活性焦同时脱硫脱硝工艺在我国火电厂烟气治理中的应用前景分析

活性焦同时脱硫脱硝工艺在我国火电厂烟气治理中的应用前景分析

陈勇

(中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司)

摘要:将烟气脱硫脱硝过程合并在同一套工艺流程中进行，将是今后火电厂烟气污染物治理技术的发展趋势。本文对国内目前火电厂大气污染物排放标准的现状、各种研发中的烟气脱硫脱硝一体化技术的特点、活性焦同时脱硫脱硝技术的机理和发展状况进行论述，对各种技术优缺点进行分析，阐述活性焦同时脱硫脱硝技术在我国火电厂烟气治理中的应用前景。

关键词:火电厂活性焦脱硫脱硝一体化

0前言

目前国内火力发电厂广泛采用的烟气脱硫脱硝方式是传统的烟气脱硫技术(FGD)和选择性催化还原技术(SCR)各自独立工作，分别脱除烟气中的SO2和NOx的脱硫脱硝技术。不但占地面积大，设备阻力大，而且投资、运行费用高。目前国际上已经把开发技术简单，运行成本低，具有更好的运行性能的多污染物协同治理技术（包括除尘、脱硫、脱硝、脱汞等）作为燃煤烟气治理技术发展的方向之一，将脱硫脱硝技术合并在同一套工艺流程中进行，不仅能实现同时脱硫脱硝的目的，还可节省操作费用、节约占地、降低投资成本并减少废物产生，这也将是今后烟气污染物治理技术的发展趋势。

1我国火电厂烟气脱硫脱硝一体化的选型原则

国标《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）对新建火电厂大气污染物排放限值SO2和NOx为100mg/Nm3，根据《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014-2020年）》的要求，为实现超低排放的标准，SO2和NOx排放浓度需要分别达到35mg/Nm3和50mg/Nm3。因此，根据我国目前的国情，具有发展潜力、适用于大容量机组、能适应将来更加严格的环境控制标准的烟气脱硫脱硝一体化技术至少应能满足以下要求：

1）脱硫、脱硝效率能够达到目前湿法脱硫和SCR脱硝工艺能达到的水平，即脱硫效率能达到95%以上，脱硝效率至少能达到80%以上，具有达到更高脱除效率的发展潜力；

2）具备一定的脱除汞等其它污染物的能力；

3）不能产生或尽量少产生难以处理又不具备综合利用价值的副产物；

4）系统工艺、设备制造、运行维护相对简单，符合中国国情；

5）设备投资、运行维护费用在可接受的水平以内。

2脱硫脱硝一体化技术概述

目前，脱硫脱硝一体化技术的发展主要有两个方向:一个方向是将单独的脱硫和脱硝技术整合以后的一体化技术，称为联合脱硫脱硝技术（CombinedSO2/NOxRemoval）,该技术方法整合度不高，但技术风险和研发难度相对较小，特别对电厂现有处理设施的改造方面具有比较大的优势。采用这种技术的主要有活性焦脱硫脱硝技术、固相吸附/再生脱硫脱硝技术、气固催化联合脱硫脱硝技术等。

另一个方向是进行烟气多种污染物质的联合控制，称为同时脱硫脱硝技术（SimultaneousSO2/NOxRemoval），即采用一种反应剂，在一个反应过程中同时脱硫脱硝的工艺方法，或再连接除尘或吸附等单独工艺单元，形成一整套较为简单、占地较小、费用较低的工艺系统，但相对技术研发难度较大。这种技术目前其仍处于技术发展的阶段，成熟的技术相对较少，工程化实例也比较少。

下表为相对成熟的几种脱硫脱硝一体化技术的特点对比：

3活性焦同时脱硫脱硝技术简介

活性焦是一种以煤炭为以原料生产的，专门用于脱硫脱硝工艺的新型成型活性炭质吸附材料。与活性炭相比，活性焦成本较低，比表面积（150~400m2/g)较小。活性焦具有良好的孔隙结构、丰富的表面基团、较高的化学稳定性和热稳定性;同时有负载性能和还原性能，既可作载体制的高分散催化体系，又可作为还原剂参与反应；活性焦还具有机械强度高，抗磨损破碎等特点，能很好地满足工业应用的需要。

活性焦同时脱硫脱硝工艺主要由吸附、解吸和硫回收三部分组成，其工艺流程见图1。

图1活性焦同时脱硫脱硝工艺流程图

吸收塔分为两部分，烟气由下部往上部流，活性焦/炭在重力作用下从上部往下部落下，与烟气进行逆流接触。烟气从空气预热器中出来，温度在120~160℃之间，该温度是该工艺的最佳温度，能达到最高的脱除率。烟气首先进入吸收塔下部，通常吸收塔下部脱硫反应中既有活性焦/炭对SO2的物理吸附，又有化学吸附。在烟气中有氧和水蒸气存在的条件下，部分SO2被氧化成SO3，并进一步与水反应生成硫酸。

