燃煤電廠煙氣脫硫技術(shù)發(fā)展綜述

趙毅+王佳男

摘要：文章介紹了燃煤電廠中幾種常見(jiàn)的煙氣脫硫技術(shù)，包括石灰石/石膏法、氨法、海水脫硫法在內(nèi)的濕法脫硫技術(shù)，旋轉(zhuǎn)噴霧干燥法、爐內(nèi)噴鈣尾部增濕活化法為代表的半干法煙氣脫硫技術(shù)，以及電子束照射法、循環(huán)流化床法等干法脫硫技術(shù)，同時(shí)簡(jiǎn)述了各種工藝的脫硫原理及特點(diǎn)，旨在為燃煤電廠煙氣脫硫技術(shù)的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：燃煤電廠；煙氣脫硫；原理；特點(diǎn)

1前言

我國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，煤炭在中國(guó)能源結(jié)構(gòu)中的比例高達(dá)75%以上。我國(guó)的電力結(jié)構(gòu)中，火電機(jī)組裝機(jī)容量約占全國(guó)總裝機(jī)容量的75%，發(fā)電量約占全國(guó)總發(fā)電量的80%。我國(guó)排放的SO2總量中有90%來(lái)自于燃煤，電力行業(yè)排放的SO2約占全國(guó)的50%以上。SO2的排放可以導(dǎo)致酸雨，酸雨不僅可導(dǎo)致森林退化，湖泊酸化，水生生物種群減少，農(nóng)田土壤酸化，建筑物腐蝕等環(huán)境問(wèn)題，同時(shí)也對(duì)人體健康產(chǎn)生直接影響[1]。

目前控制燃煤電廠SO2排放的途徑主要有燃燒前脫硫、燃燒中脫硫、燃燒后脫硫3種方式。我國(guó)發(fā)電廠用煤多為低硫煤，在發(fā)電站爐膛內(nèi)，煤粉中的可燃硫分在空氣的作用下迅速轉(zhuǎn)化成SO2，由于爐膛內(nèi)溫度高，不利于脫硫，因此燃燒后脫硫即煙氣脫硫（FGD）是目前控制SO2排放最行之有效的途徑，也是國(guó)際上普遍采用的一種方式[2]。

2燃煤電廠煙氣脫硫技術(shù)

煙氣脫硫的主要方法有干法煙氣脫硫、半干法煙氣脫硫和濕法煙氣脫硫，基本原理是都化學(xué)反應(yīng)中的酸、堿中和反應(yīng)。煙氣中的SO2是酸性物質(zhì)，通過(guò)與堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成亞硫酸鹽或者硫酸鹽，從而將煙氣中的SO2脫除[3]。SO2與堿性物質(zhì)間的反應(yīng)在堿性溶液中發(fā)生稱(chēng)為濕法煙氣脫硫，在固體堿性物質(zhì)的濕潤(rùn)表面發(fā)生稱(chēng)為干法或半干法煙氣脫硫[4]。

2.1濕法脫硫技術(shù)

世界各國(guó)的濕法煙氣脫硫工藝流程、形式和機(jī)理大同小異，主要是以堿性溶液為脫硫劑吸收煙氣中的SO2，濕法煙氣脫硫是指吸收劑為液體或漿液。由于是氣液反應(yīng)，所以反應(yīng)速度快，效率高，脫硫劑利用率高 [5]。

2.1.1石灰石/石灰-石膏法煙氣脫硫技術(shù)

石灰石/石灰-石膏法是技術(shù)最成熟、應(yīng)用最多、運(yùn)行狀況最穩(wěn)定的方法，世界各國(guó)在300 MW及以上機(jī)組的大型火電廠中，90%以上采用濕式石灰石/石灰-石膏法煙氣脫硫工藝，對(duì)高硫煤，脫硫率可在90%以上，對(duì)低硫煤，脫硫率可在95%以上[6]。

