氨法聯合脫硫脫氮技術
摘要：煤炭的燃燒釋放大量的SOx 和NOx，分段脫除設備造價昂貴，運行費用高，所以現有技術的大規模普及還存在很多問題。隨國內氨法聯合脫硫脫氮技術的發展，阻礙氨法脫硫脫氮技術的難點已被各技術供應商采用各自不同的方法取得了突破，氨法脫硫脫氮技術正不斷完善，隨著氨法脫硫脫氮技術業績的增加，其難以估量的應用前景將顯現出來。
關鍵詞：燃燒, 煙氣, 氨法, 脫硫, 脫氮
煤炭的燃燒釋放大量的SOx 和NOx，由于我國煤炭資源豐富且價廉，所以煤長期以來是我國的主要能源，并且這一消費結構在短期內不會改變，因此我國的“煤煙型”污染也日益嚴重。據統計，我國每年SOx 和NOx 的排放量約為2000 萬噸和770 萬噸。每年因SO2和NOx 形成酸雨造成的損失達1100 億元。因此有效地脫除煙氣中的SO2 和NOx，已成為保護環境、造福人類的緊迫任務。
由于SOx、NOx 分段脫除設備造價昂貴，運行費用高，所以現有技術的大規模普及還存在很多問題。隨國內氨法聯合脫硫脫氮技術的發展，阻礙氨法脫硫脫氮技術的難點已被各技術供應商采用各自不同的方法取得了突破，氨法脫硫脫氮技術正不斷完善，隨著氨法脫硫脫氮技術業績的增加，其難以估量的應用前景將顯現出來。本文著重對氨法聯合脫硫脫氮技術的發展、機理和不同技術的特點進行簡述。
1 氨法脫硫脫氮的技術原理
（1）對 SO2 的吸收過程液氨溶于水，反應式如下：
NH3＋H2O→NH4OH （1）
氨水吸收SO2，反應式如下：
2NH4OH＋SO2→（NH4）2SO3＋H2O （2）
（NH4）2SO3＋SO2＋H2O→2NH4HSO3 （3）
NH4HSO3＋NH4OH→（NH4）2SO3＋H2O （4）
在吸收液循環使用過程中，式（3）是吸收SO2 最有效的反應，通過補充新鮮水（4）或其它置換方法來保持亞硫酸銨[（NH4）2SO3]的一定濃度。
（2）對NOx 的轉化（還原為氮氣）過程
2NO＋4NH4HSO3→N2＋（NH4）2SO4＋SO2＋H2O （5）
2NO＋4NH4HSO3→N2＋4（NH4）2SO4＋SO2＋4H2O（6）
4NH3＋4NO＋O2→6H2O＋4N2 （7）
4NH3＋2NO2＋O2→6H2O＋3N2 （8）
4NH3＋6NO→6H2O＋5N2 （9）
8NH3＋6NO→12H2O＋7N2 （10）
2 氨法分類及各類氨法簡介
氨法脫硫脫氮工藝都是根據氨與 SO2、NOx、水反應成脫硫產物的基本機理而進行的，主要有濕式氨法、電子束氨法、脈沖電暈氨法、簡易氨法等。
2.1 電子束氨法（EBA 法）與脈沖電暈氨法（PPCP 法）
電子束氨法與脈沖電暈氨法分別是用電子束和脈沖電暈照射噴入水和氨。已降溫至70℃左右的煙氣，在強電場作用下部分煙氣分子電離，成為高能電子，高能電子激活、裂解、電離其他煙氣分子，產生OH、O、HO2 等多種活性粒子和自由基。在反應器里，煙氣中的SO2、NO 被活性粒子和自由基氧化為高階氧化物SO3、NO2，與煙氣中的H2O 相遇后形成H2SO4 和HNO3，在有NH3 或其它中和物注入情況下生成（NH4）2SO4/NH4NO3 的氣溶膠，再由收塵器收集。脈沖電暈放電煙氣脫硫脫氮反應器的電場本身同時具有除塵功能。這兩種氨法能耗和效率尚要改進，主要設備如大功率的電子束加速器和脈沖電暈發生裝置還在研制階段。
2.2 簡易氨法
簡易氨法已商業化的有 TS、PS 氨法脫硫工藝等，主要利用氣相條件下的H2O、NH3 與SO2、NOx 間的快速反應設計的簡易反應裝置，嚴格地講簡易氨法是一種不回收的氨法，其脫硫產物大部分是氣溶膠狀態的不穩定的亞銨鹽，回收十分困難，氨法的經濟性不能體現；且脫硫產物隨煙氣排空后又會有部分分解出SO2，形成二次污染。所以，該工藝只能用在環保要求低、有廢氨水來源、不要求長期運行的裝置上。
2.3 濕式氨法
濕式氨法是目前較成熟的、已工業化的氨法脫硫脫氮工藝。濕式氨法工藝過程一般分成三大步驟：脫硫吸收、中間產品處理、副產品制造。根據過程和副產物的不同，濕式氨法又可分為氨-硫銨肥法、氨-磷銨肥法、氨-酸法、氨-亞硫酸銨法等。
3 氨法脫硫脫氮的技術優點
3.1 適用范圍廣，不受燃煤含硫量、鍋爐容量的限制
由于吸收劑氨比石灰石或石灰活性大，因而氨法脫硫裝置對煤質變化、鍋爐負荷變化的適應性強。這在我國能源供應緊張、來什么煤燒什么煤的情況下，更顯現出它的優勢。氨法脫硫的特點之一是煤中含硫越高，硫酸銨的產量就越大；同時，煤也越便宜，業主所得到的利潤就越大。
