火力發(fā)電廠煙氣脫硫工藝淺析

韓永軍 ,李松田

(平頂山學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院 ,河南平頂山 467000)

火力發(fā)電廠煙氣脫硫工藝淺析

韓永軍 ,李松田

(平頂山學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院 ,河南平頂山 467000)

介紹了工業(yè)鍋爐煙氣脫硫技術(shù)的概況,對(duì)不同的煙氣脫硫技術(shù)的作了評(píng)述。與尾部煙氣脫硫相比,CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫具有初投資低、運(yùn)行成本低、燃燒與脫硫同時(shí)進(jìn)行、沒有副產(chǎn)品和二次污染優(yōu)點(diǎn),建議加以大力推廣。

二氧化硫 ;脫硫技術(shù) ;火力發(fā)電

1 引言

二氧化硫是造成大氣污染及酸雨不斷加劇的主要原因[1],2006年我國(guó)的 SO2排放量達(dá)到 2 588.8萬(wàn) t。我國(guó)燃煤火電廠是 SO2排放的主要來(lái)源,約占全國(guó) SO2排放量的 50%。目前,我國(guó)主要污染物排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過環(huán)境容量。為了改善環(huán)境狀況,遏制酸雨發(fā)展,國(guó)家環(huán)境保護(hù)“十一五”規(guī)劃對(duì) SO2的控制目標(biāo)為：“十一五”末 SO2排放總量比 2005年減少 10%。在規(guī)劃中,火電廠建設(shè)脫硫設(shè)施作為消減SO2排放量的重點(diǎn),超過國(guó)家二氧化硫排放標(biāo)準(zhǔn)或總量要求的燃煤火電廠,必須安裝脫硫設(shè)施。

2 脫硫工藝簡(jiǎn)介

目前,世界上火力發(fā)電廠所采用的脫硫工藝達(dá)數(shù)百種之多。按脫硫工藝在生產(chǎn)中所處的部位不同可分為：燃燒前脫硫、燃燒脫硫和燃燒后脫硫 (即煙氣脫硫)[2]。在這些脫硫工藝中,有的技術(shù)較為成熟,已經(jīng)達(dá)到工業(yè)應(yīng)用的水平,有的尚處于試驗(yàn)研究階段[3]。本文對(duì)目前技術(shù)較為成熟、在電廠煙氣脫硫中有一定應(yīng)用的的脫硫工藝進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

2.1 石灰石—石膏濕法脫硫工藝

石灰石—石膏濕法脫硫工藝是目前世界上應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最為成熟的 SO2脫除技術(shù)之一,約占全部安裝 FGD容量的 70%。它是以石灰石為脫硫吸收劑,通過向吸收塔內(nèi)噴入吸收劑漿液,使之與煙氣充分接觸、混合,并對(duì)煙氣進(jìn)行洗滌,使得煙氣中的SO2與漿液中的碳酸鈣以及鼓入的強(qiáng)制氧化空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng),最后生成石膏,達(dá)到脫除 SO2的目的。

2.1.1 工藝特點(diǎn)

該工藝具有脫硫率高、技術(shù)成熟,運(yùn)行可靠性高、吸收劑利用率高、對(duì)煤種變化的適應(yīng)性強(qiáng),能適應(yīng)大容量機(jī)組和高濃度 SO2煙氣條件、吸收劑價(jià)廉易得且利用率高、副產(chǎn)品具有綜合利用的商業(yè)價(jià)值等特點(diǎn)。

