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(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展是一把雙刃劍，一方面給人類帶了前所未有物質(zhì)文明，另一方面也帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。由于大氣污染排放物導(dǎo)致的霧霾問(wèn)題已經(jīng)成為中國(guó)切實(shí)需要解決的重大環(huán)境問(wèn)題。工業(yè)生產(chǎn)中使用煤作燃料而排放的廢氣是導(dǎo)致大氣污染最主要的原因。煤炭燃燒后會(huì)排出的SO2和NOx，NOx會(huì)和碳?xì)浠衔镆黄鹦纬晒饣瘜W(xué)煙霧，嚴(yán)重危害人類的健康;SOx和NOx是形成酸雨的主要因素。中國(guó)是產(chǎn)煤大國(guó)也是用煤大國(guó)，新中國(guó)成立以來(lái)，煤炭在中國(guó)發(fā)電和工業(yè)活動(dòng)中占據(jù)非常重要的位置，年用煤量的一半左右都用于燃煤發(fā)電。研究表明，火電廠是中國(guó)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(guò)程中控制SO2的產(chǎn)生;b) 利用煙氣脫硫技術(shù)，消除已生成的SO2。
國(guó)內(nèi)外脫硫技術(shù)共有幾百種，效果較好且常用于工業(yè)實(shí)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(zhuǎn)噴霧干燥法(SDA)、爐內(nèi)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(huán)流化床煙氣脫硫法、NID法、移動(dòng)床活性炭吸附法、海水脫硫法等[2]。本文重點(diǎn)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(yīng)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(jīng)除塵器消除粉塵，由底部進(jìn)入反應(yīng)塔(吸收塔)向上流動(dòng)，將石灰石或石灰漿液由反應(yīng)塔頂部向下噴淋，與煙氣接觸產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，結(jié)合生成沉淀物，即CaSO3和CaSO4，脫硫后的煙氣經(jīng)煙囪排出。
該工藝化學(xué)原理可表達(dá)為：
石灰法：2SO2+2CaO+H2O→2CaSO3?H2O
石灰石法：2SO2+2CaO+H2O→2CaSO3?H2O
在脫硫反應(yīng)塔底部的循環(huán)氧化槽中吹入O2，可沉淀物中的CaSO3充分氧化生成副產(chǎn)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(dá)90%～98%，機(jī)組容量大，煤炭種類適應(yīng)性廣，工作性能可靠，洗滌劑價(jià)格低廉，副產(chǎn)品可以回收，但是需要較大的占地面積和耗水量，初期投產(chǎn)和運(yùn)行費(fèi)用較高，實(shí)力和空間較小的火電廠不適合采用。
1.2 旋轉(zhuǎn)噴霧干燥法
旋轉(zhuǎn)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(guò)反應(yīng)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(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，煙氣中的SO2與石灰生成反應(yīng)物，隨灰塵一起進(jìn)入除塵器被收集，可循環(huán)利用，也可妥善處理。
本工藝的化學(xué)反應(yīng)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(dá)85%左右，雖然脫硫率較濕式石灰石(石灰)—石膏法略低，但優(yōu)勢(shì)在于技術(shù)成熟，機(jī)組系統(tǒng)運(yùn)行可靠，工藝流程較簡(jiǎn)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(guó)一個(gè)發(fā)電廠投入使用，很快受到歐美各大火電廠的歡迎和應(yīng)用，中國(guó)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(guò)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(shù)
低NOx燃燒技術(shù)是以控制煤炭燃燒條件和方法來(lái)控制煙氣中N向NO的轉(zhuǎn)化以減少NO產(chǎn)生的一種技術(shù)。在燃燒過(guò)程中控制NOx的生成量應(yīng)按照以下幾個(gè)方面要求：a) 降低燃燒過(guò)程中的空氣和O2含量，使煤炭處于缺氧狀態(tài)燃燒;b) 控制鍋爐中燃燒的溫度，謹(jǐn)防局部溫度過(guò)高;c) 保持鍋爐及煙道暢通，縮短煙氣在高溫環(huán)境下停留的時(shí)間。
2.2 煙氣脫硝技術(shù)
對(duì)煤炭燃燒后已產(chǎn)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(yīng)法、液體吸收法、吸附法等。
