烟气脱硫脱氮(通常合称为“烟气脱硫脱硝”)是治理燃煤、燃油等工业锅炉和窑炉排放废气中二氧化硫和氮氧化物的关键技术。通常,脱硫和脱硝技术会分开介绍,但也有一些一体化技术。
一、烟气脱硫主要方法
烟气脱硫技术种类繁多,按脱硫剂的形态可分为湿法、干法和半干法三大类。
1. 湿法脱硫技术
湿法是利用碱性吸收液(或浆液)在湿态下与烟气中的SO₂反应,脱硫效率高(>95%),是当前应用最广泛、技术最成熟的方法。
石灰石-石膏法原理:采用石灰石(CaCO₃)或生石灰(CaO)的浆液作为吸收剂,与烟气中的SO₂反应生成亚硫酸钙,再经强制氧化生成副产品石膏(CaSO₄·2H₂O)。
优点:技术成熟,脱硫效率高(可达95%以上),吸收剂价廉易得,副产物石膏可资源化利用。
缺点:投资和运行成本较高,系统复杂,存在设备腐蚀和结垢问题,耗水量大,会产生废水。
应用:燃煤电厂的主流脱硫技术。
氨法脱硫
原理:采用氨水(NH₃·H₂O)或液氨作为吸收剂,与SO₂反应生成亚硫酸铵,进而氧化为硫酸铵。
优点:脱硫效率高,无废水废渣产生,副产物硫酸铵是优质的化肥。
缺点:氨易挥发,可能导致气溶胶污染,对设备防腐要求高,运行成本受氨价影响大。
应用:适用于有稳定氨源或对副产物有需求的化工、冶金等行业。
钠碱法
原理:采用氢氧化钠(NaOH)或碳酸钠(Na₂CO₃)溶液作为吸收剂,生成亚硫酸钠或硫酸钠。
优点:吸收速率快,脱硫效率高,系统不易结垢。
缺点:吸收剂成本较高,副产物价值相对较低,存在钠盐结晶问题。
应用:常用于中小型锅炉或对脱硫效率要求极高的场合。
镁法脱硫
原理:采用氧化镁(MgO)浆液作为吸收剂,生成亚硫酸镁,可进一步强制氧化为硫酸镁或煅烧再生为氧化镁并回收SO₂。
优点:脱硫效率高,吸收剂活性好,副产物可资源化或再生。
应用:有一定应用,但不如钙法普及。
2. 干法/半干法脱硫技术
这类方法反应在无液相或气液固三相状态下进行,无废水产生,系统简单,但脱硫效率通常低于湿法。喷雾干燥法
原理:将生石灰制成消石灰浆液,通过高速旋转喷雾器雾化喷入吸收塔,与烟气接触后,雾滴在蒸发干燥的同时与SO₂反应,生成干态粉末状产物。
优点:系统简单,投资较低,耗水量少,产物为干粉易于处理。缺点:脱硫效率(80-90%)和吸收剂利用率低于湿法,对操作控制要求高。应用:适用于中低硫煤燃烧及垃圾焚烧厂。 循环流化床法
原理:烟气从底部进入流化床反应器,与床层中悬浮的消石灰(Ca(OH)₂)粉末强烈混合反应,脱除SO₂。大部分未反应的吸收剂和产物被除尘器收集后返回反应器循环利用。
优点:系统简单,占地面积小,脱硫效率较高(可达90%以上),无废水。
应用:广泛应用于中小型锅炉和工业窑炉。
炉内喷钙尾部增湿活化法
原理:将石灰石粉直接喷入炉膛高温区,分解为CaO并与SO₂初步反应。然后在烟道尾部(省煤器后)喷水增湿,使未反应的CaO水合活化,在较低温度下再次与SO₂反应。
优点:系统简单,投资低。
缺点:脱硫效率相对较低(70-85%),钙利用率低。
应用:适用于老机组改造或中低硫煤。
二、烟气脱硝主要方法
脱硝技术主要分为低氮燃烧技术和烟气脱硝技术两大类。
1. 低氮燃烧技术
这是在燃烧过程中通过改进燃烧方式来抑制NOx生成的技术,是成本最低的初级措施。
