醋纖生產中鍋爐廢氣綜合治理技術研究進展

江建軍 黃 驊 趙從濤 李 強 高 勇 鄒 建

(南通醋酸纖維有限公司，江蘇 南通 226008)

醋酸纖維簡稱醋纖，是僅次于粘膠纖維的再生纖維素纖維，在國民經濟中占有重要地位。醋纖生產過程中主要以煤為燃料，煤的燃燒不可避免的產生煙塵、SOx和NOx等環境污染物。SO2在煙塵催化的作用下會形成SO3，并與NOx等發生非均相氧化反應，最終引發硫酸型或硝酸型酸雨。NOx會進一步引發光化學煙霧、導致大氣層被破壞[1]。此外廢氣中攜帶水汽和碳氫化合物，排放后易產生白色煙羽，進一步導致污染物堆積及大氣能見度下降等問題。目前脫硫、脫硝、脫白以及除塵技術已成為解決以上環境問題的最主要的手段。

本文從脫硫技術、脫硝技術、脫白技術以及除塵技術四個方面對醋纖生產中鍋爐廢氣處理技術進行論述，分析鍋爐廢氣排放現狀，比較各種處理技術的優缺點，并對鍋爐廢氣處理技術的發展趨勢進行展望。

1 脫硫技術研究進展

目前主要脫硫技術可分為干法脫硫、半干法脫硫、濕法脫硫以及其他脫硫技術[2]。

1.1 干法脫硫技術

干法脫硫技術利用粉狀或者顆粒狀的吸附劑、催化劑等在完全干燥的環境下脫除廢氣中的硫化物。由于該脫硫過程中沒有水參與反應，所以一般不會產生腐蝕性物質，減輕了對設備的腐蝕。目前最常見的干法脫硫技術有兩種：一種是荷電干式噴射技術，利用吸收劑與廢氣中的硫化物產生化學反應進行脫硫，增加了煙氣滯留時間，提高了吸收劑與SO2接觸效率，平均脫硫效率為60%～70%[3]。另一種是等離子體脫硫技術，利用電子束或者脈沖電暈產生的高能電子轟擊廢氣中的硫氧化物產生活性離子和自由基，并在脫硫過程中注入氨，使其生成硫酸銨。白敏藥等利用等離子體法產生的O3和O2+活性離子進行SO2和NOx的協同脫除，1 s內脫硫、脫硝效率超過80%和95%[4]。前者雖然操作簡單，但脫硫劑用量大，脫硫效率低；后者雖然脫硫效率高，但是設備龐大、操作要求高、成本較大。

1.2 半干法脫硫技術

半干法脫硫先對鍋爐廢氣進行濕熱蒸發預處理，然后在反應爐中進行脫硫。該技術同時存在氣、液、固三相，需要增加接觸面積以提高脫硫效率。目前最常見的半干法脫硫技術主要為爐內噴鈣增濕活化技術和旋轉噴霧干燥技術[5, 6]。前者利用石灰石高溫分解得到的氧化鈣作為脫硫劑與SO2反應生成亞硫酸鈣，脫硫效率為60%～80%。后者通過旋轉噴霧方式增加脫硫劑與SO2接觸效率，脫硫效率為80%～90%，但是脫硫劑的利用率僅為65%。

1.3 濕法脫硫技術

濕法脫硫技術利用堿性溶液吸收廢氣中的SO2，分為石灰石-石膏法脫硫技術、氧化鎂脫硫技術等。石灰石-石膏法脫硫技術利用CaCO3與SO2反應生成CaSO3，進一步被氧化生成CaSO4，脫硫效率可達到90%，但是易發生結垢堵塞等問題，且得到的石膏產物純度較低，與天然石膏相比沒有競爭優勢。針對存在問題，研究者在石灰石-石膏法脫硫技術基礎上開發了雙堿法脫硫技術，在脫硫劑中添加NaOH、Na2CO3等，提高脫硫效率的同時緩解了設備堵塞的問題[7]。氧化鎂脫硫技術利用MgO與SO2反應生成MgSO3，進一步被氧化生成MgSO4，具有工藝條件簡單、脫硫效率高、下游產品經濟效益高等優點[8]。王道斌等采用氧化鎂脫硫技術進行廢氣SO2處理，脫硫效率達到95%，而脫硫劑用量僅為石灰石-石膏法的40%[9]。韓昀等采用氧化鎂脫硫技術替代原先的石灰石-石膏法脫硫技術，脫硫效率提高到98.6%，同時解決了脫硫副產物難以處理的問題[10]。

