辐射净化烟道气---脱硫脱硝技术

1、 辐射净化烟道气-脱硫脱硝技术1、辐射净化烟道气技术特点对工业三废的净化处理，人们经过漫长的探索和比较，逐步认识到电离辐射作为一种先进的供能形式，具有其独特的优点，它与传统方法如化学法、生物或热处理法相结合正成为颇具竞争力的新的技术路线。用辐射法处理工业三废，目前发展最快的是用加速器电子束辐射净化烟道气技术。此法在日本、德国、俄罗斯、波兰等国已开展了相当成功的中间试验，中国也是较早开展此项研究的国家之一。1989年，中国科学院上海原子核研究所建立了中国第一套电子束辐射烟气脱硫脱硝实验装置，进行了原理性研究和若干重要工艺参数的试验，取得了预想的结果。十几年来，国内外许多研究机构和企业合作，经过系

2、统性、逐步深入的工业化试验，进一步证明应用加速器电子束辐射净化烟道气技术的主要特点是：（1） 可同时净化烟道气中的SO2和NOX ，且净化效率高，这是湿石灰淋洗、选择性催化还原方法所无法比拟的。（2） 工艺过程属干式方法，没有水、溶剂等造成二次污染。（3） 净化系统操作简便，工艺流程易于控制。（4） 占地少，一次性投入和运行成本低。（5） 副产物是农业肥料，有较好的经济回报，有利于资源综合利用1998年5月，由中日两国合作并共同投资，在中国成都发电厂建成的烟气处理量为300000Nm3/h的系统，是世界上第一套具有工业规模的电子束净化工业示范装置。该装置经过长时期运转，标志着加速器电子束净化烟

3、道技术已由中间试验进入实际应用的工业化阶段；在运行中不断出现的故障，反映出其工艺设备、辅助设备以及系统配置等方面尚存在较大的技术发展空间；随着中国在大功率加速器研制与生产能力的增强和设备标准化水平的提高，辐射净化系统的一次性投资、综合运行成本已经逐步下降，在市场上更具竞争力。2、辐射净化烟道气机理及工艺流程2.1 辐射净化烟道气反应机理众所周知，由燃煤锅炉、冶炼厂熔炉等排放出的烟道废气含有大量有害SO2和NOX，未经处理的烟道废气，在大气中通过光化学反应转化成高价氧化物，进而形成硫酸和硝酸，以酸雨形式积聚返回大地，对地球环境和生物造成严重污染。辐射净化反应机理就是将烟道废气在大气中的光化学反应

4、过程人为地限定在某一可控制的有限空间内进行，同时加入反应剂使硫酸和硝酸生成可回收具有经济价值的化肥。鉴于烟气的主要成份是N2、O2、H2O和CO2、少量SO2和NOX 以及后注入的NH3，经电子束辐射后，会产生N、N、CO2、OH等一系列初级粒子和自由基，这些粒子参加一系列反应，如离子分子反应、中和反应、二聚反应等，最终“净化”了SO2和NOX，得到所需产物。经过电子束辐射后，SO2和NOX 可能产生的反应为：NO + N N2+ONO2+N 2NO N2+ONO2+OH HNO3NO+HO2 NO2+OHNO2 + HO2 HNO2 + O2HNO3+NH3 NH4NO3SO2+OH HOS

5、O2 +OH H2SO4SO2+O SO3SO3+H2O H2SO4H2SO4+2NH3 （NH4）2SO4实验进一步证明，清除SO2也可以通过与氨和氧的热反应，清除率可达到58%。此热反应明显是通过一种亚硫酸酸盐的中间反应过程，其效率随着SO2浓度的增加和温度的降低而增加，当辐射剂量大于25kGy后，SO2的清除几乎达到全部（>97%）；而清除NOX则是完全依靠辐射激发，随辐射剂量增加，NOX清除率提高，在10.3 kGy时，NOX的清除率达到88%。上述是引用了日本名古屋燃煤烟所的实验结果,当（SO2 为800ppm）温度70时，在不同辐射剂量下，获得SO2、NOX清除率的变化情况。

6、2.1 辐射净化烟道气工艺流程辐射净化烟道气工艺流程见图4-1；工艺流程反应模型图见图4-2。 烟气 电厂 烟 冷却水 囱 电子加速器 冷 却 塔 副产物收集器 反应器 农 用 氨气 化 肥图4-1：电子束烟气净化流程图燃煤锅炉排放出的烟气经电除尘器或喷雾气冷却器冷却到适合反应的温度（70-90），并调节到适宜的湿度后，将烟气送入反应容器，同时加入近似化学计量的氨，反应容器上安装电子加速器，能量为0.3-0.8Mev，功率200-300kW，烟气经电子束辐射后，其中SO2和NOX 最终与氨生成硫铵和硝铵，呈结晶铵盐，此副产物经收集器收集和加热烘干处理后送入副产物的储存系统。净化后的烟气以辅助引