3.2 反應速度快，吸收劑利用率高、脫除效率高
①氨水無論是以液態還是以氣態參與反應，同 SOx、NOx 之間都是均相反應；而鈣質脫硫劑無論是以粉狀還是以漿狀投入，同反應物之間均是異相反應，反應僅在其表面進行，反應產物封閉表面后，顆粒內部成分很難得到利用，即使增加反應時間，也僅能獲得在擾動中顆粒破碎的好處。這種情況也不能用催化劑加以改善。
②從吸收化學機理上分析，SO2 的吸收是酸堿中和反應，吸收劑堿性越強，越有利于吸收，氨的堿性強于鈣基（石灰石，石灰）。從吸收物理機理上分析，鈣基吸收劑吸收SO2 是氣-固反應，反應速度較慢，而且反應不完全，吸收劑利用率低；為此需要將其磨細、霧化、循環等過程以提高吸收劑的利用率，但將使整個系統能耗增加。而氨吸收SO2 是氣-液反應或氣-氣反應，反應速率快，反應完全，吸收劑利用率高，脫硫效率也高。
③從反應動力學上看，二者在反應速率、反應進行完全程度上相差數個數量級。
3.3 脫硫劑用量小、無廢渣、廢水
吸收單位物質量的硫氧化物所需氨的重量及其反應產物處理量都顯著小于鈣脫硫劑，這是由反應物質本身的分子量、脫硫劑純度、脫硫劑利用率等幾方面決定的。
①從反應物質的量來看，吸收1 摩爾的SO2，需要2 摩爾的NH3，或1 摩爾的CaO 或Ca（OH）2 或CaCO3，相比較2 摩爾NH3 的物質量最小。
②從脫硫劑的利用率來看，氨法可達90%以上；鈣法僅能到20%或50%。
③從物料來源及純度看，商品液氨的純度近似于100%；而石灰石中CaCO3 的含量一般僅為50%，燒成石灰后，CaO 的含量一般也在50%的水平。
④從反應生成物看，等摩爾的CaSO4 雖只略重于（NH4）2SO4，但鈣脫硫劑中的大量雜質和未能有效參與反應利用的成分必須作為廢渣處理，由CaCO3 產生的大量CO2 也是污染物。
3.4 氨法工藝的熱利用效率高
分別以氨水、石灰、熟石灰和石灰石粉作脫硫劑，吸收1 摩爾SO2 的焓變如下面四式所示：
2NH3（g）＋H2O（L）＋SO2（g）＋1/2O2→（NH4）2SO4（ag）＋543.4 kJ·mol-1（11）
CaO（s）＋SO2（g）＋1/2O2→CaSO4（ag）＋520.1kJ·mol-1（12）
Ca（OH）2（s）＋SO2（g）＋1/2O2→CaSO4（ag）＋H2O（L）＋454.9 kJ·mol-1（13）
CaCO3（s）＋SO2（g）＋1/2O2→CaSO4（ag）＋CO2（g）＋341.9 kJ·mol-1（14）
可見，以氨為脫硫劑時，熱效應最好。
此外，氨劑可達到充分利用，不會無效地帶走熱量；鈣質脫硫劑未有效利用部分，包括其中的雜質和未參加反應的成分，以環境溫度進入爐膛或煙道，然后以某一較高溫度移出系統，帶走大量熱能。
3.5 適合中國的國情
中國氨的資源豐富，每年氨的產量達 3600 多萬噸，世界第一。有400 多個生產氨的化肥廠，產地遍及全國各地。中國耕地經調查大面積缺硫（在土壤里硫含量＜6×10-10 即為缺硫），聯合國糧油組織已確定除了氮（N）、磷（P）、鉀（K）外，硫（S）是植物第四營養元素，它能顯著使農作物和蔬果增產。在歐美硫和氮、磷、鉀一樣賣錢，它的需求量和磷一樣多。我們用氨法進行燃煤煙氣脫硫得到副產品硫酸銨肥料，氨是從肥料中來，又回到肥料中去，不影響氨的平衡使用。中國本身就有廣闊的市場，據農業權威部門介紹，中國每年需要硫酸銨化肥約400 萬噸，目前每年只生產60 萬噸，需求平衡相差甚遠。所以說，氨法煙氣脫硫完全適合中國能源、農業的發展和環境綜合治理的國情。
4 結論
綜上所述，氨法聯合脫硫脫氮工藝有自己的鮮明特點，脫硫效率高，脫硫脫氮一舉兩得；不產生廢渣、廢水；脫硫劑利用充分、耗量小、具有節能功效。從實際運行效果看，其脫硫率可滿足各地環保的要求，運行費用低，氨法脫硫是較適宜中國國情的一項煙氣脫硫技術，具有廣闊的應用前景。
隨著國內氨法脫硫技術的發展，氨法脫硫裝置的投資已能低于鈣法，阻礙氨法脫硫技術的難點已被各技術供應商采用各自不同的方法取得了突破，氨法脫硫技術正不斷完善，隨著氨法脫硫脫氮技術業績的增加，其難以估量的應用前景將顯現出來，在技術日益進步的現今時代氨法煙氣脫硫技術應具有很大的應用潛力。
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