火电厂脱硫脱硝除尘一体化技术研究

2022-02-13毛中建

当代化工研究 2022年24期

＊毛中建

（厦门佰瑞福环保科技有限公司福建 361000）

煤炭在中国能源消费中占主导地位，占一次能源的75%。目前，我国煤炭消费量已达15～19亿吨。2025年和2030年，我国煤炭消费量预计分别达到23亿吨和30亿吨。随着经济的发展，社会对电力的需求将不断增加。煤炭消费量占煤炭消费量的比重将逐步提高。火电厂排放的烟尘和含硫气体占全国工业排放比重也在快速增长。目前，除尘脱硫技术相对成熟，但如何以最少的投资控制成本和总量达到环保的目的成为研究热点。本文以电厂除尘脱硫为例，说明优化分析的重要性和实用性。下面结合企业对其应用优势进行分析，首先说明其重要性。

1.火电厂脱硫脱硝除尘的重要性

二氧化硫是大气污染的重要来源之一，其污染危害极大。因此在20世纪70年代，烟气脱硫技术的研究成为许多国家大气污染治理的重点，一些工业加工厂相继建成。同时，已经开始研究和开发处理另一个严重的空气污染问题的方法，即氮氧化物NOx污染。在阳光作用下，NOX发生光化学反应，形成光化学烟雾，导致空气污染严重。自20世纪70年代以来，NOX空气污染越来越受到人们的关注。研究发现，对人体健康的危害、高浓度的硝酸盐雨、光化学烟雾、臭氧回收等问题都与低NOX浓度有关，这比最初估计的危险得多[1]。

环保技术装备厂商推出了多种技术途径来满足极低的指标，其中很多都不是真正成熟的技术。钢铁公司往往因为盲目或走投无路而难以识别正确的决定。以2017年为例，唐山某钢铁企业在当地环保部门的倡议下，投资数亿元在多家烧结厂增建湿式电除尘系统。湿法发电项目建成后，建成一套半干法循环流化床系统。此次硫磺、粉尘达标，但由于配套脱硝工艺选择不当，导致氮氧化物不达标，企业仍未达到超低排放要求。随着环境问题在世界范围内变得越来越重要，世界各国都在加强环境管理。中国制定并实施了一批技术法律、法规、规划和政策。对此，烟气脱硫和氮催化技术的研究显示出一定的社会和环境效益。在拟议的新标准中，SO2排放的最大允许浓度为200mg/Nm3，NOx为300mg/Nm3。

2.火电厂脱硫脱硝除尘一体化技术的特点及原理

(1)特点

①技术内容：技术内容为生产富氧源，通过臭氧发生器产生臭氧，将臭氧注入混合反应装置，氧化烟气中的氮氧化物，利用空分技术氧化氮氧化物。液态氧化镁上的氧氮化物材料。充分利用氢氧化镁对二氧化硫和氮氧化物的高吸收效率，将臭氧氧化脱硝技术与镁脱硫技术相结合，开发了脱硫脱硝一体化装置。该技术脱硫效率一般在90%以上，可达93%以上。SO2排放浓度通常在100mg/m3以下，脱硝效率在86%以上，NOx排放浓度通常在100mg/m3以下。该工艺成熟稳定，脱硫脱硝效率高。适用于20～440t/h工业锅炉。

②案例名称：14.5MW烟气脱硫脱硝一体化项目。

③项目概况：项目于2021年3月开始规划，2021年6月开工建设，2021年8月首套脱硫脱硝装置试车。

④工艺原理：本设备以臭氧发生器产生的富氧空气为气源，注入臭氧混合反应器和烟气中。氮氧化物被送到吸收塔，在那里其被吸收到液态氧化镁中。利用液态氧化镁对二氧化硫和氮氧化物的高吸收效率，将臭氧氧化脱硝技术与镁脱硫技术相结合，设计制造了脱硫脱硝一体化装置。关键技术与创新特点：等离子混合反应分离器；臭氧氧化脱硝技术与镁脱硫技术一体化结构；通过使用臭氧转换技术动态控制臭氧注入，将氮氧化物排放量控制在50mg/m3以下；脱硫脱硝也可与固体水、液体和强氧化炉渣、脱硫脱硝炉渣与粉煤灰并用；硝酸镁是利用烟道气的余热，经蒸馏结晶而成。结晶过程中产生的蒸馏水被冷凝并返回循环。烟囱的烟是无味的[2]。

(2)原理

解决燃煤锅炉除尘脱硫问题基本上有2种途径。

①燃料必须从燃煤锅炉改为燃油、燃气或其他形式的锅炉。这些措施可以减少烟尘和二氧化硫的形成，但投资成本高，而且其他燃料的价格往往与煤炭持平。如果在几个效率低下的公司中使用，可能无法实现额外的生产成本。

②在锅炉废气上升到烟囱之前安装除尘脱硫装置。大多数中小型锅炉一般都配备旋风除尘器、多管除尘器或水膜除尘器，但很少考虑脱硫。半干法锅炉烟气除尘脱硫系统介于干法和湿法之间。湿法响应速度快，除尘效果好，干法易于后续处理，避免二次污染，实现除尘脱硫一体化。

