煙氣一體化超低排放技術的應用與研究進展

潘俊萍 湯秀麗 劉 浩

（北京起重運輸機械設計研究院有限公司 北京 100007）

引言

燃煤消費、垃圾焚燒、金屬冶煉等工業領域產生的煙氣中含有大量大氣污染物，其中以垃圾焚燒產生的煙氣成分最為復雜，主要有顆粒物、硫化物、氮氧化物、重金屬、二噁英等。這些工業廢氣若被排放到大氣中，會對人體健康、農業減產、林木衰敗有嚴重影響，更會引起酸雨等區域性、全球性重大環境問題。近年來為大力治理工業廢氣排放問題，我國出臺了世界最嚴格排放標準，治理力度加大、涉及行業擴大。隨著排放要求日益嚴格，排放系統更加復雜，系統內設備日益增多，僅靠現有技術或單一技術升級難以實現達標排放，主要污染物處理技術正逐漸向協同一體化脫除的方向發展。

本文分析了工業領域在超低排放改造中規定的污染物限值，以及典型工業超低排放技術路線的缺點和不足，介紹了當前煙氣脫硫脫硝一體化、脫硝除塵一體化、協同脫除非常規物、離子瀑一體化技術等方面的技術現狀，并對煙氣一體化超低排放技術的發展方向進行了展望。

1 典型工業超低排放技術應用

1.1 煙氣污染物排放標準

2014 年國家多部委先后聯合制定《煤電節能減排升級與改造行動計劃》和《全面實施燃煤電廠超低排放和節能改造工作方案》[1]。隨后各地政府相繼出臺地方排放標準（如表1），對比來看，在基準氧含量6%條件下，顆粒物、二氧化硫、氮氧化物的排放要求有明顯提升，分別不高于10、35、50mg/m3，京津冀、江浙滬等甚至達到5、10、30mg/m3。

表1 現行燃煤電廠煙氣污染物限值（基準氧含量6%，mg/m3）

以上國家和地方出臺的系列政策和措施，有效促進了我國大氣環保技術和產業的迅猛發展[1]。目前，火電行業超低排放進程已進入尾聲，排放氣體最為復雜的垃圾焚燒電廠也逐漸推行了超低排放的控制標準，如表2。針對鋼鐵行業，2019 年國家多部委聯合發布了《關于推進實施鋼鐵行業超低排放的意見》，2020 年針對工業爐窯制定了《工業爐窯大氣污染綜合治理方案》等政策（如表3），推動了鋼鐵及非電行業超低排放改造的蓬勃發展。超低排放技術已成為我國大氣污染治理領域的主要發展方向。

表2 現行標準對垃圾焚燒電廠煙氣污染物限值規定（基準氧含量11%，mg/Nm3）

表3 鋼鐵企業超低排放指標限值（mg/m3）

國內外現有工業煙氣凈化技術中，多以獨立建設除塵、脫硫、脫硝等系統，并串接在一起，以針對性分別脫除的疊加方式為主，各系統間較少有協同利用關系，或者部分污染物協同治理效果差強人意，工程應用仍專注在傳統設備提效上[1]。

1.2 燃煤電廠典型超低排放技術

燃煤電廠主要采用以低低溫電除塵技術為主的超低排放技術路線（低氮燃燒+SCR 脫硝+低低溫除塵+高效濕法脫硫）和以干式電除塵技術為主的超低排放技術路線（低氮燃燒+SCR 脫硝+電/袋除塵+干式脫硫+袋除塵）[2]。

在以低低溫電除塵技術為主的技術路線中，脫硝、除塵、脫硫系統獨立設置，僅濕法脫硫具有協同脫除部分粉塵的作用，除塵時具有脫除部分重金屬污染物的作用。此路線適合大中型燃煤機組，適用于中低硫煤[2]。

以干式電除塵技術為主的超低排放技術路線中，干式脫硫技術主要通過提高石灰石的純度、細度等來增大顆粒比表面積，從而提高吸收劑的脫硫效率，適應煤種變化，且通過兩級除塵技術解決顆粒物排放問題，占地、能耗都很大；同時無論靜電除塵還是袋除塵的凈化效率都隨使用時間的變長而降低，且定期都需要更換電極或布袋，運行維護費用高。此外，電除塵在電離的過程中會產生臭氧，但這些臭氧最后被直接排放并產生了二次污染，未能被有效利用。

