輻射凈化煙道氣---脫硫脫硝技術(shù)

1、 輻射凈化煙道氣-脫硫脫硝技術(shù)1、輻射凈化煙道氣技術(shù)特點(diǎn)對工業(yè)三廢的凈化處理，人們經(jīng)過漫長的探索和比較，逐步認(rèn)識到電離輻射作為一種先進(jìn)的供能形式，具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，它與傳統(tǒng)方法如化學(xué)法、生物或熱處理法相結(jié)合正成為頗具競爭力的新的技術(shù)路線。用輻射法處理工業(yè)三廢，目前發(fā)展最快的是用加速器電子束輻射凈化煙道氣技術(shù)。此法在日本、德國、俄羅斯、波蘭等國已開展了相當(dāng)成功的中間試驗(yàn)，中國也是較早開展此項(xiàng)研究的國家之一。1989年，中國科學(xué)院上海原子核研究所建立了中國第一套電子束輻射煙氣脫硫脫硝實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行了原理性研究和若干重要工藝參數(shù)的試驗(yàn)，取得了預(yù)想的結(jié)果。十幾年來，國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)合作，經(jīng)過系

2、統(tǒng)性、逐步深入的工業(yè)化試驗(yàn)，進(jìn)一步證明應(yīng)用加速器電子束輻射凈化煙道氣技術(shù)的主要特點(diǎn)是：（1） 可同時凈化煙道氣中的SO2和NOX ，且凈化效率高，這是濕石灰淋洗、選擇性催化還原方法所無法比擬的。（2） 工藝過程屬干式方法，沒有水、溶劑等造成二次污染。（3） 凈化系統(tǒng)操作簡便，工藝流程易于控制。（4） 占地少，一次性投入和運(yùn)行成本低。（5） 副產(chǎn)物是農(nóng)業(yè)肥料，有較好的經(jīng)濟(jì)回報，有利于資源綜合利用1998年5月，由中日兩國合作并共同投資，在中國成都發(fā)電廠建成的煙氣處理量為300000Nm3/h的系統(tǒng)，是世界上第一套具有工業(yè)規(guī)模的電子束凈化工業(yè)示范裝置。該裝置經(jīng)過長時期運(yùn)轉(zhuǎn)，標(biāo)志著加速器電子束凈化煙

3、道技術(shù)已由中間試驗(yàn)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用的工業(yè)化階段；在運(yùn)行中不斷出現(xiàn)的故障，反映出其工藝設(shè)備、輔助設(shè)備以及系統(tǒng)配置等方面尚存在較大的技術(shù)發(fā)展空間；隨著中國在大功率加速器研制與生產(chǎn)能力的增強(qiáng)和設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化水平的提高，輻射凈化系統(tǒng)的一次性投資、綜合運(yùn)行成本已經(jīng)逐步下降，在市場上更具競爭力。2、輻射凈化煙道氣機(jī)理及工藝流程2.1 輻射凈化煙道氣反應(yīng)機(jī)理眾所周知，由燃煤鍋爐、冶煉廠熔爐等排放出的煙道廢氣含有大量有害SO2和NOX，未經(jīng)處理的煙道廢氣，在大氣中通過光化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化成高價氧化物，進(jìn)而形成硫酸和硝酸，以酸雨形式積聚返回大地，對地球環(huán)境和生物造成嚴(yán)重污染。輻射凈化反應(yīng)機(jī)理就是將煙道廢氣在大氣中的光化學(xué)反應(yīng)

