燃煤鍋爐,同時(shí)脫硫脫氮,技術(shù)分析
摘要:詳細(xì)介紹幾種典型電廠燃煤鍋爐同時(shí)脫硫脫氮技術(shù)，并對(duì)其進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比較。認(rèn)為活性焦吸附法屬于干法處理技術(shù)，最具有競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞：燃煤鍋爐,同時(shí)脫硫脫氮,技術(shù)分析

1、前言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)因燃煤排放的二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOx）急劇增加，二氧化硫、氮氧化物是大氣污染的主要物質(zhì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)每年 NOx、SO2排放量分別約為770萬(wàn)t和2400萬(wàn)t，然而NOx、SO2是形成“酸雨”和“酸霧”的主要原因之一，氮氧化物與碳?xì)浠衔锝Y(jié)合形成光化學(xué)煙霧，所以NOx、SO2污染帶來(lái)的后果嚴(yán)重危及人體健康，對(duì)自然環(huán)境造成嚴(yán)重?fù)p害。
 
我國(guó)每年因NOx、SO2及形成酸雨造成損失達(dá)1100億元，其損失約占國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值的7%～8%。

在我國(guó)，SO2主要來(lái)自燃煤燃燒排放的煙氣約占90%，其中火電廠燃煤排放占SO2總量的1/4左右；NOx90%來(lái)自燃料燃燒，因此脫硫脫氮及除塵是中國(guó)治理燃煤污染改善大氣環(huán)境的最主要目標(biāo)。

2、幾種典型的脫硫脫氮技術(shù)

對(duì)于電廠燃煤鍋爐排放的SO2和NOx，近年來(lái)各國(guó)相繼開(kāi)發(fā)了許多同時(shí)脫硫脫氮的方法，下面就幾種方法進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較。

2.1　排煙循環(huán)流化床

排煙循環(huán)流化床（FGD-CFB）是80年代初由德國(guó)Lurgi公司開(kāi)發(fā)的，該公司也是世界上第一臺(tái)燃燒煤的循環(huán)流化床鍋爐的開(kāi)發(fā)者，后來(lái)又把循環(huán)流化床技術(shù)引入脫硫領(lǐng)域，取得了良好的效果。該技術(shù)在德國(guó)有三家公司進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究，丹麥的FLS正在做。該法脫硫脫氮屬于燃燒中處理，脫硫采用循環(huán)流化床，脫氮采用低氮燃燒。2001年我國(guó)在四川白馬電廠300MW機(jī)組建示范工程。

排煙循環(huán)流化床優(yōu)點(diǎn)：

①投資費(fèi)用較低。

②脫硫裝置不需要太大空間。

③固硫劑產(chǎn)物以固態(tài)排放。

排煙循環(huán)流化床問(wèn)題：

①燃燒中采用低氮燒燃，脫氮效果不能保證。

②由于鍋爐內(nèi)噴射CaO吸收劑進(jìn)行脫硫，產(chǎn)生CaCO3和煤灰一起排出，易造成二次污染。

③控制排煙溫度70℃，需要有排煙加熱裝置。

2.2　組合法（FGC）

這種方法是用石灰石石膏法濕式脫SO2：（FGD）和選擇性催化還原法（SCR）脫NOx組合的技術(shù)。據(jù)資料介紹，德國(guó)、日本、美國(guó)等國(guó)家多數(shù)采用這種方法。該組合技術(shù)中濕法脫硫效率高（90%～98%），吸收塔自身緊湊，但該法的問(wèn)題是耗水量大，而且必須進(jìn)行排水的深度處理，生成的大量副產(chǎn)品石膏應(yīng)用也有限，煙氣在進(jìn)入煙囪前需要加熱提高溫度。該組合技術(shù)中氨選擇性催化劑還原法的缺點(diǎn)是，脫氮的催化劑壽命維護(hù)比較麻煩，工藝中生成的胺化合物有堵塞系統(tǒng)的弊病等，因此使該組合法的推廣應(yīng)用受到影響。

