石灰石―石膏法與氨法脫硫技術比較

黃麗娜,繆明烽,陳茂兵,秦翠娟

(中環 (中國)工程有限公司,江蘇 南京 210008)

石灰石―石膏法與氨法脫硫技術比較

黃麗娜,繆明烽,陳茂兵,秦翠娟

(中環 (中國)工程有限公司,江蘇 南京 210008)

分別介紹了石灰石―石膏法煙氣脫硫技術與氨法煙氣脫硫技術的特點,并從技術、經濟、環保等方面對這兩種濕法脫硫技術進行了比較。指出在短期內石灰石―石膏法脫硫技術仍將占據脫硫行業的主導地位,但氨法煙氣脫硫技術更適合我國國情,具有廣闊的發展前景。

濕法脫硫;石灰石―石膏法;氨法;比較

煙氣脫硫技術是國際上普遍采用的有效控制火電廠 SO2排放的技術。目前,世界各國開發的脫硫技術已達上百種。根據脫硫劑是否以漿液狀態進行脫硫及脫硫產物的干濕狀態可以分為濕法、半干法和干法三類,其中濕法脫硫工藝應用最廣,占世界脫硫總裝機容量的 85%左右[1]。我國 90%以上的煙氣脫硫工程采用的是石灰石―石膏濕法脫硫工藝,但經過多年的運行也暴露出一些問題[2-3]。氨法脫硫技術盡管市場占有份額不多,但由于其是真正可實現循環經濟的綠色脫硫工藝,正越來越受到重視[4]。本文結合工程應用實際情況,從技術、經濟、環保等方面對這兩種技術進行比較。

1 石灰石―石膏濕法脫硫技術的特點

石灰石―石膏濕法脫硫技術是目前世界技術上較成熟、實用業績多、運行狀況較穩定的脫硫工藝,已有幾十年的運行經驗。脫硫工藝系統主要包括:煙氣系統、吸收氧化系統、漿液制備系統、石膏脫水系統、排放系統等。在脫硫過程中,脫硫效率可高達95%以上,吸收劑利用率高 (90%以上),鈣硫比較低,對鍋爐負荷變化有良好的適應性,在不同的煙氣負荷及 SO2濃度下,脫硫系統仍可保持較高的脫硫效率及較好的系統穩定性[5]。

國內脫硫公司有三十多家,主要引進了 B&W(巴威 )、斯坦米勒、KAWASAKI(川崎 )等國外幾家大公司的先進濕法脫硫工藝,并在此基礎上吸收創新,研究開發了具有自主知識產權的脫硫工藝,能根據電廠的實際情況設計出最佳的工藝參數。

2 氨法脫硫技術的特點

濕法氨水脫硫工藝最早是由德國克盧伯公司于20世紀 70年代開發的Walther工藝,80年代初得到一定的應用,其中 1套脫硫裝置的處理煙氣量為750000m3/h。經世界各國過多年研究,原有氨法脫硫氣溶膠問題得到改進,進入工業推廣使用階段。1956年,我國建立了第一套氨法回收硫酸廠尾氣中SO2的工業規模裝置。我國上海硫酸廠、上海吳涇化工廠等近百套硫鐵礦制酸裝置都采用氨法脫除尾氣中的 SO2,目前仍在使用。

氨法脫硫工藝的主要特點是可將回收的 SO2和氨全部轉化為硫酸銨化肥,實現了廢物資源化,脫硫效率高達 95%～99%,對環境的適應性廣,運行費用可通過其副產物的銷售來降低,且經濟效益隨煙氣中的 SO2含量的增加而更佳,尤其適合燃用中高硫煤的電廠。脫硫過程中形成的亞硫銨對 NOx具有還原作用,可同時脫除 20%左右的 NOx[7-8]。

目前,國內以氨法為主的脫硫公司有十家左右,各家公司基本上圍繞如何更好地控制硫銨氣溶膠的生成和逃逸,亞硫酸氨氧化和硫氨結晶等難點,對氨法脫硫系統進行相應改良優化,形成具有各自特色的氨法脫硫技術。

