中小型鍋爐脫硫脫硝技術簡述

王　浩　張　帆　李天樂

（安琪酵母股份有限公司湖北宜昌443003）

中小型鍋爐脫硫脫硝技術簡述

王浩張帆*李天樂

（安琪酵母股份有限公司湖北宜昌443003）

近年來，SO2和NOx被納入大氣污染物總量控制指標，國家環(huán)境保護部頒布《鍋爐大氣污染物排放標準》GB13271-2014，排放標準日趨嚴格。隨著大型火電廠已裝備脫硫脫硝設備，削減中小型鍋爐的SO2和NOx的排放量已是刻不容緩。通過概述中小型鍋爐脫硫脫硝技術及現狀，對比中小型鍋爐脫硫脫硝工藝，對脫硫脫硝工藝中存在問題提出了建議，為中小型鍋爐SO2和NOx治理提供技術參考。

中小型鍋爐；SO2；NOx；排放標準

鍋爐按容量可分為大、中、小型三類：容量大于420t/h，為大型鍋爐；容量大于60t/h，小于420t/h，為中型鍋爐；容量小于60t/h，為小型鍋爐。我國能源結構以煤炭為主，燃煤鍋爐有70%[1]以上是中小型鍋爐，以供熱為主，布局分散，而且多處于人群聚居地和工商業(yè)區(qū)。

1　二氧化硫控制技術

中小鍋爐脫硫技術可分為三類：燃燒前脫硫、燃燒中脫硫及燃燒后脫硫（煙氣脫硫）。

1.1燃燒前脫硫

燃燒前脫硫是指利用選煤技術降低煤中硫成分，煤的含硫量可降低40%[2]。選煤技術主要有物理法、化學法和微生物法。物理法是我國廣泛采用的選煤技術，主要有跳汰選煤、重介質選煤和浮選等，物理法針對煤中的無機硫成分；化學法針對煤中的有機硫成分，主要有堿液法和其他氧化法；生物脫硫是利用微生物（氧化亞鐵硫桿菌和氧化硫桿菌）將煤中硫分轉化為硫酸鹽。生物脫硫能去除煤中90%的黃鐵礦和40%有機硫[3]。物理法和化學法需要消耗大量水資源，產生廢水的較高濃度的懸浮物和COD。生物脫硫由于微生物繁殖速度有限，因而工業(yè)化程度較低。

1.2燃燒中脫硫

燃燒中脫硫是指在煤燃燒過程中，將煤中的硫分轉移到固體廢物中，減少SO2的排放，主要技術方法有煤粉爐直接噴鈣脫硫和型煤固硫。煤粉爐直接噴鈣原理是在爐膛低溫區(qū)域噴鈣，吸收SO2，脫硫效率僅為30%~40%，脫硫效率有限，通常和尾部活化器增濕相結合，可使脫硫效率達到70%以上[4]。固硫技術是通過向煤中加入固硫劑（石灰石），煤燃燒生成的SO2與固硫劑反應生成硫酸鹽而留在灰渣中，固硫技術的脫硫效率一般為40%~50%[5]。

1.3燃燒后脫硫（煙氣脫硫）

燃燒后脫硫即鍋爐煙氣脫硫，是當前主要的脫硫方法。煙氣脫硫技術原理是利用吸收劑吸收除煙氣中的二氧化硫，并使其轉化為穩(wěn)定的硫化合物。煙氣脫硫技術按脫硫劑及脫硫反應產物的狀態(tài)可分為濕法、干法及半干法三大類。其中濕法脫硫技術應用較為廣泛，主要的濕法脫硫工藝有石灰/石灰石-石膏法、鈉鈣雙堿法和氨法。

1.3.1石灰/石灰石—石膏法

工藝原理：鍋爐煙氣經進口擋板進入增壓風機，通過煙氣換熱器后進入吸收塔，洗滌脫硫后的煙氣經除霧器除去帶出的小液滴，再通過煙氣換熱器從煙囪排放，脫硫副產物經過旋流器、真空皮帶脫水形成脫水石膏，脫水石膏含水率小于10%。

圖1　石灰/石灰石-石膏法工藝流程

采用石灰或石灰石作為吸收劑時，濕法脫硫系統運行控制指標各不相同。

表1　石灰法和石灰石法脫硫運行控制指標對比[6]

