基于濕法脫硫的電廠煙氣脫硫脫硝技術研究

顧佳男

（國能浙江北侖第一發電有限公司，浙江 寧波 315800）

燃煤作為我國主要的能源來源之一，在滿足能源需求的同時也帶來了環境污染問題[1]。其中，燃煤電廠排放的二氧化硫和氮氧化物是主要的大氣污染物之一，給人類健康和環境帶來了嚴重影響[2]。因此，燃煤電廠必須采取有效措施減少二氧化硫和氮氧化物的排放。

濕法脫硫和脫硝技術是目前國內、外燃煤電廠中常用的脫硫和脫硝技術。與干法脫硫和脫硝技術相比，濕法技術具有脫除效率高、適應性強和操作簡便等優點，已經成為燃煤電廠中主要的脫硫和脫硝技術之一[3]。該文研究基于NaClO2同時脫硫脫硝技術，系統地總結SO2和NOx在NaClO2中的反應機理，探討該技術的原理、技術優化參數以及在實際應用中存在的問題和改進措施，為燃煤電廠的環保治理提供參考。

1 濕法脫硫的電廠煙氣脫硫脫硝技術原理

1.1 NaClO2同時脫硫脫硝技術的主要化學反應

由于ClO2具有非常強的氧化性，它能夠作為同時脫硫脫硝反應的重要促進因子。因此，為了進一步提高脫硫脫硝的效率，有必要對ClO2在酸性NaClO2溶液中的反應進行研究，并深入分析其化學機理。通過研究溶液中各物質的氧化還原特性及電動勢，并結合NaClO2的化學性質，可以推斷出ClO2在酸性NaClO2溶液中可能發生的歧化反應的機制[4]，具體反應原理如下：

2ClO2+H2O+3NaClO2→3NaClO3+HClO2+HCl

2ClO2+H2O+5NaClO2→5NaClO3+2HCl

2ClO2+H2O+4NaClO2→4NaClO3+HClO2+HCl，4ClO2+H2O+9NaClO2→9NaClO3+Cl2+2HCl。

1.2 脫硝機理分析

根據反應原理，在NaClO2溶液中，NO 會被氧化為NO2，并通過吸收劑將其有效去除。不同的pH值對NO的去除效率會有影響。pH=2：在酸性條件下，NaClO2將NO 氧化為NO2，并進一步被吸收劑吸收。此時的脫硝效率較高；pH=3～5：在該范圍內，NO 的去除效率下降幅度不明顯，并且脫硝效率可達60%以上。這意味著即使pH 值升高，也可以有效去除NO。pH>5：隨著pH 值增加，脫硝效率開始下降。這是因為在pH 高的條件下，吸收劑的水解反應會生成N2O3或N2O4，這些物質會降低脫硝效率[5]。綜上所述，NaClO2溶液中的脫硝效率受pH 值的影響。當pH=2 時具有較高的脫硝效率，pH=3～5 時仍能保持較高的去除效率。然而，在pH>5的堿性條件下，脫硝效果可能會下降。如圖1所示。

圖1 不同初始pH 值對脫硝效率的影響

NaClO2溶液在pH 值為4 左右的條件下具有很強的氧化能力，可以將NO 氣體完全氧化為硝酸。然而，當pH 值為3～5.2 時，NaClO2可能會分解并產生ClO2氣體，這會對NO的氧化產生重要影響。具有強氧化性的ClO2可能會進一步與NO2反應，使氧化反應更徹底。這意味著當pH 值為3～5.2時，ClO2的生成可能會增加NaClO2對NO 的氧化效果。當pH 值超過5.2 時，由于NaClO2的分解和氧化反應速率降低，ClO2的生成量也會減少，因此會影響氧化反應的效果。此外，pH 值還會影響NaClO2的分解和其他污染物的氧化反應。在不同的pH 條件下，NaClO2的分解速率和反應動力學可能發生變化，進而影響其對亞硝酸鹽、硫化氫等污染物的氧化能力。

由于NaClO2溶液的氧化能力受pH 值的影響，當pH 值為4 左右，NaClO2具有強氧化能力，可以完全將NO 氣體氧化為硝酸。然而，當pH 為3～5.2 時，需要注意ClO2的生成可能會對氧化反應產生重要影響。此外，不同的pH 條件還會影響NaClO2對其他污染物的氧化反應。因此，在實際應用中，需要充分考慮NaClO2溶液的pH 值，以確定最佳的反應條件和效果。