2.1.2 工藝流程

石灰石—石膏濕法脫硫工藝采用價(jià)廉易得的石灰石作脫硫吸收劑。將石灰石塊破碎磨細(xì)成粉狀與水混合攪拌制成漿液,石灰漿液經(jīng)泵打入吸收塔與煙氣充分接觸,使煙氣中的 SO2與漿液中的氧化鈣進(jìn)行反應(yīng)生成亞硫酸鈣,從吸收塔下部漿池鼓入氧化空氣使亞硫酸鈣氧化成硫酸鈣,硫酸鈣達(dá)到一定飽和度后,結(jié)晶形成二水石膏。從吸收塔排出的石膏漿液經(jīng)濃縮、脫水,使其含水量小于 10%,然后用輸送機(jī)送至石膏堆放庫(kù)堆放。脫硫后的煙氣經(jīng)過除霧器除去霧滴后,由煙囪或冷卻塔排入大氣。

2.2 氧化鎂法

氧化鎂脫硫技術(shù)是一種成熟度僅次于鈣法的脫硫工藝,在化學(xué)反應(yīng)活性方面氧化鎂要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鈣基脫硫劑,并且由于氧化鎂的分子量較碳酸鈣和氧化鈣都小。因此其它條件相同的情況下氧化鎂的脫硫效率要高于鈣法的脫硫效率。

2.2.1 工藝特點(diǎn)

氧化鎂的脫硫機(jī)理與氧化鈣的脫硫機(jī)理相似,都是堿性氧化物與水反應(yīng)生成氫氧化物,再與 SO2溶于水生成的亞硫酸溶液進(jìn)行酸堿中和反應(yīng),氧化鎂反應(yīng)生成的亞硫酸鎂和硫酸鎂再經(jīng)過回收 SO2后進(jìn)行重復(fù)利用或者將其強(qiáng)制氧化全部轉(zhuǎn)化成硫酸鹽制成七水硫酸鎂。一般情況下氧化鎂的脫硫效率可達(dá)到 95%～98%以上,而石灰石/石膏法的脫硫效率僅達(dá)到90%～95%左右。

2.2.2 工藝流程

從吸收塔排出的亞硫酸鎂漿液經(jīng)濃縮、脫水,使其含水量小于 10%,用輸送機(jī)送至亞硫酸鎂儲(chǔ)藏罐暫時(shí)存放,按副產(chǎn)物的使用情況用密封罐車運(yùn)走。亞硫酸鎂的純度與氧化鎂純度和進(jìn)入吸收塔的飛灰、雜質(zhì)含量有關(guān)。脫硫后的煙氣經(jīng)吸收塔內(nèi)置的特殊電流裝置除去煙氣中粒徑大于 0.01μm的物質(zhì)后,含塵量可以達(dá)標(biāo)排放。

2.3 循環(huán)流化床半干法

煙氣循環(huán)流化床脫硫工藝干法脫硫工藝是以循環(huán)流化床為原理,通過物料在床內(nèi)的內(nèi)循環(huán)和高倍率的外循環(huán),使得吸收劑與 SO2間的傳熱傳質(zhì)交換強(qiáng)烈,吸收劑內(nèi)的傳質(zhì)過程強(qiáng)烈,固體物料在床內(nèi)的停留時(shí)間為 30～60 min,且運(yùn)行溫度可降至露點(diǎn)附近,從而大大提高了吸收劑的利用率和脫硫率。

2.3.1 工藝特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的石灰石濕法工藝相比,該工藝具有以下主要特點(diǎn)：具有一定的脫硫效率 (Ca/S=1.1～1.5時(shí),達(dá)80%,);投資費(fèi)用低,僅為濕法的1/2～2/3,運(yùn)行費(fèi)用和脫硫成本中等;系統(tǒng)簡(jiǎn)單,可靠性高,維修費(fèi)用低;占地面積小,適合現(xiàn)有機(jī)組的改造;能源消耗低,如電耗、水耗等僅為濕法工藝的一半;對(duì)鍋爐負(fù)荷變化的適用性強(qiáng),負(fù)荷跟蹤特性好,啟停方便,可在 30%負(fù)荷時(shí)投用,適用于可能的調(diào)峰機(jī)組;無(wú)脫硫污水排放,且脫硫副產(chǎn)品呈干態(tài),不會(huì)造成二次污染,對(duì)綜合利用和處置堆放有利。