石灰/石灰石-石膏法是主流脫硫工藝，90%以上的鍋爐煙氣脫硫采用該工藝，脫硫效率大于95%，技術成熟，運行可靠性高，對煤種適應性強。我國石灰、石灰石資源豐富，吸收劑價格低廉，但是脫硫設備易腐蝕、結垢、堵塞，此外脫硫石膏資源化利用是當務之急，每脫出1tSO2，產生2.7t石膏混合物，據統計我國脫硫石膏的利用率不超過10%，脫硫石膏處理已成難題[8]。

1.3.2鈉鈣雙堿法

工藝原理：它首先用一種堿（通常是氫氧化鈉或碳酸鈉）溶液吸收二氧化硫，生成亞硫酸氫鈉；然后在再生池內用石灰或石灰石將亞硫酸氫鈉再生成亞硫酸鈉，再生的吸收液循環(huán)再利用，而SO2以亞硫酸鈣和石膏的形式析出。

吸收脫硫過程：2NaOH+SO2→Na2SO3+H2O；Na2SO3+SO2+ H2O→2NaHSO3

堿液再生過程：2NaHCO3+Ca(OH)2→Na2SO3+CaSO3·1/2H2O+3/ 2·H2O

Na2SO3+Ca(OH)2→2NaOH+CaSO3

氧化過程：2Na2SO3+O2→2Na2SO4；2NaHSO3+O2→2NaHSO4

圖2　雙堿法工藝流程

鈉鈣雙堿法最早在美國和日本得到應用，脫硫效率為90%以上[9]。石灰/石灰石-石膏法吸收二氧化硫，生成亞硫酸鈣、硫酸鈣的溶解度較小，容易結晶析出，容易造成吸收塔設備及管道的堵塞；雙堿法采用鈉基脫硫劑，其堿性強，生成的亞硫酸鈉和硫酸鈉的溶解度較大，相對于石灰/石灰石-石膏法，雙堿法對設備的堵塞有較大改善。但是雙堿法工藝較為復雜，設備占地面積大；由于氧化副反應生產的硫酸鈉無法再生，需要不斷補充鈉基吸收劑，吸收劑的成本較高。

1.3.3氨法脫硫

工藝原理：鍋爐煙氣進入吸收塔，含氨的吸收液吸收煙氣中的SO2，脫硫后的凈煙氣經除霧按要求排放。吸收液吸收煙氣中SO2后在氧化設施中被氧化成硫酸銨，所形成的硫酸銨溶液脫水干燥，產物為含水率小于5%的硫酸銨。

吸收反應：NH3+H2O+SO2→(NH4)2SO3

氧化反應：(NH4)2SO3+O2→(NH4)2SO4

圖3　氨法工藝流程

氨法脫硫為液氣反應，接觸面積大，脫硫效率高一般大于95%；脫硫裝置的工藝簡單，布置合理，占地面積小，與石灰/石灰石-石膏法脫硫技術相比，占地面積可節(jié)省50%以上[10]。副產物硫酸銨價值高，經濟效益高；但設備腐蝕較為嚴重，脫硫劑氨水成本高，有足夠低廉的廢氨水來源的企業(yè)（化肥廠）適宜選擇氨法脫硫；氨易揮發(fā)逃逸，形成氣溶膠，對周邊環(huán)境造成影響，尤其對鋼結構建筑有較強的腐蝕。

綜上所述，從脫硫率、使用原料、副產品及其用途等方面，對比石灰石-石膏法、雙堿法和氨法的脫硫情況，結果如表2所示。

表23　種脫硫方法比較

2　氮氧化物控制技術

目前，控制NOx排放的技術措施大體上可分為兩類：一類是低NOx燃燒技術（爐內脫氮技術），依據NOx形成機理，改造鍋爐，抑制NOx生成。另一類是煙氣凈化技術，將生成的NOx還原為N2，從而脫除煙氣中NOx；常見的煙氣凈化技術主要有選擇性非催化還原脫硝（SNCR）、選擇性催化還原脫硝（SCR）、SNCR-SCR聯合脫硝。

2.1低氮燃燒技術

低氮燃燒技術主要有空氣分級燃燒技術、燃料分級燃燒技術、煙氣再循環(huán)技術。

空氣分級燃燒的原理是將燃料燃燒分為2個階段：第一階段燃料在缺氧條件下燃燒，空氣量為總燃燒空氣量的70%~75%，降低NOx在該燃燒階段的生成量；第二階段，將剩余空氣送入爐膛，與第一階段煙氣混合完全燃燒。該方法可使NOx的排放量減少15%~30%[12]。