SO2被脱除后烟气进入还原反应器部分，喷入氨，在活性焦/炭的催化作用下与烟气中的NOx反应生成N2与NOx反应脱硝。

净化后烟气由烟囱排出，饱和活性焦/炭则进入再生阶段。在再生阶段，饱和活性焦/炭被送往再生器加热到400℃，SO2气体被解析出来送往硫酸生产车间生产硫酸或克劳斯反应器中转化单质硫。

4活性焦同时脱硫脱硝技术国内外发展情况

活性焦法脱硫技术已经有近四十年研究应用历史，早期的技术研究及应用主要集中在德国、日本、美国等。目前，国外已有规模为120×104m3/h的活性焦法脱硫装置及装机容量为300MW的活性焦同时脱硫脱硝装置，600MW活性焦干法烟气脱硫装置。

4.1MITSUI-BF公司干法DeSOx/DeNOx联合脱硫脱硝工艺

活性焦联合脱硫脱硝技术发展以德国和日本最为先进。德国BF公司在1976年开发，日本的三井矿山株式会社在和德国BF公司技术转移和自主开发的基础上，形成了Mitsui-BF技术，MITSUI-BF工艺由三个工艺流程构成：吸附、解吸、以及副产品回收（可选项）。

1）吸附流程：烟气穿过充满了活性焦的床层，在第一段床层内完成脱硫操作之后，烟气穿过活性焦床层进入第二段功能区。在活性焦的催化作用下，喷入床层内的氨气与氮氧化物发生反应，氮氧化物分解为氮气和水。

2）解吸流程：饱和吸附的活性焦被转移到解吸器中，于400℃至500℃温度范围条件下进行再生处理，再生后的活性焦经过筛选后重新加入吸附器循环使用。

3）副产品回收流程：当活性焦在脱附装置中再生处理时，会释放出富二氧化硫气体，以这种含20%到25%体积比浓度的二氧化硫富气为原料生产元素硫或硫酸。

其工艺特点是：

1）脱硫效率大于98%，脱硝效率大于80%，SO3的脱除率可达99.9%以上，同时具有除尘能力；

2）工艺灵活：既可同时实现脱硫脱硝，亦可单独用于脱硫或脱硝；

3）耗电量少；

4）不产生废水；

5）低操作温度，不需要将烟气重新加热；

6）可生产出高质量的副产品；

4.2日本住友重机械工业株式会社的活性炭吸附法脱硫脱硝干法工艺

太钢炼铁厂450m2烧结机配套脱硫脱硝装置，工艺采用日本住友重机械工业株式会社的活性炭移动层方式的干法脱硫脱硝装置，共分为七个子系统，包括除尘系统，卸灰系统，吸附、解析及活性炭运输系统，活性炭补给系统，热循环及富SO2输送系统，烟气系统以及注氨系统。烧结废气中的有害杂质，通过吸附塔吸附，去除粉尘、重金属、SO2和NOx；解析塔可去除二恶英、并将富集SO2输送到制酸系统，生产98%浓硫酸。

脱硫脱硝使用的活性炭为平均直径为9mm，长度为10~15mm的圆柱状活性炭。

装置入口硫的浓度平均470mg/Nm3，出口硫浓度平均16mg/Nm3，脱硫效率平均为96%，入口氮氧化物浓度平均102mg/Nm3，出口氮氧化物浓度平均62mg/Nm3，脱硝效率平均39.9%。副产品活性炭粉作为燃料在高炉喷煤使用，硫酸在太钢的型材厂、五轧厂、焦化厂使用。

4.3德国WKV公司的脱硫脱硝一体化技术

WKV公司是由德国BF公司的活性焦设计负责人带领其部门的工程师成立。1989年WKV公司针对错流技术的缺点进行改进，发明了目前的对流吸收技术，在世界许多国家和地区得到推广和应用。主要应用于对烟气中SO2、NOx和有毒物质的去除。

如图2所示，烟气通过引风机加压进入脱硫岛。进入脱硫岛的烟气通过烟气分配系统以一定气速进入吸附单元，均布烟气均匀的穿过活性焦吸附层，烟气中的二氧化硫、汞、砷等重金属、HF、HCl和二噁英等大分子氧化物首先被活性焦吸附脱除，然后进入第二焦层的烟气与新均匀喷入的氨混合，在催化剂——活性焦的作用下进行氧化还原反应，进一步脱除烟气中的NOx。净化后的烟气由净烟道、烟囱排出。