4、過程人為地限定在某一可控制的有限空間內(nèi)進(jìn)行，同時加入反應(yīng)劑使硫酸和硝酸生成可回收具有經(jīng)濟(jì)價值的化肥。鑒于煙氣的主要成份是N2、O2、H2O和CO2、少量SO2和NOX 以及后注入的NH3，經(jīng)電子束輻射后，會產(chǎn)生N、N、CO2、OH等一系列初級粒子和自由基，這些粒子參加一系列反應(yīng)，如離子分子反應(yīng)、中和反應(yīng)、二聚反應(yīng)等，最終“凈化”了SO2和NOX，得到所需產(chǎn)物。經(jīng)過電子束輻射后，SO2和NOX 可能產(chǎn)生的反應(yīng)為：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實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明，清除SO2也可以通過與氨和氧的熱反應(yīng)，清除率可達(dá)到58%。此熱反應(yīng)明顯是通過一種亞硫酸酸鹽的中間反應(yīng)過程，其效率隨著SO2濃度的增加和溫度的降低而增加，當(dāng)輻射劑量大于25kGy后，SO2的清除幾乎達(dá)到全部（>97%）；而清除NOX則是完全依靠輻射激發(fā)，隨輻射劑量增加，NOX清除率提高，在10.3 kGy時，NOX的清除率達(dá)到88%。上述是引用了日本名古屋燃煤煙所的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)（SO2 為800ppm）溫度70時，在不同輻射劑量下，獲得SO2、NOX清除率的變化情況。

6、2.1 輻射凈化煙道氣工藝流程輻射凈化煙道氣工藝流程見圖4-1；工藝流程反應(yīng)模型圖見圖4-2。 煙氣 電廠 煙 冷卻水 囪 電子加速器 冷 卻 塔 副產(chǎn)物收集器 反應(yīng)器 農(nóng) 用 氨氣 化 肥圖4-1：電子束煙氣凈化流程圖燃煤鍋爐排放出的煙氣經(jīng)電除塵器或噴霧氣冷卻器冷卻到適合反應(yīng)的溫度（70-90），并調(diào)節(jié)到適宜的濕度后，將煙氣送入反應(yīng)容器，同時加入近似化學(xué)計量的氨，反應(yīng)容器上安裝電子加速器，能量為0.3-0.8Mev，功率200-300kW，煙氣經(jīng)電子束輻射后，其中SO2和NOX 最終與氨生成硫銨和硝銨，呈結(jié)晶銨鹽，此副產(chǎn)物經(jīng)收集器收集和加熱烘干處理后送入副產(chǎn)物的儲存系統(tǒng)。凈化后的煙氣以輔助引

7、風(fēng)機(jī)通過煙囪排入大氣。 電子束 副產(chǎn)物收集器 燃煤 . . . .煙道氣 . 煙囪 副產(chǎn)物顆粒 SO2+NOX (NH4)2SO4 NH3 (NH4)2SO4. ·2NH4NO3 OH,O,HO2 濃度 H2SO4,HNO3 SO2+NOX NH3 時間（秒） 10-8 10-5 10-1 - 1 I II III N2,O2,H2O SO2 H2SO4 NH3 氧化過程 H2SO4 (NH4)2SO4 H2O NH3H2O OH,O,HO2 NOX HNO3 (NH4)2SO4 (NH4)2SO4·2NH4NO3 HNO3 圖4-2：工藝流程反應(yīng)模型圖3、電子束輻射系統(tǒng)的

8、基本單元（子系統(tǒng)）電子束輻射凈化系統(tǒng)是由五個裝置單元組成：煙氣冷卻塔系統(tǒng)，電子加速器輻射處理系統(tǒng)，氨注入裝置系統(tǒng)，副產(chǎn)物收集系統(tǒng)以及監(jiān)測控制系統(tǒng)。3.1 煙氣冷卻系統(tǒng)：電廠燃煤煙氣經(jīng)電除塵后，進(jìn)入水噴淋冷卻降溫、增濕并進(jìn)一步除塵。冷卻塔的關(guān)鍵技術(shù)是冷卻水霧化噴嘴。噴嘴選擇耐磨損、抗腐蝕材料，采用氣-液二流噴嘴，霧化效果要達(dá)到100-200m。噴嘴一般布置于塔的頂部，冷卻水由壓力霧化噴頭霧化，煙氣同噴入的水蒸氣同煙氣完全混合，沒有污水排出。3.2 氨注入系統(tǒng)：一般由液氨貯槽、液氨蒸發(fā)器、氣氨緩沖罐、氨計量投加泵和自助控制裝置組成，貯槽中的液氨經(jīng)蒸發(fā)器蒸發(fā)為氣氨，氨氣經(jīng)由設(shè)置在反應(yīng)器中的噴頭注入預(yù)

