火電廠燃煤一體化脫硫脫硝工藝研究
2016-05-14 12:00:45
0 引言
現代工業的發展是一把雙刃劍，一方面給人類帶了前所未有物質文明，另一方面也帶來了嚴重的環境問題。由于大氣污染排放物導致的霧霾問題已經成為中國切實需要解決的重大環境問題。工業生產中使用煤作燃料而排放的廢氣是導致大氣污染最主要的原因。煤炭燃燒后會排出的SO2和NOx，NOx會和碳氫化合物一起形成光化學煙霧，嚴重危害人類的健康;SOx和NOx是形成酸雨的主要因素。中國是產煤大國也是用煤大國，新中國成立以來，煤炭在中國發電和工業活動中占據非常重要的位置，年用煤量的一半左右都用于燃煤發電。研究表明，火電廠是中國大氣污染物排放大戶。在這樣的背景下，控制火電廠鍋爐煙氣中的SO2和NOx迫在眉睫[1]。
1 火電廠脫硫工藝
減少SO2排放，可從兩方面入手：a) 在煤炭燃燒過程中控制SO2的產生;b) 利用煙氣脫硫技術，消除已生成的SO2。
國內外脫硫技術共有幾百種，效果較好且常用于工業實踐的包括以下幾種：濕式石灰石(石灰)—石膏法煙氣脫硫工藝、旋轉噴霧干燥法(SDA)、爐內噴鈣與尾部增濕活化(LIFAC)、流化床燃燒脫硫、電子束照射法、回流式循環流化床煙氣脫硫法、NID法、移動床活性炭吸附法、海水脫硫法等[2]。本文重點探討前兩種工藝。
1.1 濕式石灰石石灰石膏法煙氣脫硫工藝
此種工藝在反應塔(吸收塔)中使用石灰石(CaC03)或石灰(CaO)漿液洗滌煤炭的煙氣，以此去除煙氣中的SO2。具體流程為：首先經除塵器消除粉塵，由底部進入反應塔(吸收塔)向上流動，將石灰石或石灰漿液由反應塔頂部向下噴淋，與煙氣接觸產生化學反應，結合生成沉淀物，即CaSO3和CaSO4，脫硫后的煙氣經煙囪排出。
該工藝化學原理可表達為：
石灰法：2SO2+2CaO+H2O→2CaSO3?H2O
石灰石法：2SO2+2CaO+H2O→2CaSO3?H2O
在脫硫反應塔底部的循環氧化槽中吹入O2，可沉淀物中的CaSO3充分氧化生成副產品石膏，以充分利用資源。使用這種工藝，煤炭煙氣脫硫率高達90%～98%，機組容量大，煤炭種類適應性廣，工作性能可靠，洗滌劑價格低廉，副產品可以回收，但是需要較大的占地面積和耗水量，初期投產和運行費用較高，實力和空間較小的火電廠不適合采用。
1.2 旋轉噴霧干燥法
旋轉噴霧干燥法(SDA)以石灰作為脫硫劑，首先將石灰制成消石灰漿，再通過反應塔頂部的快速離心噴霧劑以霧狀噴出，與自下向上的煙氣充分接觸，接觸后產生化學反應，煙氣中的SO2與石灰生成反應物，隨灰塵一起進入除塵器被收集，可循環利用，也可妥善處理。
本工藝的化學反應式為：
石灰消化制漿：CaO+H2O=Ca(OH)2
SO2吸收：Ca(OH)2+SO3=CaSO4+H2O
使用該工藝，火電廠的脫硫率達85%左右，雖然脫硫率較濕式石灰石(石灰)—石膏法略低，但優勢在于技術成熟，機組系統運行可靠，工藝流程較簡單，占地面積和耗水量較小，流程中沒有任何污水和污酸排出。該工藝在1980年被美國一個發電廠投入使用，很快受到歐美各大火電廠的歡迎和應用，中國山東黃島熱電廠和四川自馬熱電廠使用的就是此種工藝。
2 火電廠脫硝工藝
火電廠降低NOx的排放有兩種方法：a) 在煤炭燃燒過程中減少NOx的生成;b) 盡量消除已生成的NOx[3]。
2.1 低NOx燃燒技術
低NOx燃燒技術是以控制煤炭燃燒條件和方法來控制煙氣中N向NO的轉化以減少NO產生的一種技術。在燃燒過程中控制NOx的生成量應按照以下幾個方面要求：a) 降低燃燒過程中的空氣和O2含量，使煤炭處于缺氧狀態燃燒;b) 控制鍋爐中燃燒的溫度，謹防局部溫度過高;c) 保持鍋爐及煙道暢通，縮短煙氣在高溫環境下停留的時間。
2.2 煙氣脫硝技術
對煤炭燃燒后已產生的NOx，可以采取濕法或干法消除，具體常見的方法為：氣象反應法、液體吸收法、吸附法等。
