[科普中國(guó)]-煙氣脫氮

氮氧化物對(duì)環(huán)境的損害作用極大，它既是形成酸雨的主要物質(zhì)之一，也是形成大氣中光化學(xué)煙霧的重要物質(zhì)和消耗臭氧的一個(gè)重要因素。煙氣脫氮，主要是解決一氧化氮、二氧化氮的污染問(wèn)題，這些物質(zhì)能與二氧化硫相互作用，加速形成硝酸。煙氣脫氮對(duì)我們的環(huán)境保護(hù)意義十分重大。

科技名詞定義

環(huán)境保護(hù)（二級(jí)學(xué)科）

技術(shù)進(jìn)展目前，NOx的控制主要有燃燒前處理、燃燒方式的改進(jìn)及燃燒后處理等3種途徑，但燃燒后煙氣脫氮技術(shù)是控制NOx排放的重要方法，大部分煙氣中的NOx都是通過(guò)該法進(jìn)行處理。1

吸收法吸收法是工業(yè)企業(yè)采用較多的處理NOx的方法，主要原理是將NOx吸收到溶液中。比較常見(jiàn)有水吸收法、酸吸收法、堿吸收法、氧化吸收法、液相還原吸收法和絡(luò)合吸收法等。其中，以尿素為還原劑的液相還原吸收法NOx的脫除率可達(dá)90% ，而其他方法的去除率都在40%-80%之間。

吸附法吸附法是一種已經(jīng)成熟的工業(yè)分離技術(shù)，基本原理是利用大比表面的吸附劑對(duì)NOx進(jìn)行吸附，通過(guò)周期性地改變操作溫度或壓力進(jìn)行NOx的吸附和解吸，使NOx從煙氣中分離出來(lái),從而達(dá)到凈化和富集的目的。常用的吸附劑有硅膠、分子篩、活性炭、活性焦、天然沸石及泥煤等。吸附法具有成本低、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)，但目前所用吸附劑的吸附量小，當(dāng)煙氣中NOx含量高時(shí),吸附劑用量多、消耗大，設(shè)備體積龐大，所以應(yīng)用并不廣泛。

微生物法微生物法的基本原理是使用合適的脫氮菌在外加炭源情況下，利用NOx作為氮源，將NOx轉(zhuǎn)化為無(wú)害的N2，而脫氮菌本身獲得繁殖。常用的有生物洗滌、生物過(guò)濾和生物滴濾等形式。

電子輻射法電子輻射法又稱(chēng)等離子體活化法，通過(guò)電子束照射或高壓放電將煙氣中NOx電離，從而達(dá)到脫除NOx的目的。該法包括電子束法和脈沖電暈法。一般用來(lái)同時(shí)脫除NOx和SO2或與催化相結(jié)合使用。該法裝置占地小，無(wú)二次污染，但能耗較高，設(shè)備投資大，運(yùn)行費(fèi)用高，抑制了該技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用。

催化法與以上方法相比，催化法脫氮具有快速、高效等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛用于燃煤電廠煙氣和汽車(chē)尾氣中NOx的脫除。催化法可分為選擇性催化還原（SCR）和選擇性非催化還原（SNCR）等兩種。其中SNCR技術(shù)是在爐膛溫度1000℃左右的區(qū)域噴入NH3、尿素等還原劑，將NOx還原成N2和H2O，NOx脫除率可達(dá)80% ，但反應(yīng)中會(huì)有少量的溫室氣體N2O產(chǎn)生。該過(guò)程不使用催化劑，還原劑由噴嘴噴入燃燒室，根據(jù)鍋爐的操作負(fù)荷，不斷調(diào)整NH3的噴入量和噴入位置，以保證在最佳溫度下噴入NH3。SCR法通過(guò)NH3，H2S，CO和烴類(lèi)物質(zhì)等還原劑，在V2O5/TiO2等催化劑上與NOx反應(yīng)，生成無(wú)害的N2和H2O，NOx的脫除率可達(dá)90%，但運(yùn)行費(fèi)用較高。目前實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的是以NH3為還原劑，V2O5/TiO2為催化劑的SCR法來(lái)脫除固定源廢氣中的NOx，以及使用Pt-Pd-Rh三元催化劑來(lái)凈化汽車(chē)尾氣。