石灰石/石灰-石膏法主要工藝流程為：煙氣經(jīng)除塵器除去粉塵后進(jìn)入吸收塔，從塔底向上流動(dòng)，石灰石或石灰漿液從塔頂向下噴淋，煙氣中的SO2與吸收劑充分接觸反應(yīng)，生成亞硫酸鈣和硫酸鈣沉淀物，落人沉淀池。潔凈煙氣通過(guò)換熱器加熱后經(jīng)煙囪排向大氣。主要的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理為：

石灰法：

石灰石法：

這種半水亞硫酸鈣含水率40%-50%，不易脫水，且難溶于水，容易引起結(jié)垢。我國(guó)大多采用強(qiáng)制氧化，即向吸收塔下部循環(huán)氧化槽中鼓入空氣，使亞硫酸鈣充分氧化生成石膏，氧化率高達(dá)99%。這樣脫硫副產(chǎn)品是石膏，可以回收利用。

石灰石/石灰-石膏法的主要優(yōu)點(diǎn)是：

（1）煤種適用范圍廣；

（2）脫硫效率高，吸收劑利用率高；

（3）設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率高，運(yùn)行可靠；

（4）脫硫劑來(lái)源豐富且廉價(jià)。

但是缺點(diǎn)也比較明顯：

（1）一次性投資和運(yùn)行費(fèi)用高；

（2）占地面積較大，系統(tǒng)操作復(fù)雜；

（3）磨損腐蝕現(xiàn)象較為嚴(yán)重；

（4）副產(chǎn)物石膏和脫硫廢水較難處理[7]。

2.1.2氨法煙氣脫硫技術(shù)

氨是一種良好的堿性吸收劑，其堿性強(qiáng)于石灰石吸收劑，相比鈣法脫硫，氨法是氣液反應(yīng)過(guò)程，反應(yīng)速度快，SO2的吸收率高，有很高的脫硫效率，同時(shí)相對(duì)于鈣法系統(tǒng)簡(jiǎn)單、設(shè)備體積小、能耗小，成本低[8]。

氨法脫硫的原理是采用氨水作為脫硫吸收劑，氨水與煙氣在吸收塔中接觸混合，煙氣中的SO2與氨水反應(yīng)生成亞硫酸銨，亞硫酸銨經(jīng)過(guò)氧化反應(yīng)后，生成硫酸銨溶液，經(jīng)結(jié)晶、脫水、干燥后即可制得化學(xué)肥料硫酸銨。

氨法脫硫工藝的主要技術(shù)特點(diǎn)：

（1）副產(chǎn)品硫酸銨易于處理；

（2）氨水與SO2的反應(yīng)速度快，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，投資費(fèi)用較低；

（3）不存在結(jié)垢和堵塞現(xiàn)象；

（4）無(wú)廢水、廢渣排放。

2.1.3海水煙氣脫硫技術(shù)

燃煤電廠煙氣濕法脫硫常用的技術(shù)還有海水脫硫法。海水有一定的堿度和水化學(xué)特性，自然堿度大約為1.2～2.5mmol/L，具有天然的酸堿緩沖能力及吸收SO2的能力。海水脫硫工藝就是利用海水的這種特性來(lái)脫除煙氣中的SO2。因此該方法可用于燃煤含硫量不高并以海水作為循環(huán)冷卻水的海濱電廠[9]。

海水脫硫法的原理是用海水作為脫硫劑，在吸收塔內(nèi)對(duì)煙氣進(jìn)行逆向噴淋洗滌，煙氣中的SO2被海水吸收成為液態(tài)SO2。液態(tài)的SO2在洗滌液中發(fā)生水解和氧化作用，洗滌液被引入曝氣池，采用提高pH值抑制SO2。

海水脫硫技術(shù)的主要特點(diǎn)：

（1）工藝簡(jiǎn)單，無(wú)需制備脫硫劑，系統(tǒng)可用率高；

（2）脫硫效率高，可達(dá)90%以上；

（3）投資低，運(yùn)行費(fèi)用低；

（4）有一定的地域限制，且只能適用于含硫量小的中、低硫煤；

（5）不產(chǎn)生任何廢物，工藝簡(jiǎn)單、系統(tǒng)運(yùn)行可靠。

2.2干法脫硫技術(shù)

