石灰石－石膏法脫硫工藝中存在的問(wèn)題探析
摘要:石灰石-石膏脫硫工藝是目前世界上應(yīng)用最多、最成熟的脫硫技術(shù)，但近年來(lái)的運(yùn)行也暴露了諸多問(wèn)題，如CO2的排放、廢石膏的處置、水耗等問(wèn)題。本文就濕式石灰石-石膏脫硫工藝在實(shí)際運(yùn)行中存在的這些問(wèn)題進(jìn)行了分析討論。
關(guān)鍵詞:火電廠煙氣脫硫,濕式石灰石-石膏脫硫法,石膏,CO2
煙氣脫硫是火電廠控制SO2排放的主要技術(shù)手段，目前已達(dá)到工業(yè)應(yīng)用水平的煙氣脫硫技術(shù)有10余種，大致可分為干法和濕法，但能在200MW以上大容量機(jī)組使用的成熟脫硫工藝并不多。根據(jù)國(guó)內(nèi)、外目前的實(shí)際應(yīng)用推廣情況來(lái)看，各大脫硫公司已投運(yùn)的200MW級(jí)機(jī)組煙氣脫硫裝置85%以上為濕式石灰石-石膏工藝。在煙氣脫硫產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)，經(jīng)過(guò)十多年的運(yùn)行也暴露出一些問(wèn)題。本文就現(xiàn)階段出現(xiàn)的部分問(wèn)題進(jìn)行了分析討論。
1 國(guó)內(nèi)火電廠脫硫現(xiàn)狀
當(dāng)前國(guó)內(nèi)火電廠實(shí)用的脫硫技術(shù)主要有三種：濕式石灰石-石膏法（濕法）、噴霧干燥脫硫法（半干法）、循環(huán)流化床法（干法）。濕式石灰石-石膏脫硫技術(shù)是目前世界上技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最多的脫硫工藝，應(yīng)用該工藝的機(jī)組容量約占電站脫硫裝機(jī)總?cè)萘康?5％以上，應(yīng)用單機(jī)容量已達(dá)1000MW。其脫硫副產(chǎn)物石膏一般有拋棄和回收兩種處理方法，主要取決于市場(chǎng)對(duì)脫硫石膏的需求、石膏質(zhì)量以及是否有足夠的堆放場(chǎng)地等因素。國(guó)家相關(guān)職能部門(mén)在組織國(guó)內(nèi)專(zhuān)家充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，提出指導(dǎo)性意見(jiàn)：在新、擴(kuò)、改300MW機(jī)組FGD上或要求有較高脫硫率時(shí)，采用濕式石灰石-石膏技術(shù)。在火電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程中，也作了同樣的規(guī)定。因此可以
說(shuō)，石灰石-石膏法是目前國(guó)內(nèi)脫硫市場(chǎng)上應(yīng)用最廣的脫硫技術(shù)。
2 存在的問(wèn)題
2.1 CO2問(wèn)題
石灰石-石膏法在脫硫過(guò)程中，在脫除SO2氣體同時(shí)排放出CO2氣體，理論上每脫除1tSO2則排放出0.72tCO2。
CO2是典型的溫室氣體，占所有溫室氣體總體積的50%。大氣中CO2的含量直接影響到全球氣候的變化。一百多年來(lái)，全球氣候趨于變暖，與大氣中CO2的含量不斷增加呈正相關(guān)，從已有記錄的資料來(lái)看：全球大氣中的CO2濃度在不斷增加，平均濃度已從1850年前后的約280ppm增加到了2000年的375ppm。CO2濃度增加了30%。據(jù)估計(jì)，大氣中CO2濃度年遞增率為0.4%，與此相對(duì)應(yīng)的是全球溫度平均上升了0.6℃。