由于在電廠運行過程中，燃煤燃燒后的煙氣不僅包括硝化物，還包括硫化物，因此，使用NaClO2濕法煙氣處置技術能有效去除煙氣中的硫化物。同時，基于NaClO2本身的化學特性、硫化物的變價和酸性物質特點，不同硫化物即SO2的初始濃度能有效影響該濕法的脫硝效果。對此，該文試驗共設置7 個SO2的初始濃度梯度，分別為1200mg/m3、1800mg/m3、2200mg/m3、2500mg/m3、3000mg/m3、3750mg/m3和4500mg/m3，并測定其脫硝效率。從圖2 可知，隨著SO2初始濃度的提高，脫硝效率呈先增大、后降低的趨勢。當SO2的初始濃度為3000mg/m3時，其脫銷效率達到峰值。同時SO2的初始濃度為1200mg/m3～3000mg/m3時，脫硝效率上升平緩。而隨著超過3000mg/m3，脫硝效率則出現顯著下降。當達到4500mg/m3時，脫硝效率與SO2的初始濃度為1800mg/m3，基本持平。由于SO2起始濃度增加，溶液中形成的亞硫酸根離子數量也隨之增加，其將NO2轉化為N2O4的催化作用也會增強。如果SO2的起始濃度大于3000mg/m3，則它與ClO2和NaClO2中活性分子之間的競爭作用將比協同作用更突出，NO 的脫除效率也會顯著下降。

圖2 不同SO2 的初始濃度對脫硝效率的影響

1.3 脫硫機理分析

液體中溶解的氣體，例如SO2，在反應中需要通過氣體的傳輸來進行反應，原因是氣體分子需要通過擴散過程從氣相傳輸到液相中，才能與溶液中的反應物發生反應。因此，在液相反應中，氣體傳輸率對發生反應具有重要的控制作用。在SO2和NaClO2之間的反應中，為了確保反應充分進行，需要增強SO2的吸收和擴散能力。為此，可以向NaClO2溶液加入一定量的NaOH 溶液。NaOH 溶液可以提供氫氧根離子（OH-），這些離子能與SO2反應生成亞硫酸根離子（HSO3-），從而增加SO2在溶液中的溶解度。同時，NaOH 溶液的堿性也可以調節溶液的pH 值，對某些反應來說，適當的pH 條件可以提高反應速率和效率。通過加入NaOH 溶液，可以提高SO2在NaClO2溶液中的吸收和擴散能力，從而促進SO2與NaClO2的反應。為了確保液相反應中氣體的充分傳輸和反應進行，該文試驗通過加入適量的NaOH 溶液來提高氣體的吸收和擴散能力。這樣可以提高反應的效率和準確性，并為后續的動力學和機理研究提供更有利的試驗條件。如公式（1）所示。

式中：?PSO2（1×105Pa）是吸收過程中氣液兩相傳質的主要推動力。

在該系統中，SO2在NaClO2中具有較大的溶解度，液相所帶來的阻力可以忽略不計，因此該體系可視為氣膜控制反應。根據上述2 個公式可知，SO2在溶液中的總吸收速率PA如公式（3）所示。

從公式（3）可以看出，SO2在NaClO2中的吸收速率與SO2流量的大小，入口SO2的分壓以及SO2在NaClO2中的濃度有關。

2 試驗分析

該文試驗在自制的鼓泡反應器中進行，主要根據上述脫附原理進行試驗設計。該試驗模擬的煙氣的流量為400m3/h，設定反應溫度為24℃，進氣管采樣口處測得的NOx質量濃度為515mg/m3，SO2質量濃度為2700mg/m3。pH 設置為10個梯度，分別為pH=1～10，同時在該條件下進行脫硫脫硝反應，得到的脫除效率曲線如圖3所示。

圖3 初始pH 值對SO2 和NOx 脫除效率的影響

隨著初始pH 增加，煙氣中的SO2的去除效率逐漸提高，當pH 為4～5 時，去除效率顯著提高。原因是當NaClO2的pH 值為3～4 時會產生大量的黃綠色ClO2氣體，該氣體具有較強的氧化性，可以迅速將煙氣中的SO2氧化為SO3。SO3極易溶于水并形成硫酸根，因此SO3被水吸收后，導致反應向右偏移，進而加速反應過程。

從圖3 還可以觀察到，NO 的去除效率隨初始pH 值增加而逐漸降低，當pH 為3～4 時達到最高點。原因是在NaClO2吸收過程中，NO 主要依賴的是ClO2的氧化作用，當溶液pH為 3～4 時產生CLO2。

綜上所述，當模擬煙氣的主要成分為SO2且脫氮效率要求不高時，宜適當提高溶液的pH 值。當pH 設置為10 時，SO2去除效率可達85%以上，NO 去除效率可超過40%。為了獲得良好的、同時去除SO2和NO 的效果，吸收溶液的pH值應控制在5 左右，這樣可以實現80.5%的SO2去除率和62.3%的NO 去除率。

