烟气的脱硫脱硝以及除尘技术

烟气的脱硫脱硝以及除尘技术指导教师：安恩科专业：热能与动力姓名：张露学号：1151903烟气的脱硫脱硝以及除尘技术摘要：脱硫(Desulfurization)、脱硝(Denitrifica-tion)(亦称脱硫脱氮)是除去或减少燃煤过程中的SO2和NOx,如何经济有效地控制燃煤中SOX和NOx的排放量是我国乃至世界节能减排领域中急需解决的关键问题。本文主要阐述火电厂脱硫、脱硝技术和脱硫脱硝一体化技术以及烟气除尘技术，并且分析了每种技术的原理及优缺点。关键词：脱硫脱硝一体化除尘引言：煤炭是一种重要的能源资源,当今世界上电力产量的60%是利用煤炭资源生产的。中国又是一个燃煤大国,一次能源能源76%是煤炭,到2005年我国煤年产量达20亿t,其中一半用于燃煤电厂,燃煤发电量约占全国总发电量的70%左右。煤燃烧排放烟气中含有硫氧化物SOX(主要包括:SO2、SO3)和氮氧化物NOx（主要包括:NO、NO2、N2O3、N2O4、N2O5）,其中SO2、NO和NO2是大气污染的主要成分,也是形成酸雨的主要物质。脱硫(Desulfurization)、脱硝(Denitrifica-tion)(亦称脱硫脱氮)是除去或减少燃煤过程中的SO2和NOx,如何经济有效地控制燃煤中SOX和NOx的排放量是我国乃至世界节能减排领域中急需解决的关键问题。本文主要阐述火电厂脱硝技术和脱硫脱硝一体化的发展趋势,有助于推动我国火电厂脱硝和脱硫脱硝一体化技术的应用,以减少燃煤电厂氮氧化物NOx的排放。氮氧化物排放量NOx排放量近70%来自于煤炭的直接燃烧,火力发电厂是NOx排放的主要来源之一,其中污染大气的主要是NO和NO2。降低NOx的污染主要有二种措施:一是控制燃烧过程中NOx的生成,即低NOx燃烧技术,亦称一级脱氮技术;二是对生成的NOx进行处理,即烟气脱硝技术,亦称二级脱氮技术。正文：一、烟气脱硫技术目前针对燃煤中硫的脱除,国内外早已进行了大量的研究。从脱硫环节上可分为:燃烧前脱硫、燃烧中脱硫、燃烧后的烟气脱硫。脱硫方法有上百种,但工业化应用的只有十几种，目前世界上大规模商业化应用的脱硫技术是燃烧后烟气脱硫。烟气脱硫按其所采用吸收剂介质是固态还是液态可以分为干法、半干法、湿法。下面介绍几种典型的烟气脱硫工艺:1.石灰石—石膏法(Wet-FGD)石灰石—石膏法是以石灰石浆液作为吸收剂,在吸收塔内通过石灰石浆液对烟气进行洗涤,并发生反应,去除烟气中的SO2,反应产生的亚硫酸钙通过强制氧化,能够生成含两个结晶水的硫酸钙,脱硫后的烟气从烟囱排放。该工艺是目前世界上技术最成熟、应用最广泛的脱硫工艺,已有三十年的运行经验,其脱硫效率在90%以上,副产品石膏一般被抛弃处置。然而其缺点也比较明显:占地面积大,投资和运行费用高,产生废水、固废等二次污染。2.海水脱硫法海水脱硫是利用海水的天然碱度来吸收SO2,海水脱硫装置投资运行费用适中、工艺简单、脱硫效率高,但海水脱硫技术严格受地域限制。根据现有的工程经验,海水脱硫技术适用于沿海且燃用低硫煤的电厂[30]。海水脱硫的最大问题是排海的水质是否会对海洋环境造成二次污染,从已有的数据[31]看,海水脱硫后排水水质满足国家标准,但脱硫后增加的Hg和As等物质是否会造成海水污染还有待研究,对海水水质和区域海洋生态环境是否有影响目前尚有争议。3、双碱法双碱法主要反应步骤可分为:吸收、再生、固液分离。它是以钠碱(NaOH、Na2CO3)作为吸收液,先吸收烟气中二氧化硫,再用石灰浆液(Ca(OH)2)再生钠碱,钠碱可不断循环使用。该法脱硫效率高,装置占地面积小、吸收剂用量小,且不存在FGD法中堵塞、结垢的问题。然而,由于双碱法运行成本较高,不适用于大中型锅炉烟气的脱硫。4、可再生胺脱硫技术可再生胺脱硫技术属于湿法回收法,用胺液循环吸收烟气中的SO2,效率可高达99%以上。该技术是依据汽提原理,利用低压的蒸汽加热已吸收了SO2的胺液,将SO2气体从中解吸出来,得到高纯度的SO2气体可用来制酸或硫磺。