中小型锅炉脱硫脱硝技术简述

王　浩　张　帆　李天乐

（安琪酵母股份有限公司湖北宜昌443003）

中小型锅炉脱硫脱硝技术简述

王浩张帆*李天乐

（安琪酵母股份有限公司湖北宜昌443003）

近年来，SO2和NOx被纳入大气污染物总量控制指标，国家环境保护部颁布《锅炉大气污染物排放标准》GB13271-2014，排放标准日趋严格。随着大型火电厂已装备脱硫脱硝设备，削减中小型锅炉的SO2和NOx的排放量已是刻不容缓。通过概述中小型锅炉脱硫脱硝技术及现状，对比中小型锅炉脱硫脱硝工艺，对脱硫脱硝工艺中存在问题提出了建议，为中小型锅炉SO2和NOx治理提供技术参考。

中小型锅炉；SO2；NOx；排放标准

锅炉按容量可分为大、中、小型三类：容量大于420t/h，为大型锅炉；容量大于60t/h，小于420t/h，为中型锅炉；容量小于60t/h，为小型锅炉。我国能源结构以煤炭为主，燃煤锅炉有70%[1]以上是中小型锅炉，以供热为主，布局分散，而且多处于人群聚居地和工商业区。

1　二氧化硫控制技术

中小锅炉脱硫技术可分为三类：燃烧前脱硫、燃烧中脱硫及燃烧后脱硫（烟气脱硫）。

1.1燃烧前脱硫

燃烧前脱硫是指利用选煤技术降低煤中硫成分，煤的含硫量可降低40%[2]。选煤技术主要有物理法、化学法和微生物法。物理法是我国广泛采用的选煤技术，主要有跳汰选煤、重介质选煤和浮选等，物理法针对煤中的无机硫成分；化学法针对煤中的有机硫成分，主要有碱液法和其他氧化法；生物脱硫是利用微生物（氧化亚铁硫杆菌和氧化硫杆菌）将煤中硫分转化为硫酸盐。生物脱硫能去除煤中90%的黄铁矿和40%有机硫[3]。物理法和化学法需要消耗大量水资源，产生废水的较高浓度的悬浮物和COD。生物脱硫由于微生物繁殖速度有限，因而工业化程度较低。

1.2燃烧中脱硫

燃烧中脱硫是指在煤燃烧过程中，将煤中的硫分转移到固体废物中，减少SO2的排放，主要技术方法有煤粉炉直接喷钙脱硫和型煤固硫。煤粉炉直接喷钙原理是在炉膛低温区域喷钙，吸收SO2，脱硫效率仅为30%~40%，脱硫效率有限，通常和尾部活化器增湿相结合，可使脱硫效率达到70%以上[4]。固硫技术是通过向煤中加入固硫剂（石灰石），煤燃烧生成的SO2与固硫剂反应生成硫酸盐而留在灰渣中，固硫技术的脱硫效率一般为40%~50%[5]。

1.3燃烧后脱硫（烟气脱硫）

燃烧后脱硫即锅炉烟气脱硫，是当前主要的脱硫方法。烟气脱硫技术原理是利用吸收剂吸收除烟气中的二氧化硫，并使其转化为稳定的硫化合物。烟气脱硫技术按脱硫剂及脱硫反应产物的状态可分为湿法、干法及半干法三大类。其中湿法脱硫技术应用较为广泛，主要的湿法脱硫工艺有石灰/石灰石-石膏法、钠钙双碱法和氨法。

1.3.1石灰/石灰石—石膏法

工艺原理：锅炉烟气经进口挡板进入增压风机，通过烟气换热器后进入吸收塔，洗涤脱硫后的烟气经除雾器除去带出的小液滴，再通过烟气换热器从烟囱排放，脱硫副产物经过旋流器、真空皮带脱水形成脱水石膏，脱水石膏含水率小于10%。

图1　石灰/石灰石-石膏法工艺流程

采用石灰或石灰石作为吸收剂时，湿法脱硫系统运行控制指标各不相同。

表1　石灰法和石灰石法脱硫运行控制指标对比[6]

