火電廠煙氣脫硫脫氮一體化技術(shù)綜述

白靜利 岳秀萍

(1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024;2.山西大學(xué)，山西 太原 030013)

0 引言

近年來，伴隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，電力需求和供應(yīng)持續(xù)增長。截至2013年年底，全國電力裝機容量已達12.473 8億kW，其中，火電裝機容量8.623 8億kW，占全總裝機容量的69%［1］?；痣娦袠I(yè)高速發(fā)展，已經(jīng)成為我國主要的大氣污染物排放源之一?；剂系娜紵a(chǎn)生了大量的煙氣，而煙氣中含有的氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO2)、汞(Hg)、煙塵等有害物質(zhì)是造成大氣污染、酸雨問題的主要根源。目前火電廠多采用脫硫脫硝單獨處理的技術(shù)，即SCR加濕法脫硫。單獨脫硫脫硝存在占地面積比較大、能耗高等等多種問題。因此，一體化脫硫脫硝技術(shù)成為研究的趨勢。

1 一體化脫硫脫硝技術(shù)

一體化脫硫脫硝技術(shù)由同時脫硫脫硝(Simultaneous SO2/NOx)技術(shù)和聯(lián)合脫硫脫硝(Combined SO2/NOxRemoval)技術(shù)兩大類組成。聯(lián)合脫硫脫硝技術(shù)在本質(zhì)上是將不同的兩個工藝流程整合在同一裝置內(nèi)分別脫除SO2和NOx。例如干式一體化NOx/SO2技術(shù)、SNRB技術(shù)、SNOx技術(shù)等。同時脫硫脫硝技術(shù)是通過同一工藝流程在同一裝置內(nèi)將SO2和NOx同時脫除的技術(shù)。例如:電子束照射同時脫硫脫硝技術(shù)、脈沖電暈等離子技術(shù)、LILAC技術(shù)、絡(luò)合吸收法等。

2 聯(lián)合脫硫脫硝技術(shù)

2.1 SNO x技術(shù)

SNOx技術(shù)是煙氣首先通過傳統(tǒng)的袋式除塵器將其中的大的顆粒物除去，避免催化劑中毒失活，再通過WSA(濕式煙氣硫酸塔)將剩余的顆粒物除去，隨后在熱交換器中被加熱到405℃，進入SCR單元進行脫硝。SCR主要分為氨法SCR和尿素法SCR兩種。此兩種法都是利用氨對NOx的還原功能，在催化劑的作用下將NOx(主要是NO)還原為對大氣沒有多少影響的N2和水，在SNOx技術(shù)中使用的是氨法脫硝。在經(jīng)過SCR單元之后，煙氣進入下一個催化單元，SO2被催化氧化成為SO3，最后，煙氣在經(jīng)過熱交換器后溫度被降低，再通過玻璃管冷凝器進一步冷卻，最終產(chǎn)物轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩?。該技術(shù)的關(guān)鍵是SCR和SO2的轉(zhuǎn)化以及WSA(濕式煙氣硫酸塔)，在運行過程中需要投入的運行費用比較低，維護費用也較低，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性高。但是因為系統(tǒng)的流程增加導(dǎo)致能源消耗比較大，投資設(shè)備的費用比較高，其副產(chǎn)品濃硫酸是一種危險品，儲運比較困難，最理想的是在附近有能夠接收的受體企業(yè)［4］。

2.2 SNRB 技術(shù)

SNRB(SOx-NOx-ROxBOx)技術(shù)也稱氣/固催化同時脫硫脫硝工藝，可以在同一個設(shè)備內(nèi)實現(xiàn)脫硫、脫硝和除塵。它由裝有SCR催化劑的高溫布袋除塵器和與相連接的上游管道組成。在上游管道中噴入鈣基或鈉基吸附劑與SO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后脫除SO2，脫硫效率可達80%以上，產(chǎn)生的灰塵和反應(yīng)后的吸附劑被纖維過濾布袋除去。在高溫布袋除塵器入口處噴入氨氣與被包裹在布袋中的圓柱形SCR催化劑相接觸脫除NOx。因為SCR催化劑的最佳催化溫度在400℃左右，所以將SNRB技術(shù)裝置布置于省煤器和空氣預(yù)熱器之間。但是由于煙氣溫度很高，對布袋的材質(zhì)要求較高，所以成本比較高。但該技術(shù)將脫硫脫硝除塵集中在一個高溫室內(nèi)，占地面積小，適用范圍廣［5］。

2.3 干式一體化NO x/SO2技術(shù)