2.3.2 工藝流程(見圖 1)

圖 1 循環(huán)流化床半干法工藝流程

該工藝一般采用干態(tài)的消石灰粉作為吸收劑,在特殊情況下也可采用其它對(duì) SO2氣體有吸收能力的干粉或漿液做吸收劑。該工藝產(chǎn)生的脫硫副產(chǎn)品呈干粉狀,其化學(xué)組成與噴霧干燥工藝的副產(chǎn)品相類似,主要是 CaSO3、CaSO4以及未完全反應(yīng)的吸收劑 Ca(OH)2等構(gòu)成。脫硫副產(chǎn)品中是否含有大量的飛灰,則取決于脫硫系統(tǒng)前是否安裝了前級(jí)除塵器。脫硫副產(chǎn)品的處置方法也與噴霧干燥的副產(chǎn)品基本相同。

2.4 氨法

氨法脫硫?qū)佥^為成熟的一種脫硫工藝,該脫硫工藝以氨水為吸收劑,副產(chǎn)品為硫酸銨化肥。

2.4.1 工藝特點(diǎn)

工藝的主要特點(diǎn)有：脫硫率高,可達(dá) 99%以上;可除去全部 SO3;電耗較低;副產(chǎn)品為高質(zhì)量的可商用的硫酸銨肥料,據(jù)資料介紹 1 t氨與 2 t SO2反應(yīng)可得到約 4 t硫酸銨肥料,銷售硫酸銨肥料的收益,可抵銷一部分運(yùn)行費(fèi)用;目前采用的傳統(tǒng)的石灰石—石膏濕法脫硫裝置可改造成為氨法洗滌裝置,部分現(xiàn)有設(shè)備仍可利用,以節(jié)省投資。它的主要缺點(diǎn)是：存在氨腐蝕和煙囪冒白煙現(xiàn)象。

2.4.2 工藝流程

高效除塵后的煙氣經(jīng)噴水冷卻到飽和溫度從下部進(jìn)入洗滌塔。若煙氣中含塵濃度較高,則需增設(shè)一個(gè)噴水冷卻除塵裝置,以提高副產(chǎn)品硫酸銨的純度。飽和煙氣在一體化床式洗滌塔內(nèi),先后通過二段循環(huán)床式洗滌區(qū),煙氣與自上而下噴淋的洗滌液逆行,在床體中液、氣進(jìn)行劇烈地接觸反應(yīng),SO2基本上被完全吸收。當(dāng)煙氣中 SO2濃度較大(1 000× 10-6以上)時(shí),脫硫系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生銨鹽的氣溶膠 (亞微米粒子),為此,在洗滌塔下游安裝了濕式電除塵器(WESP),以除去脫硫煙氣中的氣溶膠,使煙囪出口不冒白煙。凈化后煙氣排入煙囪。

2.5 循環(huán)硫化床技術(shù)(CFB)鍋爐爐內(nèi)脫硫法

2.5.1 工藝特點(diǎn)

CFB即循環(huán)流化床技術(shù)。與傳統(tǒng)的石灰石濕法工藝相比,CFB工藝具有以下主要特點(diǎn)：脫硫率高(Ca/S=1.5～3.5時(shí),可達(dá) 90%以上);投資費(fèi)用低,約為濕法的 1/10;運(yùn)行費(fèi)用和脫硫成本低,約為濕法的 1/3;占地面積小,適合現(xiàn)有機(jī)組的改造;能源消耗低,如電耗僅為濕法工藝的 5%、無(wú)水耗等;對(duì)鍋爐負(fù)荷變化的適用性強(qiáng),負(fù)荷跟蹤特性好,啟停方便,可在任何負(fù)荷時(shí)投用,適用于可能的調(diào)峰機(jī)組;無(wú)脫硫污水排放,且脫硫副產(chǎn)品呈干態(tài),不會(huì)造成二次污染,對(duì)綜合利用和處置堆放有利。