1.4 脫硫技術對比分析

不同脫硫技術的優缺點如表1所示。氧化鎂濕法脫硫技術具有脫硫效率高、脫硫劑利用率高、設備腐蝕小、脫硫副產物商業價值高等優點，適合大規模的工業應用。

表1 不同脫硫技術的優缺點

2 脫硝技術研究進展

廢氣中NOx主要為NO、NO2等，其中NO無法直接被溶液吸收，需要將其還原或者先氧化再進行脫除。脫硝技術可分為還原法、氧化法等[11]。

2.1 還原法脫硝技術

還原法脫硝技術利用還原劑在催化劑、光或熱等條件下將NOx轉化為N2實現無害排放。還原法脫硝技術可分為選擇性催化還原(SCR、NH3-SCR、CO-SCR、H2-SCR)以及選擇性非催化還原(SNCR)等。

SCR法是市場應用最廣泛的脫硝技術，最成熟的為NH3-SCR脫硝技術，利用NH3在催化劑的作用下有選擇性的將NOx還原為N2。郭林等開發了鈰基低溫SCR催化劑，該催化劑表現出良好的抗水抗硫性能，在100 ℃下脫硝效率高達94%[12]。CO-SCR技術利用尾氣中未被充分燃燒的CO作為還原劑，在不添加NH3的條件下實現CO和NOx的協同脫除。同時CO-SCR技術也避免了硫酸銨鹽的生成，提高了催化劑抗硫性能[13]。H2-SCR技術利用H2作為還原劑，最終產物為H2O和N2，是真正意義上的低碳排放。但是H2-SCR技術研究不夠深入，并沒有普適性的機理解釋H2-SCR脫硝過程。Qi等認為H2和NO分別被吸附解離成H、N、O活性原子，之后相互結合生成N2和副產物NH3、N2O等[14]。H2-SCR催化劑的活性組分以貴金屬為主，這也一定程度提高了該工藝的成本。

SNCR技術不采用催化劑，將NOx在高溫下(900 ℃以上)與還原劑直接反應生成N2和水，選取的還原劑為氨氣、尿素等含有氨基的物質[15]。該技術操作簡單、技術要求低，雖然在國內起步晚，但是也被逐漸推廣。

2.3 氧化法脫硝技術

氧化法脫硝技術將廢氣中較為穩定的NO先氧化成活潑的NO2，再將其脫除。氧化法脫硝技術可分為直接氧化法和選擇性催化氧化法。直接氧化法利用強氧化劑如O3、ClO2、KMnO4等將NO氧化成NO2，再進行下一步處理。但是該方法運行成本高，且強氧化劑可能腐蝕管道造成二次污染。選擇性催化氧化法利用O2為氧化劑在催化劑的作用下將NO氧化為NO2。常見的催化劑有活性炭類、分子篩類、貴金屬類及過渡金屬氧化物催化劑等[16]。Zhang等制備了YMn2O5催化劑，在310 ℃時NO轉化率為81%[17]。

2.4 脫硝技術對比分析

表2總結了不同脫硝技術的優缺點。選擇性催化還原脫硝技術具有脫硝效率高、工藝成熟等優點，具有廣泛的應用前景。

表2 不同脫硝技術的優缺點

3 脫白技術研究進展

濕法脫硫后的廢氣攜帶大量水汽，排放到空氣中會凝結成白霧狀水汽，俗稱白色煙羽。圖1為白色煙羽形成機理圖。當廢氣排放狀態為A點，環境狀態為B點，廢氣中水分從A點沿著飽和曲線到達B′點，水分凝結形成白煙，再由B′點到達B點，白煙會消失。當廢氣排放狀態為C點，環境狀態為D點時，整個過程不會有白色煙羽產生。這表明白色煙羽不僅和廢氣的含水量、溫度有關，也與環境溫度、濕度有關。

圖1 白色煙羽形成及消除機理圖

白色煙羽消除技術包括直接升溫技術(如AEB段)、廢氣冷卻技術(如ACB段)或者冷卻再熱技術(如ACFB段)。

煙氣升溫技術是應用最廣泛的脫白技術，具有投資少、經濟性好、對地面污染小等優點。但是該技術只是在視覺上消除了白煙，當環境溫度過低且換熱器功率較低時仍有白煙存在。

煙氣冷卻技術通過降溫冷凝，回收大部分水汽的同時進一步凈化廢氣。余波等對比了煙氣升溫技術和煙氣冷卻技術的優劣，對連鑄廢氣脫白治理，煙氣冷卻技術具有較高的經濟效益和環境效益[18]。