吸附饱和的活性焦从吸附塔底部排出，通过输送系统运至解析塔进行加热再生；再生的活性焦经筛分后与补充的新鲜活性焦再送入吸附系统进行循环吸附使用。再生出的高浓度SO2气体送入硫回收系统作为生产浓硫酸的原料。

对流塔型具有以下优点：

1）烟气只能从即将被排出吸附塔的饱和焦层穿过，饱和焦层起到隔灰带的作用。

2）均匀的层流流动使烟气和活性焦的反应时间相同。

3）相同的烟气速度产生较低的压降和较高的二氧化硫吸附饱和系数。

4）吸附层高度可调适应入口烟气条件的变化。

5）由于活性焦利用率高，从而运行成本低。

图2对流塔型脱硫脱硝一体化技术

4.5活性焦联合脱硫脱硝工艺的技术优势和缺点

相对于其它脱硫脱硝一体化技术而言，活性焦联合脱硫脱硝工艺具有以下技术优势：

1）不耗水：该技术在脱硫过程中零水耗，非常适合富煤缺水地区建设的燃煤电厂的烟气治理。

2）烟气集成净化：脱硫效率达到95%以上，满足现行国家排放标准，脱汞等重金属效率99%，脱硝效率（喷氨）80%以上，可实现一体化脱除。

3）可实现硫资源再利用：活性焦烟气脱硫技术将火电厂清洁烟气中的SO2回收，而不会产生二次污染，符合国家倡导的建立节约型社会和经济可持续发展的原则。

4）系统维护量很小：系统转动设备很少，并且烟气温度没有任何降低，不存在腐蚀、磨损问题，系统可靠性高。

5）实现低温段低尘段脱硝：避免了SCR脱硝过程中的一些问题，比如，催化剂中毒，空预器堵塞，烟道磨损，催化剂破碎等问题。

活性焦联合脱硫脱硝工艺也存在一些缺点和尚待解决的问题，主要是：

1）造价较高，目前活性焦联合脱硫脱硝工艺造价约500~600元/kW，还不包括初始装填的活性焦原料；

2）运行费用较高，除初始装填的活性焦原料以外（对于2台660MW机组，初始装填量就有27000t），正常运行中，活性焦还会有一定消耗，对于1台660MW机组，损耗约1.3t/h左右，按4000元/t活性焦的价格计算，活性焦消耗费用约5200元/h。

3）活性焦联合脱硫脱硝装置出口还会带出一部分焦尘，因此如需要实现超净排放，装置出口还需要设置除尘装置；

4）占地面积较大。

5结论和建议

相对于其它种类的联合脱硫脱硝技术相比，活性焦联合脱硫脱硝工艺技术相对简单、成熟，活性焦脱硫在国内已经进入实用化运行阶段，联合脱硫脱硝工艺也有小容量商业运行的业绩，吸附后的活性焦的解吸、硫回收工艺也在冶金、化工行业得到成熟的应用，利用国内储量丰富的褐煤制备活性焦也已形成工业化生产能力。虽然目前活性焦联合脱硫脱硝工艺造价和运行成本还相对较高，但类似于湿法脱硫技术刚进入中国时一样，随着技术的成熟和推广使用，造价和运行成本一定会大幅下降。而其它的联合脱硫脱硝技术，虽然有些工艺脱硫脱硝效率更高，但技术更加复杂，尚处于实验室研发阶段，距离大规模商业应用还有不小一段距离。因此，对于活性焦联合脱硫脱硝工艺，今后的研发方向应该是：

1）降低活性焦设备的投资和活性焦制备的成本，研发更低成本的活性焦材料；

2）降低活性焦联合脱硫脱硝工艺的能耗，因为活性焦解吸过程中需要消化大量的热量；

3）进一步提高脱硫和脱硝效率。

参考文献：

【1】《烟气脱硫脱硝技术手册》

【2】李强，《太钢炼铁厂烧结烟气脱硫脱硝技术及应用》

【3】《炭法脱硫脱硝一体化处理装置介绍》（第二届国际脱硫环保技术与设备贸易展览会暨循环经济高峰论坛）

【4】高继贤，刘静，翟尚鹏，傅月梅，唐夕山，曾艳《活性焦（炭）干法烟气净化技术的应用进展》（化工进展，2011年第30卷第5期）

【5】《再生活性焦炭技术〈反应〉商用多重污染物控制技术》（YukihiroHirabayashi，东京电力发展有限公司，ShyoMiyagawa,J-POWER电源开发株式会社，银泰克电气公司，2009年清洁高效燃煤发电技术协作网年会）

【6】《ThereductionofgasphaseairtoxicsfromcombustionandincinerationsourcesusingtheMET-Mitsui-BFactivatedcokeprocess》（FuelProcessingTechnology65“66(2000)393-405）