基于風險控制的鍋爐煙氣脫硝脫硫工藝技術探討

李笑笑 徐欣（浙江省安全生產科學研究院， 浙江杭州 310012）

基于風險控制的鍋爐煙氣脫硝脫硫工藝技術探討

李笑笑 徐欣（浙江省安全生產科學研究院， 浙江杭州 310012）

我國的電力生產多以火電為主，因此火電機組在我國的總裝機容量已經超過了13億千瓦，大約占到我國電力總裝機容量的70%左右。由于火電廠鍋爐以及北方供熱鍋爐排放的煙氣中包含大量的氮氧化物以及硫氧化物，造成對大氣的污染，因此從保護環境的角度出發，針對燃煤鍋爐煙氣的脫硫脫硝工作尤為重要。本文主要對鍋爐煙氣的工藝技術及流程做主要論述，從中提出各種工藝應用過程中面對的風險，以“雙脫法”為例，指出協同處理煙氣的工藝流程以及技術原理，并且針對鍋爐煙氣脫硫脫硝工藝的安全風險進行評估。

鍋爐煙氣；脫硫脫硝；協同處理；安全性評估

0　引言

我國是一個煤炭資源的開采和使用大國，由于煤炭在形成過程中摻雜著硫、硝等元素，因此在鍋爐中燃燒后會產生大量的氮氧化物、硫氧化物等，因而煤炭的使用也帶來了嚴重的環境污染。因此，需要對燃煤鍋爐進行改造使其達到脫硫脫硝的能力，進而降低有害氣體的排放，達到保護環境的目的。本文主要對鍋爐煙氣脫硫脫硝協同處理法工藝進行論述并提出存在的問題。

1　鍋爐煙氣脫硫脫硝工藝綜述及風險控制

隨著我國火電機組裝機容量的增加，造成我國大部分地區空氣質量逐漸下降。通過采取一定工藝對鍋爐煙氣進行脫硫脫硝處理，可以有效的遏制燃煤鍋爐對大氣環境的污染。但是每種工藝都有一定的缺陷，存在一定的應用風險。因此，需要研究人員采取一定的方法來控制風險的發生，同時創造出一定的經濟效益以降低脫硫脫硝成本。

1.1煙氣脫硫工藝方法及存在風險

在鍋爐中燃燒脫硫指的是采用技術措施，在爐內高溫的作用下，通過使用脫硫劑與燃煤生成的二氧化硫和三氧化硫進行化學反應，生成含硫的固體沉淀物，減少了硫氧化物向大氣的排放量。在當前主流的除硫技術是將鍋爐煙氣進行脫硫，主要包括以下幾種工藝：石灰石-石膏濕法脫硫、氨法脫硫、有機催化法脫硫等。

（1）石灰石-石膏濕法脫硫工藝：該脫硫工藝使用石灰石溶液作為吸收二氧化硫的吸收劑，經過化學反應后生成石膏（CaSO4·2H2O），該技術的脫硫效率很高，副產物有無污染的優點，副產物石膏還可以深化加工做成石膏建材。但是該工藝也存在一定風險和不足，主要體現在：該脫硫工藝使用石灰石溶液作為脫硫劑，因此需要一套專用的脫硫劑輸送、儲藏系統，同時對副產物還要進行脫硫處理。這便造成脫硫車間占地較大，無形中增加了投入的成本；同時當煙氣中的SO2濃度過高時，為了保持脫硫的高效率，需要向反應塔中添加石油焦，使得脫硫的經濟成本提升；石灰石-石膏脫硫法在使用過程中吸收液中含固體顆粒較多，會對輸送設備帶來一定的磨損，增加了裝置維護、更換的成本。因此，綜上所述，該脫硫方法在運行過程中承擔的經濟風險較高，這也是該技術未能在電廠脫硫領域大規模應用的主因。

（2）氨法脫硫工藝：采用氨法脫硫會生成副產物硫酸銨，該副產物是一種優質氮肥。但是在投入的成本上僅次于石灰石-石膏工藝，該項目需要配備硫酸氨回收系統、增加“氣溶膠”投入。在電廠有限的場地上建設該工藝車間難度較大，存在的經濟風險較高，難以大規模應用。

