烟气一体化超低排放技术的应用与研究进展

潘俊萍 汤秀丽 刘 浩

（北京起重运输机械设计研究院有限公司 北京 100007）

引言

燃煤消费、垃圾焚烧、金属冶炼等工业领域产生的烟气中含有大量大气污染物，其中以垃圾焚烧产生的烟气成分最为复杂，主要有颗粒物、硫化物、氮氧化物、重金属、二噁英等。这些工业废气若被排放到大气中，会对人体健康、农业减产、林木衰败有严重影响，更会引起酸雨等区域性、全球性重大环境问题。近年来为大力治理工业废气排放问题，我国出台了世界最严格排放标准，治理力度加大、涉及行业扩大。随着排放要求日益严格，排放系统更加复杂，系统内设备日益增多，仅靠现有技术或单一技术升级难以实现达标排放，主要污染物处理技术正逐渐向协同一体化脱除的方向发展。

本文分析了工业领域在超低排放改造中规定的污染物限值，以及典型工业超低排放技术路线的缺点和不足，介绍了当前烟气脱硫脱硝一体化、脱硝除尘一体化、协同脱除非常规物、离子瀑一体化技术等方面的技术现状，并对烟气一体化超低排放技术的发展方向进行了展望。

1 典型工业超低排放技术应用

1.1 烟气污染物排放标准

2014 年国家多部委先后联合制定《煤电节能减排升级与改造行动计划》和《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》[1]。随后各地政府相继出台地方排放标准（如表1），对比来看，在基准氧含量6%条件下，颗粒物、二氧化硫、氮氧化物的排放要求有明显提升，分别不高于10、35、50mg/m3，京津冀、江浙沪等甚至达到5、10、30mg/m3。

表1 现行燃煤电厂烟气污染物限值（基准氧含量6%，mg/m3）

以上国家和地方出台的系列政策和措施，有效促进了我国大气环保技术和产业的迅猛发展[1]。目前，火电行业超低排放进程已进入尾声，排放气体最为复杂的垃圾焚烧电厂也逐渐推行了超低排放的控制标准，如表2。针对钢铁行业，2019 年国家多部委联合发布了《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》，2020 年针对工业炉窑制定了《工业炉窑大气污染综合治理方案》等政策（如表3），推动了钢铁及非电行业超低排放改造的蓬勃发展。超低排放技术已成为我国大气污染治理领域的主要发展方向。

表2 现行标准对垃圾焚烧电厂烟气污染物限值规定（基准氧含量11%，mg/Nm3）

表3 钢铁企业超低排放指标限值（mg/m3）

国内外现有工业烟气净化技术中，多以独立建设除尘、脱硫、脱硝等系统，并串接在一起，以针对性分别脱除的叠加方式为主，各系统间较少有协同利用关系，或者部分污染物协同治理效果差强人意，工程应用仍专注在传统设备提效上[1]。

1.2 燃煤电厂典型超低排放技术

燃煤电厂主要采用以低低温电除尘技术为主的超低排放技术路线（低氮燃烧+SCR 脱硝+低低温除尘+高效湿法脱硫）和以干式电除尘技术为主的超低排放技术路线（低氮燃烧+SCR 脱硝+电/袋除尘+干式脱硫+袋除尘）[2]。

在以低低温电除尘技术为主的技术路线中，脱硝、除尘、脱硫系统独立设置，仅湿法脱硫具有协同脱除部分粉尘的作用，除尘时具有脱除部分重金属污染物的作用。此路线适合大中型燃煤机组，适用于中低硫煤[2]。

以干式电除尘技术为主的超低排放技术路线中，干式脱硫技术主要通过提高石灰石的纯度、细度等来增大颗粒比表面积，从而提高吸收剂的脱硫效率，适应煤种变化，且通过两级除尘技术解决颗粒物排放问题，占地、能耗都很大；同时无论静电除尘还是袋除尘的净化效率都随使用时间的变长而降低，且定期都需要更换电极或布袋，运行维护费用高。此外，电除尘在电离的过程中会产生臭氧，但这些臭氧最后被直接排放并产生了二次污染，未能被有效利用。