全球氣候變暖，將是一場(chǎng)全球性的生態(tài)災(zāi)難，它將會(huì)導(dǎo)致南、北極冰川融化；海平面上升，氣候帶北移，物種及其種群減少，病蟲(chóng)害加重，人類(lèi)未知疾病增加，給社會(huì)濟(jì)經(jīng)帶來(lái)不可估量的損失，切不可等閑視之。
目前美國(guó)CO2排放量最多，約占各國(guó)CO2排放總量的22%，其次是我國(guó)，約占12%。雖然礦物燃料燃燒是大氣中CO2濃度增加的主要因素，但也不能忽略越來(lái)越多石灰石-石膏法脫硫設(shè)施的貢獻(xiàn)。
2.2 脫硫石膏處置問(wèn)題
脫硫石膏是燃煤企業(yè)為了去除煙氣中的SO2而產(chǎn)生的另一種工業(yè)副產(chǎn)品，理論上每脫除1tSO2，生成約2.2t脫硫石膏，如果按石灰石的純度90%、惰性物質(zhì)含量4%、碳酸鎂含量6%、含水率10%、Ca/S為1.05計(jì)，再加上鍋爐飛灰，則每脫除1噸SO2約生成2.7t的石膏混合物。
脫硫過(guò)程的最終產(chǎn)物主要是石膏，其中CaSO4·2H2O含量一般在90%左右，呈灰（黑）色粉未狀，其主要雜質(zhì)為CaCO3、MgCO3、惰性物質(zhì)和粉煤灰等，故石膏的綜合利用存在著多方面的制約。
脫硫石膏相對(duì)于天然石膏而言不具備競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì)，主要原因在于：
（1）脫硫石膏不能在運(yùn)輸、儲(chǔ)存等方面與天然石膏進(jìn)行成本競(jìng)爭(zhēng)；
（2）脫硫石膏作墻板生產(chǎn)所需的石膏純度不能保持恒定，尤其是飛灰和氯離子的含量；
（3）天然石膏已為生產(chǎn)廠家所接受，成為習(xí)慣，也難以改變。
我國(guó)是一個(gè)石膏礦產(chǎn)資源豐富的國(guó)家（已探明的石膏儲(chǔ)藏量大約570億噸，居世界第一位），且分布均勻（除浙江、福建、黑龍江三省外，其它地區(qū)都有非常豐富的天然石膏資源），因此其市場(chǎng)價(jià)格不高。而脫硫回收的石膏由于燃煤煤質(zhì)不穩(wěn)定，造成回收的石膏質(zhì)量不穩(wěn)定，很難回收利用。
目前，脫硫石膏主要應(yīng)用于水泥緩沖劑，但水泥生產(chǎn)中僅能摻入約5%，且脫硫石膏中尚含有10%的附著水分。由于水泥廠以往都采用塊狀天然石膏作緩沖劑，其生產(chǎn)設(shè)備如料倉(cāng)、輸送設(shè)備及計(jì)量設(shè)備等都是為適應(yīng)塊狀物料而設(shè)計(jì)的，當(dāng)使用含10%水分的脫硫石膏時(shí)，會(huì)出現(xiàn)膨料、下料不暢等問(wèn)題而造成設(shè)備堵塞。據(jù)統(tǒng)計(jì)目前我國(guó)脫硫石膏的利用率不超過(guò)10%，脫硫石膏越積越多，處理已成難題。
2000年，全國(guó)裝機(jī)容量約為22,000萬(wàn)kW，在建脫硫機(jī)組總?cè)萘考s18,000萬(wàn)kW，2010年全國(guó)脫硫火電機(jī)組總量約5000萬(wàn)kW，以85%的機(jī)組采用石灰石-石膏法脫硫、年運(yùn)行8000小時(shí)、燃煤含硫率2%、平均脫硫率90%計(jì)，則年產(chǎn)脫硫石膏近千萬(wàn)噸。因此脫硫石膏的產(chǎn)量十分巨大，其所需要的堆放場(chǎng)地也是十分巨大的，以目前電廠的占地面積來(lái)看是難以滿足的。