方法:包括低氧燃烧、空气分级燃烧、燃料分级燃烧(再燃)、烟气再循环等。效果:通常可降低NOx排放浓度的20%~50%,但难以满足严格的排放标准,需与烟气脱硝技术结合使用。
2. 烟气脱硝技术
这是在烟气已经生成NOx后,通过化学反应将其去除的技术。
选择性催化还原法
原理:在催化剂(主要成分为V₂O₅-WO₃/TiO₂)作用下,向温度为280-420℃的烟气中喷入还原剂(一般为氨或尿素),将NOx选择性还原为无害的N₂和H₂O。
优点:脱硝效率极高(可达80%-90%以上),技术成熟,应用最广。
缺点:催化剂昂贵且需定期更换,投资和运行成本高,存在氨逃逸问题,对烟气温度有严格要求。
应用:燃煤电厂、燃气轮机、垃圾焚烧厂等的标准配置。选择性非催化还原法
原理:在不使用催化剂的情况下,将还原剂(氨或尿素)喷入炉膛高温区(850-1100℃),与NOx发生还原反应。
优点:系统简单,投资成本低。
缺点:脱硝效率较低(30%-50%),对温度窗口要求极为严格,氨逃逸量可能较大。
应用:常用于温度条件合适的中小型锅炉或作为SCR的补充。SCR/SNCR混合技术
原理:将SNCR和SCR技术结合,先用SNCR进行初步脱硝,再利用布置在后方的小型SCR反应器(催化剂用量少)进行深度脱硝。
优点:兼顾了投资成本和脱硝效率,比单一SCR成本低,比单一SNCR效率高。
应用:适用于对脱硝效率要求较高但想控制成本的场合。
液体吸收法、吸附法等,主要用于特定工业场合,在燃煤电厂中应用较少。
三、同时脱硫脱硝一体化技术
为了简化系统、降低投资和运行成本,同时脱除SO₂和NOx的一体化技术是重要发展方向。
活性炭法
原理:利用活性炭(或焦)的吸附和催化性能,在同一个反应器内,烟气中的SO₂被氧化吸附生成硫酸,NOx则在喷入的氨作用下被催化还原为N₂。吸附饱和的活性炭可通过加热再生,回收高浓度SO₂气体用于制酸。
优点:可实现硫资源的回收,无二次污染,节水。
缺点:投资巨大,系统庞大,运行控制复杂。
应用:在日本、德国等有较多应用,国内在少数钢厂、化工厂有示范。电子束辐照法 / 脉冲电晕等离子体法
原理:利用高能电子束或脉冲电晕产生的低温等离子体,将烟气中的H₂O、O₂等分子激活、裂解,生成强氧化性的自由基(如·OH、·O),这些自由基能将SO₂和NOx迅速氧化,并与喷入的氨反应,生成硫酸铵和硝酸铵化肥。
优点:同时高效脱除,副产物为化肥,无废水排放。
缺点:能耗高,技术尚未完全成熟,大规模应用经济性有待验证。
湿式氧化吸收一体化法
在一些湿法脱硫的基础上,通过在吸收塔内添加络合剂(如Fe²⁺ EDTA)或强氧化剂(如NaClO₂、O₃),使得吸收液在吸收SO₂的同时,也能将难溶的NO氧化为易溶的NO₂,从而一并脱除。
在实际工程中,最常见的组合是 “石灰石-石膏湿法脱硫” + “SCR脱硝” ,这套组合技术成熟可靠,可以满足全球最严格的超低排放标准。具体选择哪种技术路线,需要根据燃料种类、排放标准、场地条件、投资和运行成本、副产物处置方式等因素进行综合经济技术比较。
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