干式一體化NOx/SO2技術(shù)由4項控制技術(shù)組成，分別為LNB(低NOx燃燒器)、OFA(燃盡風(fēng))、SNCR(選擇性非催化還原)以及DSI(干吸附劑噴射)加上煙氣增濕。低NOx燃燒器基本原理是通過改進燃燒器的結(jié)構(gòu)以及通過改變?nèi)紵鞯娘L(fēng)燃比例，來降低煙氣中氧氣濃度、適當(dāng)降低著火區(qū)火焰的最高溫度、縮短氣體在高溫區(qū)的滯留時間，以達到最大限度地抑制NOx生成以及降低排氣中NOx濃度的目的;OFA(燃盡風(fēng))是指將燃燒所需的空氣分成二(或三)級送入爐內(nèi)的燃燒技術(shù);SNCR是指無催化劑的作用下，在適合脫硝反應(yīng)的“溫度窗口”內(nèi)噴入還原劑將煙氣中的氮氧化物還原為無害的氮氣和水;以上三種技術(shù)相互配合來降低NOx。DSI(干吸附劑噴射)加上煙氣增濕技術(shù)可以有效地除去SO2。該技術(shù)脫硝完全在爐內(nèi)進行，脫硫在空氣預(yù)熱器和纖維布袋除塵器之間的管道系統(tǒng)內(nèi)完成，所占空間比較小，脫硫和脫硝效率可達到70%和80%，適用于中小機組和燃用低硫煤和需要同時脫硫脫氮的機組［6］。

2.4 活性炭吸附法脫硫脫硝技術(shù)

活性炭主要指木材或其他含碳材料經(jīng)過熱解加工而得到的具有大表面積和發(fā)達微孔的功能材料?；钚蕴课椒摿蛎撓跫夹g(shù)中的活性炭既可以利用其發(fā)達的微孔將SO2吸附催化氧化為硫酸，也可以作為SCR的催化劑在噴入氨氣的條件下將NOx催化還原成水和N2。煙氣在吸收塔內(nèi)自下而上流動，活性炭自上而下移動。塔身分為上下兩個反應(yīng)部分，在下部噴入氨氣將NOx還原為N2和H2O。煙氣進入上部后，被吸附催化氧化為硫酸，并與氨反應(yīng)后生成(NH4)2SO4，NH4HSO4。反應(yīng)后的活性炭被送入再生器中加熱到400℃，SO2就被解析出來［7］。

2.5 CuO吸附法脫硫脫硝技術(shù)

該技術(shù)屬于固相吸收/再生同時脫硫脫硝工藝。CuO為活性成分，載體為Al2O3。煙氣中的SO2可以與CuO發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成CuSO4，CuSO4/CuO體系又成為良好的催化劑在氨氣存在的條件下將NOx分解為氮氣和水。吸附劑飽和后可以通過再生裝置再生產(chǎn)生SO2被Claus裝置回收。其整個過程中不產(chǎn)生一點廢渣，是比較理想的工藝流程，但是其脫氮的效率不是很高，在75%～80%，脫硫率 90%以上［8］。

2.6 NO x，SO2干式吸附再生技術(shù)

NOx，SO2工藝是利用碳酸鈉浸漬過的γ-Al2O3圓球作吸收劑。該吸收劑可以同時吸收氮氧化物和二氧化硫，其脫硫效率可達90%，脫氮效率可達70%～90%。吸收后的吸附劑可以在高溫下通入還原性氣體，生成H2S，用Clause反應(yīng)裝置回收硫。該工藝流程復(fù)雜，反應(yīng)需要加熱并通過化學(xué)反應(yīng)能耗比較高，限制了其應(yīng)用，但其具有效率高和可以產(chǎn)生硫酸或硫副產(chǎn)品的優(yōu)點［9］。

3 同時脫硫脫硝技術(shù)

3.1 電子束(EBA)照射同時脫硫脫硝技術(shù)

電子束(EBA)照射法是利用電子加速器產(chǎn)生高能等離子束，煙氣中SO2和NOx等氣態(tài)污染物被高能等離子束照射發(fā)生氧化反應(yīng)，生成HNO3和H2SO4，與加入煙氣中適量的NH3反應(yīng)生成硝酸銨和硫酸銨，最后用靜電除塵器去除這些副產(chǎn)品顆粒。此方法可分別達到90%的脫硫率和80%的脫硝率，且不產(chǎn)生污染物，副產(chǎn)物可以加工成農(nóng)業(yè)肥料，普遍認為它是一種有前景的煙氣凈化技術(shù)。但此方法仍存在以下問題:設(shè)備的可靠性低，加速器能耗較高，副產(chǎn)品的捕集困難，要考慮X射線的防護，還有氨泄露等問題［10］。

