基于湿法脱硫的电厂烟气脱硫脱硝技术研究

顾佳男

（国能浙江北仑第一发电有限公司，浙江 宁波 315800）

燃煤作为我国主要的能源来源之一，在满足能源需求的同时也带来了环境污染问题[1]。其中，燃煤电厂排放的二氧化硫和氮氧化物是主要的大气污染物之一，给人类健康和环境带来了严重影响[2]。因此，燃煤电厂必须采取有效措施减少二氧化硫和氮氧化物的排放。

湿法脱硫和脱硝技术是目前国内、外燃煤电厂中常用的脱硫和脱硝技术。与干法脱硫和脱硝技术相比，湿法技术具有脱除效率高、适应性强和操作简便等优点，已经成为燃煤电厂中主要的脱硫和脱硝技术之一[3]。该文研究基于NaClO2同时脱硫脱硝技术，系统地总结SO2和NOx在NaClO2中的反应机理，探讨该技术的原理、技术优化参数以及在实际应用中存在的问题和改进措施，为燃煤电厂的环保治理提供参考。

1 湿法脱硫的电厂烟气脱硫脱硝技术原理

1.1 NaClO2同时脱硫脱硝技术的主要化学反应

由于ClO2具有非常强的氧化性，它能够作为同时脱硫脱硝反应的重要促进因子。因此，为了进一步提高脱硫脱硝的效率，有必要对ClO2在酸性NaClO2溶液中的反应进行研究，并深入分析其化学机理。通过研究溶液中各物质的氧化还原特性及电动势，并结合NaClO2的化学性质，可以推断出ClO2在酸性NaClO2溶液中可能发生的歧化反应的机制[4]，具体反应原理如下：

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 脱硝机理分析

根据反应原理，在NaClO2溶液中，NO 会被氧化为NO2，并通过吸收剂将其有效去除。不同的pH值对NO的去除效率会有影响。pH=2：在酸性条件下，NaClO2将NO 氧化为NO2，并进一步被吸收剂吸收。此时的脱硝效率较高；pH=3～5：在该范围内，NO 的去除效率下降幅度不明显，并且脱硝效率可达60%以上。这意味着即使pH 值升高，也可以有效去除NO。pH>5：随着pH 值增加，脱硝效率开始下降。这是因为在pH 高的条件下，吸收剂的水解反应会生成N2O3或N2O4，这些物质会降低脱硝效率[5]。综上所述，NaClO2溶液中的脱硝效率受pH 值的影响。当pH=2 时具有较高的脱硝效率，pH=3～5 时仍能保持较高的去除效率。然而，在pH>5的碱性条件下，脱硝效果可能会下降。如图1所示。

图1 不同初始pH 值对脱硝效率的影响

NaClO2溶液在pH 值为4 左右的条件下具有很强的氧化能力，可以将NO 气体完全氧化为硝酸。然而，当pH 值为3～5.2 时，NaClO2可能会分解并产生ClO2气体，这会对NO的氧化产生重要影响。具有强氧化性的ClO2可能会进一步与NO2反应，使氧化反应更彻底。这意味着当pH 值为3～5.2时，ClO2的生成可能会增加NaClO2对NO 的氧化效果。当pH 值超过5.2 时，由于NaClO2的分解和氧化反应速率降低，ClO2的生成量也会减少，因此会影响氧化反应的效果。此外，pH 值还会影响NaClO2的分解和其他污染物的氧化反应。在不同的pH 条件下，NaClO2的分解速率和反应动力学可能发生变化，进而影响其对亚硝酸盐、硫化氢等污染物的氧化能力。

由于NaClO2溶液的氧化能力受pH 值的影响，当pH 值为4 左右，NaClO2具有强氧化能力，可以完全将NO 气体氧化为硝酸。然而，当pH 为3～5.2 时，需要注意ClO2的生成可能会对氧化反应产生重要影响。此外，不同的pH 条件还会影响NaClO2对其他污染物的氧化反应。因此，在实际应用中，需要充分考虑NaClO2溶液的pH 值，以确定最佳的反应条件和效果。

