CN102000503A

CN102000503A - 燃煤电厂光催化氧化烟气脱硫脱硝系统

Info

Publication number: CN102000503A
Application number: CN2010105889606A
Authority: CN
Inventors: 张�杰
Original assignee: WUHAN WISDOM TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: WUHAN WISDOM TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2010-12-10
Filing date: 2010-12-10
Publication date: 2011-04-06

Abstract

燃煤电厂光催化氧化烟气脱硫脱硝系统属于能源工程和环境工程交叉领域，应用于燃煤电厂烟气的同时脱硫脱硝。本发明的工艺路线是先用制氧机制得纯度为90％以上的氧气，将所制得的氧气引人光催化反应塔进行充分地反应，产生以

为主要组分的氧化物种。再将氧化物种和烟气(除尘后)同时引人氧化反应塔，烟气中的SO₂被氧化物种氧化成最终产物SO₃，NO和NO₂被氧化物种氧化成最终产物NO₃，氧化反应后的烟气通过吸收塔时SO₃和NO₃被吸收，完成烟气的同时脱硫脱硝过程。解吸时得到的副产物硝硫混酸由储存槽收集，是一种具有广泛用途的化工原料。本发明在一套装置(成套设备)内同时实现脱硫脱硝，且脱除效率高，无二次污染。

Description

燃煤电厂光催化氧化烟气脱硫脱硝系统

技术领域：

本发明属于能源工程和环境工程交叉领域，具体地说涉及一种燃煤电厂光催化氧化烟气脱硫脱硝系统。

背景技术：

燃煤产生的污染是我国大气污染的主要来源之一，在一次性能源消费量及其构成中，燃煤所占的比例高达70％左右，而我国的耗煤大户主要是燃煤电厂，其二氧化硫排放量占工业总排放量的55％左右，氮氧化物排放量占工业总排放量的43％左右。预计到2020年，我国的东北、华北、东南地区和四川盆地的SO₂排放量达3060万吨，NO_x排放量达2660万吨。因此削减和控制燃煤特别是燃煤电厂燃煤SO₂和NO_x污染，是目前我国大气污染控制领域最紧迫的任务之一。

烟气脱硫译自Flue Gas Desulfurization，以下简称FGD。目前，发达国家燃煤电厂大多安装了FGD装置。日本是世界上最早大规模应用FGD技术的国家，所用技术以石灰石/石膏法为主，占75％以上。美国的FGD技术研究较日本略迟，自20世纪70年代初开始。1978年美国重新修改了大气清洁法，否决了高烟囱排放，使FGD技术迅速发展，并取得了很大的进展。美国采用的脱硫工艺80％是石灰石/石膏法。欧洲的FGD技术以德国发展的最为迅速。德国在20世纪70年代后期，“黑森”大面积受害，不得不开展SO₂的防治工作。在引进日本、美国的先进技术的同时，立足于本国技术的开发。德国20世纪70年代末开始在燃煤电厂安装FGD装置。目前，德国90％以上的FGD装置采用石灰石/石膏法。此外，丹麦、芬兰、挪威、奥地利、荷兰等国对FGD技术也开展了大规模的研究，开发出许多先进工艺，如丹麦的SDA法，芬兰的LIFAC法、挪威的NID法和海水脱硫工艺，奥地利的DCFB循环流化床工艺以及荷兰的生物脱硫法等，不仅在本国安装了许多FGD装置，还向境外出口技术和设备。英国主张燃用低硫燃料及高烟囱稀释排放，而法国以核电为主，因此两国对FGD技术研究和应用不多。

我国早在20世纪70年代就开始了工业锅炉和火电厂锅炉的FGD技术的研究工作，先后有数十家高校、科研和生产单位对多种脱硫工艺进行了实验研究，取得了很多研究成果，涉及FGD技术的众多方法，但是多停留在实验阶段，没有大规模推广应用，只有少数单位如北京国电龙源环保和江苏苏源环保拥有自主知识产权的FGD技术。同时，我国相继引进了一批国外的先进技术，其中70％以上是日本的技术，如1993年重庆珞璜电厂引进的“湿式石灰石-石膏法”烟气脱硫装置；1996年山西太原第一发电厂引进的简易石灰石-石膏法脱硫装置，2006年江苏宜兴协联热电有限公司引进荷兰帕克环保公司的厌氧、好氧两步生物反应技术等。据初步测算，已向国外公司支付技术引进费3.2亿元，技术使用费3亿元。