③脱硫原理。二氧化硫（SO2）是在锅炉中燃烧含硫煤产生的气体产物。在燃烧过程中，煤中的硫被氧化形成各种含硫化合物，主要为SO2。煤中硫含量越高，锅炉燃烧后产生的烟气中SO2含量越高。由于在一定程度上限制SO2向环境的排放，因此需要对烟囱向大气排放SO2之前产生的硫化合物进行去除和处理。与其他气体一样，SO2不仅难以处理，而且难以与其他气体分离。简单的分离方法不仅操作困难、成本高，而且不可行。排入烟道的水可以吸收SO2，使SO2由气态转变为液态。这种方法可以将二氧化硫从烟气中分离出来，但可能会引起其他问题。当S02溶于水时，会形成稀薄但腐蚀性很强的酸性溶液。这种处理所需的设备由昂贵的原材料制成，并且需要大量的碱性化学品（例如NaOH）来中和产生的酸。石灰石（CaCO3）溶液可以代替水，将CaCO3溶液喷入烟气中，从而吸走烟气中的S02，便于处理。就像溶解在水中的二氧化硫一样，含有二氧化硫的石灰石溶液会发生一系列反应，生成固体亚硫酸钙（CAS03）和固体硫酸钙。在此过程中，CaCO3被空气氧化成CaSO4，后者结晶成CaSO4·2H2O。

④脱硝原理。为了进一步减少NOx排放，需要对燃烧后的烟气进行消毒处理。目前的烟气净化工艺大致可分为干法、半干法和湿法三大类。干法包括选择性非催化还原（SNCR）、选择性催化还原（SCR）和电子束联合脱硫脱硝；半干法包括活性炭联合脱硫；湿法包括臭氧氧化和吸收，干法脱硫是目前的主导地位。原因是NOX与SO2相比没有化学活性，不易被水溶液吸收；NOx还原后转化为无毒的N2和O2，氮的副产物易于处理；NH3选择性地吸收烟气中的NO，是一种很好的还原剂。湿法与干法相比的主要缺点是设备复杂；排水必须处理，内衬材料被腐蚀，副产物难以处理，能耗高[3]。

⑤除尘原理。电厂中的静电除尘器用于除尘，也称为静电除尘器。其工作原理为：当烟气中的粉尘颗粒通过高压静电场时，与正负离子和电子发生碰撞，带电（或因离子的散射和运动而带电）。带有电子和离子的尘粒在电场作用下向对电极移动，被对电极吸附。电极上的粉尘通过振动进入除尘器，振动将烟气从静电除尘器中去除，保护大气和环境。在电场的作用下，不同带电电极的灰尘从不同的电极转移到电极上，沉积在电极上，使灰尘和气体分离。沉积在电极上的灰渣经振捣、卸料、清洗后，由输灰系统（气动、液压）输送至灰场或便于使用和贮存的装置。处理后的气体从相应的烟囱排出并扩散到大气中。

3.火电厂脱硫脱硝除尘一体化技术的应用实践

(1)使用范围

脱硫除尘一体化装置主要应用于：

①含硫量0.6%～2.5%、300MW以下锅炉的脱硫。当CA/S为1.5～2.0时，采用循环系统，总脱硫效率为70%～90%。

②具有一定经营经验并正式从事商业经营的外国人。经经济比较分析，投资占湿法脱硫工艺的32%，运行费用在各种脱硫工艺中最低。

③脱硫除尘一体化技术占地面积小，适用于现有电厂改造。近年来，国外在控制二氧化硫排放污染方面积累较为成熟的经验。但由于财力物力有限，采用这些先进工艺和设备使得项目的投资和运行成本非常高。必须在吸收消化国内外各种技术的基础上，结合国情和网络情况，寻找既符合环保要求又能降低投资和运营成本的简单有效的解决方案[4]。

硝化除硫除尘装置主要用于有色金属冶炼和电厂燃烧锅炉废气的处理。烟气中二氧化硫回收率可达95%以上，除尘率可达99%。但也可回收利用，无二次污染。该装置完全集成在硫磺和除尘中。一体化脱硫除尘装置分为3个主要阶段。

④第一部分除尘区设计为烟气进入后的U型筒体。该装置装有10个喷嘴，高压喷雾雾化，烟气沉积在除尘器底部，通过螺旋排渣器和排污阀定时排放。

⑤二级减径吸收利用减径增加压力，克服液体对气体的阻力。烟气通过烟道均匀地进入吸收液。两次吸收反应后，烟尘和亚硫酸盐排入固体分离器，吸收液返回回用。

(2)设备组成

①电子束照射方法是在20世纪70年代开发的。其是一种利用电子束辐照去除烟气中的SO2和NOX，最终将其转化为硫酸铵和硝酸铵的烟气脱除技术。对烟气条件适应性好，副产品可作肥料。电子束辐照法可以大大降低烟气处理过程中氧化过程所需的能量，从而降低氧化反应条件，反应后不会产生废水和废物[5]。

