通过将 H?O? 进行预氧化并与氨洗涤相结合的先进工艺，实现 NO/SO?/CO? 的协同去除。该工艺在技术经济方面的性能表现优异

《Fuel》：Techno-economic performance of an advanced process for synergistic removal of NO/SO 2/CO 2 via H 2O 2 pre-oxidation coupled with ammonia scrubbing

　　**摘要**
高昂的经济成本仍然是限制二氧化碳捕集技术大规模应用的主要挑战之一。本研究提出了一种先进的多种污染物去除工艺，用于燃煤电厂，通过H2O2预氧化结合氨洗涤实现NO、SO2和CO2的同时去除。对这种多污染物去除工艺的技术和经济性能进行了评估。结果表明，在处理过程中，从CO2吸收器中逸出的NH3将NO和SO2稳定转化为铵盐。通过结合NO/SO2去除和基于氨的CO2捕集单元，从CO2吸收器中逸出的NH3的回收效率超过了99.5%。在CO2捕集效率为80.22%的情况下，该先进工艺使得电厂的净效率降低了9.38个百分点，主要是由于CO2捕集单元中的解吸、制冷和压缩步骤所致。经济分析进一步表明，在这种CO2捕集效率下，避免的CO2成本为272.92元/吨CO2。与传统基于MEA或NH3的CO2捕集技术相比，该先进工艺具有显著的经济优势。此外，还探讨了碳税和碳价格对经济性能的影响，并确定了关键影响因素。这种多污染物同时去除工艺为燃煤电厂中的低成本CO2捕集以及NO和SO2污染物的资源化利用提供了一条替代技术路线。

**引言**
化石燃料（尤其是煤炭）的燃烧会导致大量二氧化碳（CO2）的排放，这是全球变暖的主要原因之一。目前，全球每年的CO2排放量超过410亿吨，大气中的CO2浓度已超过421 ppm [1] [2]。对于燃煤电厂烟气中的CO2捕集，基于化学吸收的后燃技术被认为是最具吸引力的选项之一，因为它具有广泛的应用性和高捕集能力 [3] [4]。胺类溶剂是最成熟和常用的吸收剂，但由于高解吸能耗导致了较高的运营成本 [5]。最近的研究开发了各种基于胺的吸收剂，如混合胺 [6]、无水胺 [7] [8] 和离子液体 [9]，以降低能耗。然而，高材料成本、热降解以及对SO2/NOx的敏感性仍然是限制其大规模应用的关键挑战 [10] [11]。因此，迫切需要开发更先进的CO2捕集吸收剂和技术，以适应燃煤电厂复杂的烟气条件。

**水合氨** 作为一种极具潜力的CO2捕集替代吸收剂，因其低成本、优异的化学稳定性和相对较低的能耗而受到关注 [12] [13]。更重要的是，它能够从烟气中去除NO和SO2，并生成铵盐作为副产品。许多研究系统地评估了基于氨的CO2捕集的技术和经济性能 [14] [15] [16]。Ullah等人 [17] 设计了一种结合稀蒸气压缩（LVC）和冷溶液分离（CSS）修改的基于氨的工艺，达到了超过85%的CO2捕集效率，并将CO2解吸能耗降低至2.70 GJ/吨CO2。与单乙醇胺（MEA）工艺相比，改进后的工艺在能耗方面显示出显著优势。为了验证基于氨的CO2捕集的实际应用性，CSIRO在澳大利亚Munmorah电厂进行了试点试验 [18] [19]。试点结果表明，即使在氨浓度仅为6 wt%的情况下，该系统的CO2捕集效率也保持在85%以上，SO2去除率超过95%。此外，Li等人 [20] 提出了一种多改进的基于氨的工艺，并评估了其经济性能。工艺优化将避免的CO2成本降低至53.2美元/吨CO2，比MEA工艺低21.9美元/吨CO2。尽管具有这些优势，但NH3的高挥发性仍是一个关键限制因素。具体来说，CO2吸收塔出口处的NH3浓度通常超过10,000 ppm，需要额外的资本投入和能源输入来控制NH3排放 [21]。解决NH3泄漏问题是促进基于氨的CO2捕集技术实际应用的关键。

**最新进展**
最近开发了一种集成技术，该技术利用从CO2吸收器中逸出的NH3来去除SO2和NO。这种创新方法能够在有效抑制NH3排放的同时同时去除多种污染物 [22] [23]。Li等人 [23] 研究了所提出的先进工艺在协同去除SO2和CO2方面的运行性能。该系统实现了99.9%的SO2去除率和NH3回收率，并具有出色的适应性，能够适应变化的烟气条件。Jiang等人 [14] 开发了一种包括两阶段NO/SO2去除、两阶段NH3回收和两阶段CO2捕集的集成工艺。在特定的烟气条件下，该工艺实现了85%的CO2捕集效率以及超过99%的SO2和NO去除效率。经济分析显示，这种联合去除工艺的避免CO2成本为46.2美元/吨CO2，显著低于基线NH3工艺（56.2美元/吨CO2）和MEA工艺（79.1美元/吨CO2）。Pan等人 [24] 提出了一种新颖的多级溶剂回收工艺，用于同时去除SO2和CO2。连续实验表明该工艺具有出色的运行稳定性。在典型的烟气条件下，该工艺实现了超过99%的SO2去除效率以及低至2.42 GJ/吨CO2的解吸能耗。此外，Yu等人 [25] 设计了另一种结合SO2去除、CO2捕集和CO2产品纯化的工艺。来自SO2吸收器的溶剂被用来回收从CO2吸收和解吸塔中挥发的NH3。这种优化工艺的NH3排放浓度低于40 ppm，能耗比传统NH3工艺降低了32%。鉴于上述研究，NH3洗涤技术在低成本CO2捕集以及同时去除NO和SO2方面具有巨大的应用潜力。