SCR脫氮反應(yīng)器的核心是脫氮催化劑。它分為蜂窩式和板式兩種類(lèi)型，比表面積為500 m /m-1000 m /m，在催化劑的內(nèi)表面上分布著由TiO2、WO3或V2O5等組成的活性中心。隨著脫氮裝置的運(yùn)行,催化劑會(huì)逐漸老化。引起老化的原因主要是催化劑活性中心中毒、活性成分晶型改變以及催化劑通道和微孔的堵塞、腐蝕等。因此，必須定時(shí)檢測(cè)煙氣經(jīng)過(guò)每層催化劑后NOx的濃度和氨氮比（NH3/NOx）,確定各層催化劑的活性與老化程度，以確保脫氮裝置的正常運(yùn)行。SCR法的主要難點(diǎn)在于NH3的儲(chǔ)存不易控制，NH3噴射不均勻以及易造成二次污染。

煙氣脫硫煙氣脫硫（Flue gas desulfurization，簡(jiǎn)稱(chēng)FGD）,在FGD技術(shù)中,按脫硫劑的種類(lèi)劃分,可分為以下五種方法：以CaCO3（石灰石）為基礎(chǔ)的鈣法，以MgO為基礎(chǔ)的鎂法，以Na2SO3為基礎(chǔ)的鈉法，以NH3為基礎(chǔ)的氨法，以有機(jī)堿為基礎(chǔ)的有機(jī)堿法。

基本原理化學(xué)原理：煙氣中的SO2 實(shí)質(zhì)上是酸性的，可以通過(guò)與適當(dāng)?shù)膲A性物質(zhì)反應(yīng)從煙氣中脫除SO2。煙道氣脫硫最常用的堿性物質(zhì)是石灰石(碳酸鈣, CaCO3)、生石灰(氧化鈣，CaO)和熟石灰(氫氧化鈣,Ca(OH)2)。石灰石產(chǎn)量豐富，因而相對(duì)便宜，生石灰和熟石灰都是由石灰石通過(guò)加熱來(lái)制取。有時(shí)也用碳酸納(純堿)、碳酸鎂和氨等其它堿性物質(zhì)。所用的堿性物質(zhì)與煙道氣中的SO2發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生了一種亞硫酸鹽和硫酸鹽的混合物(根據(jù)所用的堿性物質(zhì)不同，這些鹽可能是鈣鹽、鈉鹽、鎂鹽或銨鹽)。亞硫酸鹽和硫酸鹽間的比率取決于工藝條件，在某些工藝中，所有亞硫酸鹽都轉(zhuǎn)化成了硫酸鹽。SO2與堿性物質(zhì)間的反應(yīng)或在堿溶液中發(fā)生(濕法煙道氣脫硫技術(shù))，或在固體堿性物質(zhì)的濕潤(rùn)表面發(fā)生(干法或半干法煙道氣脫硫技術(shù))。

在濕法煙氣脫硫系統(tǒng)中，堿性物質(zhì)(通常是堿溶液，更多情況是堿的漿液)與煙道氣在噴霧塔中相遇。煙道氣中SO2溶解在水中，形成一種稀酸溶液，然后與溶解在水中的堿性物質(zhì)發(fā)生中和反應(yīng)。反應(yīng)生成的亞硫酸鹽和硫酸鹽從水溶液中析出，析出情況取決于溶液中存在的不同鹽的相對(duì)溶解性。例如，硫酸鈣的溶解性相對(duì)較差，因而易于析出；硫酸鈉和硫酸銨的溶解性則好得多。在干法和半干法煙道氣脫硫系統(tǒng)中，或使煙氣穿過(guò)堿性吸收劑床噴入煙道氣流中，或使固體堿性吸收劑與煙道氣相接觸。無(wú)論哪種情況，SO2都是與固體堿性物質(zhì)直接反應(yīng)，生成相應(yīng)的亞硫酸鹽和硫酸鹽。為了使這種反應(yīng)能夠進(jìn)行，固體堿性物質(zhì)必須是十分疏松或相當(dāng)細(xì)碎。在半干法煙道氣脫硫系統(tǒng)中，水被加入到煙道氣中，以在堿性物質(zhì)顆粒物表面形成一層液膜，SO2溶入液膜，加速了與固體堿性物質(zhì)的反應(yīng)。