2.5.2 工藝流程

CFB鍋爐一般采用向爐內(nèi)直接添加石灰石粉來(lái)控制 SO2排放。投入爐內(nèi)的石灰石在高溫條件下煅燒發(fā)生分解反應(yīng)生成氧化鈣,然后在爐內(nèi) 850℃左右的條件下,氧化鈣、SO2和氧氣經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)生成硫酸鈣,化學(xué)反應(yīng)方程式為：

在 CFB鍋爐燃燒條件下,石灰石經(jīng)煅燒后生成CaO,由于 CO2逸出,在固體顆粒的表面及內(nèi)部形成一定的孔隙,為 SO2向顆粒內(nèi)部擴(kuò)散及固硫反應(yīng)的發(fā)生創(chuàng)造了條件。

2.6 其他脫硫工藝

2.6.1 噴霧干燥法(半干法)脫硫工藝

噴霧干燥法脫硫工藝以石灰作為脫硫吸收劑,石灰經(jīng)消化并加水制成消石灰乳,消石灰乳由泵打入位于吸收塔內(nèi)的霧化裝置,在吸收塔內(nèi),被霧化成細(xì)小液滴的吸收劑與煙氣混合接觸,與煙氣中的SO2發(fā)生反應(yīng)生成 CaSO3,煙氣中的 SO2被脫除。

2.6.2 電子束法脫硫工藝

鍋爐所排出的煙氣,經(jīng)過集塵器的粗濾處理之后進(jìn)入冷卻塔,在冷卻塔內(nèi)噴射冷卻水,將煙氣冷卻到適合于脫硫、脫硝處理的溫度 (約 60℃)。通過冷卻塔后的煙氣流進(jìn)反應(yīng)器,在反應(yīng)器進(jìn)口處將一定的氨氣、壓縮空氣和軟水混合噴入,經(jīng)過電子束照射后,SOx和NOx在自由基作用下生成中間生成物硫酸和硝酸。然后硫酸和硝酸與共存的氨進(jìn)行中和反應(yīng),生成粉狀微粒 (硫酸銨與硝酸銨的混合粉體)。

2.6.3 海水法脫硫工藝

海水脫硫工藝是利用海水的堿度達(dá)到脫除煙氣中 SO2的一種脫硫方法。在脫硫吸收塔內(nèi),大量海水噴淋洗滌進(jìn)入吸收塔內(nèi)的燃煤煙氣,煙氣中的SO2被海水吸收而除去,凈化后的煙氣經(jīng)除霧器除霧、經(jīng)煙氣加熱器加熱后排放。吸收 SO2后的海水經(jīng)曝氣池曝氣處理,使其中的被氧化成為穩(wěn)定的后排入大海。海水脫硫一般適用于靠海邊、擴(kuò)散條件較好、用海水作為冷卻水、燃用低硫煤的電廠煙氣脫硫。

3 幾種脫硫工藝的比較分析

不同脫硫工藝技術(shù)比較結(jié)果見表 1。

表 1 脫硫工藝方案條件對(duì)比

根據(jù)以上脫硫工藝的介紹和比較,可知控制火電廠 SO2排放有很多種方法,各種脫硫工藝工程投資和脫硫效率各不相同。與尾部煙氣脫硫相比, CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫具有初投資低、運(yùn)行成本低、燃燒與脫硫同時(shí)進(jìn)行、沒有副產(chǎn)品和二次污染優(yōu)點(diǎn),建議加以大力推廣。

[1] 薛 菲,石勁松.煙氣脫硫技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展建議[J].江蘇化工,2001,29(2)：32-35.

[2] 袁 鋼,馬永亮,汪黎東.氧化鎂煙氣脫硫反應(yīng)特性研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2010,4(5)：1134-1138.

[3] 孫瑞林,羅 軍.燃煤火電廠石灰石—石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)日常運(yùn)行環(huán)保監(jiān)督考核方法探討[J].環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊,2010,29(2)：25-28.

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