燃煤電廠脫硫技術進展

朱永樂，趙永華，張帥，范莘茹

（遼寧工業大學化學與環境工程學院，遼寧錦州121001）

燃煤煙氣排放一直以來都是大氣污染的一個主要來源，尤其是煙氣中的SO2會對大氣造成嚴重污染，導致酸雨的形成，對建筑物和植物產生腐蝕，甚至還可能威脅到人的身體健康。我國是燃煤大國，且每年有一半以上的煤用于燃煤電廠和鍋爐，全國80%的電力資源來源于火力發電，即通過煤燃燒產生的熱能轉化為電能。據相關文獻[1]，2015年至今，我國每年SO2排放量達到7142.38t，其中燃煤電廠的排放量占據1/3左右。因此，開發廉價、高效的脫硫工藝顯得尤為重要。本文對燃煤電廠脫硫途徑進行了簡要概述，并對主要工藝進行了比較。

1 燃煤電廠脫硫的主要途徑

1.1 燃料脫硫

燃料脫硫又稱燃燒前脫硫，通常是指采用一定的技術措施來對煤炭進行脫硫處理，其脫硫效果將對后續的工作質量產生重要影響。目前采用較為廣泛的燃燒前脫硫技術主要有化學法、物理法和微生物法[2]。當前煤燃燒前的脫硫技術，雖能減緩煤燃燒后排放的二氧化硫的量，但具有一定的局限性，而且經濟成本較大[3]。

1.2 燃燒過程中脫硫

燃燒過程中脫硫，又稱爐內脫硫，是指在燃燒過程中，向爐內加入脫硫劑，一般為CaCO3等，煤中硫與脫硫劑發生化學反應轉化成鹽類物質隨爐渣排除[4,5]。該方法主要包括噴鈣脫硫和循環流化床燃燒脫硫技術[6]。

1.2.1 噴鈣脫硫技術[7～10]

爐內噴鈣多級燃燒器（LIMB）技術主要利用固硫劑CaCO3粉末噴入爐中，CaCO3分解成CaO，燃燒過程中產生的SO2與CaO反應，生成CaSO3，從而達到脫硫的效果[7]。該工藝操作簡單，涉及原料少，但是脫硫效率不高，一般只能達到10%～20%左右。如果想達到高效率的脫硫，必須與尾部增濕配合。該工藝在國內仍需要改進，但在美國、加拿大、日本等國家已經工業改進與生產，是一種具有發展前景的工藝。

爐內噴石灰石及氧化鈣活化反應（LIFAC）技術是對爐內噴鈣多級燃燒器（LIMB）技術的進一步的開發與創新，是將石灰石于鍋爐的800℃～1150℃部位噴入，燃燒產生的SO2會與CaCO3分解產生的CaO反應，生成相應的鹽，從而起到部分固硫作用，在尾部煙道的適當部位裝設增濕活化反應器，使爐內未反應的CaO和水反應生成Ca(OH)2,進一步吸收SO2，加大脫硫效率[8,9]。本工藝占地面積小，脫硫效率可以到60%～80%。但該工藝需對鍋爐設備進行加工與鞏固，增大了工藝復雜度。

1.2.2 循環流化床燃燒脫硫技術

循環流化床燃燒脫硫技術(CFD-FGB)，是通過在循環沸騰的床層上加入脫硫劑(通常是石灰石和白云石等)，脫硫劑和煤一起懸浮燃燒，煤粉燃燒所產生的SO2直接被脫硫劑吸收，通過流化床不斷運動，顆粒相互之間撞擊，使脫硫劑顆粒的表面得到不斷的更新替換，能夠使脫硫劑充分地吸收SO2，進而達到高效脫硫的目的[6,11]。該工藝具有脫硫效率高（一般可達到95%左右），工藝簡單，占地面積小，系統可靠性高等特點。同時，所生成的副產物為固體，降低了對環境的污染。但是目前廣泛運行的循環流化床也存在容量較小等諸多問題。