石灰/石灰石-石膏法是主流脱硫工艺，90%以上的锅炉烟气脱硫采用该工艺，脱硫效率大于95%，技术成熟，运行可靠性高，对煤种适应性强。我国石灰、石灰石资源丰富，吸收剂价格低廉，但是脱硫设备易腐蚀、结垢、堵塞，此外脱硫石膏资源化利用是当务之急，每脱出1tSO2，产生2.7t石膏混合物，据统计我国脱硫石膏的利用率不超过10%，脱硫石膏处理已成难题[8]。

1.3.2钠钙双碱法

工艺原理：它首先用一种碱（通常是氢氧化钠或碳酸钠）溶液吸收二氧化硫，生成亚硫酸氢钠；然后在再生池内用石灰或石灰石将亚硫酸氢钠再生成亚硫酸钠，再生的吸收液循环再利用，而SO2以亚硫酸钙和石膏的形式析出。

吸收脱硫过程：2NaOH+SO2→Na2SO3+H2O；Na2SO3+SO2+ H2O→2NaHSO3

碱液再生过程：2NaHCO3+Ca(OH)2→Na2SO3+CaSO3·1/2H2O+3/ 2·H2O

Na2SO3+Ca(OH)2→2NaOH+CaSO3

氧化过程：2Na2SO3+O2→2Na2SO4；2NaHSO3+O2→2NaHSO4

图2　双碱法工艺流程

钠钙双碱法最早在美国和日本得到应用，脱硫效率为90%以上[9]。石灰/石灰石-石膏法吸收二氧化硫，生成亚硫酸钙、硫酸钙的溶解度较小，容易结晶析出，容易造成吸收塔设备及管道的堵塞；双碱法采用钠基脱硫剂，其碱性强，生成的亚硫酸钠和硫酸钠的溶解度较大，相对于石灰/石灰石-石膏法，双碱法对设备的堵塞有较大改善。但是双碱法工艺较为复杂，设备占地面积大；由于氧化副反应生产的硫酸钠无法再生，需要不断补充钠基吸收剂，吸收剂的成本较高。

1.3.3氨法脱硫

工艺原理：锅炉烟气进入吸收塔，含氨的吸收液吸收烟气中的SO2，脱硫后的净烟气经除雾按要求排放。吸收液吸收烟气中SO2后在氧化设施中被氧化成硫酸铵，所形成的硫酸铵溶液脱水干燥，产物为含水率小于5%的硫酸铵。

吸收反应：NH3+H2O+SO2→(NH4)2SO3

氧化反应：(NH4)2SO3+O2→(NH4)2SO4

图3　氨法工艺流程

氨法脱硫为液气反应，接触面积大，脱硫效率高一般大于95%；脱硫装置的工艺简单，布置合理，占地面积小，与石灰/石灰石-石膏法脱硫技术相比，占地面积可节省50%以上[10]。副产物硫酸铵价值高，经济效益高；但设备腐蚀较为严重，脱硫剂氨水成本高，有足够低廉的废氨水来源的企业（化肥厂）适宜选择氨法脱硫；氨易挥发逃逸，形成气溶胶，对周边环境造成影响，尤其对钢结构建筑有较强的腐蚀。

综上所述，从脱硫率、使用原料、副产品及其用途等方面，对比石灰石-石膏法、双碱法和氨法的脱硫情况，结果如表2所示。

表23　种脱硫方法比较

2　氮氧化物控制技术

目前，控制NOx排放的技术措施大体上可分为两类：一类是低NOx燃烧技术（炉内脱氮技术），依据NOx形成机理，改造锅炉，抑制NOx生成。另一类是烟气净化技术，将生成的NOx还原为N2，从而脱除烟气中NOx；常见的烟气净化技术主要有选择性非催化还原脱硝（SNCR）、选择性催化还原脱硝（SCR）、SNCR-SCR联合脱硝。

2.1低氮燃烧技术

低氮燃烧技术主要有空气分级燃烧技术、燃料分级燃烧技术、烟气再循环技术。

空气分级燃烧的原理是将燃料燃烧分为2个阶段：第一阶段燃料在缺氧条件下燃烧，空气量为总燃烧空气量的70%~75%，降低NOx在该燃烧阶段的生成量；第二阶段，将剩余空气送入炉膛，与第一阶段烟气混合完全燃烧。该方法可使NOx的排放量减少15%~30%[12]。