工藝方法方法簡(jiǎn)介

世界上普遍使用的商業(yè)化技術(shù)是鈣法，所占比例在90%以上。按吸收劑及脫硫產(chǎn)物在脫硫過(guò)程中的干濕狀態(tài)又可將脫硫技術(shù)分為濕法、干法和半干（半濕）法。濕法FGD技術(shù)是用含有吸收劑的溶液或漿液在濕狀態(tài)下脫硫和處理脫硫產(chǎn)物，該法具有脫硫反應(yīng)速度快、設(shè)備簡(jiǎn)單、脫硫效率高等優(yōu)點(diǎn)，但普遍存在腐蝕嚴(yán)重、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高及易造成二次污染等問(wèn)題。干法FGD技術(shù)的脫硫吸收和產(chǎn)物處理均在干狀態(tài)下進(jìn)行，該法具有無(wú)污水廢酸排出、設(shè)備腐蝕程度較輕，煙氣在凈化過(guò)程中無(wú)明顯降溫、凈化后煙溫高、利于煙囪排氣擴(kuò)散、二次污染少等優(yōu)點(diǎn)，但存在脫硫效率低，反應(yīng)速度較慢、設(shè)備龐大等問(wèn)題。半干法FGD技術(shù)是指脫硫劑在干燥狀態(tài)下脫硫、在濕狀態(tài)下再生（如水洗活性炭再生流程），或者在濕狀態(tài)下脫硫、在干狀態(tài)下處理脫硫產(chǎn)物（如噴霧干燥法）的煙氣脫硫技術(shù)。特別是在濕狀態(tài)下脫硫、在干狀態(tài)下處理脫硫產(chǎn)物的半干法，以其既有濕法脫硫反應(yīng)速度快、脫硫效率高的優(yōu)點(diǎn)，又有干法無(wú)污水廢酸排出、脫硫后產(chǎn)物易于處理的優(yōu)勢(shì)而受到人們廣泛的關(guān)注。按脫硫產(chǎn)物的用途，可分為拋棄法和回收法兩種。

目前，國(guó)內(nèi)外常用的煙氣脫硫方法按其工藝大致可分為三類(lèi)：濕式拋棄工藝、濕式回收工藝和干式工藝。其中變頻器在設(shè)備中的應(yīng)用為節(jié)約能源做出了巨大貢獻(xiàn)。2

干式脫硫干式煙氣脫硫工藝

該工藝用于電廠煙氣脫硫始于80年代初，與常規(guī)的濕式洗滌工藝相比有以下優(yōu)點(diǎn)：投資費(fèi)用較低；脫硫產(chǎn)物呈干態(tài)，并和飛灰相混；無(wú)需裝設(shè)除霧器及再熱器；設(shè)備不易腐蝕，不易發(fā)生結(jié)垢及堵塞。其缺點(diǎn)是：吸收劑的利用率低于濕式煙氣脫硫工藝；用于高硫煤時(shí)經(jīng)濟(jì)性差；飛灰與脫硫產(chǎn)物相混可能影響綜合利用；對(duì)干燥過(guò)程控制要求很高。

噴霧脫硫噴霧干式煙氣脫硫工藝

噴霧干式煙氣脫硫(簡(jiǎn)稱(chēng)干法FGD)，最先由美國(guó)JOY公司和丹麥NiroAtomier公司共同開(kāi)發(fā)的脫硫工藝，70年代中期得到發(fā)展，并在電力工業(yè)迅速推廣應(yīng)用。該工藝用霧化的石灰漿液在噴霧干燥塔中與煙氣接觸，石灰漿液與SO2反應(yīng)后生成一種干燥的固體反應(yīng)物，最后連同飛灰一起被除塵器收集。我國(guó)曾在四川省白馬電廠進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)噴霧干法煙氣脫硫的中間試驗(yàn)，取得了一些經(jīng)驗(yàn)，為在200～300MW機(jī)組上采用旋轉(zhuǎn)噴霧干法煙氣脫硫優(yōu)化參數(shù)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

煤灰脫硫粉煤灰干式煙氣脫硫技術(shù)