由于在电厂运行过程中，燃煤燃烧后的烟气不仅包括硝化物，还包括硫化物，因此，使用NaClO2湿法烟气处置技术能有效去除烟气中的硫化物。同时，基于NaClO2本身的化学特性、硫化物的变价和酸性物质特点，不同硫化物即SO2的初始浓度能有效影响该湿法的脱硝效果。对此，该文试验共设置7 个SO2的初始浓度梯度，分别为1200mg/m3、1800mg/m3、2200mg/m3、2500mg/m3、3000mg/m3、3750mg/m3和4500mg/m3，并测定其脱硝效率。从图2 可知，随着SO2初始浓度的提高，脱硝效率呈先增大、后降低的趋势。当SO2的初始浓度为3000mg/m3时，其脱销效率达到峰值。同时SO2的初始浓度为1200mg/m3～3000mg/m3时，脱硝效率上升平缓。而随着超过3000mg/m3，脱硝效率则出现显著下降。当达到4500mg/m3时，脱硝效率与SO2的初始浓度为1800mg/m3，基本持平。由于SO2起始浓度增加，溶液中形成的亚硫酸根离子数量也随之增加，其将NO2转化为N2O4的催化作用也会增强。如果SO2的起始浓度大于3000mg/m3，则它与ClO2和NaClO2中活性分子之间的竞争作用将比协同作用更突出，NO 的脱除效率也会显著下降。

图2 不同SO2 的初始浓度对脱硝效率的影响

1.3 脱硫机理分析

液体中溶解的气体，例如SO2，在反应中需要通过气体的传输来进行反应，原因是气体分子需要通过扩散过程从气相传输到液相中，才能与溶液中的反应物发生反应。因此，在液相反应中，气体传输率对发生反应具有重要的控制作用。在SO2和NaClO2之间的反应中，为了确保反应充分进行，需要增强SO2的吸收和扩散能力。为此，可以向NaClO2溶液加入一定量的NaOH 溶液。NaOH 溶液可以提供氢氧根离子（OH-），这些离子能与SO2反应生成亚硫酸根离子（HSO3-），从而增加SO2在溶液中的溶解度。同时，NaOH 溶液的碱性也可以调节溶液的pH 值，对某些反应来说，适当的pH 条件可以提高反应速率和效率。通过加入NaOH 溶液，可以提高SO2在NaClO2溶液中的吸收和扩散能力，从而促进SO2与NaClO2的反应。为了确保液相反应中气体的充分传输和反应进行，该文试验通过加入适量的NaOH 溶液来提高气体的吸收和扩散能力。这样可以提高反应的效率和准确性，并为后续的动力学和机理研究提供更有利的试验条件。如公式（1）所示。

式中：∆PSO2（1×105Pa）是吸收过程中气液两相传质的主要推动力。

在该系统中，SO2在NaClO2中具有较大的溶解度，液相所带来的阻力可以忽略不计，因此该体系可视为气膜控制反应。根据上述2 个公式可知，SO2在溶液中的总吸收速率PA如公式（3）所示。

从公式（3）可以看出，SO2在NaClO2中的吸收速率与SO2流量的大小，入口SO2的分压以及SO2在NaClO2中的浓度有关。

2 试验分析

该文试验在自制的鼓泡反应器中进行，主要根据上述脱附原理进行试验设计。该试验模拟的烟气的流量为400m3/h，设定反应温度为24℃，进气管采样口处测得的NOx质量浓度为515mg/m3，SO2质量浓度为2700mg/m3。pH 设置为10个梯度，分别为pH=1～10，同时在该条件下进行脱硫脱硝反应，得到的脱除效率曲线如图3所示。

图3 初始pH 值对SO2 和NOx 脱除效率的影响

随着初始pH 增加，烟气中的SO2的去除效率逐渐提高，当pH 为4～5 时，去除效率显著提高。原因是当NaClO2的pH 值为3～4 时会产生大量的黄绿色ClO2气体，该气体具有较强的氧化性，可以迅速将烟气中的SO2氧化为SO3。SO3极易溶于水并形成硫酸根，因此SO3被水吸收后，导致反应向右偏移，进而加速反应过程。

从图3 还可以观察到，NO 的去除效率随初始pH 值增加而逐渐降低，当pH 为3～4 时达到最高点。原因是在NaClO2吸收过程中，NO 主要依赖的是ClO2的氧化作用，当溶液pH为 3～4 时产生CLO2。

综上所述，当模拟烟气的主要成分为SO2且脱氮效率要求不高时，宜适当提高溶液的pH 值。当pH 设置为10 时，SO2去除效率可达85%以上，NO 去除效率可超过40%。为了获得良好的、同时去除SO2和NO 的效果，吸收溶液的pH值应控制在5 左右，这样可以实现80.5%的SO2去除率和62.3%的NO 去除率。