（3）有機催化法脫硫工藝：該工藝總體來說運行成本偏高，采用的大部分設備都需要國外進口，生成的副產物硫酸銨化肥需要專用設備才能提取應用，但是該套設備占地面積大，降低了有機催化法的實用度。

1.2煙氣脫硝方法及存在風險

在國內外減少氮氧化物排放的主要手段就是對鍋爐生成的煙氣進行脫硝處理。主要的工藝方法有：選擇性催化還原法（SCR）以及SNCR-SCR組合法等。其中催化還原法（SCR）由于脫硝效率較高。但是該方法的反應條件要求比較高，同時需要一定的劑量催化劑，造成使用成本的上升；而SNCR-SCR組合法利用臭氧來作為反應發生劑，需要大量的電能來制取臭氧，耗電量較大，因此不推薦使用。

1.3脫硫脫硝協同處理風險控制

在當前國內外應用比較成熟的技術工藝為：采用尿素和氨作為還原劑的催化法；利用水以及酸堿溶液、熔鹽為介質的吸收法；以及吸收還原法、氧化吸收法等形式。

“雙脫”工藝可以分成串聯協同與同步協同兩種方式。串聯協同法所需流程為采用兩套裝置將脫硫脫硝過程按照一定的順序依次處理，但是該種方式需要擴大設備的占地面積，無形中增加了投資的成本。而采用同步流程的方式可以有效地解決此類問題，主要運行流程是在燃煤鍋爐內部采用一套裝置，使用一種化學試劑來使煙氣中的硫氮氧化物同時進行化學反應，該方式有投資少、成本低、設備結構簡單的特點，是在鍋爐脫硫脫硝行業中通用的方法。

2　鍋爐煙氣脫硫脫硝協同處理工藝流程

2.1化學反應原理

“鈉鈣雙堿法”是對鍋爐煙氣進行脫硫脫硝協同處理的一種常用方法，通過采用碳酸鈉或者氫氧化鈉與石灰的混合堿性反應物來對鍋爐煙氣中的物質進行吸收處理。通過對煙氣中氮硫氧化物的吸收反應，生成含有亞硫酸氫鈉的溶液，同時還會由于氧化副反應的作用生成少量的碳酸鈉。

（1）脫硫過程：首先在反應池中加入NaOH，該堿性溶液的pH值控制在11～12范圍內，之后向脫硫塔內輸入鍋爐煙氣，堿性溶液與鍋爐煙氣中的硫氧化物發生化學反應，反應化學式為：

在脫硫塔中經過一次反應得到亞硫酸氫鈉溶液與石灰石發生第二次反應，形成亞硫酸鈣的結晶物，反應如下：

經過二次反應生成的亞硫酸根離子與煙氣中的氧氣繼續發生氧化反應生成硫酸根離子，與池內的石灰石溶液繼續反應生成硫酸鈣結晶和氫氧化鈉，氫氧化鈉與硫氧化物繼續發生循環反應。

（2）脫硝過程：由于鍋爐煙氣中的氮氧化物大部分是一氧化氮，去除氮元素的主要方式是將一氧化氮氣體通過使用旋流板塔裝置在反應容器內形成一氧化氮的溶解（NOdiss）與水解（NOhyd）形式，同時與反應池中生成的亞硫酸根離子相結合形成水溶性ON（NO）SO3-離子，反應式如下：

通過反應對氮氧化物的水溶作用再與亞硫酸根離子進行反應后，最終達到將氮氧化物除脫的目的。

2.2工藝流程

（1）傳統“雙堿法”工藝

主要的工藝過程是：利用吸收劑在反應吸收塔內進行循環流動，與鍋爐輸入的煙氣發生接觸反應后生成吸收溶液，再將吸收溶液置于循環沉淀池內與堿性溶液發生化學反應，將酸性離子中和后生成的廢渣提取出混合沉淀池，剩余濾液可以通過水泵打壓進入吸收塔內循環再利用，流程圖如圖1所示。

圖1　傳統“雙堿法”工藝流程

傳統工藝流程具有很高的氮硫氧化物的吸收效率，吸收后的反應液內無固體沉淀物形成，不會堵塞管道。但是不足之處是會形成氧化副反應，生成副產物碳酸鈉，因此氫氧化鈉處于不斷消耗的狀態，需要及時補充，無形中增加了生產成本。