干法脫硫是指脫硫過(guò)程中脫硫劑、脫硫產(chǎn)物為干態(tài)。常見(jiàn)的干法脫硫技術(shù)有活性焦脫硫技術(shù)，電子束脫硫技術(shù)，煙氣循環(huán)流化床技術(shù)等，目前日本、韓國(guó)以及德國(guó)應(yīng)用較為廣泛和成熟。我國(guó)成都熱電廠已經(jīng)對(duì)電子束煙氣脫硫技術(shù)實(shí)施示范工程。

2.2.1活性焦脫硫技術(shù)

活性焦脫硫技術(shù)是60年代發(fā)展起來(lái)的一種以物理、化學(xué)吸附原理為基礎(chǔ)的干法脫硫工藝，其過(guò)程機(jī)理如下：

活性焦脫硫技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于脫硫過(guò)程中SO2被轉(zhuǎn)化為H2S04進(jìn)而可以轉(zhuǎn)化為元素硫或其它產(chǎn)品，工藝簡(jiǎn)單，二次污染較輕[10]。

近年來(lái)，諸多的研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)出了用于脫除煙氣中S02的蜂窩狀活性炭，可將SO2吸附、催化轉(zhuǎn)化成SO3，進(jìn)而制得工業(yè)級(jí)硫酸。

彭宏[11]等研究蜂窩活性炭的脫硫性能，陳紅芳[12]等研究了活性炭材料在煙氣脫硫脫硝技術(shù)中的應(yīng)用，王艷莉[13]等研究了載釩量對(duì)蜂窩狀V205/ACH催化劑同時(shí)脫硫脫硝活性的影響，結(jié)果都表明，蜂窩狀活性炭具有較好的二氧化硫轉(zhuǎn)化活性，因此具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景

2.2.2電子束照射法脫硫技術(shù)

這是一種較新的脫硫工藝，其原理為在煙氣進(jìn)入反應(yīng)器之前先加入氨氣，然后在反應(yīng)器中用電子加速器產(chǎn)生的電子束輻照煙氣，使水蒸汽與氧等分子激發(fā)產(chǎn)生氧化能力很強(qiáng)的自由基，這些自由基可以使煙氣中的SO2和N2很快氧化，產(chǎn)生硫酸與硝酸，再和氨氣反應(yīng)形成硫酸銨和硝酸銨[14]。經(jīng)過(guò)脫硫后的煙氣溫度高于露點(diǎn)，不需再熱系統(tǒng)，可直接排放。

電子束照射法脫硫工藝的主要特點(diǎn)：

（1）不產(chǎn)生廢水、廢渣；

（2）可同時(shí)脫硫、脫硝，具有90%以上的脫硫率和80%以上的脫硝率；

（3）系統(tǒng)簡(jiǎn)單，操作方便，易于控制；

（4）對(duì)硫分和煙氣量的變化有較好地適應(yīng)性和負(fù)荷跟蹤性；

電子束煙氣脫硫是靠電子束加速器產(chǎn)生高能電子的，因而需要大功率的電子槍?zhuān)€需要防輻射屏蔽；投資很大，廠用電高，關(guān)鍵部件電子槍壽命較低，吸收劑需氨水，且運(yùn)行、維護(hù)技術(shù)要求高，一定程度上限制了它的大量應(yīng)用[15]。

2.3半干法脫硫技術(shù)

半干法脫硫工藝的特點(diǎn)是，反應(yīng)在氣、固、液三相中進(jìn)行，利用煙氣顯熱蒸發(fā)吸收液中的水分，使最終產(chǎn)物為干粉狀。半干法脫硫一般選用CaO或Ca（OH）2為脫硫劑。