2.3　電子束法（EBA）

為了克服以上方法的缺點(diǎn)，國(guó)際上開(kāi)發(fā)了許多同時(shí)脫硫脫氮的技術(shù)，電子束法既是屬于同時(shí)脫硫脫氮的典型方法之一。電子束法是利用電子加速器產(chǎn)生的高能粒子照射煙氣，使其SO2和NOx氧化生成硫酸和硝酸，再與添加的氨反應(yīng)生成硫酸氨和硝酸氨。該技術(shù)首先是日本茬原制作所1970年著手研究，又經(jīng)過(guò)與原子能研究所合作研究，1974年進(jìn)行了1000/Nm3h-1、1萬(wàn)/Nm3h-1規(guī)模不同的氣體試驗(yàn)，從而肯定了這種干法技術(shù)。受美國(guó)能源部委托，在椹薩斯洲又進(jìn)行了1.4萬(wàn)/Nm3h-1的改進(jìn)試驗(yàn)，在西德進(jìn)行了2.0萬(wàn)//Nm3h-1規(guī)模的試驗(yàn)，都取得了很好的結(jié)果。其它有些國(guó)家也在研究。我國(guó)2000年由中國(guó)工程物理研究院在四川綿羊投資2000萬(wàn)元建造一套電子束輻射煙氣脫硫脫氮工業(yè)試驗(yàn)裝置，煙氣處理量3000～12000//Nm3h-1，脫硫率90%，脫氮率70%電子束法處理煙氣的優(yōu)點(diǎn)：

①用一個(gè)過(guò)程能同時(shí)脫硫脫氮，且去除效率高。

②能夠生成硫酸氨和硝酸氨副產(chǎn)品作化肥用，沒(méi)有廢棄物。

③是干法過(guò)程，沒(méi)有廢水及其處理設(shè)施。

④因?yàn)椴挥么呋瘎?，所以不存在催化劑中毒，影響使用壽命的?wèn)題。

⑤設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)煙氣條件變化適應(yīng)性強(qiáng)，容易控制。

電子束處理法存在問(wèn)題：

①該法耗電量大，由此占的運(yùn)行費(fèi)用很高。

②煙氣輻射裝置還不適合用于大規(guī)模應(yīng)用系統(tǒng)。

③處理后的煙氣仍然存在排放氮、硫酸和一氧化二氮的可能性。

2.4　活性焦吸附法

該法是用活性焦進(jìn)行煙氣的同時(shí)脫硫和脫氮。SO2是通過(guò)活性焦的微孔催化吸附作用，生成硫酸儲(chǔ)存于焦碳微孔內(nèi)，通過(guò)熱再生，生成總量雖少，但含SO2濃度很高氣體，根據(jù)需要再去轉(zhuǎn)換成各種有價(jià)值的副產(chǎn)品，如高純硫磺、液態(tài)SO2、濃硫酸、化肥等。NOx是在加氨的條件下，經(jīng)活性焦的催化作用生成水和氮?dú)庠倥湃氪髿狻Ｔ摴こ痰闹饕O(shè)備是脫硫脫氮塔，活性焦在塔內(nèi)由上往下移動(dòng)，煙氣橫向交叉通過(guò)活性焦炭層，因此煙氣中的塵也被除掉〔7〕。

活性焦和活性炭是不同的兩種炭質(zhì)吸附材料?；钚蕴康木C合強(qiáng)度（耐壓、耐磨損、耐沖擊）低，而且表面積大，若用移動(dòng)床，因吸附、再生往返使用損耗大，存在著經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，因此人們研究出比活性炭比表面積小，但強(qiáng)度高的成型活性焦炭，具有更好的脫硫、脫氮性能，用于煙氣的同時(shí)脫硫脫氮。
 
活性焦吸附法是西德BF（Bergbau-Forschung）公司在1967年開(kāi)發(fā)的，日本的三井礦山（株）公司根據(jù)日本的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，吸收了西德BF公司的成功經(jīng)驗(yàn)，于1981年到1983年進(jìn)行了1000/ Nm3h-1規(guī)模的試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上又于1984年10月在自家的燃煤電廠建立了處理能力3萬(wàn)/ Nm3h-1的工業(yè)試驗(yàn)裝置。經(jīng)過(guò)改進(jìn)和調(diào)整，達(dá)到長(zhǎng)期、穩(wěn)定、連續(xù)地運(yùn)轉(zhuǎn)，脫硫率幾乎100%，脫氮率在80%以上，被日本通商產(chǎn)業(yè)省認(rèn)定為第一號(hào)商品化裝置。（根據(jù)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)果，獲得了各種資料，肯定了該技術(shù)，并定名為三井BF法。同時(shí)建立了3000/ta-1成型活性焦的商品化制造廠。

在我國(guó)1991年，由遼寧省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究所承擔(dān)“同時(shí)脫硫脫氮綜合利用一體化”項(xiàng)目，并于2001年通過(guò)了遼寧省科技廳技術(shù)鑒定。該成果主要在三井BF方法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，利用我國(guó)煤炭特點(diǎn)（灰分高＞10%）研制出活性焦，其比表面積低，強(qiáng)度高，脫硫率90%，脫氮率80%，并且初期脫硫率、脫氮率均高于三井BF法，取得滿意效果〔8〕。