3 兩種脫硫技術比較

3.1 設計參數

以 300MW機組配套煙氣脫硫工程為例,脫硫系統入口煙氣溫度為 136℃,年運行時間為 7200 h,主要煙氣參數 (標態,干基,6%O2)見表 1。

3.2 技術比較

石灰石―石膏法脫硫是把石灰石磨成粉后與水混合,制成石灰石漿液,不斷補充到吸收塔內。經升壓風機增壓的原煙氣經 GGH冷卻,煙溫從 136℃降至 100℃,隨即進入吸收塔。在吸收塔內,煙氣向上流動被向下流動的循環漿液以逆流方式洗滌,循環漿液則通過循環泵向上輸送到噴漿層內設置的噴嘴噴射到吸收塔中,氣體和液體得以充分接觸,以便脫除 SO2、SO3、HCl和 HF,同時生成的 CaSO3在吸收塔底部與鼓入的氧化空氣發生化學反應,最終生成石膏。吸收塔底部的石膏漿液先在水力漩流器中稠化至含固量約 40%,然后經帶式真空過濾機過濾,脫除其中的大部分霧滴,得到含水量小于 10%的石膏。脫硫后的凈煙氣經兩級除霧器去除水分,再返回至 GGH進行加熱,溫度從 45℃升至 80℃以上,通過煙道進入煙囪排向大氣。

氨法脫硫采用單塔工藝:引風機來的原煙氣進入脫硫塔中,與循環吸收溶液逆流接觸反應生成亞硫酸銨;脫硫后凈煙氣經二級除霧器去除夾帶的絕大部分霧滴,由煙囪排出;亞硫酸銨在塔底被氧化成硫銨;35%的硫氨溶液由料液取出泵從脫硫塔打入母液箱,再進入設置有抽真空系統的蒸發結晶器,料液在 70℃左右達到沸點,比正常蒸發下降了 40℃,大大降低了蒸汽用量;蒸發結晶器出口含固量為30%的硫酸銨料漿,經離心機進一步分離后進入干燥機造粒,得到含水率低于 3%的硫酸銨產品。

從上述分析可以看出,兩種脫硫技術由于吸收劑純度較高均具有腐蝕性,且反應產物固體含量大,存在腐蝕和堵塞現象,這也是濕法脫硫的“詬病”,因此對設備材質要求較高。兩種脫硫技術主要工藝參數比較見表 2。

表 2 兩種脫硫技術主要工藝參數比較

從表 2可以看出,石灰石―石膏法占地面積相對較大 (幾乎是氨法的兩倍);脫硫塔阻力大,需要增壓風機;漿液循環量大,耗電量較高;不能很好地脫除 SO3和 NOx等污染物。氨法脫硫技術存在問題是排出煙氣中的氨生成亞硫酸銨、硫酸銨和氯化銨等難以除去的氣溶膠,造成氨損失和煙霧排放;硫銨結晶過程能耗大,對加熱器材質要求較高;設備國產化程度和系統利用率均不及石灰石―石膏法。

3.3 經濟比較

兩種脫硫技術主要經濟指標比較見表 3。從表3所示的具體經濟技術指標來看,石灰石―石膏法所用脫硫劑石灰石價格低廉,而氨法脫硫技術吸收劑氨的費用較高,占運行成本的比重較大。值得注意的是,隨著工藝和設備國產化程度的不斷提高,石灰石―石膏法平均單位造價已由 20世紀 80年代引進國外技術時的 1200元/kW[9],降到了現在的 100元/kW,甚至更低,這使其運行費用主要集中在電耗上,因此進一步減低電耗是石灰石―石膏法工藝技改的關鍵。氨法脫硫技術的副產品銷售收入可以抵消大部分脫硫成本,使其發電成本低于石灰石—石膏法,可以預測當煙氣中 SO2含量更高時,氨法脫硫項目完全有可能實現盈利。