纵观现有各项FGD技术，其建设投资较大，运行维护成本很高，厂家难以承受。以应用最为广泛的石灰石/石膏法湿式FGD装置为例，建设成本在200元/KW以上。但装机容量同样为300MW或600MW的两台燃煤发电机组，由于煤质相差大，如果脱硫效率均要求达到95％来满足排放的要求，其配套设施的参数就要发生显著的变化，从实际运行的情况来看，燃煤含硫量在3％(高硫煤)时的投资成本可达燃煤含硫1％(低硫煤)时的投资成本的1.5-2.5倍左右。运行成本主要包括电能消耗、脱硫剂消耗、工艺消耗及污水处理等，正常运行的平均费用为0.006-0.009元/千瓦·时，实际运行中甚至高达0.023元/千瓦·时。

燃煤电厂是NO_x最主要的排放源之一。氮氧化物已逐渐成为第一大酸性污染气体，同时也是主要温室气体之一。目前国家已强制性要求电厂专门建设烟气脱硝装置。由于控制大气污染的要求以及减排温室气体的压力，监管机构对脱硝的要求与对脱硫一样严格。

我国燃煤电厂普遍采用低NO_x燃煤技术，该技术虽然能在一定范围内控制NO_x的排放，但影响了煤的燃烧效率。对于采用该技术后仍不能使NO_x达标排放的发电机组，大多选用选择性SCR(Selective Catalytic Reduction)脱硝装置进行脱硝。我国部分锅炉厂和10多家环保工程公司分别引进了日本三菱和日立公司、美国B&W公司、德国德鲁奇和FBE公司、意大利TKC公司、丹麦托普索公司的烟气脱硝技术，承包建设的烟气脱硝机组已陆续投运约2000万KW，已有个别环保工程公司开发了具有知识产权的核心技术。选择性SCR装置的建设投资较大，且运行成本很高。初步分析，以2×30万KW新建机组为例，脱硝效率为85％，建设成本在150元/KW以上；现役机组受场地和设备改造的影响，投资较新建机组高。新建机组单位运行成本约为0.01元/KW·H(不含税，不变成本中受催化剂初装影响较大；可变成本中受机组运行小时数、负荷、催化剂更换费用影响较大)。现役机组运行费用高于新建机组，小机组运行费用高于大机组。

综上所述，目前我国燃煤电厂脱硫脱硝采用的是先用石灰石-石膏法脱硫，再用SCR法脱硝两步走的方式，建设两套装置。存在占地面积大，建设投资大，催化剂易中毒、设备易腐蚀、运行维护复杂、运行成本高等问题。因此开发设备简单、成本低、无二次污染的同时脱硫脱硝技术成为当前的主要研究方向。环保部环发[2010]10号文件发布的《火电厂氮氧化物防治技术政策》中明确指出“鼓励具有自主知识产权的烟气脱硝技术、脱硫脱硝协同控制技术以及氮氧化物资源化利用技术的研发和应用”。目前我国还有许多燃煤电厂至今仍未建设烟气脱硫脱硝装置，因此，烟气脱硫脱硝以及二氧化硫和氮氧化物排放总量控制还有很长的路要走。尽管开展烟气脱硫脱硝工作的道路颇为艰难，也应看到我国二氧化硫和氮氧化物治理前景非常广阔，国家在不断加强环保立法和执法力度，而且我们有庞大的烟气脱硫脱硝市场，这无疑给脱硫脱硝新技术的发展提供了一个广阔的舞台。