石灰石－石膏法雖然對(duì)減輕SO2污染起到了一定作用，但所產(chǎn)生的副產(chǎn)品脫硫石膏含有大量雜質(zhì)，抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等都無(wú)法與天然石膏相比，再利用的價(jià)值不大。最終不得不作拋棄處理，占用大量土地，而這些被拋棄的脫硫石膏經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間風(fēng)吹日曬后會(huì)散發(fā)出陣陣硫酸味，揮發(fā)后的酸性物質(zhì)又重新回到大氣中，加重了酸雨的威脅。而且堆積的石膏“山”隨時(shí)都會(huì)坍塌，對(duì)附近的建筑物造成嚴(yán)重威脅，在經(jīng)過(guò)雨水的沖刷后又會(huì)滲入到農(nóng)田、地下，對(duì)地表水及地下水造成污染，經(jīng)生物富集后進(jìn)入人類(lèi)食物鏈中。因此，脫硫石膏本身也成為一種新的污染物。如不采用積極、有效的措施，它將對(duì)人類(lèi)及其生存環(huán)境帶來(lái)極大的威脅。
2.3 影響FGD系統(tǒng)用水量的主要原因
脫硫過(guò)程水耗主要是蒸發(fā)和煙氣攜帶水及排放的廢水。其中以蒸發(fā)和煙氣攜帶水為主要水耗。
大機(jī)組燃用不同煤質(zhì)采用石灰石-石膏濕法FGD裝置的耗水量是不同的，影響其用水量的最主要因素是煙氣量、燃煤硫分以及FGD裝置進(jìn)出煙氣溫差。但實(shí)際上設(shè)計(jì)院對(duì)其耗水量的研究是依據(jù)石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)的主要特點(diǎn)給出的。當(dāng)煙氣量增加時(shí)，經(jīng)過(guò)吸收塔的煙氣中攜帶汽態(tài)水分的體積流量增加，煙氣攜帶汽態(tài)水的能力增加，則煙氣中的汽態(tài)水（吸收塔內(nèi)蒸發(fā)水）隨煙氣排入大氣。當(dāng)燃煤硫分增加時(shí)，則SO2質(zhì)量濃度增加，需要的石灰石漿液量增加，參與反應(yīng)的物料增加，整個(gè)脫硫系統(tǒng)各用水點(diǎn)的耗水量也增加，故整個(gè)脫硫工藝系統(tǒng)耗水量增加。下表為不同煙氣參數(shù)機(jī)組FGD裝置（均帶有GGH）耗水量比較表。
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GGH是一種氣-氣換熱裝置，即采用高溫鍋爐原煙氣加熱FGD裝置排出低溫凈煙氣。采用這種換熱裝置減小了進(jìn)出FGD裝置煙氣的溫差，減少了整個(gè)脫硫裝置排入大氣中的汽態(tài)水。如內(nèi)蒙古某電廠，GGH使排煙溫度達(dá)到88℃以上（無(wú)GGH時(shí)排煙溫度約為49℃），這樣整個(gè)FGD裝置進(jìn)出口溫差減小至39℃左右，因此省水35t/h以上。
下圖是某電廠300MW機(jī)組脫硫系統(tǒng)水平衡圖，其蒸發(fā)及煙氣攜帶水量約為112t/h，加上生產(chǎn)的廢水，則總耗水近120t/h。按年運(yùn)行8000h計(jì)，則年水耗近96萬(wàn)t，對(duì)干旱、缺水地區(qū)來(lái)說(shuō)濕法脫硫水耗對(duì)該地區(qū)的環(huán)境生態(tài)的影響是很大的。
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某電廠300MW機(jī)組脫硫系統(tǒng)水平衡圖 |
