火電廠脫硫脫硝除塵一體化技術(shù)研究

＊毛中建

（廈門佰瑞福環(huán)保科技有限公司 福建 361000）

煤炭在中國能源消費中占主導(dǎo)地位，占一次能源的75%。目前，我國煤炭消費量已達(dá)15～19億噸。2025年和2030年，我國煤炭消費量預(yù)計分別達(dá)到23億噸和30億噸。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會對電力的需求將不斷增加。煤炭消費量占煤炭消費量的比重將逐步提高。火電廠排放的煙塵和含硫氣體占全國工業(yè)排放比重也在快速增長。目前，除塵脫硫技術(shù)相對成熟，但如何以最少的投資控制成本和總量達(dá)到環(huán)保的目的成為研究熱點。本文以電廠除塵脫硫為例，說明優(yōu)化分析的重要性和實用性。下面結(jié)合企業(yè)對其應(yīng)用優(yōu)勢進(jìn)行分析，首先說明其重要性。

1.火電廠脫硫脫硝除塵的重要性

二氧化硫是大氣污染的重要來源之一，其污染危害極大。因此在20世紀(jì)70年代，煙氣脫硫技術(shù)的研究成為許多國家大氣污染治理的重點，一些工業(yè)加工廠相繼建成。同時，已經(jīng)開始研究和開發(fā)處理另一個嚴(yán)重的空氣污染問題的方法，即氮氧化物NOx污染。在陽光作用下，NOX發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，形成光化學(xué)煙霧，導(dǎo)致空氣污染嚴(yán)重。自20世紀(jì)70年代以來，NOX空氣污染越來越受到人們的關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，對人體健康的危害、高濃度的硝酸鹽雨、光化學(xué)煙霧、臭氧回收等問題都與低NOX濃度有關(guān)，這比最初估計的危險得多[1]。

環(huán)保技術(shù)裝備廠商推出了多種技術(shù)途徑來滿足極低的指標(biāo)，其中很多都不是真正成熟的技術(shù)。鋼鐵公司往往因為盲目或走投無路而難以識別正確的決定。以2017年為例，唐山某鋼鐵企業(yè)在當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門的倡議下，投資數(shù)億元在多家燒結(jié)廠增建濕式電除塵系統(tǒng)。濕法發(fā)電項目建成后，建成一套半干法循環(huán)流化床系統(tǒng)。此次硫磺、粉塵達(dá)標(biāo)，但由于配套脫硝工藝選擇不當(dāng)，導(dǎo)致氮氧化物不達(dá)標(biāo)，企業(yè)仍未達(dá)到超低排放要求。隨著環(huán)境問題在世界范圍內(nèi)變得越來越重要，世界各國都在加強(qiáng)環(huán)境管理。中國制定并實施了一批技術(shù)法律、法規(guī)、規(guī)劃和政策。對此，煙氣脫硫和氮催化技術(shù)的研究顯示出一定的社會和環(huán)境效益。在擬議的新標(biāo)準(zhǔn)中，SO2排放的最大允許濃度為200mg/Nm3，NOx為300mg/Nm3。

2.火電廠脫硫脫硝除塵一體化技術(shù)的特點及原理

(1)特點

①技術(shù)內(nèi)容：技術(shù)內(nèi)容為生產(chǎn)富氧源，通過臭氧發(fā)生器產(chǎn)生臭氧，將臭氧注入混合反應(yīng)裝置，氧化煙氣中的氮氧化物，利用空分技術(shù)氧化氮氧化物。液態(tài)氧化鎂上的氧氮化物材料。充分利用氫氧化鎂對二氧化硫和氮氧化物的高吸收效率，將臭氧氧化脫硝技術(shù)與鎂脫硫技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)了脫硫脫硝一體化裝置。該技術(shù)脫硫效率一般在90%以上，可達(dá)93%以上。SO2排放濃度通常在100mg/m3以下，脫硝效率在86%以上，NOx排放濃度通常在100mg/m3以下。該工藝成熟穩(wěn)定，脫硫脫硝效率高。適用于20～440t/h工業(yè)鍋爐。

②案例名稱：14.5MW煙氣脫硫脫硝一體化項目。

③項目概況：項目于2021年3月開始規(guī)劃，2021年6月開工建設(shè)，2021年8月首套脫硫脫硝裝置試車。

④工藝原理：本設(shè)備以臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的富氧空氣為氣源，注入臭氧混合反應(yīng)器和煙氣中。氮氧化物被送到吸收塔，在那里其被吸收到液態(tài)氧化鎂中。利用液態(tài)氧化鎂對二氧化硫和氮氧化物的高吸收效率，將臭氧氧化脫硝技術(shù)與鎂脫硫技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計制造了脫硫脫硝一體化裝置。關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新特點：等離子混合反應(yīng)分離器；臭氧氧化脫硝技術(shù)與鎂脫硫技術(shù)一體化結(jié)構(gòu)；通過使用臭氧轉(zhuǎn)換技術(shù)動態(tài)控制臭氧注入，將氮氧化物排放量控制在50mg/m3以下；脫硫脫硝也可與固體水、液體和強(qiáng)氧化爐渣、脫硫脫硝爐渣與粉煤灰并用；硝酸鎂是利用煙道氣的余熱，經(jīng)蒸餾結(jié)晶而成。結(jié)晶過程中產(chǎn)生的蒸餾水被冷凝并返回循環(huán)。煙囪的煙是無味的[2]。