再生出的胺液,回流到反应系统循环再用。具有脱硫效率较高,系统操作、维护简单可靠优点。由于再生蒸汽消耗量较大,能耗成本高,需要有硫磺回收或硫酸等下游配套装置,有机胺的抗氧化性、过程中生成的盐需要很好地解决。5、循环流化床脱硫工艺(LCFB-FGD)该技术工艺的特点是烟气直接进入流化床反应塔中与塔内脱硫剂反应,完成脱硫过程。脱硫后的烟气进入电除尘器除尘净化后,经引风机由烟囱排出。该方法系统阻力低,可用率高;占地少,有利于现有电站锅炉的烟气脱硫剂技术改造。然而,脱硫效率相对较低;适应范围较小,脱硫产物基本无法利用。6、炉内喷钙炉后增湿活化法(LIFAC)半干式烟气脱硫方法是首先将脱硫剂吹入燃烧炉内进行第一次脱硫,然后再向活化反应器中喷水使它与未反应的CaO进行第二次脱硫。脱硫过程如下:热分解:CaCO3=CaO+CO2(900℃以上)脱硫反应:2CaO+2SO2+O2=2CaCO4(800℃~1200℃)氢氧化钙的生成反应:CaO+H2O=Ca(OH)2脱硫反应:Ca(OH)2+SO2=CaSO3+H2O该方法具有炉内喷钙法与喷雾干燥法的双重优点,综合脱硫率可达80%左右。反应过程无废水产生,设备占地面积小,投资运行操作费用低。二、烟气脱硝技术脱硝技术主要分为低NOX燃烧技术和燃烧后烟气脱硝。其中,低NOX燃烧技术已经在国内新建电厂得到广泛的应用,主要方法有空气分级燃烧、燃料分级燃烧、低氮燃烧、浓度偏差燃烧、烟气再循环等。而燃烧后烟气脱硝是目前发达国家普遍采用的减少NOX排放的方法,具有较高的脱硝效率,应用较为成熟和广泛的有选择性催化还原法(SCR)、选择性非催化还原法(SNCR)、电子束法以及炽热碳还原等技术。1、低NOX燃烧技术为了控制燃烧过程中NOX的生成量,采取的措施有:(1)浓淡二次燃烧技术:降低空气过剩系数和氧气浓度,先使煤粉在缺氧的条件下燃烧;(2)降低燃烧温度,以防止产生局部高温区;(3)缩短烟气在高温区的停留时间等。所有措施的目的是尽量减少热力氮的产生。低氮燃烧法简单易行,可方便地用于现存装置,但NO的降低幅度十分有限,且燃烧热损失较多。2、选择性催化还原法(SCR)选择性催化还原法是在催化剂的作用下,―有选择性‖地与烟气中的NOX反应,将锅炉烟气中的氮氧化物还原成氮气和水。系统中的反应过程如下:NO的还原:4NO+4NH3+O2=4N2+6H2ONO2的还原:6NO2+8NH3=7N2+12H2O2NO2+4NH3=3N2+6H2O与其他技术相比,SCR技术装置结构简单、不形成二次污染、技术成熟、脱硝效率高达90%、运行可靠,是目前国际上应用最为广泛的烟气脱硝技术。催化剂失效和尾气中残留NH3是SCR系统存在的两大关键问题。为确保催化剂层的理想条件,避免催化剂中毒、堵塞或磨损,运用CFD软件对SCR系统进行流体力学模拟计算,对解决这些问题有所帮助。3、选择性非催化还原法(SNCR)SNCR技术原理是在无催化剂存在的条件下向炉内喷射化学还原剂使之与烟气中的NOx反应,将其还原成N2及H2O。使用最广泛的还原剂为氨或尿素,反应温度在900～1000℃范围内。其反应式为:4NH3+4NO+O2=4N2+6H2O当温度过高时,NH3将发生副反应,生成NO,反应式如下:4NH3+5O2=4NO+6H2O温度过低时反应速度减慢,所以温度的控制至关重要。该工艺不需要催化剂,但脱硝效率较SCR低。4、混合SCR-SNCR脱硝技术SNCR-SCR脱硝技术是结合SNCR投资省、SCR脱除效率高的优点所发展起来的一种新型脱硝工艺,并非只是SNCR与SCR两者简单的组合。混合SCR-SNCR脱硝工艺,最主要的技术改进是省去SNCR工艺烟道内复杂的AIG(氨喷射)系统,并减少了SCR技术中催化剂的用量。该工艺主要分为炉膛和反应器两个反应区,首先将还原剂通过位于锅炉炉墙部位的喷射系统,喷入作为第一个反应区的炉膛。此时在高温条件下,还原剂与烟气中NOx发生非催化还原反应,实现初步的脱氮过程。