(qū)別在于是否使用催化劑，而催化劑在反應(yīng)前后物質(zhì)量不發(fā)生變化，僅是改變反應(yīng)條件。在NOx 被還原過程中，催化劑將SNCR 的反應(yīng)溫度窗口由850-1 100 ℃降低到300-420 ℃。以尿素作為還原劑為例，主要化學(xué)反應(yīng)方程式為：

以上是采用尿素作為還原劑的脫硝反應(yīng)，下面是采用氨氣或氨水作為還原劑在合適條件下發(fā)生的脫硝化學(xué)反應(yīng)方程式：

從兩種反應(yīng)結(jié)果可以看出，最終的生成物都是氮?dú)夂退@兩種物質(zhì)均不會(huì)對(duì)大氣造成二次污染。在爐窯煙氣中常常伴隨著SO2和H2O 存在，還原性物質(zhì)同時(shí)會(huì)發(fā)生以下副反應(yīng)：

下面將這兩種脫硝工藝的異同點(diǎn)進(jìn)行比較，見表1。

表1 SCR 與SNCR 異同比較Table 1 Comparison of similarities and differences between SCR and SNCR

2 窯爐氮氧化物產(chǎn)生

燃燒天然氣爐窯產(chǎn)生的NOx 主要來(lái)源于三個(gè)方面：一是原料型NOx：含氮原料在熔制過程中發(fā)生分解反應(yīng)產(chǎn)生氮氧化物；二是高溫型NOx：窯爐結(jié)構(gòu)漏入的空氣進(jìn)入窯爐高溫空間產(chǎn)生氮氧化物；三是燃料型NOx：助燃純氧中帶入的氮?dú)庠跓龢尦隹谂c氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氮氧化物。

進(jìn)入窯爐空氣中的氮?dú)夂椭技冄踔泻男〔糠值獨(dú)庠诟邷貭顟B(tài)下氧化而成，因?yàn)樗醚鯕饧兌仍?2%左右，其余為4%的氮?dú)夂?%的氬氣，NOx的生成過程是一個(gè)不分支連鎖反應(yīng)，高溫下總的生成反應(yīng)式為：

有資料表明，在溫度低于1 227 ℃情況下，上述反應(yīng)速度緩慢，產(chǎn)生的NOx 很少，在溫度高于1 227 ℃情況下，反應(yīng)速度隨著溫度升高而升高，且主要按照第一個(gè)反應(yīng)式進(jìn)行，產(chǎn)生大量的NO，生成量與溫度、時(shí)間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同溫度條件下NO 生成時(shí)間及濃度Table 2 NO generation time and concentration under different temperature conditions

表2 表明，NOx 的生成時(shí)間、數(shù)量和溫度相關(guān)，玻纖窯爐內(nèi)的空間溫度在1 550 ℃--1 600 ℃之間，產(chǎn)生大量的NOx，主要組成為NO。玻纖窯爐中氮氧化物主要來(lái)源于高溫型NOx。

3 控制玻纖窯爐NOx 的方法

控制窯爐NOx 的方法有兩種，一種是燃燒過程中控制NOx，減少其生成量。第二種是采用技術(shù)措施來(lái)減少已生成的NOx，降低NOx 排放，這屬于煙氣脫硝技術(shù)范疇，主要技術(shù)包括直接催化分解、選擇性催化還原、選擇性非催化還原等。

燃燒過程控制NOx 的方法，主要是減少NOx的生成量，一是加強(qiáng)窯爐的密封和窯爐內(nèi)保持正壓，減少進(jìn)入窯爐的空氣，減少NOx 的生成量；二是在保證熔制玻璃液質(zhì)量的前提下，盡可能的降低窯爐空間溫度，減少NOx 的生成量；三是盡可能用高純度氧氣，減少氧氣中的含氮量，減少NOx的生成量；四是各燃燒器采用不同的氧燃比，降低過氧量在一個(gè)低水平運(yùn)行；五是采用分級(jí)燃燒器，在燃燒器周圍形成弱還原性氣氛，減少氮氧化物生成量。

煙氣脫硝的方法，分別是選擇性催化還原法脫硝技術(shù)（SCR） 和選擇性非催化還原法脫硝技術(shù)（SNCR），此外還有一種是臭氧脫硝技術(shù)，目前正在試驗(yàn)階段，尚未成功。

選擇性催化還原法脫硝技術(shù)（SCR），該技術(shù)原理是將還原劑（氨氣、氨水或尿素） 噴入300 ～420℃的煙氣中，一起通過有催化劑填充的脫硝反應(yīng)器中，催化劑多層放置，在催化劑的催化作用下，采用氨氣或氨水為還原劑的煙氣中發(fā)生如下反應(yīng)：