a) 氣相反應(yīng)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(chǎn)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(wú)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(chǎn)生的高能活性粒子撞擊NOx分子，使其化學(xué)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?yàn)镹Ox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(lái)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(zhuǎn)變?yōu)榭梢杂盟驂A吸附回收的NO2。該方法具有脫硝效率較高的優(yōu)點(diǎn)，但需要的吸附劑劑量、場(chǎng)地、設(shè)備較大，因此在實(shí)際生產(chǎn)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(dāng)前火電廠環(huán)保工程的新方向。當(dāng)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(shù)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(yīng)生成硫酸鹽產(chǎn)物來(lái)除去SOx。以石灰石或石灰作為吸收劑的強(qiáng)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(diǎn)是：設(shè)備工程和用地龐大、初期投產(chǎn)費(fèi)用較高、生產(chǎn)過(guò)程中容易產(chǎn)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(huán)境中將煤炭廢氣中NOx經(jīng)NH3還原為N2和水。該工藝技術(shù)成熟可靠，良好狀態(tài)下脫硝率最高可達(dá)90%，在發(fā)達(dá)國(guó)家使用廣泛，但該工藝投資較大，生產(chǎn)時(shí)增加了提前預(yù)熱煙氣處理環(huán)節(jié)，所需的催化劑價(jià)格昂貴，還有NH3泄漏和設(shè)備腐蝕等安全隱患。目前業(yè)界正在研究以CH4、C3H6、C3H8及C8H18等有機(jī)化合物代替NH3作為催化劑在低溫中進(jìn)行生產(chǎn)的工藝改良方法，并已初步投入實(shí)際使用。
3.2新興的煙氣一體化脫硫脫硝技術(shù)
為更好地同時(shí)脫硫脫硝，除了對(duì)原有的工藝進(jìn)行改良外，還發(fā)明了更新型的技術(shù)，如高能輻射化學(xué)法和脈沖電暈等離子體法。
a) 高能輻射化學(xué)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(fā)射并經(jīng)電場(chǎng)加速形成的高能電子束來(lái)輻照煙氣，進(jìn)而生成自由基，在通入NH3的環(huán)境下與廢氣中的SOx和NOx反應(yīng)，生成NH3NO3和(NH4)2SO4等可以回收利用的副產(chǎn)品;
b) 脈沖電暈等離子體法(PPCP)是一種與高能輻射化學(xué)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(lái)源。PPCP法的高能電子是從電暈自身放電而來(lái)的，然后利用上升前沿陡、窄脈沖的高壓電源與電源負(fù)載一電暈電極系統(tǒng)(電暈反應(yīng)器)組合，在電暈與電暈反應(yīng)器電極的氣隙間產(chǎn)生流光電暈等離子體，從而對(duì)SO2和NO進(jìn)行氧化去除。
4 結(jié)語(yǔ)
火電廠脫硫脫硝工藝方面，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)了多種實(shí)用的工藝，新的工藝也在不斷改進(jìn)和開發(fā)過(guò)程中?；痣姀S燃煤煙氣中的SOx和NOx的濃度雖然不高，但因?yàn)榛痣姀S燃煤量大，因此SOx和NOx產(chǎn)生總量非常巨大，嚴(yán)重危害環(huán)境。對(duì)火電廠來(lái)說(shuō)，使用兩套裝備分別對(duì)兩種有害物質(zhì)進(jìn)行處理，必然會(huì)面臨資金投入高、占地面積大、人力資本高、運(yùn)行管理復(fù)雜等問(wèn)題。近年來(lái)世界各國(guó)紛紛開展了同時(shí)脫硫脫硝工藝的研發(fā)與應(yīng)用，但目前技術(shù)仍不成熟，沒有大規(guī)模應(yīng)用。根據(jù)中國(guó)的實(shí)際情況，現(xiàn)在火電廠脫硫脫硝技術(shù)的研究和應(yīng)用應(yīng)注重縮小占地面積、減少工藝流程、降低投資運(yùn)行金額、提高生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用水平，并且重點(diǎn)研究切實(shí)可行的一體化脫硫脫硝技術(shù)。
參考文獻(xiàn)：
[1]葛榮良.火電廠脫硝技術(shù)與應(yīng)用以及脫硫脫硝一體化發(fā)展趨勢(shì)[J].上海電力,2007(5):458.
[2]宋曾林,王麗萍.火電廠煙氣同時(shí)脫硫脫硝技術(shù)進(jìn)展[J].熱力發(fā)電,2005(2):6.
[3]楊巧云.火電廠脫硫技術(shù)綜述[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué),2008(6):8-10.
原標(biāo)題:火電廠燃煤一體化脫硫脫硝工藝研究