表 3 兩種脫硫技術主要經濟指標比較

3.4 環保特性比較

石灰石—石膏法在脫硫的同時產生大量的CO2,在大氣層中的超量沉積,將加劇溫室效應,導致全球氣候變暖。其脫硫的最終產物主要是石膏,石膏中 CaSO4·2H2O含量一般在 90%左右,呈灰(黑 )色粉未狀 ,其主要雜質為 CaCO3、MgCO3、惰性物質和粉煤灰等。目前,脫硫石膏主要應用于水泥緩沖劑,但水泥生產中僅能摻入約 5%,且脫硫石膏中尚含有 10%的附著水分。由于水泥廠的生產設備如料倉、輸送設備及計量設備等都是為塊狀天然石膏設計的,換成脫硫石膏時,易出現膨料、下料不暢等問題而造成設備堵塞,故石膏的綜合利用存在著多方面的制約。據統計,目前我國脫硫石膏的利用率不超過 10%。我國天然石膏資源豐富,市場價格不高,因此脫硫石膏不具備與天然石膏競爭優勢,基本上拋棄處置,如此不但占用了大量土地,也對環境存在極大的威脅。脫硫工藝過程中還產生了一定量呈弱酸性的廢水,pH值為 5.0～6.0,廢水中主要污染物是石灰石、亞硫酸鈣、石膏及煤中的鹵素和重金屬如 F、Cl、Cd等。由于脫硫廢水的水質比較特殊,處理難度較大,處理費用高。

氨法的副產物主要是化肥,且在工藝過程中無廢水和廢渣排放,實現資源良性循環利用,將我國煙氣脫硫工業與化肥工業密切相結合,使得脫硫劑NH3來自于化肥工業,又回到化肥工業。

4 結語

國家相關職能部門指導性意見為:在新、擴、改300MW機組 FGD上或要求有較高脫硫率時,采用濕式石灰石―石膏技術,且在石灰石—石膏濕法工業應用過程中,技術人員通過簡化設備,優化吸收塔結構,用計算機優化系統各操作參數等手段,不斷完善優化工藝,使其保持競爭優勢。因此在短期內石灰石—石膏濕法脫硫技術仍將占據脫硫行業的主導地位。我國是“缺硫不缺膏”,我國合成氨產量位居第一,分布面廣,氨源豐沛。同時,又是世界氮肥第一大國,土壤嚴重缺硫,硫銨具有較大的市場潛力。氨法脫硫技術更適合我國國情、符合循環經濟發展,而且其具有脫硫脫硝一體化的特點[10],因此其應用前景將越來越廣闊。

[1]李俊華,陳建軍,郝吉明.控制大氣污染化工技術的研究進展[J].化工進展,2005,24(7):703-709.

[2]李斌,李剛,裴磊,等.濕法煙氣脫硫系統設計中應注意的問題[J].電力環境保護,2009,25(3):19-20.

[3]梁坤,孫燕青.石灰石—石膏濕法脫硫技術問題及脫硫效率探討[J].內蒙古石油化工,2010,(3):95-96.

[4]葛能強,邵永春.濕式氨法脫硫工藝及應用[J].硫酸工業,2006,(6):10-15.

[5]郝吉明,馬廣大.大氣污染控制工程[M].北京:高等教育出版社,2002.

[6]繆天成.我國治理二氧化硫污染的歷程和建議 [J].硫酸工業,2000,(1):1-9.

[7]徐長香,傅國光.氨法煙氣脫硫技術綜述 [J].電力環境保護,2005,21(2):17-20.

[8]史海元,于志剛.鍋爐煙氣氨法脫硫技術簡介[J].內蒙古石油化工,2008,(21):82-83.

[9]趙鵬高.我國燃煤電廠煙氣脫硫技術與設備國產化進展、問題及建議[J].電力環境保護,2004,20(2):1-2,10.

[10]雷士文,雷世曉,王德敏.氨法煙氣脫硫脫硝的技術特征[J].電力環境保護,2006,22(2):32-34.

Comparison between limestone-gypsum and ammonia wet flue gas desulphurization technologies

The characteristics of l im estone-gypsum and ammonia wet flue gas desulphurization technologies were introduced respectively.The techno logic performance,econom ic index and environmental influence of l im estone-gypsum desulphurization process were compared w ith ammonia desulphurization process.It is concluded that l im estone-gypsum desulfurization process is still taken as the chief technology in short term,and ammonia desulphurization process w ill be w idely used in china in future.〗

wet desulfurization;l im estone-gypsum desulfurization;ammonia desulfurization;compatison〗

X701.3

B

1674-8069(2011)05-026-03

2011-06-07;

2011-08-30

黃麗娜 (1982-),女,江蘇啟東人,工程師,主要從事火電廠煙氣脫硫、脫硝技術研究。E-mail:hrena@gcl-eng.com