2.3.1旋轉(zhuǎn)噴霧干燥法

旋轉(zhuǎn)噴霧干燥法一般用生石灰作吸收劑，生石灰經(jīng)熟化變成具有較好反應(yīng)能力的熟石灰，熟石灰漿液經(jīng)高達(dá)15000～20000 r/min的高速旋轉(zhuǎn)霧化器噴射成均勻的霧滴，霧滴一經(jīng)與煙氣接觸，便發(fā)生強(qiáng)烈的熱交換和化學(xué)反應(yīng)，迅速地將大部分水分蒸發(fā)，產(chǎn)生含水量很少的固體灰渣[16]。

旋轉(zhuǎn)噴霧干燥法煙氣脫硫反應(yīng)過(guò)程包含4個(gè)步驟：1）吸收劑制備；2）吸收劑漿液霧化；3）霧粒與煙氣混合、吸收SO2并被干燥；4）脫硫廢渣排出[17]。

與濕法煙氣脫硫工藝相比，旋轉(zhuǎn)噴霧干燥法系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單、投資和運(yùn)行費(fèi)用低、占地面積小；同時(shí)其運(yùn)行可靠，不會(huì)產(chǎn)生結(jié)垢和堵塞，只要控制好干燥吸收器的出口煙氣溫度，對(duì)設(shè)備的腐蝕性也不高。由于其干式運(yùn)行，脫硫副產(chǎn)物易于處理，但是技術(shù)要求高、反應(yīng)生成物太細(xì)小、除塵不易和腐蝕嚴(yán)重等問(wèn)題[18]。脫硫效率可達(dá)75%～90%，略低于濕法脫硫效率。。

2.3.2爐內(nèi)噴鈣尾部增濕活化法（LIFAC法）

此種工藝由芬蘭IVO公司開(kāi)發(fā)，是在爐內(nèi)噴鈣工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。傳統(tǒng)爐內(nèi)噴鈣工藝的脫硫效率僅為20%～30%，而LIFAC法在空氣預(yù)熱器和除塵器間加裝一個(gè)活化反應(yīng)器噴水增濕，促進(jìn)脫硫反應(yīng)，脫硫效率可達(dá)70%～75%[19]。

爐內(nèi)噴鈣加尾部增濕活化技術(shù)脫硫主要分為兩段，第一段碳酸鈣分解為CaO，CaO與SO2反應(yīng)，第二段CaO遇水生成Ca（OH）2再次與SO2反應(yīng)，最終產(chǎn)物生成CaS03，CaS04等[20]。具體過(guò)程如下：在燃煤鍋爐內(nèi)適當(dāng)溫度區(qū)噴射石灰石粉，并在爐后煙道內(nèi)增設(shè)活化反應(yīng)器，在反應(yīng)器入口噴水，水在反應(yīng)器中完全蒸發(fā)，將煙氣中在爐內(nèi)沒(méi)有反應(yīng)及高溫?zé)Y(jié)失去活性的CaO迅速水合反應(yīng)生成高活性的Ca（OH）2，用以脫除煙氣中的SO2。脫硫率一般為70%一80%。

3結(jié)論與展望

綜上所述，在我國(guó)眾多的煙氣脫硫技術(shù)中，技術(shù)最成熟、運(yùn)行最穩(wěn)定、應(yīng)用最廣泛的還是石灰石/石灰-石膏法，但循環(huán)流化床和海水脫硫等新型煙氣脫硫技術(shù)正在迅速為人們所認(rèn)可。但就總體而言，脫硫效果并不理想，目前仍存在很多的技術(shù)問(wèn)題需要克服，隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，發(fā)展高效可循環(huán)的脫硫技術(shù)勢(shì)在必行。今后我們要完善和改進(jìn)現(xiàn)有的脫硫技術(shù)，積極引進(jìn)和吸收國(guó)外先進(jìn)脫硫技術(shù)，開(kāi)發(fā)適應(yīng)我國(guó)情況的脫硫新技術(shù)，形成有我國(guó)特色的脫硫技術(shù)，同時(shí)開(kāi)發(fā)其副產(chǎn)品的綜合利用，從根本上促進(jìn)我國(guó)電力、環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

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