9、輻射煙氣中。3.3 加速器輻射處理系統(tǒng)：該系統(tǒng)由兩臺或多臺大功率電子加速器、輻射反應(yīng)器及輻射輔助裝置組成。電子加速器的主要參數(shù)為：能量800keV，最大束流強(qiáng)度400mA，掃描窗尺寸1200´100 mm。輻射反應(yīng)器水平布置，設(shè)有氣氨和冷卻水注入部件、電子束入射窗和清掃風(fēng)口，電子束由入射窗射入反應(yīng)器內(nèi)。在反應(yīng)器的設(shè)計方面，要考慮充分提高電子束流的利用效率，又要盡量縮短箔窗更換時間，減少操作難度，安全可靠。3.4 副產(chǎn)物收集系統(tǒng)：采用機(jī)械脫附方式的靜電除塵器，收集生成的硫酸銨和硝酸銨。其技術(shù)關(guān)鍵是解決副產(chǎn)物中細(xì)微顆粒的捕集，提高副產(chǎn)物收集效率，以及解決收集器對副產(chǎn)物、尾氣抗腐蝕等問題。

10、3.5 監(jiān)測控制系統(tǒng)：工藝流程中煙氣參數(shù)的獲取，通過分別置于冷卻塔前和靜電除塵器后的煙氣成份在線分析裝置實(shí)現(xiàn)，監(jiān)測的煙氣成份在工藝流程圖上顯示。有關(guān)工藝參數(shù)由現(xiàn)場一次儀表測量并轉(zhuǎn)化成電信號饋送至總控制室，由二次儀表顯示和計算機(jī)記錄處理，位于總控制室的控制裝置對現(xiàn)場設(shè)備實(shí)施異地操作。整個現(xiàn)場儀器和設(shè)備的運(yùn)行狀況及工藝流程，都在總控制室的模擬盤上實(shí)時顯示，由計算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時采集，記錄現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)，并能以圖形、曲線方式顯示。4、電子束輻射技術(shù)與化學(xué)法比較4.1 治理煙道氣技術(shù)分類為治理煙道氣中的灰塵、SO2和NOX ，長期以來，世界范圍已經(jīng)開發(fā)了數(shù)十種治理方法，這些方法分別適用于燃燒過程不同階段，一

11、般可分為三類：（1） 燃燒前治理：選用優(yōu)質(zhì)燃料或進(jìn)行燃料清潔處理；或經(jīng)氣化后再做凈化處理作燃料使用；（2） 燃燒中治理：采用新型燃燒器改進(jìn)燃燒過程，如低NOX燃燒器、流化床燃燒、循環(huán)沸騰床煤燃燒等，有的還在燃燒時加入添加劑，如爐內(nèi)噴石灰石脫硫等。（3） 燃燒后治理：即與本文有關(guān)的對煙道氣進(jìn)行凈化處理。從原理上區(qū)別分為二種：一是采用添加劑和催化劑的化學(xué)方法，二是用物理能激發(fā)再進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的物理化學(xué)方法?；瘜W(xué)方法治理煙氣是上世紀(jì)70年代以前普遍采用的，世界經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家已形成了各具特色的煙氣凈化成套設(shè)備，技術(shù)臻于成熟。其中濕法石灰石-石膏脫硫系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用；還有采用濕法石灰石-石膏脫硫，另加催化還