**NH3洗涤去除NO的效率受到限制**
由于NO（占燃煤烟气中NOx的95%以上）在水中的溶解度很低 [26] [27]，因此必须将NO氧化为高溶解度化合物，如HNO2和HNO3。一些研究人员提出向吸收剂中添加传统氧化剂（如NaClO和NaClO2）以实现NO的去除 [14] [28] [29]。然而，这些氧化剂仅在酸性条件下表现出优异的氧化能力，而基于氨的吸收剂本质上是碱性的，导致氧化效率低下。此外，直接将氧化剂加入吸收剂可能会产生有毒副产品，导致二次污染。相比之下，H2O2因其高氧化效率、温和的反应条件以及无有害副产品而受到广泛关注。在铁基催化剂的催化作用下，H2O2分解产生高活性的OH自由基，从而实现NO的有效氧化。Wu等人 [30] 研究了通过Fe2(SO3)4催化的H2O2分解去除NO和SO2的性能。研究表明，OH在NO去除中起关键作用，但在SO2去除中的作用较小。在H2O2与NO的摩尔比为2.5的情况下，SO2和NO的去除效率分别达到了99.8%和92.5%。Song等人 [31] 发现，金属掺杂的催化剂可以有效促进H2O2的分解，实现接近100%的SO2去除效率和超过94%的NO去除效率。此外，他们提出了用于电厂中SO2/NO同时去除系统的固定床和循环注入配置。Wang等人 [32] 也证明H2O2催化氧化可以实现高达90%的烟气NO去除效率。因此，将H2O2预氧化与传统氨洗涤相结合有望实现清洁和稳定的多污染物去除。这种组合配置允许烟气氧化和污染物吸收在各自的最佳条件下进行，从而确保高氧化效率并防止有害副产品的形成。尽管现有研究系统地研究了使用氨循环的NO/SO2/CO2共去除工艺，但大多数现有策略依赖于直接将氧化剂加入吸收剂以克服NO的低溶解度问题。仍需进一步研究通过H2O2预氧化结合氨吸收实现的协同去除的工艺设计和性能评估。

**主要内容**
本研究提出了一种通过整合H2O2氧化和NH3洗涤来协同去除燃煤电厂多种污染物的先进工艺。从气体吸收特性、NH3排放和NH3回收效率方面研究了该工艺的技术性能。此外，还进行了能耗分析，以确定工艺的电力消耗和由此导致的电厂净效率损失。基于平准化电力成本（LCOE）和避免的CO2成本评估了经济性能，并通过敏感性分析考察了各种因素对经济性能的影响。进一步探讨了碳税和碳价格对工艺投资效益的影响。本研究的核心目标和创新点在于实现低成本CO2捕集以及NO和SO2污染物的有效转化。

**图1** 展示了来自360 MW燃煤电厂的烟气（SO2浓度1000 ppm、NO浓度500 ppm、CO2流量303.9 t/h）的多污染物控制工艺（MPC）。该工艺主要包含以下四个步骤：烟气氧化、硫和氮化合物的去除、水分分离和CO2捕集。烟气的具体成分见表S1。500 ppm NO和1000 ppm SO2的设定值代表了燃煤电厂的常规入口污染物水平。

**MPC工艺的技术性能**
工艺模拟分为两个阶段，在前18个循环期间未进行侧流提取，以研究铵盐的积累模式。随后进行了侧流提取模拟，以验证工艺操作的稳定性。根据每个循环中NH4+浓度的增加率，计算出侧流提取的比例约为5.82%。

**结论**
本研究提出了一种结合H2O2预氧化和基于氨的洗涤的燃煤电厂集成多污染物控制工艺，实现了NO、SO2和CO2的协同去除。技术分析表明，该工艺实现了稳定且高效的多污染物去除性能。烟气中的NO被H2O2氧化为高溶解度的HNO3，然后通过与CO2吸收器中逸出的NH3一起被完全吸收。NH3的回收效率为...

**作者贡献声明**
Jiaxing Du：撰写——原始草案、软件、方法论；
Qingqing Liang：验证、监督；
Yifan Wang：调查、数据整理；
Hui Xu：资源、调查；
Linlin Xu：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取；
Yan Liang：方法论；
Guangying Wang：调查；
Lei Bei：软件、形式分析；
Chuanwei Li：调查；
Zewei Zhang：数据整理；
Lushi Sun：撰写——审阅与编辑、监督、资源获取。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文报告的工作。

**致谢**
本研究得到了中国国家自然科学基金（52506136）、中国国家重点研发计划（2026ZD1702600, 2024YFC3908202）和湖北省自然科学基金（2025AFB114）的支持。作者还感谢华中科技大学分析与测试中心的支持。

**作者名单**
Jiaxing Du | Qingqing Liang | Yifan Wang | Hui Xu | Linlin Xu | Yan Liang | Guangying Wang | Lei Bei | Chuanwei Li | Zewei Zhang | Lushi Sun
华中科技大学煤炭燃烧国家重点实验室，中国湖北省武汉市430074