幾種脫硫技術綜合性評價及在我國應用前景分析

更新時間：2009-11-04 11:30 來源：新疆環境保護作者: 黃亞繼,顏珉閱讀：4122

摘要:本文對國內外脫硫技術進行了綜合性比較,分析了國內研究現狀,同時對引進的脫硫工藝作了分析匯總。在此基礎上,預測了脫硫技術在我國的應用前景,并就開展脫硫工作和選擇脫硫工藝提出相關建議。

關鍵詞:脫硫技術,國內研究現狀,分析匯總,選擇建議

1 　前言

我國是燃煤大國,煤炭占一次能源消費總量的 75 %。隨著煤炭消費的不斷增長,燃煤排放的SO2 也在不斷增加。目前我國酸雨已從80 年代西南少數地區發展到長江以南、青藏高原以東和四川盆地的大部分地區,降水pH 值< 516 的面積已經占國土面積的 30 %。我國很多城市空氣SO2 污染十分嚴重,目前已有62 %的城市環境空氣SO2 平均濃度超過國家《環境空氣質量標準》二級標準、日平均濃度超過國家《環境空氣質量標準》三級標準。

自80 年代以來,隨著環境法規的進一步嚴格,控制SO2 不僅引起各地政府的重視,還引起周邊國家的關注,國內外專家學者對脫硫技術進行了廣泛的研究。本文在分析當今國內外脫硫技術特點和發展趨勢的基礎上,綜合評價了其中幾種脫硫技術,預測了脫硫技術在我國的應用前景,并就開展脫硫工作和選擇脫硫工藝提出相關建議,為需要增加脫硫裝置的部門提供有參考價值的方法。

2 　常見的幾種脫硫方法

脫硫方法按控制類型可劃分為燃燒前脫硫、爐內脫硫和煙氣脫硫(FGD) 三類。目前煙氣脫硫被認為是前景最為看好的一類,本文將著重介紹FGD 脫硫技術。

2.1 　燃燒前脫硫

燃燒前脫硫就是在燃燒前采用化學和物理方法將煤中的硫去除掉,主要有物理洗選法、化學洗選法、煤的氣化液化法等。物理洗選法最為經濟,但只能脫除無機硫(主要是黃鐵礦硫) 。化學洗煤是使有機硫和黃鐵礦硫的化學鍵斷裂,生成H2S 并與堿反應脫硫 (可脫去90 %的無機硫和70 %的有機硫) 。用于脫除煤中硫化物的微生物種類較多,主要是氧化亞鐵硫桿菌和氧化硫桿菌。目前我國煤炭入選煤不到17 %、美國為42 %、法國為8817 %、日本為9812 %。我國曾對微波脫硫和高硫煤強磁分離脫硫進行小試研究,總脫硫效率達50 %左右。但由于所需基建投資和運行費用較高,脫硫后的煤是水煤漿,在使用上受到一定的限制。因此,燃燒前脫硫技術沒有得到廣泛的應用[1 ] 。

2.2 　爐內脫硫

爐內脫硫又稱燃燒中脫硫,是在煤燃燒過程中使加入的固硫劑與燃燒產生的SO2 起反應,從而減少煙氣中SO2 濃度。爐內脫硫與其它脫硫技術比較,費用較低,適合較小和較舊電廠鍋爐的改造。缺點是脫硫效益低;脫硫劑會沉積在換熱管壁上,使氣流壓降增加;未反應的石灰會使靜電除塵器的效率降低,嚴重增加除塵設備的負荷。主要工藝有爐內噴鈣技術和型煤固硫技術。爐內噴鈣工藝早在60 年代就已經開始研究,但脫硫效率不高,一直未能廣泛應用。進入 80 年代以后,芬蘭的Tampella 公司成功開發了LIFAC 工藝,使得這一技術又得以應用。型煤固硫技術是由型煤加工廠集中生產型煤,再向用戶銷售。“八五”期間我國投資上千萬元建設大型型煤加工廠,但由于設備和其他技術方面的原因未能如期正常運行。目前, 我國的型煤固硫率為40 %左右,美國為87 % ,日本為 70～90 %[2 ] 。

2.3 　煙氣脫硫(FGD)