3.2 脈沖電子暈同時脫硫脫硝技術(shù)

脈沖電子暈脫硫脫硝技術(shù)(PPCP)是利用高壓電源形成等離子體，產(chǎn)生高能電子，煙氣中SO2和NOx的化學(xué)鍵被高能電子打斷，產(chǎn)生自由基，從而達到脫硫脫硝的目的。其特點是不需要電子槍和輻射屏蔽，在超窄脈沖作用時間內(nèi)，就可以加速電子，不存在自由基慣性大的離子沒有被加速的情況，因此，在節(jié)能方面該方法具有很大的提升空間。實驗證明該方法還可以除去煙氣中的粉塵，煙氣中存在的粉塵對脫硫脫硝有協(xié)同作用。因為該技術(shù)使用高壓電源，能耗比較高，運行不穩(wěn)定。目前實驗研究還不夠充分，無法大范圍的進行使用，其投資較電子束照射法低40%左右。

3.3 LILAC 技術(shù)

Mit subishi重工業(yè)有限公司和Hokkaido電力公司合作開發(fā)了LILAC(增強活性石灰—飛灰化合物)吸收劑。該吸收劑由消石灰、石膏和飛灰與5倍于總固體重量的水混合制成漿液，溫度95℃，勻速攪拌3 h～12 h。在管道內(nèi)噴射以除去SO2和NOx，實驗證明Ca∶S摩爾比為2.7，煙氣處理量為80 m3/h時脫硫率為90%，脫硝率為 70%［11］。

3.4 絡(luò)合吸收技術(shù)

絡(luò)合吸收技術(shù)是氨基羥酸亞鐵鰲合物和NO反應(yīng)生成亞硝酰亞鐵鏊合物。氨基羥酸亞鐵鰲合物由亞鐵離子在中性或堿性溶液中形成，如Fe(NTA)和Fe(EDTA)。配位的一氧化氮能夠和溶解在吸收液中的O2和SO2反應(yīng)生成N2O，N2，各種N—S化合物、三價鐵鏊合物和硫酸鹽，以除去SO2，同時三價鐵鏊合物反應(yīng)生成亞鐵鏊合物實現(xiàn)再生。該技術(shù)存在的主要問題是鰲合物在反應(yīng)過程中損失嚴重，再生率不高，運行成本較高。

3.5 氯酸氧化技術(shù)

氯酸氧化技術(shù)是一種濕式洗滌的方法。該技術(shù)分為氧化吸收塔和堿性吸收塔兩部分。氧化吸收塔內(nèi)裝有含氧化劑HClO3的溶液，用來將NO、有毒金屬、SO2氧化。堿式吸收塔內(nèi)裝有含Na2S及NaOH的吸收劑，用來吸收殘余的酸性氣體。該工藝脫氮率達95%以上，脫硫率達90%以上，同時可以除去部分的有毒金屬元素。因為該技術(shù)中不使用催化劑，所以較催化轉(zhuǎn)化原理的技術(shù)相比不存在催化劑中毒和催化效率隨時間下降等問題。在20世紀(jì)70年代Teramoto就發(fā)現(xiàn)次氯酸對NOx的吸收，到了90年代Brogren等人也進行了填充柱的研究，到目前該工藝還處于探索階段［12］。

3.6 過氧化氫氧化

本法與氯酸氧化工藝類似，先將過氧化氫噴入煙道內(nèi)使NO氧化成NO2，然后再利用濕法脫硫漿液或者堿液將其吸收。本法目前還停留在中試試驗階段。SO2會極大影響過氧化氫的氧化效果和經(jīng)濟性，如何降低H2O2/NO摩爾比，提高H2O2氧化NO效率和NOx脫除效率，減小工程投資和運行成本等是本法還需解決的難點問題。

4 結(jié)語

氮氧化物和酸雨污染在我國日益嚴重，國家已經(jīng)出臺了更為嚴格的防控政策。當(dāng)前主流的SCR或SNCR脫硝工藝存在投資、運行費用高的問題，在我國當(dāng)前國情下，開發(fā)結(jié)構(gòu)緊湊，投資與費用低，運行管理方便、產(chǎn)物資源化的燃煤煙氣脫硫脫硝協(xié)同控制技術(shù)刻不容緩。

［1］中華人民共和國統(tǒng)計局.中華人民共和國2013年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報［EB/OL］.http://www.stats.gov.cn/tjsj/zxfb/201402/t20140224_514970.html.

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