3 技術案例分析

3.1 案例背景

某電廠煙氣中含有大量SO2和NOx，濃度分別為500mg/m3和2500mg/m3。傳統的脫硫脫硝技術無法同時去除這2 種污染物，對環境有較大污染。為了解決該問題，該電廠引進了電廠煙氣NaClO2同時脫硫脫硝技術。

3.2 技術實施

在電廠中引入煙氣NaClO2同時脫硫脫硝技術，需要對現有的煙氣處理設備進行改造。該技術主要包括增加NaClO2還原劑注入系統、反應器和過濾器等設備。脫硫脫硝工藝流程圖如圖4所示。

圖4 脫硫脫硝工藝流程圖

首先，需要增加NaClO2還原劑注入系統。該系統用于將NaClO2溶液注入煙氣中，與煙氣中的SO2和NOx發生反應。該系統通常包括儲存和輸送NaClO2溶液的儲罐、泵和管道系統。通過控制注入速率和濃度，可以確保NaClO2與煙氣中的污染物充分接觸并反應。

其次，需要增加反應器。反應器是NaClO2與煙氣中的SO2、NOx進行反應的關鍵設備。反應器采用噴淋方式，將NaClO2溶液噴灑到煙氣中。在反應器中，NaClO2與SO2、NOx發生氧化反應，生成氯化鈉和氮氣。反應器的設計和配置需要根據煙氣流量、污染物濃度和反應速率等因素進行優化，以確保反應能充分進行。

最后，需要增加過濾器。過濾器用于過濾和分離反應后產生的氯化鈉和氮氣。這樣可以從煙氣中去除固體顆粒和其他雜質，獲得更清潔的煙氣。過濾器采用電除塵器等技術。

在整個處理過程中，還需要考慮對排放煙氣中的少量SO2和NOx進行處理。通常采用堿洗保安系統來進一步減少這些污染物的排放。堿洗保安系統通過使煙氣與堿溶液相互接觸，并使SO2、NOx與堿發生反應，生成相應的鹽類，從而達到更嚴格的排放標準。

3.3 技術效果

設備經安裝、調試、試運行和正式投產運行后，有效地降低了該電廠煙氣中的SO2和NOx濃度，脫硫脫硝效率分別為80%和60%。同時，由于該脫硫脫硝技術采用的是化學吸收法，不需要額外的干燥設備和高溫條件，因此不僅節省了能源和設備維護成本，還減少了對環境的污染，降低了運行成本和投資成本。

3.4 注意事項

當使用電廠NaClO2同時脫硫脫硝技術時，需要注意如下事項。

首先，NaClO2使用量的調整。根據煙氣中SO2、NOx的濃度和pH 值進行調整是確保脫硫脫硝效果的重要因素。需要根據實際情況，通過試驗或經驗來確定最佳的NaClO2使用量。同時還需要定期監測。

首先，調整安全操作。NaClO2是一種危險品，使用時需要遵循相關安全操作規程。操作人員應受過專業培訓，了解NaClO2的安全性質和操作要求。在存儲和使用過程中，需要避免火源和其他氧化劑相接觸，以防止意外發生。同時，要定期檢查儲存容器的完整性和密封性，確保NaClO2的安全存儲和使用。

再次，設備維護和檢修。使用NaClO2進行脫硫脫硝需要相應的設備和管道系統。這些設備和管道需要定期檢查和維護，以確保其正常運行。定期檢查各個參數的變化，例如NaClO2投加量、溶液濃度、反應溫度、監測脫硫脫硝效果以及排放濃度，及時發現問題并進行修復。此外，還需要對設備進行清洗和保養，防止設備的堵塞和老化，確保其長期穩定運行。

從次，監測和記錄。在使用NaClO2進行脫硫脫硝的過程中，需要進行相關監測和記錄，包括煙氣中SO2和NOx的濃度、pH 值、NaClO2的投加量、溶液濃度、反應溫度等參數的監測以及脫硫脫硝效果、排放濃度的監測。這些數據的記錄和分析可以幫助評估脫硫脫硝效果，及時調整操作參數和優化工藝。

最后，環境保護和合規要求。使用NaClO2進行脫硫脫硝時，需要遵守相關的環境保護和規范要求，包括排放標準的達標要求、廢水處理的要求等。同時，要定期進行監測和報告，確保排放達標并符合法規。

4 結語

綜上所述，濕法脫硫的電廠煙氣脫硫脫硝技術是一種有效的環保技術，應用前景廣闊。在實際應用中，需要注意控制反應體系的pH 值、NaClO2的儲存和使用安全，對設備進行定期檢查和維護，保障安全。該技術有望在環保領域發揮更重要的作用。