目前关于SO₂和NO_x的同时脱除还没有理想的方法，许多SO₂和NO_x的脱除工艺只是脱硫脱氮的简单联合，而没有真正达到SO₂和NO_x同时脱除的目的和效果。近年来，光催化氧化技术在环境污染物降解方面的研究受到了普遍关注。TiO₂是一种人们所熟知的光催化材料，特别是纳米TiO₂在紫外光的照射下具有强催化活性，其作为性能优良的光催化剂在有机污染物的降解方面取得了较大进展。在气相催化方面，对NO_x和SO₂的同时脱除已有一些相关研究。本质上来讲，运用光催化氧化技术实现烟气的同时脱硫脱硝，关键点是NO和SO₂氧化过程(NO→NO₂→NO₃、SO₂→SO₃)的实现。中国专利200610012526.7中公开了一种烟气光催化氧化同时脱硫脱硝的方法及装置，是将烟气直接引人光催化装置，光催化反应(产生氧化物种)和氧化反应(氧化物种氧化污染物)同在光催化剂表面发生，存在三个主要缺陷：(1)为保持光催化剂的活性，需要通过水蒸气发生器向反应器注入水，由于NO难溶于水，导致很多NO未能参加光催化氧化反应，脱硝效率很不理想；(2)采用氨水作为吸收剂，氨被净化烟气中剩余的·OH和

氧化生成NO，即在吸收的过程中产生了二次污染；(3)反应器型式与颗粒状光催化剂限制了该装置在大烟气量工况下的运用。

发明内容：

本发明的目的是为了克服目前使用的技术中燃煤电厂脱硫脱硝要分别建设脱硫装置和脱硝装置，占地面积大、建设投资大、运行维护复杂、运行成本高等缺点，同时弥补现有光催化氧化脱硫脱硝技术中诸多缺陷，提供一种占地面积小、建设投资小、运行维护简单、运行成本低廉的燃煤电厂光催化氧化脱硫脱硝系统，在一套装置(成套设备)内同时实现脱硫脱硝，且脱除效率高、无二次污染。本发明的工艺路线是先用制氧机制得纯度为90％以上的氧气，将所制得的氧气引人光催化反应塔进行充分地反应，产生以

为主要组分的氧化物种。再将氧化物种和烟气(除尘后)同时引人氧化反应塔，烟气中的SO₂被氧化物种氧化成最终产物SO₃，NO和NO₂被氧化物种氧化成最终产物NO₃，氧化反应后的烟气通过吸收塔时SO₃和NO₃被吸收，完成烟气的同时脱硫脱硝过程。解吸得到的副产物硝硫混酸由储存槽收集，是一种具有广泛用途的化工原料。图1是燃煤电厂光催化氧化烟气脱硫脱硝系统的工艺流程图，图2是燃煤电厂光催化氧化烟气脱硫脱硝系统结构示意图。本发明与现有光催化氧化烟气脱硫脱硝技术的不同之处在于：将光催化反应(产生氧化物种)和氧化反应(氧化物种氧化污染物)分置于不同的反应器中，既提高了光催化剂的效率，又强化了氧化污染物的效率，这是本发明的第一个创新点。本发明由制氧机、光催化反应塔、氧化反应塔、吸收塔、储存槽和控制单元组成。

制氧机：所制氧气为气态氧，低湿度且纯度在90％以上，通过氧压机输入光催化反应塔的第一部分；

光催化反应塔：光催化反应塔主体为被分隔成四个相等空间的长方体结构，流体从第一部分的一端流动到末端后进入第二部分，从第二部分的一端流动到末端后进入第三部分，如此，最后到达第四部分的末端；单口石英玻璃套管光催化剂通过网眼孔和密封件布置在光催化反应塔的各个部分内，形成规整的光催化剂阵列；单口石英玻璃套管光催化剂系采用冷气动力喷涂的方法，在单口石英玻璃套管外表面负载纳米TiO₂薄膜而成；单口石英玻璃套管光催化剂的内管中安装低压汞齐灯，用密封件封固，镇流器后面接装直流电流变送器；当氧气依次穿行光催化反应塔的各个部分时，由于光催化作用，产生以