②金属氧化物催化法通过金属氧化物的催化和脱硫过程中烟气脱硝的催化作用，可以有效提高脱硫脱硝的活性。该法虽然脱硫率高，但脱硫率低，有待进一步研究。考虑到环保战略的要求，该方法不能满足理想的脱硫脱硝指标要求。目前我国有CuO、Al2O3等金属氧化物，但都不能达到高脱硫脱硝率。因此，需要进一步研究并开发新的催化剂[6]。

③所谓脉冲电晕法，是指在电极两端施加高压。当电极附近有气态介质时，高压会产生局部击穿，导致放电，从而获得等离子体的非热平衡。非热平衡等离子体中存在许多高能活性粒子。一般情况下，有些化学反应是很难进行的。然而，这些化学反应可以通过高能活性粒子来实现，可以有效去除烟气中的污染物。截至目前，我国在这项技术的研究上已经取得很好的成果。

④由于氯酸的强氧化能力，从烟气中吸收NO和SO2。这种方法的一个特点是使用一套硬件来执行整个过程。这是通过碱性吸收和氧化吸收方法实现的，有效提高NO和SO2的去除率。同时可去除烟气中有毒的微量金属元素。该技术的优点是不会引起催化剂失活和中毒，适应性强，而受限烟气范围较窄，在正常条件下可以被氧化吸收，但缺点也很明显。氯酸吸收剂配制不易，对反应设备有腐蚀性，产品中的酸废液可能造成二次污染。

⑤负载型CuO在CuO吸收还原过程中通常用作吸收槽，通常为CuO/Al2O3。脱硫氮化工艺如下：向烟气中通入适量 NH3。当烟气混合物由CuO/Al2O3吸收剂填料形成时，CuO在氧化气氛中与SO2发生反应。CuSO4和CuO对NOX氨的选择性还原具有高催化活性。饱和吸附剂送去再生。回收的SO2可以用Klaus装置回收。CuO/Al2O3法具有脱硫脱氮相结合、无干湿废弃物、无二次污染等优点。该工艺提供超过90%的SO2去除率和75%～80%的NOX去除率。但在长期运行后，由于氧化铝硫化，吸收器表面对SO2的吸附能力下降，循环数次后便失去作用，这是至今缺乏工业记录的主要原因。

(3)运行效果分析

通过在锅炉中燃烧燃料来控制二氧化硫和氮氧化物的排放。如果同时安装两套设备，不仅会增加占地面积，还会大大增加火电厂的投资成本，对其经济效益产生一定的影响。但采用一体化脱硫技术，不仅可以显着提高空间利用率，还可以降低投资者的投资成本，大大提高脱硫效率，从而提升其经济效益。据有关资料，脱硫脱硝联合法有60多种。

①SnOx法。商业设备是该技术的主要应用设备，设备在运行过程中不受化学反应原理的影响，因此该技术适用于所有类型的锅炉。由于SnOx技术脱硫氮化速度快，以氨水为主要化学试剂，整个过程维护成本低、可靠性高。但能耗大，浓硫酸的运输也困难。因此，只有高排放标准适用于该技术。

②一体化烟气脱硫工艺。氨和相应的化学反应用于将氮氧化物转化为氮和水。烟气转化为石膏的过程主要是通过脱硫和石灰的化学反应进行的。回收的飞灰可用于二次分离处理。该方法有效，很大程度上解决二次污染问题。

③活性炭脱硫脱氮一体化工艺。活性炭综合脱硫工艺类似于吸附塔液化活性炭层的吸附原理，由于活性炭可回收利用，运行效率高，发展前景广阔。

(4)经济效益分析

业务成果与成本降低之间存在着密切的关系。为了更好地理解充分利用热能产品的目的，有必要对与火电厂运行有关的烟气脱硝技术和设备采购进行深入分析，有效提高火力发电厂的生产效率。必须注意控制设备维护成本和人力资本成本。通过提高电气设备的效率来降低各种资源的使用成本。目前，我国火电厂采用的烟气脱硝技术主要有选择性催化技术、非选择性催化技术和低氮燃烧技术。为确保热能产品增效目标的实现，有关部门应做好财务分析，关注影响烟气脱硝技术成本控制水平的因素，例如基于数据采集的烟气脱硝效率等。专项资料，着重于降本增效、持续减少氮氧化物排放、环境控制等原则。国家要加大对环保产业的扶持力度，推动新技术新方法的引进，在环保流通发展、基础设施建设、加强政策支持和引导、提高安全和关键技术等方面促进发展。尤其是在烟气脱硝技术中，烟气脱硝装置中的催化剂约占脱硝总成本的45%。为了更好地控制烟气脱硝成本，需要与催化剂生产企业合作，让企业生产出更多具有自主性能的催化剂产品，有效提高厂家在国家层面的竞争力。对发展烟气脱硝技术的经济效益起着重要作用。