電廠燃煤鍋爐同時脫硫脫氮技術(shù)與分析
摘要:詳細介紹幾種典型電廠燃煤鍋爐同時脫硫脫氮技術(shù)，并對其進行技術(shù)和經(jīng)濟比較。認為活性焦吸附法屬于干法處理技術(shù)，最具有競爭力。
關(guān)鍵詞：燃煤鍋爐 同時脫硫脫氮 技術(shù)分析
1、前言
隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國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)計我國每年NOx、SO2排放量分別約為770萬t和2400萬t，然而NOx、SO2是形成“酸雨”和“酸霧”的主要原因之一，氮氧化物與碳氫化合物結(jié)合形成光化學煙霧，所以NOx、SO2污染帶來的后果嚴重危及人體健康，對自然環(huán)境造成嚴重損害。
我國每年因NOx、SO2及形成酸雨造成損失達1100億元，其損失約占國民經(jīng)濟生產(chǎn)總值的7%～8%。
在我國，SO2主要來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%來自燃料燃燒，因此脫硫脫氮及除塵是中國治理燃煤污染改善大氣環(huán)境的最主要目標。
2、幾種典型的脫硫脫氮技術(shù)
對于電廠燃煤鍋爐排放的SO2和NOx，近年來各國相繼開發(fā)了許多同時脫硫脫氮的方法，下面就幾種方法進行技術(shù)、經(jīng)濟比較。
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Lurgi公司開發(fā)的，該公司也是世界上第一臺燃燒煤的循環(huán)流化床鍋爐的開發(fā)者，后來又把循環(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)在德國有三家公司進行開發(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年我國在四川白馬電廠300MW機組建示范工程。
排煙循環(huán)流化床優(yōu)點：
①投資費用較低。
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〔1〕。
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)〔2〕。據(jù)資料介紹，德國、日本、美國等國家多數(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，但該法的問題是耗水量大，而且必須進行排水的深度處理，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是，脫氮的催化劑壽命維護比較麻煩，工藝中生成的胺化合物有堵塞系統(tǒng)的弊病等〔3〕，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，國際上開發(fā)了許多同時脫硫脫氮的技術(shù)，電子束法既是屬于同時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)過與原子能研究所合作研究，1974年進行了1000/Nm3h-1、1萬/Nm3h-1規(guī)模不同的氣體試驗，從而肯定了這種干法技術(shù)。受美國能源部委托，在椹薩斯洲又進行了1.4萬/Nm3h-1的改進試驗，在西德進行了2.0萬//Nm3h-1規(guī)模的試驗，都取得了很好的結(jié)果。其它有些國家也在研究。我國2000年由中國工程物理研究院在四川綿羊投資2000萬元建造一套電子束輻射煙氣脫硫脫氮工業(yè)試驗裝置，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：
①用一個過程能同時脫硫脫氮，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，沒有廢棄物。
③是干法過程，沒有廢水及其處理設(shè)施。
④因為不用催化劑，所以不存在催化劑中毒，影響使用壽命的問題。
⑤設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，對煙氣條件變化適應(yīng)性強，容易控制〔4、5〕。
電子束處理法存在問題：
①該法耗電量大，由此占的運行費用很高。
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〔6〕。
2.4 活性焦吸附法
該法是用活性焦進行煙氣的同時脫硫和脫氮。SO2是通過活性焦的微孔催化吸附作用，生成硫酸儲存于焦碳微孔內(nèi)，通過熱再生，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氣再排入大氣。該工程的主要設(shè)備是脫硫脫氮塔，活性焦在塔內(nèi)由上往下移動，煙氣橫向交叉通過活性焦炭層，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合強度（耐壓、耐磨損、耐沖擊）低，而且表面積大，若用移動床，因吸附、再生往返使用損耗大，存在著經(jīng)濟性問題，因此人們研究出比活性炭比表面積小，但強度高的成型活性焦炭，具有更好的脫硫、脫氮性能，用于煙氣的同時脫硫脫氮。