7、风机通过烟囱排入大气。 电子束 副产物收集器 燃煤 . . . .烟道气 . 烟囱 副产物颗粒 SO2+NOX (NH4)2SO4 NH3 (NH4)2SO4. ·2NH4NO3 OH,O,HO2 浓度 H2SO4,HNO3 SO2+NOX NH3 时间（秒） 10-8 10-5 10-1 - 1 I II III N2,O2,H2O SO2 H2SO4 NH3 氧化过程 H2SO4 (NH4)2SO4 H2O NH3H2O OH,O,HO2 NOX HNO3 (NH4)2SO4 (NH4)2SO4·2NH4NO3 HNO3 图4-2：工艺流程反应模型图3、电子束辐射系统的

8、基本单元（子系统）电子束辐射净化系统是由五个装置单元组成：烟气冷却塔系统，电子加速器辐射处理系统，氨注入装置系统，副产物收集系统以及监测控制系统。3.1 烟气冷却系统：电厂燃煤烟气经电除尘后，进入水喷淋冷却降温、增湿并进一步除尘。冷却塔的关键技术是冷却水雾化喷嘴。喷嘴选择耐磨损、抗腐蚀材料，采用气-液二流喷嘴，雾化效果要达到100-200m。喷嘴一般布置于塔的顶部，冷却水由压力雾化喷头雾化，烟气同喷入的水蒸气同烟气完全混合，没有污水排出。3.2 氨注入系统：一般由液氨贮槽、液氨蒸发器、气氨缓冲罐、氨计量投加泵和自助控制装置组成，贮槽中的液氨经蒸发器蒸发为气氨，氨气经由设置在反应器中的喷头注入预

9、辐射烟气中。3.3 加速器辐射处理系统：该系统由两台或多台大功率电子加速器、辐射反应器及辐射辅助装置组成。电子加速器的主要参数为：能量800keV，最大束流强度400mA，扫描窗尺寸1200´100 mm。辐射反应器水平布置，设有气氨和冷却水注入部件、电子束入射窗和清扫风口，电子束由入射窗射入反应器内。在反应器的设计方面，要考虑充分提高电子束流的利用效率，又要尽量缩短箔窗更换时间，减少操作难度，安全可靠。3.4 副产物收集系统：采用机械脱附方式的静电除尘器，收集生成的硫酸铵和硝酸铵。其技术关键是解决副产物中细微颗粒的捕集，提高副产物收集效率，以及解决收集器对副产物、尾气抗腐蚀等问题。

10、3.5 监测控制系统：工艺流程中烟气参数的获取，通过分别置于冷却塔前和静电除尘器后的烟气成份在线分析装置实现，监测的烟气成份在工艺流程图上显示。有关工艺参数由现场一次仪表测量并转化成电信号馈送至总控制室，由二次仪表显示和计算机记录处理，位于总控制室的控制装置对现场设备实施异地操作。整个现场仪器和设备的运行状况及工艺流程，都在总控制室的模拟盘上实时显示，由计算机系统实时采集，记录现场仪表的数据，并能以图形、曲线方式显示。4、电子束辐射技术与化学法比较4.1 治理烟道气技术分类为治理烟道气中的灰尘、SO2和NOX ，长期以来，世界范围已经开发了数十种治理方法，这些方法分别适用于燃烧过程不同阶段，一

11、般可分为三类：（1） 燃烧前治理：选用优质燃料或进行燃料清洁处理；或经气化后再做净化处理作燃料使用；（2） 燃烧中治理：采用新型燃烧器改进燃烧过程，如低NOX燃烧器、流化床燃烧、循环沸腾床煤燃烧等，有的还在燃烧时加入添加剂，如炉内喷石灰石脱硫等。（3） 燃烧后治理：即与本文有关的对烟道气进行净化处理。从原理上区别分为二种：一是采用添加剂和催化剂的化学方法，二是用物理能激发再进行化学反应的物理化学方法。化学方法治理烟气是上世纪70年代以前普遍采用的，世界经济发达国家已形成了各具特色的烟气净化成套设备，技术臻于成熟。其中湿法石灰石-石膏脱硫系统得到广泛应用；还有采用湿法石灰石-石膏脱硫，另加催化还

12、原工艺组成脱硫脱硝系统。经过长期运行，传统湿法工艺的缺陷已充分显现，其主要是一次性投资大，运行成本高，占地面积较大，大量废水废渣进行再处理时，造成二次污染。目前世界发达国家和地区，大都是在二十世纪70年代前已完成了燃煤锅炉烟气脱硫技术改造或是作为配套设备纳入工程建设的整体规划，据初步统计，大约80%采用湿法工艺，10%为喷雾干法，10%为其他方法，因此湿法工艺长期属于主流技术。4.2 辐射净化技术发展烟道气辐射净化技术起源于上世纪70年代初的日本。1970-1971年日本科学家用一台能量为2-12MeV、1.2kW的直线加速器在不锈钢反应箱中清除重油燃烧物中SO2（含量为1000´1