1.3 垃圾焚烧发电厂典型超低排放技术路线

目前垃圾焚烧电厂主要采用的烟气净化工艺路线（如图3）为“SNCR 炉内脱硝＋旋转喷雾半干法脱酸＋活性炭干法喷射＋消石灰干法喷射＋布袋除尘”[3]。该技术路线中脱硝、脱酸、除尘、脱二噁英（重金属）系统独立设置，脱除工艺之间没有互相利用，且最后的布袋除尘工艺还需要脱除大量脱酸反应产物、吸附有害物的活性炭以及未反应的石灰及活性炭等。同时因常用布袋滤料（208 或901 涤轮绒布）的使用温度一般不超过120°C，且不抗酸性腐蚀，布袋除尘不能先于脱酸工艺而直接处理高温烟气。高温烟气温度经半干法脱酸工艺降到布袋入口许用温度的过程中，余热未经有效利用而被排放，产生大量能源浪费。

1.4 钢铁行业典型超低排放技术路线

现阶段钢铁行业仅烧结（焦化）行业的烟气治理技术基本达到超低排放的目标，超低排放技术为组合脱硫、脱硝、除尘技术，主要有：脱硫（湿法、半干法）+SCR脱销、活性炭（错流、逆流）法、氧化法（臭氧、氧化催化、FOSS）等，主流技术方案有十余种之多，过程中所涉及的设备、原材料及工程工艺各不相同。其中，技术较为成熟、成本较经济的，烟气治理效果通常难以达到超低排放标准要求；技术较为成熟，烟气治理效果可以满足超低排放标准要求的，通常成本经济性较差。至今仍未有一种技术能够同时具备排放达标性、成本经济性与经验成熟性。

综上所述，工业烟气净化技术路线均存在多污染物协同处置能力较差、物质或热量未被高效利用、占地较大、投资成本高等问题。

2 烟气一体化净化技术

在世界最严格排放标准的要求下，我国烟气污染物处理技术逐渐向一体化脱除方向发展，协同治理技术处于起步阶段。目前部分技术能在一定条件下实现脱硫脱硝二合一、脱硝除尘二合一，但因协同脱除效率并不高，产生更多更难处理的废弃物，反应条件复杂、运维成本高等原因，而难以工业化应用。其中，脱硫脱硝一体化技术主要有等离子体法、氯酸氧化法、吸附法、光催化法等。脱硝除尘一体化技术有陶瓷纤维滤管技术等。汞、二噁英等非常规污染物也在除尘、脱硫等脱除过程中得到一定去除。

2.1 脱硫脱硝一体化技术

（1）等离子体技术

等离子体技术主要原理是在高压电源下，烟气流经等离子体反应器，高压电能够产生局部击穿、产生放电，放电可以产生臭氧、过氧化氢等多种自由基和活性物质，这些自由基和活性物质能够同时氧化、吸收烟气中的NO 和SO2。运用最广泛是电子束辐射法和脉冲电晕法。在该项技术方法中无废渣废水，对烟气流量和污染物浓度有很好的适应能力，副产品硝氨和硫氨可当做工业化肥，但由于使用高能电子和离子，其成本相对较高且其需要的设备更为复杂和大型。

（2）湿法同时脱硫脱硝工艺

湿法烟气同时脱硫脱硝应用较多的是氯酸氧化法，该工艺主要包括氧化吸收塔和碱式吸收塔[4]，氧化吸收塔内部充入氯酸，将硫氧化物和氮氧化物转化为NO2和SO3，在水蒸气作用下，形成硫酸和硝酸；在碱式吸收塔中主要充入Na2S 和NaOH，除掉过量的酸气。该工艺脱除效率高，NOx的脱除效率能达到95%以上，可以在更大的NOx入口浓度范围内工作；操作温度低，可以在常温下运行；该工艺产生酸性废液，需要再次处理净化，二次污染较严重，存在运输和贮存问题；氯酸对设备与管道有强腐蚀作用，需要添加防腐内衬材料，增加了设备费用。

（3）干法同时脱硫脱硝工艺

干法烟气同时脱硫脱硝应用较多的是NOXSO法，其采用浸渍碳酸钠的γ-Al2O3作为吸附剂。烟气经过静电除尘后进入流化床，在流化床中将NOx和SO2吸附。进入吸收剂加热器将NOx脱附,再进入再生装置将SO2脱附，吸收剂是Al2O3，再生剂是甲烷。该方法能够脱除90% SO2和70%NOx，其中脱硝效率尚未达到理想要求，吸附剂虽然可以循环利用，但价格昂贵、能耗较高。

此外干法烟气同时脱硫脱硝还有光催化法，光催化法原理主要基于光敏型TiO2催化材料在紫外光照下对污染物的光降解，污染物在光催化反应器中进行脱硫脱硝反应。由于催化剂制备复杂，真空紫外线需要额外投入，成本高[5]。