(2)原理

解決燃煤鍋爐除塵脫硫問題基本上有2種途徑。

①燃料必須從燃煤鍋爐改為燃油、燃?xì)饣蚱渌问降腻仩t。這些措施可以減少煙塵和二氧化硫的形成，但投資成本高，而且其他燃料的價格往往與煤炭持平。如果在幾個效率低下的公司中使用，可能無法實現(xiàn)額外的生產(chǎn)成本。

②在鍋爐廢氣上升到煙囪之前安裝除塵脫硫裝置。大多數(shù)中小型鍋爐一般都配備旋風(fēng)除塵器、多管除塵器或水膜除塵器，但很少考慮脫硫。半干法鍋爐煙氣除塵脫硫系統(tǒng)介于干法和濕法之間。濕法響應(yīng)速度快，除塵效果好，干法易于后續(xù)處理，避免二次污染，實現(xiàn)除塵脫硫一體化。

③脫硫原理。二氧化硫（SO2）是在鍋爐中燃燒含硫煤產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物。在燃燒過程中，煤中的硫被氧化形成各種含硫化合物，主要為SO2。煤中硫含量越高，鍋爐燃燒后產(chǎn)生的煙氣中SO2含量越高。由于在一定程度上限制SO2向環(huán)境的排放，因此需要對煙囪向大氣排放SO2之前產(chǎn)生的硫化合物進(jìn)行去除和處理。與其他氣體一樣，SO2不僅難以處理，而且難以與其他氣體分離。簡單的分離方法不僅操作困難、成本高，而且不可行。排入煙道的水可以吸收SO2，使SO2由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。這種方法可以將二氧化硫從煙氣中分離出來，但可能會引起其他問題。當(dāng)S02溶于水時，會形成稀薄但腐蝕性很強(qiáng)的酸性溶液。這種處理所需的設(shè)備由昂貴的原材料制成，并且需要大量的堿性化學(xué)品（例如NaOH）來中和產(chǎn)生的酸。石灰石（CaCO3）溶液可以代替水，將CaCO3溶液噴入煙氣中，從而吸走煙氣中的S02，便于處理。就像溶解在水中的二氧化硫一樣，含有二氧化硫的石灰石溶液會發(fā)生一系列反應(yīng)，生成固體亞硫酸鈣（CAS03）和固體硫酸鈣。在此過程中，CaCO3被空氣氧化成CaSO4，后者結(jié)晶成CaSO4·2H2O。

④脫硝原理。為了進(jìn)一步減少NOx排放，需要對燃燒后的煙氣進(jìn)行消毒處理。目前的煙氣凈化工藝大致可分為干法、半干法和濕法三大類。干法包括選擇性非催化還原（SNCR）、選擇性催化還原（SCR）和電子束聯(lián)合脫硫脫硝；半干法包括活性炭聯(lián)合脫硫；濕法包括臭氧氧化和吸收，干法脫硫是目前的主導(dǎo)地位。原因是NOX與SO2相比沒有化學(xué)活性，不易被水溶液吸收；NOx還原后轉(zhuǎn)化為無毒的N2和O2，氮的副產(chǎn)物易于處理；NH3選擇性地吸收煙氣中的NO，是一種很好的還原劑。濕法與干法相比的主要缺點是設(shè)備復(fù)雜；排水必須處理，內(nèi)襯材料被腐蝕，副產(chǎn)物難以處理，能耗高[3]。

⑤除塵原理。電廠中的靜電除塵器用于除塵，也稱為靜電除塵器。其工作原理為：當(dāng)煙氣中的粉塵顆粒通過高壓靜電場時，與正負(fù)離子和電子發(fā)生碰撞，帶電（或因離子的散射和運動而帶電）。帶有電子和離子的塵粒在電場作用下向?qū)﹄姌O移動，被對電極吸附。電極上的粉塵通過振動進(jìn)入除塵器，振動將煙氣從靜電除塵器中去除，保護(hù)大氣和環(huán)境。在電場的作用下，不同帶電電極的灰塵從不同的電極轉(zhuǎn)移到電極上，沉積在電極上，使灰塵和氣體分離。沉積在電極上的灰渣經(jīng)振搗、卸料、清洗后，由輸灰系統(tǒng)（氣動、液壓）輸送至灰場或便于使用和貯存的裝置。處理后的氣體從相應(yīng)的煙囪排出并擴(kuò)散到大氣中。