12、原工藝組成脫硫脫硝系統(tǒng)。經(jīng)過長期運(yùn)行，傳統(tǒng)濕法工藝的缺陷已充分顯現(xiàn)，其主要是一次性投資大，運(yùn)行成本高，占地面積較大，大量廢水廢渣進(jìn)行再處理時，造成二次污染。目前世界發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，大都是在二十世紀(jì)70年代前已完成了燃煤鍋爐煙氣脫硫技術(shù)改造或是作為配套設(shè)備納入工程建設(shè)的整體規(guī)劃，據(jù)初步統(tǒng)計，大約80%采用濕法工藝，10%為噴霧干法，10%為其他方法，因此濕法工藝長期屬于主流技術(shù)。4.2 輻射凈化技術(shù)發(fā)展煙道氣輻射凈化技術(shù)起源于上世紀(jì)70年代初的日本。1970-1971年日本科學(xué)家用一臺能量為2-12MeV、1.2kW的直線加速器在不銹鋼反應(yīng)箱中清除重油燃燒物中SO2（含量為1000´1

13、0-6）。在50kGy 100條件下，SO2可以完全被清除。由于這一原理性的突破，開創(chuàng)了電子束輻射煙氣凈化處理的新途徑。此后，經(jīng)過不斷改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了氣流裝置連續(xù)處理，同時清除SO2和NOX ，以及電子束雙面輻射等，處理對象也由重油燃燒廢氣發(fā)展到燒結(jié)廢氣等多種煙道氣，處理能力也不斷增加。進(jìn)入80年代，由日本江原公司建成的實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置使得技術(shù)可行性得到證實(shí)。該實(shí)驗(yàn)裝置處理煙氣能力為1000m3/h，同時向煙氣中加入氨，生成一種干燥的、粉末狀的產(chǎn)物，其中含有（NH4）SO4和NH4NO3，可以作為肥料使用，因而發(fā)展成為著名的江原處理法。利用江原處理法，1985年在美國印第安納波利和德國卡東斯魯厄相繼建

14、成工業(yè)試驗(yàn)裝置。印第安納波利裝有兩臺加速器（0.8MeV 總功率160 kW），處理煙氣量16000-32000m3/h（相當(dāng)于8MW電能鍋爐的煙氣量）；卡爾斯魯厄工廠使用兩臺電子簾加速器（0.3MeV 總功率180 kW），處理煙氣量10000-20000m/h。兩家工業(yè)試驗(yàn)裝置運(yùn)用均獲成功，進(jìn)一步證明了江原處理法不僅在技術(shù)，而且在工藝上也是可行的。43 經(jīng)濟(jì)比較從經(jīng)濟(jì)角度分析，影響輻射處理法成本的主要是大功率加速器的價格，一般要占整個系統(tǒng)1/3左右。長期以來，世界上僅有少數(shù)幾家公司有能力生產(chǎn)大功率加速器成套設(shè)備，售價高達(dá)1.5 - 2萬美元/kW，供貨周期較長，售后服務(wù)也不令人滿意。在國際

15、市場加速器售價居高不下的情況下，美國人弗蘭克（N. W. Frank）引用了28種煙氣脫硫技術(shù)工程數(shù)據(jù),對電子束輻射凈化技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性作過評價，結(jié)果認(rèn)為，電子束輻射技術(shù)工程造價同濕法脫硫技術(shù)相當(dāng)，運(yùn)行費(fèi)用僅為濕法脫硫技術(shù)的1/2，在所有脫硫技術(shù)中，其運(yùn)行費(fèi)用最低。上述研究結(jié)果并未扣除同時脫除氮氧化物導(dǎo)致的運(yùn)行和建設(shè)費(fèi)用的增加。從處理煙氣量的規(guī)模分析其經(jīng)濟(jì)性，認(rèn)為：處理3´104m3/h煙氣的輻射處理工廠的投資成本大約比傳統(tǒng)處理法少15%；處理量至12´104m3/h，江原處理法仍有成本優(yōu)勢；但到了18´104m3/h的處理量，傳統(tǒng)的方法則更為經(jīng)濟(jì)。近些年來，國際上關(guān)