为主要组分的氧化物种。

氧化反应塔：氧化反应塔的主体为一弧形管连接两个圆柱形管而形成的倒U形结构，在两个圆柱形管内安装的螺杆螺带叶轮装置，将除尘后的烟气以及氧化物种同时引人氧化反应塔，螺杆螺带叶轮装置使氧化物种与烟气中的SO₂、NO和NO₂充分接触而发生氧化反应，SO₂被氧化成SO₃，NO和NO₂被氧化成NO₃。

吸收塔：吸收塔内通过支承布置的吸收剂为含水泡沫陶瓷(泡沫陶瓷经过亲水处理，与水接触后其比表面是湿润的，故称为含水泡沫陶瓷)，吸收塔塔体为长方体结构，塔内顶部布置除雾器，除雾器下方布置喷淋装置，并安装温度变送器。吸收塔顶部排空处安装硫化物监测探头和氮氧化物监测探头。氧化烟气由增压风机从氧化反应塔引人吸收塔的底部，在通过吸收塔时SO₃和NO₃被吸收。当吸收达到平衡态时，吸收剂不在吸收SO₃和NO₃。此时吸收塔顶部排空处的硫化物和氮氧化物的浓度会逐步提高，安装在此处的硫化物监测探头和氮氧化物监测探头将数据传到烟气分析仪。硫化物和氮氧化物的浓度值作为控制参数，当它们超过设定的阀值时，喷淋装置等时向吸收剂喷淋，使吸收剂解吸，然后开始下一个吸收—解吸周期。由于烟气自身的温度以及吸收SO₃时的放热效应，吸收塔内的温度高于水和硝酸的沸点。为确保吸收塔的吸收效果，在吸收塔底部安装降温风机，利用新鲜空气使吸收塔内的温度保持在100℃以下。所述吸收塔的整体设计中，首次采用无机中性的含水泡沫陶瓷作为吸收剂，由自动控制的等时喷淋解吸，尽可能地降低副产物硝硫混酸中水分的含量，使其成为有用的化工原料，而不是变成酸性废水。这是本发明的第二个创新点。

储存槽：储存槽用于储存吸收塔解吸时产生的副产物硝硫混酸，安装有液位仪和自动罐装设备。当储存槽中的副产物硝硫混酸达到某一液位时，自动罐装设备将副产物硝硫混酸装入指定的罐(桶)中，形成化工原料待售或者待用。

监控单元：监控单元是由工控机及集成软件、烟气分析仪、PLC等控制器件构成的DCS。其功能为(1)与权利要求书中权利要求3所述的制氧机连接，控制制氧机的运行；(2)与权利要求书中权利要求4所述的光催化反应塔连接，监控光催化反应塔的运行；(3)与权利要求书中权利要求6所述的氧化反应塔连接，监控氧化反应塔的运行；(4)与权利要求书中权利要求7所述的吸收塔连接，监控吸收塔内的温度，控制吸收剂的解吸和除雾器的运行；(5)与权利要求书中权利要求8所述的储存槽连接，监控副产物硝硫混酸的液位并控制罐装设备的运行。