3.火電廠脫硫脫硝除塵一體化技術(shù)的應(yīng)用實踐

(1)使用范圍

脫硫除塵一體化裝置主要應(yīng)用于：

①含硫量0.6%～2.5%、300MW以下鍋爐的脫硫。當(dāng)CA/S為1.5～2.0時，采用循環(huán)系統(tǒng)，總脫硫效率為70%～90%。

②具有一定經(jīng)營經(jīng)驗并正式從事商業(yè)經(jīng)營的外國人。經(jīng)經(jīng)濟(jì)比較分析，投資占濕法脫硫工藝的32%，運行費用在各種脫硫工藝中最低。

③脫硫除塵一體化技術(shù)占地面積小，適用于現(xiàn)有電廠改造。近年來，國外在控制二氧化硫排放污染方面積累較為成熟的經(jīng)驗。但由于財力物力有限，采用這些先進(jìn)工藝和設(shè)備使得項目的投資和運行成本非常高。必須在吸收消化國內(nèi)外各種技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國情和網(wǎng)絡(luò)情況，尋找既符合環(huán)保要求又能降低投資和運營成本的簡單有效的解決方案[4]。

硝化除硫除塵裝置主要用于有色金屬冶煉和電廠燃燒鍋爐廢氣的處理。煙氣中二氧化硫回收率可達(dá)95%以上，除塵率可達(dá)99%。但也可回收利用，無二次污染。該裝置完全集成在硫磺和除塵中。一體化脫硫除塵裝置分為3個主要階段。

④第一部分除塵區(qū)設(shè)計為煙氣進(jìn)入后的U型筒體。該裝置裝有10個噴嘴，高壓噴霧霧化，煙氣沉積在除塵器底部，通過螺旋排渣器和排污閥定時排放。

⑤二級減徑吸收利用減徑增加壓力，克服液體對氣體的阻力。煙氣通過煙道均勻地進(jìn)入吸收液。兩次吸收反應(yīng)后，煙塵和亞硫酸鹽排入固體分離器，吸收液返回回用。

(2)設(shè)備組成

①電子束照射方法是在20世紀(jì)70年代開發(fā)的。其是一種利用電子束輻照去除煙氣中的SO2和NOX，最終將其轉(zhuǎn)化為硫酸銨和硝酸銨的煙氣脫除技術(shù)。對煙氣條件適應(yīng)性好，副產(chǎn)品可作肥料。電子束輻照法可以大大降低煙氣處理過程中氧化過程所需的能量，從而降低氧化反應(yīng)條件，反應(yīng)后不會產(chǎn)生廢水和廢物[5]。

②金屬氧化物催化法通過金屬氧化物的催化和脫硫過程中煙氣脫硝的催化作用，可以有效提高脫硫脫硝的活性。該法雖然脫硫率高，但脫硫率低，有待進(jìn)一步研究?？紤]到環(huán)保戰(zhàn)略的要求，該方法不能滿足理想的脫硫脫硝指標(biāo)要求。目前我國有CuO、Al2O3等金屬氧化物，但都不能達(dá)到高脫硫脫硝率。因此，需要進(jìn)一步研究并開發(fā)新的催化劑[6]。

③所謂脈沖電暈法，是指在電極兩端施加高壓。當(dāng)電極附近有氣態(tài)介質(zhì)時，高壓會產(chǎn)生局部擊穿，導(dǎo)致放電，從而獲得等離子體的非熱平衡。非熱平衡等離子體中存在許多高能活性粒子。一般情況下，有些化學(xué)反應(yīng)是很難進(jìn)行的。然而，這些化學(xué)反應(yīng)可以通過高能活性粒子來實現(xiàn)，可以有效去除煙氣中的污染物。截至目前，我國在這項技術(shù)的研究上已經(jīng)取得很好的成果。

④由于氯酸的強(qiáng)氧化能力，從煙氣中吸收NO和SO2。這種方法的一個特點是使用一套硬件來執(zhí)行整個過程。這是通過堿性吸收和氧化吸收方法實現(xiàn)的，有效提高NO和SO2的去除率。同時可去除煙氣中有毒的微量金屬元素。該技術(shù)的優(yōu)點是不會引起催化劑失活和中毒，適應(yīng)性強(qiáng)，而受限煙氣范圍較窄，在正常條件下可以被氧化吸收，但缺點也很明顯。氯酸吸收劑配制不易，對反應(yīng)設(shè)備有腐蝕性，產(chǎn)品中的酸廢液可能造成二次污染。