1.3 垃圾焚燒發電廠典型超低排放技術路線

目前垃圾焚燒電廠主要采用的煙氣凈化工藝路線（如圖3）為“SNCR 爐內脫硝＋旋轉噴霧半干法脫酸＋活性炭干法噴射＋消石灰干法噴射＋布袋除塵”[3]。該技術路線中脫硝、脫酸、除塵、脫二噁英（重金屬）系統獨立設置，脫除工藝之間沒有互相利用，且最后的布袋除塵工藝還需要脫除大量脫酸反應產物、吸附有害物的活性炭以及未反應的石灰及活性炭等。同時因常用布袋濾料（208 或901 滌輪絨布）的使用溫度一般不超過120°C，且不抗酸性腐蝕，布袋除塵不能先于脫酸工藝而直接處理高溫煙氣。高溫煙氣溫度經半干法脫酸工藝降到布袋入口許用溫度的過程中，余熱未經有效利用而被排放，產生大量能源浪費。

1.4 鋼鐵行業典型超低排放技術路線

現階段鋼鐵行業僅燒結（焦化）行業的煙氣治理技術基本達到超低排放的目標，超低排放技術為組合脫硫、脫硝、除塵技術，主要有：脫硫（濕法、半干法）+SCR脫銷、活性炭（錯流、逆流）法、氧化法（臭氧、氧化催化、FOSS）等，主流技術方案有十余種之多，過程中所涉及的設備、原材料及工程工藝各不相同。其中，技術較為成熟、成本較經濟的，煙氣治理效果通常難以達到超低排放標準要求；技術較為成熟，煙氣治理效果可以滿足超低排放標準要求的，通常成本經濟性較差。至今仍未有一種技術能夠同時具備排放達標性、成本經濟性與經驗成熟性。

綜上所述，工業煙氣凈化技術路線均存在多污染物協同處置能力較差、物質或熱量未被高效利用、占地較大、投資成本高等問題。

2 煙氣一體化凈化技術

在世界最嚴格排放標準的要求下，我國煙氣污染物處理技術逐漸向一體化脫除方向發展，協同治理技術處于起步階段。目前部分技術能在一定條件下實現脫硫脫硝二合一、脫硝除塵二合一，但因協同脫除效率并不高，產生更多更難處理的廢棄物，反應條件復雜、運維成本高等原因，而難以工業化應用。其中，脫硫脫硝一體化技術主要有等離子體法、氯酸氧化法、吸附法、光催化法等。脫硝除塵一體化技術有陶瓷纖維濾管技術等。汞、二噁英等非常規污染物也在除塵、脫硫等脫除過程中得到一定去除。

2.1 脫硫脫硝一體化技術

（1）等離子體技術

等離子體技術主要原理是在高壓電源下，煙氣流經等離子體反應器，高壓電能夠產生局部擊穿、產生放電，放電可以產生臭氧、過氧化氫等多種自由基和活性物質，這些自由基和活性物質能夠同時氧化、吸收煙氣中的NO 和SO2。運用最廣泛是電子束輻射法和脈沖電暈法。在該項技術方法中無廢渣廢水，對煙氣流量和污染物濃度有很好的適應能力，副產品硝氨和硫氨可當做工業化肥，但由于使用高能電子和離子，其成本相對較高且其需要的設備更為復雜和大型。

（2）濕法同時脫硫脫硝工藝

濕法煙氣同時脫硫脫硝應用較多的是氯酸氧化法，該工藝主要包括氧化吸收塔和堿式吸收塔[4]，氧化吸收塔內部充入氯酸，將硫氧化物和氮氧化物轉化為NO2和SO3，在水蒸氣作用下，形成硫酸和硝酸；在堿式吸收塔中主要充入Na2S 和NaOH，除掉過量的酸氣。該工藝脫除效率高，NOx的脫除效率能達到95%以上，可以在更大的NOx入口濃度范圍內工作；操作溫度低，可以在常溫下運行；該工藝產生酸性廢液，需要再次處理凈化，二次污染較嚴重，存在運輸和貯存問題；氯酸對設備與管道有強腐蝕作用，需要添加防腐內襯材料，增加了設備費用。

（3）干法同時脫硫脫硝工藝

干法煙氣同時脫硫脫硝應用較多的是NOXSO法，其采用浸漬碳酸鈉的γ-Al2O3作為吸附劑。煙氣經過靜電除塵后進入流化床，在流化床中將NOx和SO2吸附。進入吸收劑加熱器將NOx脫附,再進入再生裝置將SO2脫附，吸收劑是Al2O3，再生劑是甲烷。該方法能夠脫除90% SO2和70%NOx，其中脫硝效率尚未達到理想要求，吸附劑雖然可以循環利用，但價格昂貴、能耗較高。

此外干法煙氣同時脫硫脫硝還有光催化法，光催化法原理主要基于光敏型TiO2催化材料在紫外光照下對污染物的光降解，污染物在光催化反應器中進行脫硫脫硝反應。由于催化劑制備復雜，真空紫外線需要額外投入，成本高[5]。