a) 氣相反應法。該方法又包括三類：電子束照射法和脈沖電暈等離子體法;選擇性催化還原法、選擇性非催化性還原法和熾熱碳還原法;低溫常壓等離子體分解法。(a)電子束照射法和脈沖電暈等離子體法是利用高能電子產生自由基將NO氧化為NO2，再與H2O和NH3作用生成沉淀物，可作化肥;(b)選擇性催化還原法、選擇性非催化性還原法和熾熱碳還原法，是借助催化或非催化條件下，用NH3、C等還原劑將NOx還原成無害的N2的方法;(c)低溫常壓等離子體分解法，是利用超高壓窄脈沖電暈放電產生的高能活性粒子撞擊NOx分子，使其化學鏈斷裂分解為O2和N2的方法;
b) 液體吸收法。這是一種常見的脫硝方法，液體吸收法中所謂的“液體”包括水、堿溶液、HNO3、H2SO4等。但因為NOx非常難溶于水或堿溶液的因素，所以該方法脫硝效率較低;
c) 吸附法。利用分子篩、活性炭、天然沸石、硅膠及泥煤等作為吸附劑來脫除NOx的方法，其中一些吸附劑還有催化的作用，可以把煙氣中的NO轉變為可以用水或堿吸附回收的NO2。該方法具有脫硝效率較高的優點，但需要的吸附劑劑量、場地、設備較大，因此在實際生產中使用較少。
3 火電廠一體化脫硫脫硝工藝
3.1典型的煙氣一體化脫硫脫硝工藝
一體化脫硫脫硝工藝是當前火電廠環保工程的新方向。當前比較通行的是Wet-FGD+SCR組合工藝，即濕式煙氣脫硫(Wet-FGD)和NH3選擇性催化還原(SCR)技術融合而成的新工藝。
a) Wet-FGD是利用堿性漿液或溶液作吸收劑，與SO2反應生成硫酸鹽產物來除去SOx。以石灰石或石灰作為吸收劑的強制氧化濕式脫硫方式是其中典型代表。使用這種工藝脫硫率和吸收劑利用率均可高于90%，但這種工藝的缺點是：設備工程和用地龐大、初期投產費用較高、生產過程中容易產生二次污染;
b) NH3選擇性催化還原脫硝工藝的原理是利用催化劑在含氧環境中將煤炭廢氣中NOx經NH3還原為N2和水。該工藝技術成熟可靠，良好狀態下脫硝率最高可達90%，在發達國家使用廣泛，但該工藝投資較大，生產時增加了提前預熱煙氣處理環節，所需的催化劑價格昂貴，還有NH3泄漏和設備腐蝕等安全隱患。目前業界正在研究以CH4、C3H6、C3H8及C8H18等有機化合物代替NH3作為催化劑在低溫中進行生產的工藝改良方法，并已初步投入實際使用。
3.2新興的煙氣一體化脫硫脫硝技術
為更好地同時脫硫脫硝，除了對原有的工藝進行改良外，還發明了更新型的技術，如高能輻射化學法和脈沖電暈等離子體法。
a) 高能輻射化學法又叫做煙道氣照射法，目前主要有電子束照射法和脈沖電暈等離子體法。電子束照射法(EBA)是用陰極發射并經電場加速形成的高能電子束來輻照煙氣，進而生成自由基，在通入NH3的環境下與廢氣中的SOx和NOx反應，生成NH3NO3和(NH4)2SO4等可以回收利用的副產品;
b) 脈沖電暈等離子體法(PPCP)是一種與高能輻射化學法基本原理相似的工藝，只是用于照射的高能電子有不同來源。PPCP法的高能電子是從電暈自身放電而來的，然后利用上升前沿陡、窄脈沖的高壓電源與電源負載一電暈電極系統(電暈反應器)組合，在電暈與電暈反應器電極的氣隙間產生流光電暈等離子體，從而對SO2和NO進行氧化去除。
4 結語
火電廠脫硫脫硝工藝方面，國內外已經開發了多種實用的工藝，新的工藝也在不斷改進和開發過程中?；痣姀S燃煤煙氣中的SOx和NOx的濃度雖然不高，但因為火電廠燃煤量大，因此SOx和NOx產生總量非常巨大，嚴重危害環境。對火電廠來說，使用兩套裝備分別對兩種有害物質進行處理，必然會面臨資金投入高、占地面積大、人力資本高、運行管理復雜等問題。近年來世界各國紛紛開展了同時脫硫脫硝工藝的研發與應用，但目前技術仍不成熟，沒有大規模應用。根據中國的實際情況，現在火電廠脫硫脫硝技術的研究和應用應注重縮小占地面積、減少工藝流程、降低投資運行金額、提高生產效率、提升產業化應用水平，并且重點研究切實可行的一體化脫硫脫硝技術。
參考文獻：
[1]葛榮良.火電廠脫硝技術與應用以及脫硫脫硝一體化發展趨勢[J].上海電力,2007(5):458.
[2]宋曾林,王麗萍.火電廠煙氣同時脫硫脫硝技術進展[J].熱力發電,2005(2):6.
[3]楊巧云.火電廠脫硫技術綜述[J].環境保護科學,2008(6):8-10.
原標題:火電廠燃煤一體化脫硫脫硝工藝研究