1.3 燃燒后脫硫

燃燒后脫硫即煙氣脫硫，主要是指在煤燃燒后附加裝置，對燃燒后的排放煙氣進行處理，處理達標后排放。煙氣脫硫是目前國內公認的有效脫硫方式，也是應用最廣泛的脫硫技術。例如上海浦電廠及四川白馬電廠等，早已引進先進的煙氣脫硫技術，對二氧化硫進行回收、再利用。就目前而言，煙氣脫硫技術可以有效的控制煤電廠SO2的排放，是一種極具發展潛力的技術工藝。

1.3.1 濕法脫硫技術［12］

石灰石-石膏法具有應用廣泛，技術簡單成熟的特點。碳酸鈣作為吸收劑，來源廣泛，廉價易得，處理煙氣范圍廣，能將200MW～600MW機組的煙氣有效處理，對鍋爐的適應性較強，一般的大型電廠或大功率鍋爐都可使用該技術[13]。生成的副產物石膏（CaSO4·2H2O）可作為其他產業的原料，增加產品利用率。但由于碳酸鈣難溶于水，制成漿液作為吸收劑，不僅對設備要求高，也會加大經濟成本。在整個工藝流程中，碳酸鈣中的不溶顆粒及飛塵會對設備造成磨損，在連續運行的設備車間，會造成結垢，嚴重時會堵塞管口，影響脫硫效率[14]。

氧化鎂法常用于國外的脫硫系統中，其是利用氫氧化鎂漿液作為吸收劑，進行二氧化硫的吸收。從天然的鎂鋁礦石資源中提取鎂元素（以MgO形式存在），利用MgO原料粉與工藝水按比例混合，攪拌均勻，制成一定的Mg(OH)2漿液。將生成的含硫尾氣通入Mg(OH)2漿液中，充分接觸混合，生成Mg-SO3·(x+1)H2O，脫水、去雜后，與 O2反應，生成 Mg-SO4。將生成的MgSO4進行高溫煅燒，隨即又生成MgO[15,16]。氧化鎂法工藝的主要優點在于氧化鎂成本低，可以從鎂鋁礦石（黑土菱）中獲得，且針對于不同能源結構的煤，脫硫效果極為顯著，均達到90%以上。氫氧化鎂漿液作為吸收劑能更有效地去除煙氣中的SO2，無結垢問題，并且該工藝優于以石灰石為基礎的鈣法工藝，氧化鎂法脫硫工藝對脫硫劑的質量要求低，大大降低了反應成本。而且，生成的硫酸鎂不僅可回爐煅燒生成氧化鎂，進行回收使用，還可以進一步加工制作，生成七水硫酸鎂，真正實現了高效節能。氧化鎂法工藝存在的不足主要在于設備費用高，從天然鎂鋁礦石中提取氫氧化鎂，并將氫氧化鎂固體制成漿液，對設備質量、耐磨程度要求高且必須具有一定的安全保護系統。

海水洗滌法是以天然海水為吸收劑通過吸收的方式去除煙氣中SO2的脫硫技術[17]。近年來，在燃煤、燃油電廠的應用有較快發展。天然的海水中含有大量的碳酸鈣和碳酸鈉，這些物質都是堿性的能夠和SO2反應，從而使得海水有足夠大吸收SO2的能力[18]。海水洗滌法工藝簡單成熟，利用海水作為吸收劑，進行對二氧化硫高質量的吸收。其工藝過程主要是從高處噴淋下的海水（pH=8.1～8.3）與煙氣中的二氧化硫進行充分的反應，將二氧化硫氧化成為亞硫酸根與氫離子，通入空氣，經曝氣池后，生成含有硫酸根的酸性海水，處理達標后，排入大海。利用天然海水中所含的離子成分，對二氧化硫進行深度的吸收，吸收效率高，經濟成本低。但此法具有地域及建廠的局限性，工業化生產困難，束縛面多。另一方面，后續的海水處理達標（pH，離子濃度）不容易掌控，會使處理后的海水還有大量化學物質，對海洋環境造成二次污染。

