1　烟气脱硫技术

1.1　污染与控制

1.1.1　燃料的污染

大气是人类赖以生存的最基本的环境要素，它不仅通过自身运动进行热量、动量和水资源分布的调节过程，给人类创造了一个适宜的生活环境，并且阻挡过量的紫外线照射地球表面，有效地保护人类和地球上的生物。但是，随着人类生产活动和社会活动的增加，特别是自工业革命以来，由于大量燃料的燃烧、工业废气和汽车尾气的排放，使大气环境质量日趋恶化。在各类大气污染物中，最重要的是燃煤引起的污染。燃煤二氧化硫和氮氧化物污染控制是目前我国大气污染控制领域最紧迫的任务。

大气污染引起的环境问题主要是全球变暖、臭氧层破坏和酸雨。其中酸雨（或称之为酸沉降）是人为和天然排放的SOx（SO2和SO3）和NOx（NO和NO2）所引起的。天然源一般是全球分布的，而人为排放的SOx和NOx都具有地区性分布的特征。联合国环境规划署（UNEP）的最新估算指出，天然硫排放量占全球硫排放总量的50％。但局部地区人为排放量占该地区总排放量的90％以上，而天然源排放量仅占4％，其余的6％来自其他地区。因此，控制人为SOx和NOx排放非常重要。

煤作为我国的主要一次能源，在电站锅炉、工业锅炉、各种相关工业领域的动力设备以及部分城市居民和广大农村居民的日常生活等的能源消耗中占有很大的比例。特别是近年来随着我国经济的发展，对电的需求大幅度地增加，极大地增加了煤的消耗。由于大量煤在燃烧过程中释放出CO2、SO2、NOx、粉尘等污染物而带来严重的环境问题，也促进了煤的洁净燃烧技术的研究与发展。

1.1.2　污染的排放

1.1.2.1　污染的来源

煤、石油、天然气等石化燃料的燃烧会产生二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）和颗粒物等污染物的排放，其中煤燃烧产生的污染最为严重，属不清洁能源，而石油、天然气等经过前处理（如脱硫），燃烧产生的污染较轻，属于清洁能源。目前世界各国的能源结构中煤的比例已下降到22.4％，低于天然气的25.5％。随着工业和经济的发展，我国原煤产量由1949年的3200万吨增长至1998年的12.95亿吨，原油产量由12万吨增长至16100万吨，天然气产量由700万立方米增长至233.3亿立方米。能源生产的年平均增长率高达9％。在一次能源消费量及构成中，虽然原煤占能源消费总量的比例与20世纪50～60年代相比，有较大幅度的下降，但至今仍高达70％左右，并且近期内不会有根本性变化。煤为主的能源结构，意味着能源系统的整体效率低下，大量建立在气、液燃料基础上的先进的能源转换和终端利用技术不能适用于煤。煤生产和消费系统既给我国造成了巨大的运输压力，又带来了严重的污染。

1.1.2.2　燃煤SO2的排放

煤是一种低品位的化石能源，我国的原煤中灰分、硫分含量较高，大部分煤的灰分在25％～28％之间，硫分含量变化范围较大，从0.1％至10％不等。1995年我国商品煤的平均含硫量为1.13％。煤中的硫根据其存在形态，可分为有机硫、无机硫两大类。有机硫是指与煤的有机结构相结合的硫，如硫醇类化合物（R-SH）、硫醚（R-S-R）、二硫醚酸（R-S-S-R）、噻吩类杂环硫化物和硫醌化合物等。无机硫是以无机物形态存在的硫，通常以晶粒状态夹杂在煤中，如硫铁矿硫和硫酸盐硫，其中以黄铁矿硫（FeS2）为主，还有少量的白铁矿（FeS2）、砷黄铁矿（FeAsS）、黄铜矿（CuFeS2）、石膏（CaSO4·2H2O）、绿矾（FeSO4·7H2O）、方铅矿（PbS）、闪锌矿（ZnS）等。此外，有些煤中还有少量的单质状态存在的单质硫。