然后,未反应完的还原剂进入混合工艺的第二个反应区,进行进一步脱氮。5、湿法烟气脱硝技术湿法烟气脱硝技术按吸收剂的种类可分为:水氧化吸收法、酸吸收法、碱液吸收法、氧化吸收法、还原吸收法、络合吸收法、液膜法等。湿式络合吸收法目前仍处于试验阶段,NOX的脱除率较高。但螯合物的循环利用比较困难,在反应中螯合物会有损失,利用率低,造成运行费用很高。燃煤锅炉上很少采用湿法脱硝。三、烟气同时脱硫脱硝技术燃烧产生的硫氧化物和氮氧化物的浓度都不太高,但总量却非常大。国内外现有烟气净化技术中除尘、脱硫、脱硝往往是在多个独立系统中分别完成,不但占地面积大,而且投资、操作费用高,并且随着烟气脱硫的普及,大气中氮氧化物危害所占的比例将越来越大。因此,同时脱硫脱硝技术日益受到各国的重视。烟气同时脱硫脱硝技术主要有三类:烟气脱硫和烟气脱硝的组合技术;对现有FGD系统进行改造增加脱硝功能[37];利用吸附剂同时脱除SO2和NOx。烟气同时脱硫脱硝技术按照其作用机理可以分为湿法、固相吸收再生法、气固催化法、吸收剂喷射技术及高能电子活化氧化法五大类,以下对脱硫脱硝工艺做扼要介绍,1、电子束照射法电子束照射法(ER法)属于干式同时脱硫脱硝的方法。该方法利用阴极发射并经电场加速形成500～800keV高能电子束辐照烟气产生辐射化学反应,生成OH、O和HO2等自由基,再和SOx和NOx反应生成硫酸和硝酸,在通入氨气(NH3)的情况下,产生(NH4)2SO4和NH4NO3氨盐副产品。在20世纪70年代初首先由日木荏原公司提出,经过20几年的研究开发,己经从小试、中试和工业示范一步步走向工业化。具有不产生废水废渣;能同时脱硫脱硝,脱硫率90%以上,脱硝率80%以上;系统简单,操作方便,过程易控制;对于含硫量的变化有较好的适应性等优点。但投资与运行成本比其它方法都要高。2、电晕放电法半干式电晕放电脱硫脱销技术是在脉冲电晕等离子体烟气脱硫脱销技术的基础上改良而来,将含有SO2和NOX的高温烟气引入喷雾塔内增湿降温,然后引入电晕放电烟气净化器,施加高电压,并加入氨气,在电晕放电与氨的协同作用下,将SO2和NOX转化为铵盐颗粒,从烟气中分离出来,收集在极板(管)上,用水冲洗极板上的反应产物。将产物溶液喷入喷雾干燥塔,雾滴蒸发干燥形成较大的铵盐颗粒,加以回收,同时使烟气增湿降温。与现有方法相比,可解决产物粘结的问题,提高净化效果,减少氨泄漏和铵盐外排,减少能耗,提高了运行可靠性,简化了工艺,减小净化装置尺寸,降低脱硫投资和运行成本。3、气固催化法目前,气固催化法有代表性的工艺有:DESONOX工艺和SNRB(SOX-NOX-ROX-BOX)工艺。DESONOX包含两段催化转化反应,烟气经静电除尘后进入具有两层催化剂的固定床反应器,第一层为SCR催化剂,在450℃下发生选择性催化还原反应,NOx被NH3还原生成N2和H2O;随后,烟气经过含钒催化剂的第二层,SO2被氧化为SO3,再经冷凝后得到硫酸。该法脱除效率比较高,不产生二次污染,且技术简单,但是投资和运行费用较高。SNRB工艺[42]是利用高温布袋除尘器进行烟气净化,能够同时去除SO2、NOx和烟尘。脱除过程可分为三步:①在高温脉冲喷射布袋除尘器中进行除尘;②利用SCR法将NOx还原为N2;③利用石灰基或者钠基吸收剂吸收烟气中SO2。过滤袋采用可以承受425-470℃高温的陶瓷纤维过滤袋。SNRB工艺成功的实现了烟气脱硫脱硝除尘一体化,该工艺吸收剂利用率较高,设备投资少,且对设备腐蚀性较低,然而产生的废渣较多,且副产物回收利用价值不高。4、CuO/γ-Al2O3一体化吸收/催化法该法采用CuO/Al2O3作吸附剂(CuO含量通常在4%～6%)进行脱硫脱硝,整个反应分两步:①在吸附器中:脱硫时,温度在300～450℃内时,吸附剂与SO2反应,生成CuSO4;脱硝时,由于CuO和生成的CuSO4对NH3还原NOx有很高的催化活性,结合SCR法进行脱硝。②在再生器中