燃料分級燃燒的原理將爐膛分為主燃區(qū)、再燃區(qū)和燃盡區(qū)，在主燃區(qū)送入80%~85%燃料，在過量空氣系數大于1的條件下燃燒并生成NOx；在再燃區(qū)送入15%~20%燃料，使再燃燒區(qū)呈還原性氣氛，將NOx還原成N2；在燃盡區(qū)送入空氣，使再燃燃料完全燃燒。一般采用該方法可使的氮氧化物的排放濃度降低40%左右[13]。

煙氣再循環(huán)技術是將空氣預熱器前的一部分低溫煙氣抽出，直接送入爐內，降低燃燒溫度，降低氧氣濃度，NOx生成受限。煙氣再循環(huán)率為15%~20%，NOx減排效率約為25%[14]。

2.2選擇性非催化還原脫硝（SNCR）

工藝原理：SNCR技術，即選擇性非催化還原法，是將氨水或尿素在一定的條件下與煙氣混合，反應溫度在800℃~1100℃，在不使用催化劑的情況下將NOx還原成為無毒的N2和H2O。當還原劑為氨（NH3）時，其發(fā)生的反應主要如下：

SNCR脫硝工程主要包括還原劑的儲備與制備、輸送、計量分配及噴射。SNCR技術是利用鍋爐爐膛作為脫硝反應器，通過改造鍋爐可實現此技術的利用，因此SNCR技術的建設周期較短、成本較低，適用于改造中小型鍋爐，具有較好的經濟性，但脫硝效率較低，實際運行結果表明，應用于大型電站鍋爐的SNCR的NOx的還原率只有25%~40%[15]，可能造成較高的氨氣逃逸率。

2.3選擇性催化還原脫硝（SCR）

工藝原理：利用還原劑在催化劑作用下有選擇地與煙氣中的NOx發(fā)生化學反應，生成氮氣和水的方法。

圖5　SNCR工藝流程

圖4　SNCR工藝流程

SCR技術主要包括還原劑系統、催化反應系統、公用系統和輔助系統。SCR催化劑的主要成份為V2O5，催化劑類型可分為平板式、蜂窩式和波紋板型，反應溫度為320℃~400℃，催化劑分層布置，一般為2~4層[16]。煙氣中顆粒物、堿金屬（鉀、鈉）和砷會導致催化劑活性降低。SCR是一種高效脫硝技術，脫硫效率為70%~ 90%，但整套SCR系統壓力損失較大，約1000Pa[17]，增加能耗，該技術投資、運行成本較高。低氮燃燒、SNCR、SCR技術比較。

3　結語

鍋爐燃燒前脫硫和燃燒中脫硫的脫硫效率有限，面對國家日趨嚴格的環(huán)保標準，當前中小鍋爐脫硫技術主要考慮煙氣脫硫，而煙氣脫硫技術中以濕法脫硫應用較為廣泛，因為濕法脫硫工藝是目前較為成熟可靠的煙氣脫硫技術，脫硫效率較高，能夠有效吸收煙氣中二氧化硫，使煙氣達標排放。但如何有效對濕法脫硫副產物的進行資源化利用，是濕法脫硫技術亟待解決的問題，以石灰/石灰石-石膏法為例，2010年，我國每年排出脫硫石膏1500×104t[19]。大量的副產物仍然以露天堆放為主，不僅占用土地資源，還會對環(huán)境造成二次污染。

低氮燃燒技術對NOx的產生進行源頭控制，并且投資省，系統復雜性低，是最為經濟的脫硝方式，在我國很大一部分鍋爐燃燒器都進行了低氮燃燒技術改造，但低氮燃燒技術脫硝效率有限，為了確保鍋爐煙氣中NOx達標排放，低氮燃燒技術通常與SNCR或SCR技術聯合應用。SCR技術投資成本高、占地面積大，在大型發(fā)電機組應用廣泛；SNCR技術是一種建設周期短、投資少、脫硝效率中等的煙氣脫硝技術，它比較適合于對中小型電廠鍋爐的改造，SNCR技術和其他脫硝技術的聯合應用可在較低投資成本下進一步降低NOx的排放。例如針對無法加裝大量催化劑的中小型鍋爐，SNCR/SCR技術具備較好的應用前景。

我國將在相當長的時間內，仍以煤為主要能源，我國大型發(fā)電機組均以裝備脫硫脫硝設備，當前控制中小鍋爐煙氣污染已是必然趨勢，中小鍋爐應根據自身實際情況出發(fā)，因地制宜，采用有效適宜的脫硫脫硝技術，實現二氧化硫和氮氧化物的減排，這將對改善我國大氣環(huán)境質量和減少酸雨危害起到關鍵作用。

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張帆（1988—），湖北宜昌人，碩士，從事環(huán)保工藝研究工作。