冷卻再熱技術將冷卻法和升溫法結合，先將部分水分冷卻，再通過升溫實現脫白排放。與升溫法相比，冷卻再熱技術對熱源和環境溫度要求不高；與冷卻法相比，對冷源需求也不大。周峰等結合當地氣象與實際工況，選擇煙氣冷卻再熱技術作為南通醋酸纖維有限公司的脫白工藝路線，在進行煙氣脫白的同時，實現節能、減排、節水等目的[19]。

4 除塵技術研究進展

除塵技術包括電除塵技術、袋式除塵技術、膜法除塵技術以及組合除塵技術等[20]。

4.1 電除塵技術研究進展

電除塵技術利用靜電作用吸附細粉塵，是鍋爐廢氣粉塵處理行業應用最廣泛的除塵技術，具有除塵效率高、速度快、耐磨損能力強等優點。但是傳統靜電除塵技術針對PM2.5等小顆粒脫除效率不高。旋轉電極除塵技術與靜電除塵技術原理類似，設備由陰陽兩極組成，兩極配有可旋轉的除塵裝置。當附著的灰塵未達到反電暈厚度時，通過清洗刷徹底去除，防止二次污染，對粘性粉塵具有較高的去除率[21]。

4.2 袋式除塵技術研究進展

袋式除塵技術利用纖維制作的過濾元件捕集廢氣中的粉塵以達到排放標準。袋式除塵技術除塵效率高，適用于捕集干燥細小的非纖維性顆粒。布袋除塵器造價遠低于靜電除塵器，其核心在于纖維材料的制備。孫雪景等結合尾氣溫度、顆粒物性質等因素，選取聚苯硫醚纖維為濾料，將煙氣去除率提升至99.95%[22]。但是袋式除塵技術對粘性粉塵適用性差、壽命較短、而且更換布袋容易造成二次污染。

4.3 膜法除塵技術研究進展

膜法除塵技術主要包括陶瓷膜除塵技術和有機膜除塵技術，具有除塵效率好、設備簡單、易于再生等優點。其中陶瓷膜除塵技術機械強度大、耐高溫、抗腐蝕能力強，但是其造價高、脆性大，需要安裝在特定殼體中。王軍等以碳化硅陶瓷膜管為過濾元件搭建的PM2.5捕集器對PM2.5去除率高達99.9%[23]。有機膜除塵技術制備材料豐富，可以通過復合的方式形成性能更高的復合纖維膜。Wang等制備的PVDF/PTFE復合納米纖維膜粉塵去除效率高達99.97%[24]。

4.4 組合除塵技術研究進展

常見的組合技術包括電袋組合式除塵技術、旋風分離袋式除塵組合技術等。電袋組合式除塵技術汲取了靜電除塵技術和袋式除塵技術的優點，先通過電場除去大顆粒的粉塵，減少進入布袋的粉塵量，延長布袋壽命的同時提高除塵效率。裴愛芳等將某燃煤電廠的舊式電除塵技術改進成電袋組合除塵技術，不僅降低了能耗、減小了除塵器的占地面積，同時也提高了粉塵處理效率[25]。

4.5 除塵技術對比分析

表3列舉了不同除塵技術的優缺點。膜法除塵技術雖然除塵效率更高但是成本較高，組合除塵技術是今后除塵技術的發展趨勢。

表3 不同除塵技術的優缺點

5 展望

(1)對于鍋爐廢氣中SO2脫除，以MgO為脫硫劑的濕法脫硫技術具有脫硫效率高、設備腐蝕小等優點。在今后研究中需要優化脫硫工藝，進一步降低脫硫劑用量，同時實現副產物高效資源化利用。

(2)對于鍋爐廢氣中NOx脫除，最常用的脫硝技術為NH3-SCR，而以H2、CO等原料氣為還原劑的技術仍然沒有大規模發展。在今后研究中需要對脫硫、脫硝協同凈化機理進行深入研究，開發脫硫、脫硝一體化凈化技術。

(3)對煙氣脫白技術的選擇有多種方式，需要根據廠區地理位置、氣候、廢氣工況、處理成本等多種因素來選擇最合適的煙氣脫白技術。

(4)對于鍋爐廢氣中粉塵脫除，由于國家排放要求不斷提高，需要開發脫除率高、成本低的除塵技術，各種除塵技術的組合是今后的發展趨勢。