氨液法是利用氨液易和SO2發生化學反應而進行的。其工藝過程是氨液首先吸收煙氣中的SO2生成亞硫酸銨溶液，然后在富氧條件下把亞硫酸氨氧化生成硫酸銨，再經過加熱蒸發結晶使硫酸銨析出，過濾干燥后即可得到高附加值化肥產品[19～21]。氨法工藝的特點是吸收效率高，工藝成熟，適用范圍廣，同時會生成高附加值化肥產品，加大了工程效益。缺點在于工藝復雜，反應過程難以控制，氨氣易泄露，反應過程中需要大量的氨氣循環，逸氨量控制技術需要完善，否則氮氧化物會破壞大氣，而且亞硫酸銨、硫酸銨易形成氣溶膠，一旦形成，很難去除，會對環境造成二次污染。

1.3.2 干法脫硫技術

干法煙氣脫硫工藝是采用吸收劑進入吸收塔，脫硫后所產生的脫硫副產品是干態的工藝流程[22]。干法脫硫與濕法相比具有以下特點：投資少、占地面積小、運行費用低、設備簡單且維修方便、煙氣無需再熱等優點，但存在著鈣硫比高、脫硫效率比較低、且副產品不能商品化等缺點[23]。

自20世紀80年代末，對干法脫硫技術中存在的主要問題進行了大量研究，并對工藝過程進行了不斷的改進，現在已經取得較好的結果[24]。著名的德國WULFF公司的WULFF脫硫技術就是基于干法脫硫技術，該工藝所有的脫硫反應均在塔內完成，主要過程為增濕的煙氣首先與噴入的吸收劑Ca(OH)2相混合，煙氣中的SO2和微量的SO3與Ca(OH)2發生化學反應生成亞硫酸鈣和硫酸鈣，生成的部分亞硫酸鈣再與煙氣中過剩的氧氣反應生成硫酸鈣。該技術最主要的特點便是脫硫劑利用率高，脫硫效率高。但經濟成本較高，有一定的資金投入。

2 脫硫工藝選擇方法探討

在煙氣脫硫中，無論是濕法脫硫技術，還是干法脫硫技術，都具有不同的優缺點，脫硫方向的側重點也不同。濕法脫硫技術，對二氧化硫普遍具有較高的吸收率（均可以達到90%以上），經濟成本較為適中。但是，針對于不同的濕法脫硫技術，有很多局限性。首先，盡管濕法脫硫工藝對二氧化硫具有較高的吸收率，但富含二氧化硫富集液的處理，對工業設備要求（耐磨損）比較高，易結垢堵塞出口，仍需要完善。另一方面，二氧化硫作為原料氣必定夾帶大量的不溶顆粒及粉塵，需要進行的預處理，不易完成，加大經濟成本費用。在全程的反應工藝中，高溫氣體作為媒介進行反應，需要進行換熱降溫，對于降溫設備有較大的要求，工業復雜性（管路布置、阻力損失、廠區構型等）都會增加。

對于干法脫硫技術，應用時間較長，有較多的實際應用經驗。而且干法脫硫技術相對于濕法脫硫技術來說，經濟成本普遍偏低，而且因地制宜（極其適用于缺水的地方），不易結垢，對設備要求低。對于不同地區的煤能源結構，所生成的副產物均為固體，不會對環境造成二次污染。然而，由于干法脫硫技術無法大面積工業化生產，脫硫率也大約只有70%左右，通常無法達到排放要求，因此干法脫硫技術仍需要進一步改進。

對于具體的燃煤電廠而言，其在選擇脫硫工藝時除了需要參考相關的技術指標外，還必須懂得運用一些科學的選擇方法，以確保最終選擇的脫硫工藝具有良好的適用性。脫硫工藝的選擇方法主要包括以下幾種[25]：1)專家會議法。采用組織專家開會討論的方式來確定適宜的脫硫工藝方案；2）層次分析法。將影響選擇脫硫工藝的因素進行分層，并根據實際情況對每種因素附加不同的權重，以確保最終所選工藝方案的合理性和適用性；3）灰色綜合評價法。采用系統分析的方法，對脫硫工藝進行半定性半定量的評價。

3 結語

對于我國的燃煤電廠而言，脫硫工作面臨的形勢依然十分嚴峻，存在各種問題急需解決。燃煤電廠只有從自身的實際情況出發，堅持適用、合理以及經濟等原則，不斷對脫硫工藝進行改進和創新，才能真正確保脫硫工作的質量和效率得到全面提升。

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