活性焦吸附法脫硫脫氮的優(yōu)點(diǎn)：

①具有很高的脫硫率（98%）。

②能除去濕法難以除去的SO3。

③能除去廢氣中的HCl、HF、砷、硒、汞，是深度處理的技術(shù)。

④在低溫下（100～200℃）能得到高的脫氮率（80%），因而不需要廢氣升溫裝置。

⑤具有除塵功能。

⑥過(guò)程中不用水，無(wú)需廢水處理裝置，沒(méi)有二次污染問(wèn)題。

⑦堿、鹽類(lèi)對(duì)活性焦炭沒(méi)有影響，不存在吸附劑中毒問(wèn)題。

⑧建設(shè)費(fèi)用低，使用動(dòng)力小則運(yùn)行費(fèi)用低。

⑨廠地面積小也可以建設(shè)。

⑩可以回收副產(chǎn)品，高純硫磺（99.95%）或濃硫酸（98%）或高純液態(tài)SO2，其中任選一副產(chǎn)品。

活性焦吸附法脫硫脫氮的主要問(wèn)題：

①固態(tài)的熱吸收劑循環(huán)使用，是機(jī)械的方式，操作較復(fù)雜。

②吸附劑在運(yùn)行中有磨損消耗，是成本的主要部分。

③煙氣通過(guò)吸附床有較大的壓力降由于以上特點(diǎn)，因此在美國(guó)政府調(diào)查報(bào)告中認(rèn)為，該技術(shù)是最先進(jìn)的煙氣脫硫脫氮技術(shù)。

3、經(jīng)濟(jì)分析

由于排煙循環(huán)流化床是屬于燃燒中進(jìn)行脫硫脫氮，處理方法不同于其他三種方法（燃燒后煙氣處理），所以不列入經(jīng)濟(jì)比較之內(nèi)。

根據(jù)美國(guó)能源部（DOE）報(bào)告，一個(gè)500MW的火力發(fā)電廠，用濕法脫硫（FGD）其設(shè)備費(fèi)用為175/kw，運(yùn)行費(fèi)用18mille/kwh，在其后組合進(jìn)SCR法脫氮，設(shè)備費(fèi)為125/kw，運(yùn)行費(fèi)為6.2mille/kwh（催化劑使用壽命按6年計(jì)算，若按4年壽命則為7.6mille/kwh），因此合計(jì)起來(lái)該組合法脫硫脫氮的設(shè)備費(fèi)用為300/kw，運(yùn)行費(fèi)為24.2mille/kwh。

活性焦吸附法按300MW規(guī)模的火電廠煙氣同時(shí)脫硫脫氮，其設(shè)備費(fèi)用為175～225/kw，運(yùn)行費(fèi)用為10.8mille/kwh。

電子束法100MW規(guī)模的電廠，煙氣同時(shí)脫硫脫氮，根據(jù)美國(guó)能源部報(bào)告的數(shù)據(jù)，設(shè)備費(fèi)用是247/kw，運(yùn)行費(fèi)是21.6mille/kwh。根據(jù)日本資料報(bào)道，電子束法用于500MW規(guī)模的電廠，設(shè)備費(fèi)是組合法的70%～80%，運(yùn)行費(fèi)是組合法的90%，由此計(jì)算，500MW規(guī)模的電廠，電子束法的設(shè)備費(fèi)是210～240/kw，運(yùn)行費(fèi)是 21.7mille/kwh，這個(gè)數(shù)值與美國(guó)能源部報(bào)告的數(shù)值是一致的。

4、結(jié)語(yǔ)

活性焦吸附法雖然開(kāi)發(fā)歷史較短，但是進(jìn)展速度非常快，日本在1981年開(kāi)始進(jìn)行了1000/Nm3h-1煙氣脫硫脫氮試驗(yàn)，到1989年即在西德建立了32/萬(wàn)Nm3h-1的電廠燃煤煙氣處理裝置，處理效果非常好。相比之下，電子束法盡管開(kāi)發(fā)的歷史較早（1970年），在技術(shù)上也有許多優(yōu)點(diǎn)，但是由于大容量的電子加速器功率較大，耗電高，價(jià)格昂貴，建設(shè)燃煤電廠大型的實(shí)用規(guī)模的處理裝置比較困難，因此實(shí)際進(jìn)展速度并不快。

活性焦吸附法脫硫脫氮有完整的工藝系統(tǒng)，最終可以得到高質(zhì)量的副產(chǎn)品，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)環(huán)境質(zhì)量要求將愈來(lái)愈高，必將對(duì)二氧化硫、氮氧化物制定更加嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，所以一方面可以滿足當(dāng)前對(duì)SO2控制的要求，又要為控制NOx作技術(shù)準(zhǔn)備。因此，這種技術(shù)即屬于超前性，又具有推動(dòng)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略意義。
 

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