3 技术案例分析

3.1 案例背景

某电厂烟气中含有大量SO2和NOx，浓度分别为500mg/m3和2500mg/m3。传统的脱硫脱硝技术无法同时去除这2 种污染物，对环境有较大污染。为了解决该问题，该电厂引进了电厂烟气NaClO2同时脱硫脱硝技术。

3.2 技术实施

在电厂中引入烟气NaClO2同时脱硫脱硝技术，需要对现有的烟气处理设备进行改造。该技术主要包括增加NaClO2还原剂注入系统、反应器和过滤器等设备。脱硫脱硝工艺流程图如图4所示。

图4 脱硫脱硝工艺流程图

首先，需要增加NaClO2还原剂注入系统。该系统用于将NaClO2溶液注入烟气中，与烟气中的SO2和NOx发生反应。该系统通常包括储存和输送NaClO2溶液的储罐、泵和管道系统。通过控制注入速率和浓度，可以确保NaClO2与烟气中的污染物充分接触并反应。

其次，需要增加反应器。反应器是NaClO2与烟气中的SO2、NOx进行反应的关键设备。反应器采用喷淋方式，将NaClO2溶液喷洒到烟气中。在反应器中，NaClO2与SO2、NOx发生氧化反应，生成氯化钠和氮气。反应器的设计和配置需要根据烟气流量、污染物浓度和反应速率等因素进行优化，以确保反应能充分进行。

最后，需要增加过滤器。过滤器用于过滤和分离反应后产生的氯化钠和氮气。这样可以从烟气中去除固体颗粒和其他杂质，获得更清洁的烟气。过滤器采用电除尘器等技术。

在整个处理过程中，还需要考虑对排放烟气中的少量SO2和NOx进行处理。通常采用碱洗保安系统来进一步减少这些污染物的排放。碱洗保安系统通过使烟气与碱溶液相互接触，并使SO2、NOx与碱发生反应，生成相应的盐类，从而达到更严格的排放标准。

3.3 技术效果

设备经安装、调试、试运行和正式投产运行后，有效地降低了该电厂烟气中的SO2和NOx浓度，脱硫脱硝效率分别为80%和60%。同时，由于该脱硫脱硝技术采用的是化学吸收法，不需要额外的干燥设备和高温条件，因此不仅节省了能源和设备维护成本，还减少了对环境的污染，降低了运行成本和投资成本。

3.4 注意事项

当使用电厂NaClO2同时脱硫脱硝技术时，需要注意如下事项。

首先，NaClO2使用量的调整。根据烟气中SO2、NOx的浓度和pH 值进行调整是确保脱硫脱硝效果的重要因素。需要根据实际情况，通过试验或经验来确定最佳的NaClO2使用量。同时还需要定期监测。

首先，调整安全操作。NaClO2是一种危险品，使用时需要遵循相关安全操作规程。操作人员应受过专业培训，了解NaClO2的安全性质和操作要求。在存储和使用过程中，需要避免火源和其他氧化剂相接触，以防止意外发生。同时，要定期检查储存容器的完整性和密封性，确保NaClO2的安全存储和使用。

再次，设备维护和检修。使用NaClO2进行脱硫脱硝需要相应的设备和管道系统。这些设备和管道需要定期检查和维护，以确保其正常运行。定期检查各个参数的变化，例如NaClO2投加量、溶液浓度、反应温度、监测脱硫脱硝效果以及排放浓度，及时发现问题并进行修复。此外，还需要对设备进行清洗和保养，防止设备的堵塞和老化，确保其长期稳定运行。

从次，监测和记录。在使用NaClO2进行脱硫脱硝的过程中，需要进行相关监测和记录，包括烟气中SO2和NOx的浓度、pH 值、NaClO2的投加量、溶液浓度、反应温度等参数的监测以及脱硫脱硝效果、排放浓度的监测。这些数据的记录和分析可以帮助评估脱硫脱硝效果，及时调整操作参数和优化工艺。

最后，环境保护和合规要求。使用NaClO2进行脱硫脱硝时，需要遵守相关的环境保护和规范要求，包括排放标准的达标要求、废水处理的要求等。同时，要定期进行监测和报告，确保排放达标并符合法规。

4 结语

综上所述，湿法脱硫的电厂烟气脱硫脱硝技术是一种有效的环保技术，应用前景广阔。在实际应用中，需要注意控制反应体系的pH 值、NaClO2的储存和使用安全，对设备进行定期检查和维护，保障安全。该技术有望在环保领域发挥更重要的作用。