2.2 脫硝除塵一體化技術

在陶瓷纖維濾管上浸漬包含有催化組分的二氧化鈦顆粒，顆粒物被截留在纖維管的表面，煙氣經過多孔纖維濾管時，煙道氣中的NOx、二噁英被催化還原。該陶瓷纖維除塵脫硝一體化濾料技術過濾精度較高，顆粒物過濾效率可達99%以上，NOx脫除效率可達95%以上；耐高溫，耐酸堿腐蝕，具有顯著的溫度波動抵抗能力；濾管更換周期5～8 年，使用壽命優于布袋，可節省約25～35%的整體費用，但對煙氣入口濃度有一定要求。

2.3 非常規污染物脫除技術

燃煤產生單質汞、二價汞、液態顆粒態汞，其中二價汞含量最大且溶于水，單質汞最不易捕捉。目前常規設備主要采用基于布袋除塵器的吸附劑噴射技術，采用活性炭噴射吸附煙氣中重金屬及二噁英，吸附了重金屬及二噁英的活性炭隨煙氣進入袋式除塵器中，與袋式除塵器的濾料充分接觸，并被阻留下來，從而達到去除重金屬和二噁英的目的[6]。二噁英的去除方法在物理吸附法外還有化學處理法，即在煙氣中噴入NH3用來抑制前驅物的產生，或噴入氧化鈣用以吸收HCl，通過破壞整個系統二噁英的產生達到顯著去除二噁英的能力[7]。

實踐證明無論是獨立分別脫除的技術還是部分二合一的技術，均存在多污染物協同處置能力較差、占地較大、布置復雜、能耗相對較高及運行成本較高等問題。因此，亟需研發具有較好協同機制的煙氣一體化超凈處理技術。

2.4 離子瀑一體化超凈處理技術

該技術為煙氣進入離子瀑+水霧瀑一體化超凈處理裝置，通過不同煙氣處理單元的多效協同達到超凈排放的目的，可去除納米級顆粒物、硫化物、氮氧化物、二噁英、重金屬等大氣污染物。

該技術原理為首先高溫煙氣通入具有強大動能的干式離子場，將多種污染物瞬間推送到收集壁，待顆粒物累積到一定厚度后，通過振打方式不停機清洗[8]。隨后煙氣進入水霧瀑室，由離子水霧發生器產生精細水霧，精細水霧以立體噴淋的方式，產生使煙氣旋轉的旋風式渦旋，使煙氣與水霧溶劑充分融合反應形成氣溶膠，再進入濕式離子瀑室，煙氣中殘留的液體顆粒物和固態細微顆粒物等被高速定向運動的離子瀑推到筒壁上，并采用循環水淋系統，實現不停機自動清洗，并有效控制濕煙羽，從而完成顆粒物、硫化物、氮氧化物和重金屬等大氣污染物的深度凈化。凈化后的煙氣通過上出風室及管道由風機抽到煙囪超凈排放。

離子瀑一體化超凈處理技術綜合性能優越：該技術對大氣污染物的凈化級別高、效率高且效率持續穩定，其中顆粒物凈化效率可達99.9%，脫硫率99%，脫硝率95%，脫汞率99%，二噁英凈化效率可達99%；耐高溫、耐濕，不挑塵源；多種物質和能量可實現循環利用：前序工藝可為后續工藝提供必要的化學物質和工藝條件；運營成本低，無須換耗材，次生污染小，系統壓降小、耗能低、壽命長，堿性制劑用量低，灰渣產量低，廢水實現循環利用；可實現不停機自動清洗，維護影響小；首次投入成本高于濾材凈化方式，但長期投入小。此外，該技術靈活性高、適應性強，目前可處理350℃以下的煙氣，設備會根據前端煙氣的濃度、成份、環境等進行調整，因此該技術具備向多個領域推廣的技術基礎和市場潛力。

結語

當前煙氣凈化一體化新技術的研究主要為脫硫脫硝一體化及脫硝除塵一體化，其中煙氣脫硫脫硝一體化技術是工業應用最廣泛的一類，主要技術壁壘和困境體現在工業設備大型且復雜、運營成本高、產生其他副產污染物等。未來提高煙氣除塵脫硫脫硝效率的同時，在協同機制的高效化、反應工藝的簡易化、運營成本的低廉化、二次污染的近零化等方面的研發和應用，是煙氣一體化超低排放技術的發展方向。離子瀑一體化超凈處理技術能夠高效協同處理顆粒物、硫化物、氮氧化物、重金屬、二噁英等多種大氣污染物，為工業大氣污染物超凈排放產業化開創了一條新的高效、恒定、安全、經濟可行的技術路線。