附图说明：

图1：燃煤电厂光催化氧化烟气脱硫脱硝系统工艺流程图

图2：燃煤电厂光催化氧化烟气脱硫脱硝系统结构示意图

1、制氧机

1.1、缓冲罐

1.2、制氧功能部分

1.3、氧压机

2、光催化反应塔

2.1、光催化反应塔第一部分

2.2、光催化反应塔第二部分

2.3、光催化反应塔第三部分

2.4、光催化反应塔第四部分

2.5、汞齐灯

2.6、单口石英玻璃套管光催化剂

2.7、氧压机

3、氧化反应塔

3.1、除尘后的烟气

3.2、螺杆螺带叶轮装置

3.3、螺杆螺带叶轮装置

3.4、增压风机

4、吸收塔

4.1、硫化物监测探头

4.2、氮氧化物监测探头

4.3、除雾器

4.4、喷淋装置

4.5、含水泡沫陶瓷

4.6、温度变送器

4.7、降温风机

5、储存槽

5.1、液位仪

5.2、自动灌装设备

6、控制单元

6.1、集成柜

6.2、工控机

图3：燃煤电厂光催化氧化烟气脱硫脱硝系统开发流程图

实施方式：

应用本发明所提供的技术方案，进行燃煤电厂光催化氧化脱硫脱硝系统成套设备开发时，主要工作是搭建PDMS-CAE协同开发平台，其关键点是通过中性文件的方式实现PDMS(Plant Design Management System)与CAE(Computer Aided Engineering)之间的数据传递，开发流程如图3所示。开发平台搭建完成后，输入烟气的原始参数、中间参数(由理论计算和实验确定)，即可得到采购清单(直接外购部分)、设备制造图纸和施工安装图纸。PDMS-CAE协同开发平台可实现工艺、仪表、设备、建安、电气及控制等专业的并行协同设计，为总承包项目供应链的所有伙伴提供共同的协作平台。这是本发明的第三个创新点。

Claims

1.燃煤电厂光催化氧化烟气脱硫脱硝系统，其特征在于其工艺路线是先用制氧机制得纯度为90％以上的氧气，将所制得的氧气引人光催化反应塔进行充分地反应，产生以

为主要组分的氧化物种。再将氧化物种和烟气(除尘后)同时引人氧化反应塔，烟气中的SO₂被氧化物种氧化成最终产物SO₃，NO和NO₂被氧化物种氧化成最终产物NO₃，氧化反应后的烟气通过吸收塔时SO₃和NO₃被吸收，完成烟气的同时脱硫脱硝过程。解吸时得到的副产物硝硫混酸由储存槽收集，是一种具有广泛用途的化工原料。

2.燃煤电厂光催化氧化烟气脱硫脱硝系统，其特征在于由制氧机、光催化反应塔、氧化反应塔、吸收塔、储存槽和监控单元组成。

3.根据权力要求2所述的制氧机，其特征在于所制氧气为气态氧，低湿度且纯度在90％以上。

4.根据权力要求2所述的光催化反应塔，其特征在于其主体为被分隔成四个相等空间的长方体结构，流体从第一部分的一端流动到末端后进入第二部分，从第二部分的一端流动到末端后进入第三部分，如此，最后到达第四部分的末端。

5.根据权力要求2所述的光催化反应塔，其特征在于单口石英玻璃套管光催化剂通过网眼孔和密封件布置在光催化反应塔的各个部分内，形成规整的光催化剂阵列；单口石英玻璃套管光催化剂系采用冷气动力喷涂的方法，在单口石英玻璃套管外表面负载纳米TiO₂薄膜而成；单口石英玻璃套管光催化剂的内管中安装低压汞齐灯，用密封件封固，镇流器后面接装直流电流变送器。

6.根据权力要求2所述的氧化反应塔，其特征在于(1)其主体为一弧形管连接两个圆柱形管而形成的倒U形结构；(2)在两个圆柱形管内安装螺杆螺带叶轮装置。

7.根据权力要求2所述的吸收塔，其特征在于(1)吸收塔塔体为长方体结构；(2)吸收剂为含水泡沫陶瓷；(3)塔内顶部布置除雾器；(4)除雾器下方布置喷淋装置；(5)安装有温度变送器；(6)吸收塔顶部排空处安装硫化物监测探头和氮氧化物监测探头；(7)吸收塔底部安装降温风机。

8.根据权力要求2所述的储存槽，其特征在于(1)用于储存吸收塔解吸时产生的副产物硝硫混酸；(2)安装有液位仪和自动罐装设备。

9.根据权力要求2所述的监控单元，其特征在于是由工控机及集成软件、烟气分析仪、PLC等控制器件构成的DCS，其功能为(1)控制制氧机的运行；(2)监控光催化反应塔的运行；(3)监控氧化反应塔的运行；(4)监控吸收塔内的温度，控制吸收剂的解吸和除雾器的运行；(5)监控副产物硝硫混酸的液位并控制罐装设备的运行。