（2）“鈉鈣雙堿法”工藝

由于傳統“雙堿法”在對鍋爐煙氣處理方面存在不足，所以人們在原有的基礎之上進行了一定的工藝改進，找出原有工藝的不足之處，在沉淀池的循環中增加了堿性水池與泵前池的設計，將生成的副產物碳酸鈉、亞硫酸鈉、亞硫酸鈣等化合物經過新增的堿水池過濾沉淀，剩余的反應液再次進入泵前池，形成溶液的循環使用，降低了經營成本。新增的主塔旋流板可以將吸收液進行霧化處理，增加與鍋爐煙氣的接觸面積，使得煙氣中的氮硫氧化物與吸收液的反映效果得以提升，同時副塔內部的除霧板可以降低煙氣的水蒸氣。通過改進后的“鈉鈣雙堿法”工藝處理法的應用，提高了煙氣污染物的吸收效率，同時提高了經濟性。裝置圖如圖2所示。

3　鍋爐煙氣脫硫脫硝工藝風險評估方法

我國目前的燃煤電廠鍋爐及供熱鍋爐的脫硫脫硝工藝大多采用的是低氮燃燒與煙氣去除技術相結合的方式。以火電廠為例，其大型鍋爐在脫硝過程中需要大量使用液態氨氣來作為吸收液，液態氨屬于危險品，具有易燃易爆、毒性的特點，因此一旦發生液態氨泄漏事故，會造成人員的中毒傷亡以及設備的損失。（選取某企業脫硝系統液氨進行風險分析）

選用DNV公司的PHAST軟件對脫硝系統的液氨管線泄漏，造成毒性物料擴散的后果進行模擬，預測發生事故后的影響程度和影響范圍。

氣象條件：①氣溫：25℃ ②風速：5m/s ③大氣壓力：0.098MPa

圖2　“鈉鈣雙堿法”協同脫硫脫硝流程圖

圖3　氨泄漏擴散范圍圖

項目脫硝系統事故模擬選擇液氨管線發生40mm泄漏可能造成泄漏范圍內的人員中毒，泄漏時間60min，泄漏量21kg。泄漏的氨。

氨泄漏濃度擴散影響距離

從泄漏擴散事故后果模擬看出，在給定的事故條件下，氨的擴散影響范圍較大，其最高容許濃度范圍超出裝置范圍，可能會影響到鄰近裝置的安全生產，事故發生后應采取有效控制措施。

鍋爐煙氣的脫硫脫硝評估方式主要由三個要點構成：首先，要做好危險源的識別工作，脫硝溶液液態氨屬于有毒、易燃易爆的危險化學用品，無論是存儲還是運輸都具有安全隱患；其次，要做好事故隱患的分析工作，在火電廠液態氮的輸送中會有管道破損、儲罐出現裂紋、閥門泄露等未知因素的存在，因此應定期進行隱患排查；再次，需要對脫硫脫硝工藝中可能出現的事故做好應急預案的制定工作，一旦發生危險化學品泄漏事故，應在事故區域做好隔離措施，當液態氨存儲裝置發生泄漏后必須關閉與存儲裝置連接的管道，在事故發生的第一時間做出合理的救援措施，降低損失。

4　結語

通過本文不難看出，對燃煤鍋爐煙氣進行脫硫脫硝處理在保護大氣環境方面意義重大，通過對其工藝技術的改進提高了對鍋爐煙氣污染物的凈化效率，同時降低了經營成本。但是煙氣脫硫脫硝工藝技術具有一定的危險性，為此，做好燃煤鍋爐脫硫脫硝工藝技術安全評估、排查事故隱患并進行整改、降低事故發生的概率，是保障安全生產的前提。

［1］鐘秦.燃煤煙氣脫硫脫硝技術及工程實例［M］.化學工業出版社2002-4.

［2］任劍鋒，王增長，牛志卿.大氣中氮氧化物的污染與防治［J］.科技情報開發與經濟，2003，13，5.

［3］徐梅玉.論火電廠鍋爐煙氣脫硝存在的問題及對策［J］.湖北工程學院，2012，13（11）：119-124.