火電廠煙氣脫硫脫氮一體化技術綜述

白靜利 岳秀萍

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

0 引言

近年來，伴隨著我國經濟快速發展，電力需求和供應持續增長。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］。火電行業高速發展，已經成為我國主要的大氣污染物排放源之一。化石燃料的燃燒產生了大量的煙氣，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，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成為研究的趨勢。

1 一體化脫硫脫硝技術

一體化脫硫脫硝技術由同時脫硫脫硝(Simultaneous SO2/NOx)技術和聯合脫硫脫硝(Combined SO2/NOxRemoval)技術兩大類組成。聯合脫硫脫硝技術在本質上是將不同的兩個工藝流程整合在同一裝置內分別脫除SO2和NOx。例如干式一體化NOx/SO2技術、SNRB技術、SNOx技術等。同時脫硫脫硝技術是通過同一工藝流程在同一裝置內將SO2和NOx同時脫除的技術。例如:電子束照射同時脫硫脫硝技術、脈沖電暈等離子技術、LILAC技術、絡合吸收法等。

2 聯合脫硫脫硝技術

2.1 SNO x技術

SNOx技術是煙氣首先通過傳統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技術中使用的是氨法脫硝。在經過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，最終產物轉變為硫酸。該技術的關鍵是SCR和SO2的轉化以及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，系統的穩定性和可靠性高。但是因為系統的流程增加導致能源消耗比較大，投資設備的費用比較高，其副產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［4］。

2.2 SNRB 技術

SNRB(SOx-NOx-ROxBOx)技術也稱氣/固催化同時脫硫脫硝工藝，可以在同一個設備內實現脫硫、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發生化學反應后脫除SO2，脫硫效率可達80%以上，產生的灰塵和反應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技術裝置布置于省煤器和空氣預熱器之間。但是由于煙氣溫度很高，對布袋的材質要求較高，所以成本比較高。但該技術將脫硫脫硝除塵集中在一個高溫室內，占地面積小，適用范圍廣［5］。

2.3 干式一體化NO x/SO2技術

干式一體化NOx/SO2技術由4項控制技術組成，分別為LNB(低NOx燃燒器)、OFA(燃盡風)、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構以及通過改變燃燒器的風燃比例，來降低煙氣中氧氣濃度、適當降低著火區火焰的最高溫度、縮短氣體在高溫區的滯留時間，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)是指將燃燒所需的空氣分成二(或三)級送入爐內的燃燒技術;SNCR是指無催化劑的作用下，在適合脫硝反應的“溫度窗口”內噴入還原劑將煙氣中的氮氧化物還原為無害的氮氣和水;以上三種技術相互配合來降低NOx。DSI(干吸附劑噴射)加上煙氣增濕技術可以有效地除去SO2。該技術脫硝完全在爐內進行，脫硫在空氣預熱器和纖維布袋除塵器之間的管道系統內完成，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

活性炭主要指木材或其他含碳材料經過熱解加工而得到的具有大表面積和發達微孔的功能材料。活性炭吸附法脫硫脫硝技術中的活性炭既可以利用其發達的微孔將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，并與氨反應后生成(NH4)2SO4，NH4HSO4。反應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

該技術屬于固相吸收/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發生化學反應生成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生SO2被Claus裝置回收。其整個過程中不產生一點廢渣，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

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反應裝置回收硫。該工藝流程復雜，反應需要加熱并通過化學反應能耗比較高，限制了其應用，但其具有效率高和可以產生硫酸或硫副產品的優點［9］。

3 同時脫硫脫硝技術

3.1 電子束(EBA)照射同時脫硫脫硝技術

電子束(EBA)照射法是利用電子加速器產生高能等離子束，煙氣中SO2和NOx等氣態污染物被高能等離子束照射發生氧化反應，生成HNO3和H2SO4，與加入煙氣中適量的NH3反應生成硝酸銨和硫酸銨，最后用靜電除塵器去除這些副產品顆粒。此方法可分別達到90%的脫硫率和80%的脫硝率，且不產生污染物，副產物可以加工成農業肥料，普遍認為它是一種有前景的煙氣凈化技術。但此方法仍存在以下問題:設備的可靠性低，加速器能耗較高，副產品的捕集困難，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

脈沖電子暈脫硫脫硝技術(PPCP)是利用高壓電源形成等離子體，產生高能電子，煙氣中SO2和NOx的化學鍵被高能電子打斷，產生自由基，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，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同作用。因為該技術使用高壓電源，能耗比較高，運行不穩定。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

Mit subishi重工業有限公司和Hokkaido電力公司合作開發了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 絡合吸收技術

絡合吸收技術是氨基羥酸亞鐵鰲合物和NO反應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生成亞鐵鏊合物實現再生。該技術存在的主要問題是鰲合物在反應過程中損失嚴重，再生率不高，運行成本較高。

3.5 氯酸氧化技術

氯酸氧化技術是一種濕式洗滌的方法。該技術分為氧化吸收塔和堿性吸收塔兩部分。氧化吸收塔內裝有含氧化劑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。因為該技術中不使用催化劑，所以較催化轉化原理的技術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70年代Teramoto就發現次氯酸對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 結語

氮氧化物和酸雨污染在我國日益嚴重，國家已經出臺了更為嚴格的防控政策。當前主流的SCR或SNCR脫硝工藝存在投資、運行費用高的問題，在我國當前國情下，開發結構緊湊，投資與費用低，運行管理方便、產物資源化的燃煤煙氣脫硫脫硝協同控制技術刻不容緩。

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

［2］De Wilde J，M arin G B.Investigation of Simultaneous Adsorp tion of SO2and NOXRemoval［J］.Environmental Progress，1996，15(1):12-18.

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［8］王旭偉，鄢曉忠.國內外電廠燃煤鍋爐煙氣同時脫硫脫硝技術的研究進展［J］.電站系統工程，2007(23):6.

［9］張桂鵬，唐國瑞.煙氣脫硫脫硝一體化的研究進展［J］.廣州化工，2008(36):16.

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［12］郭永強，于曉晶.煙氣脫硫脫硝技術淺析［J］.能源與環境，2013(5):97-98.