16、于大功率加速器的研制與生產(chǎn)能力發(fā)生了較大的變化，俄羅斯、中國等國都具有較強(qiáng)的研究能力，已經(jīng)生產(chǎn)出不同規(guī)格的大功率加速器，在價格方面具有明顯的競爭優(yōu)勢。電子束輻射凈化煙道氣技術(shù)，長期以來，由于昂貴的大功率加速器售價造成系統(tǒng)一次性投資過高的狀況，已經(jīng)發(fā)生了根本的變化。作者在參考了有關(guān)最新數(shù)據(jù)，以10kW發(fā)電機(jī)組燃煤鍋爐為例，對照輻射法和化學(xué)法在經(jīng)濟(jì)上進(jìn)行比較，見表4-1所示。表4-1：輻射法與化學(xué)法經(jīng)濟(jì)比較（10萬kW發(fā)電機(jī)組燃煤鍋爐）重要參數(shù)一次性投資(萬元)占電廠總投資%耗電量占電廠發(fā)電量%占地面積m2脫硫%脫氮%副產(chǎn)物二次污染年綜合運(yùn)行成本（萬元）每度電增加成本（元）輻射法650010.81

17、.922009585化肥（NH4）2SO4NH4NO3無7000.010化學(xué)法950015.61.8315090少量石膏 廢水CaCO3Ca(HCO4)2有13000.013目前，國內(nèi)正在建造的電子束輻射脫硫裝置有杭州協(xié)聯(lián)，處理煙氣量305400m3/h，由日本荏原公司總承,總投資為7500萬元，單位造價相當(dāng)于750元/kW;在北京京豐電廠建造的輻射凈化裝置系統(tǒng)處理煙氣量630000m3/h，由中國物理研究院總承，造價9895萬元，單位造價相當(dāng)于660元/kW。與化學(xué)法比較，輻射法的一次性投資要低1/4 - 1/3左右。5、我國面臨的技術(shù)選擇中國是燃煤大國，煤炭是一次能源消費(fèi)的主要原料，大氣污

18、染主要為煤煙型污染。處于工業(yè)化發(fā)展的歷史階段，由于中國能源供需矛盾突出以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件的制約，幾乎所有燃煤鍋爐都未建立配套的煙氣處理系統(tǒng)，因此進(jìn)入二十世紀(jì)90年代，我國每年向大氣排放的二氧化硫總量在2000萬噸以上，其中燃煤電廠及其它大型工業(yè)企業(yè)排放的二氧化硫占排放總量的50%以上。進(jìn)入新世紀(jì)，控制燃煤電廠及其它工業(yè)企業(yè)的二氧化硫排放已成為治理我國大氣污染和酸雨危害的關(guān)鍵。可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略是我國社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基本國策，國家高度重視對酸雨和二氧化硫的污染控制，并采取了積極對策。國務(wù)院于1998年2月批復(fù)了國家環(huán)保局關(guān)于呈報審批酸雨控制區(qū)和二氧化硫污染控制區(qū)劃分方案的請示，批復(fù)要求：新建、改建燃煤含硫量大于1%的電廠，必須同步建設(shè)脫硫裝置，在2010年前要分期分批建成脫硫設(shè)施或采取其他具有相應(yīng)效果的減排二氧化硫的措施。2000年2月21日國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會發(fā)布了關(guān)于印發(fā)<火電廠煙氣脫硫關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備國產(chǎn)化規(guī)劃要點(diǎn)>的通知（國經(jīng)貿(mào)資源2000156號）通知指出：火電廠煙氣脫硫是控制二氧化硫污染的重要措施。煙氣脫硫關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備國產(chǎn)化是降低工程造價，加快火電廠二氧化硫治理速度，提高機(jī)電制造企業(yè)競爭能力，培育新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)的需要。此外，鑒于氮氧化物也是引起酸雨和大氣污染的主要因素之一，氮氧化物的排放的控制與治理也已提上議事日程，國家GB13223-1996火電廠污