根据能否在空气中燃烧，煤中硫又可分为可燃硫和不可燃硫。有机硫（So）、硫铁矿硫（Sp）和单质硫（Sei）都能在空气中燃烧，属可燃硫。在煤燃烧过程中不可燃硫残留在煤灰中，所以又称固定硫，硫酸盐硫（Ss）就属于固定硫。煤中各种形态硫的总和称为全硫（St），即St=Ss+Sp+Sei+So。可燃烧硫及其化合物在高温下与氧发生反应生成SO2，其反应可用如下方程式表示：

在空气过剩系数α=1.15时，燃用含硫量为1％～4％的煤，标态下烟气中SO2含量约3143～10000mg/m3。一般燃煤烟气中SO3的浓度相当低，即使在贫燃料状态下，生成的SO3也只占SO2生成量的百分之几，但它却是决定烟气露点高低的最重要因素。研究表明，当烟气中的SO3占0.005％时，可使烟气露点提高到150℃以上。在富燃料状态下，除生成SO2外，还会生成一些其他硫的化合物，如一氧化硫（SO）及其二聚物［（SO）2］，还有少量的一氧化二硫（S2O），但由于它们的化学反应能力强，所以在各种氧化反应中仅以中间体形式出现。

我国SO2排放量与煤消耗量有密切关系，1983～1991年两者的相关系数达到0.96。随着燃煤量的增加，燃煤排放的SO2也不断增长，已超过欧洲和美国，近几年排放量虽有下降，但仍居世界第一位。表1-1为我国近几年的SO2排放量。

有研究表明，按照我国目前的能源政策，2010年一次性能源供应结构中煤仍将分别占68.3％和63.1％。若不采取有效的削减措施，2020年我国SO2排放量将达到3500万吨。我国的耗煤大户主要是火电厂，其次是工业锅炉和取暖炉。因此，削减和控制燃煤特别是火电厂燃煤SO2污染，是我国能源和环境保护部门面临的严峻挑战。

1.1.2.3　燃煤NOx的排放

人为排放NOx的90％以上来源于煤、石油、天然气等石化燃料的燃烧过程，其中NO约占90％，其余为NO2。燃烧过程生成的NOx主要有燃料NOx、热力NOx、快速NOx，后两者与燃烧状态有关。我国燃煤电厂在1989年NOx的排放量约为130万吨，2000年排放量为290万吨，再加上其他燃煤排放及机动车排放的NOx估计2000年我国的NOx排放量为1170万吨。

1.1.3　控制的策略

在国际公约方面，早在1979年30多个国家以及欧盟签署了长距离跨越国界大气污染物公约，并于1983年生效。根据该协议，1985年21个国家承诺1980～1993年期间，至少削减30％的SO2；1994年经26个国家签署，达成了第二次硫化物议定书，对每个国家设定限值，到2000年欧洲在1980年的水平上，可削减45％的SO2，到2010年削减51％；1999年在瑞典哥德堡20个国家签署了缓解酸化、富营养化和地面臭氧议定书，对四种主要污染物制定了2010年国家排放限值，据此，欧洲国家在1990年水平上可削减63％的SO2、40％的NOx及挥发性有机化合物（VOC）、17％的氨（NH3）。

为控制大气污染，我国20世纪70年代就开始制定有关环境空气质量标准和大气污染物排放标准，到目前已建立了较为完善的国家大气污染物排放标准体系。在该体系中，按照综合性排放标准与行业标准不交叉执行的原则，如锅炉执行GB 13271—2014《锅炉大气污染物排放标准》、火电厂执行GB 13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》、炼焦炉执行GB 16171—2012《炼焦化学工业污染物排放标准》等，其他还未有专门标准的污染源排放大气污染物均执行GB 16297—2012《大气污染物综合排放标准》。