⑤負(fù)載型CuO在CuO吸收還原過程中通常用作吸收槽，通常為CuO/Al2O3。脫硫氮化工藝如下：向煙氣中通入適量 NH3。當(dāng)煙氣混合物由CuO/Al2O3吸收劑填料形成時，CuO在氧化氣氛中與SO2發(fā)生反應(yīng)。CuSO4和CuO對NOX氨的選擇性還原具有高催化活性。飽和吸附劑送去再生。回收的SO2可以用Klaus裝置回收。CuO/Al2O3法具有脫硫脫氮相結(jié)合、無干濕廢棄物、無二次污染等優(yōu)點。該工藝提供超過90%的SO2去除率和75%～80%的NOX去除率。但在長期運行后，由于氧化鋁硫化，吸收器表面對SO2的吸附能力下降，循環(huán)數(shù)次后便失去作用，這是至今缺乏工業(yè)記錄的主要原因。

(3)運行效果分析

通過在鍋爐中燃燒燃料來控制二氧化硫和氮氧化物的排放。如果同時安裝兩套設(shè)備，不僅會增加占地面積，還會大大增加火電廠的投資成本，對其經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生一定的影響。但采用一體化脫硫技術(shù)，不僅可以顯著提高空間利用率，還可以降低投資者的投資成本，大大提高脫硫效率，從而提升其經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)有關(guān)資料，脫硫脫硝聯(lián)合法有60多種。

①SnOx法。商業(yè)設(shè)備是該技術(shù)的主要應(yīng)用設(shè)備，設(shè)備在運行過程中不受化學(xué)反應(yīng)原理的影響，因此該技術(shù)適用于所有類型的鍋爐。由于SnOx技術(shù)脫硫氮化速度快，以氨水為主要化學(xué)試劑，整個過程維護(hù)成本低、可靠性高。但能耗大，濃硫酸的運輸也困難。因此，只有高排放標(biāo)準(zhǔn)適用于該技術(shù)。

②一體化煙氣脫硫工藝。氨和相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)用于將氮氧化物轉(zhuǎn)化為氮和水。煙氣轉(zhuǎn)化為石膏的過程主要是通過脫硫和石灰的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的。回收的飛灰可用于二次分離處理。該方法有效，很大程度上解決二次污染問題。

③活性炭脫硫脫氮一體化工藝。活性炭綜合脫硫工藝類似于吸附塔液化活性炭層的吸附原理，由于活性炭可回收利用，運行效率高，發(fā)展前景廣闊。

(4)經(jīng)濟(jì)效益分析

業(yè)務(wù)成果與成本降低之間存在著密切的關(guān)系。為了更好地理解充分利用熱能產(chǎn)品的目的，有必要對與火電廠運行有關(guān)的煙氣脫硝技術(shù)和設(shè)備采購進(jìn)行深入分析，有效提高火力發(fā)電廠的生產(chǎn)效率。必須注意控制設(shè)備維護(hù)成本和人力資本成本。通過提高電氣設(shè)備的效率來降低各種資源的使用成本。目前，我國火電廠采用的煙氣脫硝技術(shù)主要有選擇性催化技術(shù)、非選擇性催化技術(shù)和低氮燃燒技術(shù)。為確保熱能產(chǎn)品增效目標(biāo)的實現(xiàn)，有關(guān)部門應(yīng)做好財務(wù)分析，關(guān)注影響煙氣脫硝技術(shù)成本控制水平的因素，例如基于數(shù)據(jù)采集的煙氣脫硝效率等。專項資料，著重于降本增效、持續(xù)減少氮氧化物排放、環(huán)境控制等原則。國家要加大對環(huán)保產(chǎn)業(yè)的扶持力度，推動新技術(shù)新方法的引進(jìn)，在環(huán)保流通發(fā)展、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、加強(qiáng)政策支持和引導(dǎo)、提高安全和關(guān)鍵技術(shù)等方面促進(jìn)發(fā)展。尤其是在煙氣脫硝技術(shù)中，煙氣脫硝裝置中的催化劑約占脫硝總成本的45%。為了更好地控制煙氣脫硝成本，需要與催化劑生產(chǎn)企業(yè)合作，讓企業(yè)生產(chǎn)出更多具有自主性能的催化劑產(chǎn)品，有效提高廠家在國家層面的競爭力。對發(fā)展煙氣脫硝技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益起著重要作用。

4.結(jié)束語

通過不斷創(chuàng)新和技術(shù)開發(fā)，有效開發(fā)火電廠煙氣脫硫硝化綜合技術(shù)，成為煙氣污染治理的重要措施之一。但由于某些技術(shù)水平低、成本高，許多技術(shù)無法得到有效應(yīng)用。因此，需要加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)研究，糾正技術(shù)缺陷，推進(jìn)環(huán)境治理。