綜上所述，大機(jī)組煙氣脫硫系統(tǒng)用水量與鍋爐煙氣量、燃煤硫分以及FGD裝置煙氣進(jìn)出溫差有著密切的關(guān)系。對(duì)于大機(jī)組而言，F(xiàn)GD裝置帶有GGH，脫硫塔內(nèi)蒸發(fā)水量約占整套FGD裝置耗水總量的90%; FGD裝置無(wú)GGH，脫硫塔內(nèi)蒸發(fā)水量比帶有GGH裝置增加約37%。對(duì)于已經(jīng)選定煤質(zhì)的電廠，其煙氣量和硫分就已經(jīng)確定，在這2個(gè)因素基礎(chǔ)上考慮節(jié)水的可能性已經(jīng)不大，因此，對(duì)于我國(guó)缺水地區(qū)建設(shè)（包括改造項(xiàng)目）燃煤電廠的FGD裝置，應(yīng)該考慮設(shè)置GGH裝置，這是整套FGD裝置節(jié)水的唯一有效的途徑。
山西、內(nèi)蒙是國(guó)內(nèi)煤炭資源主要產(chǎn)地，也是火電燃煤的主要供應(yīng)地。同時(shí)也是國(guó)內(nèi)最干旱的地區(qū)之一，也是石灰石-石膏濕法脫硫應(yīng)用較多的地區(qū)。在水資源嚴(yán)重短缺的上述地區(qū)，石灰石-石膏法是否會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成影響目前尚無(wú)結(jié)論。
而且濕法脫硫在減輕大氣污染的同時(shí)，工藝過(guò)程中也產(chǎn)生了一定量呈弱酸性的廢水，pH值為5.0～6.0，廢水中主要污染因子是石灰石、亞硫酸鈣、石膏及煤中的鹵素和重金屬如F、Cl、Cd、Hg、Pb、Ni、As、Se、Cr等（其中部分重金屬離子是國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)中要求控制的第一類(lèi)污染物，對(duì)環(huán)境有很強(qiáng)的污染性）。煤中的重金屬元素在爐膛內(nèi)高溫條件下會(huì)進(jìn)行一系列的化學(xué)反應(yīng)，生成多種不同的化合物。一部化合物隨爐渣排出爐膛，另外一部分隨煙氣進(jìn)入脫硫裝置吸收塔，溶解于吸收漿液中。隨著漿液循環(huán)使用，雜質(zhì)不斷增濃，從而使脫硫廢水中的雜質(zhì)含量很高。由于脫硫廢水的水質(zhì)比較特殊，處理難度較大，處理費(fèi)用高，因此影響了該方法的推廣。
2.4 其它問(wèn)題
石灰石-石膏法中存在的其它問(wèn)題，如可靠性、設(shè)計(jì)、安裝、防腐、脫硫率、運(yùn)行、管理等問(wèn)題，已有很多文章作了介紹，這里就不再討論。
3 討論
（1）石灰石-石膏法的副產(chǎn)品石膏能否真正有效得到利用，是關(guān)系到FGD系統(tǒng)能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵之一，也是控制SO2排放的關(guān)鍵。我國(guó)現(xiàn)階段脫硫石膏只在水泥緩沖劑、粉刷石膏、石膏粉、農(nóng)業(yè)、礦山填埋、路基材料等領(lǐng)域中有少量應(yīng)用，脫硫石膏的再利用不
超過(guò)10%，脫硫石膏資源化、大規(guī)模應(yīng)用在我國(guó)尚未實(shí)現(xiàn)。遠(yuǎn)未形成工業(yè)規(guī)模，且廢棄的石膏堆放也成為亟待解決的問(wèn)題。
（2）CO2也是酸性氣體，雖然其酸性沒(méi)有SO2強(qiáng)，但其帶來(lái)的溫室效應(yīng)是很?chē)?yán)重的。因此必須全面系統(tǒng)地、用更安全、環(huán)保的方法對(duì)SO2的污染進(jìn)行治理，否則會(huì)落入再污染再治理的惡性循環(huán)。
（3）對(duì)于我國(guó)缺水地區(qū)建設(shè)（包括改造項(xiàng)目）燃煤電廠的FGD裝置，應(yīng)該考慮設(shè)置GGH裝置，這是整套FGD裝置節(jié)水的唯一有效的途徑。
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