2.2 脱硝除尘一体化技术

在陶瓷纤维滤管上浸渍包含有催化组分的二氧化钛颗粒，颗粒物被截留在纤维管的表面，烟气经过多孔纤维滤管时，烟道气中的NOx、二噁英被催化还原。该陶瓷纤维除尘脱硝一体化滤料技术过滤精度较高，颗粒物过滤效率可达99%以上，NOx脱除效率可达95%以上；耐高温，耐酸碱腐蚀，具有显著的温度波动抵抗能力；滤管更换周期5～8 年，使用寿命优于布袋，可节省约25～35%的整体费用，但对烟气入口浓度有一定要求。

2.3 非常规污染物脱除技术

燃煤产生单质汞、二价汞、液态颗粒态汞，其中二价汞含量最大且溶于水，单质汞最不易捕捉。目前常规设备主要采用基于布袋除尘器的吸附剂喷射技术，采用活性炭喷射吸附烟气中重金属及二噁英，吸附了重金属及二噁英的活性炭随烟气进入袋式除尘器中，与袋式除尘器的滤料充分接触，并被阻留下来，从而达到去除重金属和二噁英的目的[6]。二噁英的去除方法在物理吸附法外还有化学处理法，即在烟气中喷入NH3用来抑制前驱物的产生，或喷入氧化钙用以吸收HCl，通过破坏整个系统二噁英的产生达到显著去除二噁英的能力[7]。

实践证明无论是独立分别脱除的技术还是部分二合一的技术，均存在多污染物协同处置能力较差、占地较大、布置复杂、能耗相对较高及运行成本较高等问题。因此，亟需研发具有较好协同机制的烟气一体化超净处理技术。

2.4 离子瀑一体化超净处理技术

该技术为烟气进入离子瀑+水雾瀑一体化超净处理装置，通过不同烟气处理单元的多效协同达到超净排放的目的，可去除纳米级颗粒物、硫化物、氮氧化物、二噁英、重金属等大气污染物。

该技术原理为首先高温烟气通入具有强大动能的干式离子场，将多种污染物瞬间推送到收集壁，待颗粒物累积到一定厚度后，通过振打方式不停机清洗[8]。随后烟气进入水雾瀑室，由离子水雾发生器产生精细水雾，精细水雾以立体喷淋的方式，产生使烟气旋转的旋风式涡旋，使烟气与水雾溶剂充分融合反应形成气溶胶，再进入湿式离子瀑室，烟气中残留的液体颗粒物和固态细微颗粒物等被高速定向运动的离子瀑推到筒壁上，并采用循环水淋系统，实现不停机自动清洗，并有效控制湿烟羽，从而完成颗粒物、硫化物、氮氧化物和重金属等大气污染物的深度净化。净化后的烟气通过上出风室及管道由风机抽到烟囱超净排放。

离子瀑一体化超净处理技术综合性能优越：该技术对大气污染物的净化级别高、效率高且效率持续稳定，其中颗粒物净化效率可达99.9%，脱硫率99%，脱硝率95%，脱汞率99%，二噁英净化效率可达99%；耐高温、耐湿，不挑尘源；多种物质和能量可实现循环利用：前序工艺可为后续工艺提供必要的化学物质和工艺条件；运营成本低，无须换耗材，次生污染小，系统压降小、耗能低、寿命长，碱性制剂用量低，灰渣产量低，废水实现循环利用；可实现不停机自动清洗，维护影响小；首次投入成本高于滤材净化方式，但长期投入小。此外，该技术灵活性高、适应性强，目前可处理350℃以下的烟气，设备会根据前端烟气的浓度、成份、环境等进行调整，因此该技术具备向多个领域推广的技术基础和市场潜力。

结语

当前烟气净化一体化新技术的研究主要为脱硫脱硝一体化及脱硝除尘一体化，其中烟气脱硫脱硝一体化技术是工业应用最广泛的一类，主要技术壁垒和困境体现在工业设备大型且复杂、运营成本高、产生其他副产污染物等。未来提高烟气除尘脱硫脱硝效率的同时，在协同机制的高效化、反应工艺的简易化、运营成本的低廉化、二次污染的近零化等方面的研发和应用，是烟气一体化超低排放技术的发展方向。离子瀑一体化超净处理技术能够高效协同处理颗粒物、硫化物、氮氧化物、重金属、二噁英等多种大气污染物，为工业大气污染物超净排放产业化开创了一条新的高效、恒定、安全、经济可行的技术路线。