采用尿素為還原劑的發(fā)生如下反應(yīng)：

在上述溫度下，在催化劑作用下才能發(fā)生上述反應(yīng)，通過以上反應(yīng)達(dá)到去除NOx，減少NOx 的排放。這項(xiàng)技術(shù)最大的問題是催化劑的堵塞和中毒。造成催化劑堵塞的原因是煙氣中的SO2反應(yīng)生成的硫酸氫銨和揮發(fā)到煙氣中附著在催化劑蜂窩的原料。煙塵中的堿金屬（Na+、K+） 與催化劑中的活性位發(fā)生結(jié)合，造成催化劑中毒失活。催化劑需要定期更換，其成本占整個(gè)脫硝成本的40%左右，更換下催化劑作為危險(xiǎn)廢物，其貯存、處置需要與專業(yè)公司簽訂協(xié)議進(jìn)行方可處理。在玻纖窯爐廢氣處理中采用這項(xiàng)技術(shù)，為了延長(zhǎng)催化劑的使用壽命，必須在進(jìn)脫硝反應(yīng)器前加裝高溫除塵器，去除廢氣中的塵，以避免催化劑的堵塞和中毒。高溫除塵器的采購(gòu)成本和維護(hù)成本都較高，在滿足該項(xiàng)技術(shù)的使用條件情況下，脫硝效率穩(wěn)定在80%以上，目前有些企業(yè)采用這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行廢氣脫硝處理，但運(yùn)行成本確實(shí)很高，因此并沒有得到大范圍推廣。

選擇性非催化還原法脫硝技術(shù)（SNCR），該技術(shù)原理是將還原劑（氨氣、氨水、尿素溶液） 噴入850 ～1 100 ℃的煙氣中，在沒有催化劑的情況下，也會(huì)發(fā)生和SCR 脫硝技術(shù)一樣的化學(xué)反應(yīng)，從而減少NOx 的排放。該項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)是：一是設(shè)備投資小，工藝流程簡(jiǎn)單。整個(gè)系統(tǒng)僅需要還原劑貯存、控制系統(tǒng)、還原劑霧化噴射系統(tǒng)即可，利用金屬換熱器或者煙道完成脫硝過程，無(wú)需增加高溫除塵器、脫硝塔等設(shè)備，設(shè)備投資較SCR 降低約3/4。二是系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)成本低。與SCR 脫硝發(fā)相比，脫硝使用的還原劑用量基本相同，區(qū)別是少了高溫除塵器的布袋支出、脫硝塔前降溫用電支出以及潛在的熱能浪費(fèi)。非催化還原法脫硝最大問題是脫硝效率不穩(wěn)定，大約在50%左右。脫硝效率不穩(wěn)定的原因是因?yàn)橛绊懨撓跣实囊蛩剌^多，一是還原劑噴入點(diǎn)的位置和溫度范圍；二是還原劑的類型；三是如何控制適當(dāng)?shù)腘H3/NO 摩爾比；四是還原劑能否和煙氣充分混合以及合適的反應(yīng)時(shí)間；五是煙氣中含氧量的影響。以上這些因素的變化都會(huì)對(duì)脫硝效率產(chǎn)生影響，這就是造成脫硝效率不穩(wěn)定的原因。但由于該脫硝技術(shù)投資低、運(yùn)行成本低，將以上影響因素有效控制后，脫硝效率會(huì)有較大的提高。因此企業(yè)的窯爐脫硝工藝也采用這項(xiàng)技術(shù)，控制較好同時(shí)取得了不錯(cuò)的脫硝效率，滿足環(huán)保要求。

這兩種脫硝技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，企業(yè)根據(jù)自己公司的實(shí)際情況選用適合自己的脫硝技術(shù)，并且有個(gè)別企業(yè)還采用這兩種工藝聯(lián)合的脫硝工藝，也就是先采用SNCR，之后再采用SCR，取得了較好的脫硝效果，但是投資和運(yùn)行成本較高，大多數(shù)企業(yè)一般采用一種，也能滿足政府環(huán)保要求的排放標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

國(guó)家對(duì)大氣主要污染物NOx 的排放控制越來(lái)越嚴(yán)格，這就對(duì)眾多的玻纖生產(chǎn)企業(yè)是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，煙氣SNCR 脫硝技術(shù)與采用燃燒過程中脫硝相結(jié)合，可以有效減少NOx 的排放，達(dá)到環(huán)境保護(hù)排放要求。