13、0-6）。在50kGy 100条件下，SO2可以完全被清除。由于这一原理性的突破，开创了电子束辐射烟气净化处理的新途径。此后，经过不断改进，实现了气流装置连续处理，同时清除SO2和NOX ，以及电子束双面辐射等，处理对象也由重油燃烧废气发展到烧结废气等多种烟道气，处理能力也不断增加。进入80年代，由日本江原公司建成的实验模拟装置使得技术可行性得到证实。该实验装置处理烟气能力为1000m3/h，同时向烟气中加入氨，生成一种干燥的、粉末状的产物，其中含有（NH4）SO4和NH4NO3，可以作为肥料使用，因而发展成为著名的江原处理法。利用江原处理法，1985年在美国印第安纳波利和德国卡东斯鲁厄相继建

14、成工业试验装置。印第安纳波利装有两台加速器（0.8MeV 总功率160 kW），处理烟气量16000-32000m3/h（相当于8MW电能锅炉的烟气量）；卡尔斯鲁厄工厂使用两台电子帘加速器（0.3MeV 总功率180 kW），处理烟气量10000-20000m/h。两家工业试验装置运用均获成功，进一步证明了江原处理法不仅在技术，而且在工艺上也是可行的。43 经济比较从经济角度分析，影响辐射处理法成本的主要是大功率加速器的价格，一般要占整个系统1/3左右。长期以来，世界上仅有少数几家公司有能力生产大功率加速器成套设备，售价高达1.5 - 2万美元/kW，供货周期较长，售后服务也不令人满意。在国际

15、市场加速器售价居高不下的情况下，美国人弗兰克（N. W. Frank）引用了28种烟气脱硫技术工程数据,对电子束辐射净化技术的经济性作过评价，结果认为，电子束辐射技术工程造价同湿法脱硫技术相当，运行费用仅为湿法脱硫技术的1/2，在所有脱硫技术中，其运行费用最低。上述研究结果并未扣除同时脱除氮氧化物导致的运行和建设费用的增加。从处理烟气量的规模分析其经济性，认为：处理3´104m3/h烟气的辐射处理工厂的投资成本大约比传统处理法少15%；处理量至12´104m3/h，江原处理法仍有成本优势；但到了18´104m3/h的处理量，传统的方法则更为经济。近些年来，国际上关

16、于大功率加速器的研制与生产能力发生了较大的变化，俄罗斯、中国等国都具有较强的研究能力，已经生产出不同规格的大功率加速器，在价格方面具有明显的竞争优势。电子束辐射净化烟道气技术，长期以来，由于昂贵的大功率加速器售价造成系统一次性投资过高的状况，已经发生了根本的变化。作者在参考了有关最新数据，以10kW发电机组燃煤锅炉为例，对照辐射法和化学法在经济上进行比较，见表4-1所示。表4-1：辐射法与化学法经济比较（10万kW发电机组燃煤锅炉）重要参数一次性投资(万元)占电厂总投资%耗电量占电厂发电量%占地面积m2脱硫%脱氮%副产物二次污染年综合运行成本（万元）每度电增加成本（元）辐射法650010.81

17、.922009585化肥（NH4）2SO4NH4NO3无7000.010化学法950015.61.8315090少量石膏 废水CaCO3Ca(HCO4)2有13000.013目前，国内正在建造的电子束辐射脱硫装置有杭州协联，处理烟气量305400m3/h，由日本荏原公司总承,总投资为7500万元，单位造价相当于750元/kW;在北京京丰电厂建造的辐射净化装置系统处理烟气量630000m3/h，由中国物理研究院总承，造价9895万元，单位造价相当于660元/kW。与化学法比较，辐射法的一次性投资要低1/4 - 1/3左右。5、我国面临的技术选择中国是燃煤大国，煤炭是一次能源消费的主要原料，大气污

18、染主要为煤烟型污染。处于工业化发展的历史阶段，由于中国能源供需矛盾突出以及技术经济条件的制约，几乎所有燃煤锅炉都未建立配套的烟气处理系统，因此进入二十世纪90年代，我国每年向大气排放的二氧化硫总量在2000万吨以上，其中燃煤电厂及其它大型工业企业排放的二氧化硫占排放总量的50%以上。进入新世纪，控制燃煤电厂及其它工业企业的二氧化硫排放已成为治理我国大气污染和酸雨危害的关键。可持续发展战略是我国社会和经济发展的基本国策，国家高度重视对酸雨和二氧化硫的污染控制，并采取了积极对策。国务院于1998年2月批复了国家环保局关于呈报审批酸雨控制区和二氧化硫污染控制区划分方案的请示，批复要求：新建、改建燃煤含硫量大于1%的电厂，必须同步建设脱硫装置，在2010年前要分期分批建成脱硫设施或采取其他具有相应效果的减排二氧化硫的措施。2000年2月21日国家经济贸易委员会发布了关于印发<火电厂烟气脱硫关键技术与设备国产化规划要点>的通知（国经贸资源2000156号）通知指出：火电厂烟气脱硫是控制二氧化硫污染的重要措施。烟气脱硫关键技术与设备国产化是降低工程造价，加快火电厂二氧化硫治理速度，提高机电制造企业竞争能力，培育新的经济增长点的需要。此外，鉴于氮氧化物也是引起酸雨和大气污染的主要因素之一，氮氧化物的排放的控制与治理也已提上议事日程，国家GB13223-1996火电厂污