中小型鍋爐脫硫脫硝技術(shù)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(shù)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(biāo)，國家環(huán)境保護(hù)部頒布《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB13271-2014，排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格。隨著大型火電廠已裝備脫硫脫硝設(shè)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(shù)及現(xiàn)狀，對(duì)比中小型鍋爐脫硫脫硝工藝，對(duì)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(shù)參考。

中小型鍋爐；SO2；NOx；排放標(biāo)準(zhǔn)

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(jié)構(gòu)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(shù)

中小鍋爐脫硫技術(shù)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(shù)降低煤中硫成分，煤的含硫量可降低40%[2]。選煤技術(shù)主要有物理法、化學(xué)法和微生物法。物理法是我國廣泛采用的選煤技術(shù)，主要有跳汰選煤、重介質(zhì)選煤和浮選等，物理法針對(duì)煤中的無機(jī)硫成分；化學(xué)法針對(duì)煤中的有機(jī)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(zhuǎn)化為硫酸鹽。生物脫硫能去除煤中90%的黃鐵礦和40%有機(jī)硫[3]。物理法和化學(xué)法需要消耗大量水資源，產(chǎn)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(zhuǎn)移到固體廢物中，減少SO2的排放，主要技術(shù)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(jié)合，可使脫硫效率達(dá)到70%以上[4]。固硫技術(shù)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(yīng)生成硫酸鹽而留在灰渣中，固硫技術(shù)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(dāng)前主要的脫硫方法。煙氣脫硫技術(shù)原理是利用吸收劑吸收除煙氣中的二氧化硫，并使其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的硫化合物。煙氣脫硫技術(shù)按脫硫劑及脫硫反應(yīng)產(chǎn)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(shù)應(yīng)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(jīng)進(jìn)口擋板進(jìn)入增壓風(fēng)機(jī)，通過煙氣換熱器后進(jìn)入吸收塔，洗滌脫硫后的煙氣經(jīng)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(chǎn)物經(jīng)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(shí)，濕法脫硫系統(tǒng)運(yùn)行控制指標(biāo)各不相同。

表1　石灰法和石灰石法脫硫運(yùn)行控制指標(biāo)對(duì)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(shù)成熟，運(yùn)行可靠性高，對(duì)煤種適應(yīng)性強(qiáng)。我國石灰、石灰石資源豐富，吸收劑價(jià)格低廉，但是脫硫設(shè)備易腐蝕、結(jié)垢、堵塞，此外脫硫石膏資源化利用是當(dāng)務(wù)之急，每脫出1tSO2，產(chǎn)生2.7t石膏混合物，據(jù)統(tǒng)計(jì)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(nèi)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(yīng)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(jié)晶析出，容易造成吸收塔設(shè)備及管道的堵塞；雙堿法采用鈉基脫硫劑，其堿性強(qiáng)，生成的亞硫酸鈉和硫酸鈉的溶解度較大，相對(duì)于石灰/石灰石-石膏法，雙堿法對(duì)設(shè)備的堵塞有較大改善。但是雙堿法工藝較為復(fù)雜，設(shè)備占地面積大；由于氧化副反應(yīng)生產(chǎn)的硫酸鈉無法再生，需要不斷補(bǔ)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(jìn)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(jīng)除霧按要求排放。吸收液吸收煙氣中SO2后在氧化設(shè)施中被氧化成硫酸銨，所形成的硫酸銨溶液脫水干燥，產(chǎn)物為含水率小于5%的硫酸銨。

吸收反應(yīng)：NH3+H2O+SO2→(NH4)2SO3

氧化反應(yīng)：(NH4)2SO3+O2→(NH4)2SO4

圖3　氨法工藝流程

氨法脫硫?yàn)橐簹夥磻?yīng)，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(shù)相比，占地面積可節(jié)省50%以上[10]。副產(chǎn)物硫酸銨價(jià)值高，經(jīng)濟(jì)效益高；但設(shè)備腐蝕較為嚴(yán)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(duì)周邊環(huán)境造成影響，尤其對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑有較強(qiáng)的腐蝕。

綜上所述，從脫硫率、使用原料、副產(chǎn)品及其用途等方面，對(duì)比石灰石-石膏法、雙堿法和氨法的脫硫情況，結(jié)果如表2所示。

表23　種脫硫方法比較

2　氮氧化物控制技術(shù)