燃料分级燃烧的原理将炉膛分为主燃区、再燃区和燃尽区，在主燃区送入80%~85%燃料，在过量空气系数大于1的条件下燃烧并生成NOx；在再燃区送入15%~20%燃料，使再燃烧区呈还原性气氛，将NOx还原成N2；在燃尽区送入空气，使再燃燃料完全燃烧。一般采用该方法可使的氮氧化物的排放浓度降低40%左右[13]。

烟气再循环技术是将空气预热器前的一部分低温烟气抽出，直接送入炉内，降低燃烧温度，降低氧气浓度，NOx生成受限。烟气再循环率为15%~20%，NOx减排效率约为25%[14]。

2.2选择性非催化还原脱硝（SNCR）

工艺原理：SNCR技术，即选择性非催化还原法，是将氨水或尿素在一定的条件下与烟气混合，反应温度在800℃~1100℃，在不使用催化剂的情况下将NOx还原成为无毒的N2和H2O。当还原剂为氨（NH3）时，其发生的反应主要如下：

SNCR脱硝工程主要包括还原剂的储备与制备、输送、计量分配及喷射。SNCR技术是利用锅炉炉膛作为脱硝反应器，通过改造锅炉可实现此技术的利用，因此SNCR技术的建设周期较短、成本较低，适用于改造中小型锅炉，具有较好的经济性，但脱硝效率较低，实际运行结果表明，应用于大型电站锅炉的SNCR的NOx的还原率只有25%~40%[15]，可能造成较高的氨气逃逸率。

2.3选择性催化还原脱硝（SCR）

工艺原理：利用还原剂在催化剂作用下有选择地与烟气中的NOx发生化学反应，生成氮气和水的方法。

图5　SNCR工艺流程

图4　SNCR工艺流程

SCR技术主要包括还原剂系统、催化反应系统、公用系统和辅助系统。SCR催化剂的主要成份为V2O5，催化剂类型可分为平板式、蜂窝式和波纹板型，反应温度为320℃~400℃，催化剂分层布置，一般为2~4层[16]。烟气中颗粒物、碱金属（钾、钠）和砷会导致催化剂活性降低。SCR是一种高效脱硝技术，脱硫效率为70%~ 90%，但整套SCR系统压力损失较大，约1000Pa[17]，增加能耗，该技术投资、运行成本较高。低氮燃烧、SNCR、SCR技术比较。

3　结语

锅炉燃烧前脱硫和燃烧中脱硫的脱硫效率有限，面对国家日趋严格的环保标准，当前中小锅炉脱硫技术主要考虑烟气脱硫，而烟气脱硫技术中以湿法脱硫应用较为广泛，因为湿法脱硫工艺是目前较为成熟可靠的烟气脱硫技术，脱硫效率较高，能够有效吸收烟气中二氧化硫，使烟气达标排放。但如何有效对湿法脱硫副产物的进行资源化利用，是湿法脱硫技术亟待解决的问题，以石灰/石灰石-石膏法为例，2010年，我国每年排出脱硫石膏1500×104t[19]。大量的副产物仍然以露天堆放为主，不仅占用土地资源，还会对环境造成二次污染。

低氮燃烧技术对NOx的产生进行源头控制，并且投资省，系统复杂性低，是最为经济的脱硝方式，在我国很大一部分锅炉燃烧器都进行了低氮燃烧技术改造，但低氮燃烧技术脱硝效率有限，为了确保锅炉烟气中NOx达标排放，低氮燃烧技术通常与SNCR或SCR技术联合应用。SCR技术投资成本高、占地面积大，在大型发电机组应用广泛；SNCR技术是一种建设周期短、投资少、脱硝效率中等的烟气脱硝技术，它比较适合于对中小型电厂锅炉的改造，SNCR技术和其他脱硝技术的联合应用可在较低投资成本下进一步降低NOx的排放。例如针对无法加装大量催化剂的中小型锅炉，SNCR/SCR技术具备较好的应用前景。

我国将在相当长的时间内，仍以煤为主要能源，我国大型发电机组均以装备脱硫脱硝设备，当前控制中小锅炉烟气污染已是必然趋势，中小锅炉应根据自身实际情况出发，因地制宜，采用有效适宜的脱硫脱硝技术，实现二氧化硫和氮氧化物的减排，这将对改善我国大气环境质量和减少酸雨危害起到关键作用。

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张帆（1988—），湖北宜昌人，硕士，从事环保工艺研究工作。