活性焦吸附法是西德BF（Bergbau-Forschung）公司在1967年開發(fā)的，日本的三井礦山（株）公司根據(jù)日本的環(huán)境標準對其進行了改進，吸收了西德BF公司的成功經(jīng)驗，于1981年到1983年進行了1000/ Nm3h-1規(guī)模的試驗，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/ Nm3h-1的工業(yè)試驗裝置。經(jīng)過改進和調(diào)整，達到長期、穩(wěn)定、連續(xù)地運轉(zhuǎn)，脫硫率幾乎100%，脫氮率在80%以上，被日本通商產(chǎn)業(yè)省認定為第一號商品化裝置。（根據(jù)設(shè)備運轉(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。同時建立了3000/ta-1成型活性焦的商品化制造廠。
在我國1991年，由遼寧省環(huán)境保護科學研究所承擔“同時脫硫脫氮綜合利用一體化”項目，并于2001年通過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)上進行改進，利用我國煤炭特點（灰分高＞10%）研制出活性焦，其比表面積低，強度高，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：
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過程中不用水，無需廢水處理裝置，沒有二次污染問題。
⑦堿、鹽類對活性焦炭沒有影響，不存在吸附劑中毒問題。
⑧建設(shè)費用低，使用動力小則運行費用低。
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題：
①固態(tài)的熱吸收劑循環(huán)使用，是機械的方式，操作較復(fù)雜。
②吸附劑在運行中有磨損消耗，是成本的主要部分。
③煙氣通過吸附床有較大的壓力降由于以上特點，因此在美國政府調(diào)查報告中認為，該技術(shù)是最先進的煙氣脫硫脫氮技術(shù)〔9〕
3、經(jīng)濟分析
由于排煙循環(huán)流化床是屬于燃燒中進行脫硫脫氮，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)濟比較之內(nèi)。
根據(jù)美國能源部（DOE）報告，一個500MW的火力發(fā)電廠，用濕法脫硫（FGD）其設(shè)備費用為175/kw，運行費用18mille /kwh，在其后組合進SCR法脫氮，設(shè)備費為125/kw，運行費為6.2mille/kwh（催化劑使用壽命按6年計算，若按4年壽命則為 7.6mille/kwh）〔10〕，因此合計起來該組合法脫硫脫氮的設(shè)備費用為300/kw，運行費為24.2mille/kwh。
活性焦吸附法按300MW規(guī)模的火電廠煙氣同時脫硫脫氮，其設(shè)備費用為175～225/kw，運行費用為10.8mille/kwh。
電子束法100MW規(guī)模的電廠，煙氣同時脫硫脫氮，根據(jù)美國能源部報告的數(shù)據(jù)，設(shè)備費用是247/kw，運行費是21.6mille/kwh。根據(jù)日本資料報道，電子束法用于500MW規(guī)模的電廠，設(shè)備費是組合法的70%～80%，運行費是組合法的90%，由此計算，500MW規(guī)模的電廠，電子束法的設(shè)備費是210～240/kw，運行費是21.7mille/kwh，這個數(shù)值與美國能源部報告的數(shù)值是一致的。
通過以上分析這三種方法的經(jīng)濟比較結(jié)果見表1。
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表1 三種脫硫脫氮方法的經(jīng)濟比較
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注：活性焦吸附法是按300MW計算的，若按500MW同樣規(guī)模比較，經(jīng)濟效益會更好。
根據(jù)表1經(jīng)濟分析結(jié)果表明，活性焦吸附法的設(shè)備費用和運行費用都比較低，需要的建設(shè)空間也小，尤其是運行費用是電子束法的50%，所以活性焦吸附法在經(jīng)濟上具有競爭力。
4、結(jié)語
活性焦吸附法雖然開發(fā)歷史較短，但是進展速度非？欤毡驹1981年開始進行了1000/Nm3h-1煙氣脫硫脫氮試驗，到1989年即在西德建立了32/萬Nm3h-1的電廠燃煤煙氣處理裝置，處理效果非常好。相比之下，電子束法盡管開發(fā)的歷史較早（1970年），在技術(shù)上也有許多優(yōu)點，但是由于大容量的電子加速器功率較大，耗電高，價格昂貴，建設(shè)燃煤電廠大型的實用規(guī)模的處理裝置比較困難，因此實際進展速度并不快。
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，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，對環(huán)境質(zhì)量要求將愈來愈高，必將對二氧化硫、氮氧化物制定更加嚴格的排放標準，所以一方面可以滿足當前對SO2控制的要求，又要為控制NOx作技術(shù)準備。因此，這種技術(shù)即屬于超前性，又具有推動環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略意義。
參考文獻
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