目前，控制NOx排放的技術(shù)措施大體上可分為兩類：一類是低NOx燃燒技術(shù)（爐內(nèi)脫氮技術(shù)），依據(jù)NOx形成機(jī)理，改造鍋爐，抑制NOx生成。另一類是煙氣凈化技術(shù)，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(shù)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(lián)合脫硝。

2.1低氮燃燒技術(shù)

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

空氣分級(jí)燃燒的原理是將燃料燃燒分為2個(gè)階段：第一階段燃料在缺氧條件下燃燒，空氣量為總?cè)紵諝饬康?0%~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(jí)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(shù)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(shù)是將空氣預(yù)熱器前的一部分低溫?zé)煔獬槌觯苯铀腿霠t內(nèi)，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(shù)，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(yīng)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(dāng)還原劑為氨（NH3）時(shí)，其發(fā)生的反應(yīng)主要如下：

SNCR脫硝工程主要包括還原劑的儲(chǔ)備與制備、輸送、計(jì)量分配及噴射。SNCR技術(shù)是利用鍋爐爐膛作為脫硝反應(yīng)器，通過改造鍋爐可實(shí)現(xiàn)此技術(shù)的利用，因此SNCR技術(shù)的建設(shè)周期較短、成本較低，適用于改造中小型鍋爐，具有較好的經(jīng)濟(jì)性，但脫硝效率較低，實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，應(yīng)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(xué)反應(yīng)，生成氮?dú)夂退姆椒ā?/p>

圖5　SNCR工藝流程

圖4　SNCR工藝流程

SCR技術(shù)主要包括還原劑系統(tǒng)、催化反應(yīng)系統(tǒng)、公用系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)。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(yīng)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(huì)導(dǎo)致催化劑活性降低。SCR是一種高效脫硝技術(shù)，脫硫效率為70%~ 90%，但整套SCR系統(tǒng)壓力損失較大，約1000Pa[17]，增加能耗，該技術(shù)投資、運(yùn)行成本較高。低氮燃燒、SNCR、SCR技術(shù)比較。

3　結(jié)語

鍋爐燃燒前脫硫和燃燒中脫硫的脫硫效率有限，面對(duì)國家日趨嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)前中小鍋爐脫硫技術(shù)主要考慮煙氣脫硫，而煙氣脫硫技術(shù)中以濕法脫硫應(yīng)用較為廣泛，因?yàn)闈穹摿蚬に囀悄壳拜^為成熟可靠的煙氣脫硫技術(shù)，脫硫效率較高，能夠有效吸收煙氣中二氧化硫，使煙氣達(dá)標(biāo)排放。但如何有效對(duì)濕法脫硫副產(chǎn)物的進(jìn)行資源化利用，是濕法脫硫技術(shù)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(chǎn)物仍然以露天堆放為主，不僅占用土地資源，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染。

低氮燃燒技術(shù)對(duì)NOx的產(chǎn)生進(jìn)行源頭控制，并且投資省，系統(tǒng)復(fù)雜性低，是最為經(jīng)濟(jì)的脫硝方式，在我國很大一部分鍋爐燃燒器都進(jìn)行了低氮燃燒技術(shù)改造，但低氮燃燒技術(shù)脫硝效率有限，為了確保鍋爐煙氣中NOx達(dá)標(biāo)排放，低氮燃燒技術(shù)通常與SNCR或SCR技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用。SCR技術(shù)投資成本高、占地面積大，在大型發(fā)電機(jī)組應(yīng)用廣泛；SNCR技術(shù)是一種建設(shè)周期短、投資少、脫硝效率中等的煙氣脫硝技術(shù)，它比較適合于對(duì)中小型電廠鍋爐的改造，SNCR技術(shù)和其他脫硝技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用可在較低投資成本下進(jìn)一步降低NOx的排放。例如針對(duì)無法加裝大量催化劑的中小型鍋爐，SNCR/SCR技術(shù)具備較好的應(yīng)用前景。

我國將在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，仍以煤為主要能源，我國大型發(fā)電機(jī)組均以裝備脫硫脫硝設(shè)備，當(dāng)前控制中小鍋爐煙氣污染已是必然趨勢，中小鍋爐應(yīng)根據(jù)自身實(shí)際情況出發(fā)，因地制宜，采用有效適宜的脫硫脫硝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)二氧化硫和氮氧化物的減排，這將對(duì)改善我國大氣環(huán)境質(zhì)量和減少酸雨危害起到關(guān)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。