日本從1985年起，研究利用粉煤灰作為脫硫劑的干式煙氣脫硫技術(shù)，到1988年底完成工業(yè)實(shí)用化試驗(yàn)，1991年初投運(yùn)了首臺(tái)粉煤灰干式脫硫設(shè)備，處理煙氣量644000Nm/h。其特點(diǎn)：脫硫率高達(dá)60%以上，性能穩(wěn)定，達(dá)到了一般濕式法脫硫性能水平；脫硫劑成本低；用水量少，無(wú)需排水處理和排煙再加熱，設(shè)備總費(fèi)用比濕式法脫硫低1/4；煤灰脫硫劑可以復(fù)用；沒(méi)有漿料，維護(hù)容易，設(shè)備系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠。

濕法脫硫FGD工藝

世界各國(guó)的濕法煙氣脫硫工藝流程、形式和機(jī)理大同小異，主要是使用石灰石(CaCO3)、石灰（CaO）或碳酸鈉(Na2CO3)等漿液作洗滌劑，在反應(yīng)塔中對(duì)煙氣進(jìn)行洗滌，從而除去煙氣中的SO2。這種工藝已有50年的歷史，經(jīng)過(guò)不斷地改進(jìn)和完善后，技術(shù)比較成熟，而且具有脫硫效率高(90%～98%)，機(jī)組容量大，煤種適應(yīng)性強(qiáng)，運(yùn)行費(fèi)用較低和副產(chǎn)品易回收等優(yōu)點(diǎn)。據(jù)美國(guó)環(huán)保局(EPA)的統(tǒng)計(jì)資料，全美火電廠采用濕式脫硫裝置中，濕式石灰法占39.6%，石灰石法占47.4%，兩法共占87%；雙堿法占4.1%，碳酸鈉法占3.1%。在中國(guó)的火電廠、鋼廠，90%以上采用濕式石灰/石灰石-石膏法煙氣脫硫工藝流程。但是在中國(guó)臺(tái)灣、日本等脫硫處理較早的國(guó)家和地區(qū)，基本采用鎂法脫硫，占到95%以上。

其主要優(yōu)點(diǎn)是脫硫效率高，同步運(yùn)行率高，且其吸收劑的資源豐富，副產(chǎn)品可吸收，商業(yè)價(jià)值高。目前，鎂法脫硫在日本等煙氣控制嚴(yán)格的地區(qū)應(yīng)用較多，尤其最早進(jìn)行脫硫開(kāi)發(fā)的日本地區(qū)有100多例應(yīng)用，臺(tái)灣電站有95%以上是用的鎂法。對(duì)硫煤要求不高，適應(yīng)性好。無(wú)論是高硫煤還是低硫煤都有很好的脫出率，可達(dá)到98%以上。

鎂法脫硫主要的問(wèn)題是吸收劑單價(jià)較高，副產(chǎn)品設(shè)備復(fù)雜。但是優(yōu)點(diǎn)是高脫除率，高運(yùn)行率，副產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益好等。

濕法FGD工藝較為成熟的還有：海水法；氫氧化鈉法；美國(guó)DavyMckee公司W(wǎng)ellman-LordFGD工藝；氨法等。

在濕法工藝中，煙氣的再熱問(wèn)題直接影響整個(gè)FGD工藝的投資。因?yàn)榻?jīng)過(guò)濕法工藝脫硫后的煙氣一般溫度較低(45℃），大都在露點(diǎn)以下，若不經(jīng)過(guò)再加熱而直接排入煙囪，則容易形成酸霧，腐蝕煙囪，也不利于煙氣的擴(kuò)散。所以濕法FGD裝置一般都配有煙氣再熱系統(tǒng)。目前，應(yīng)用較多的是技術(shù)上成熟的再生(回轉(zhuǎn))式煙氣熱交換器(GGH)。GGH價(jià)格較貴，占整個(gè)FGD工藝投資的比例較高。近年來(lái)，日本三菱公司開(kāi)發(fā)出一種可省去無(wú)泄漏型的GGH，較好地解決了煙氣泄漏問(wèn)題，但價(jià)格仍然較高。前德國(guó)SHU公司開(kāi)發(fā)出一種可省去GGH和煙囪的新工藝，它將整個(gè)FGD裝置安裝在電廠的冷卻塔內(nèi)，利用電廠循環(huán)水余熱來(lái)加熱煙氣，運(yùn)行情況良好，是一種十分有前途的方法。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

石季英 - 副教授 - 天津大學(xué)