FGD 技術按工藝特點可分為濕法、干法、半干法三類。

2.3.1 　濕法脫硫工藝

濕法脫硫一個顯著特點是可以實現除塵脫硫一體化,而除塵脫硫一體化的脫硫效率比單純的脫硫效率高。這可從三方面解釋:一是煙氣中固體顆粒的運動擾動了氣液接觸面,破壞了氣膜和液膜,減少了 SO2 向液相中擴散和的阻力;二是飛灰中含有一定的堿金屬,可以參與SO2 的吸收,以及Mn2 + 和Fe3 + 等對亞硫酸鈣氧化成硫酸鈣起催化作用;三是漿液中的固體顆粒還可能提供更多的石膏結晶的核心,從而有利于吸收反應的進行。

濕法脫硫工藝的缺點是:設備大,投資高,占地面積也大,易造成二次污染,存在污水處理問題,能耗高,特別是洗滌后的煙氣降溫很大,不利于煙囪排氣的擴散。具有代表性的濕法脫硫工藝有:

石灰/ 石灰石—石膏濕法　利用石灰或石灰石漿液作為吸收液,副產品石膏可以回收,亦可拋棄處理。該法是目前世界上技術最為成熟、實用業績最多、運行狀況最為穩定的脫硫工藝。其中最主要的原因是石灰/ 石灰石價廉易得,且有較高的脫硫效率。尤其是緩沖添加劑的加入,使該法具有更大的優越性。在選用石灰石作為吸收劑時必須考慮石灰石的純度和活性。石灰石在大自然中有豐富的儲存量,而石灰都是石灰石在窯中煅燒生成的,石灰的優劣完全取決于煅燒過程的控制,劣質的石灰既影響投資和運行費用,又會造成固體廢棄物污染,并且每生產1t 石灰大約需要200kg 的煤,產生大約4kg 的SO2 ,從而造成一定的空氣污染,同時石灰的安全性沒有石灰石好,但石灰作為吸收劑比石灰石具有更高的活性,單位質量的脫硫效率比石灰石高約1 倍,是一種高效的脫硫劑。石灰主要用在石灰—石膏濕法脫硫、噴霧干燥半干法脫硫和煙氣循環流化床脫硫工藝中。我國生產的脫硫石膏由于含雜質和水分不符合要求很難直接利用,目前主要拋棄或填埋[3 ] 。

雙堿法　又稱鈉堿法,是采用鈉化合物(氫氧化鈉、碳酸鈉或亞硫酸鈉) 和石灰/ 石灰石來處理煙氣。首先使用鈉化合物吸收煙氣中的SO2 ,再采用石灰或石灰石使鈉化合得到再生,其后返回吸收塔重新加以利用。運用該法的優點是設備不易阻塞,投資低,脫硫效果更好,脫硫率可達70 % ,并且有10～20 %的脫硝率,可以得到純度較高的石膏。存在的問題是吸收劑來源困難,脫硫產物中的鈉鹽易溶解于水,造成灰場水體的污染[4 ] 。

氨吸收法　氨吸收法是一個古老而又廣泛使用的方法,可以生產氮肥。此類方法主要應用于硫酸廠處理廢氣,系統簡單,脫硫效率比較高。就吸收SO2 而言,氨是一種比任何鈣基吸收劑都理想的脫硫吸收劑,但該法運行成本高,需要專用的運輸、貯存、計量、輸送設備,氨氣的泄漏還會造成惡臭、中毒等環境問題,故應用范圍有限。

此外,氧化鎂法、洗硫酸法、海水脫硫法都屬于濕法脫硫的范疇。特別是近幾年來,為降低運行費用, 濕法脫硫工藝在吸收劑的選擇上又有了新的發展。如采用廢電石渣或電廠飛灰制成吸收漿液,利用其中的堿性物質,達到脫硫目的,實現以廢治廢的目的。同時選擇合理的脫硫添加劑(如乙二酸等) 能有效的提高脫硫效率,從而使得濕法脫硫工藝顯示出更大的優越性。

2.3.2 　干法脫硫工藝

該工藝的特點是反應在無液相介入、完全干燥的狀態下進行,反應產物亦為干粉狀,可方便的采用氣力輸送或罐車輸送。不存在腐蝕、結露等問題,凈化后的煙氣有利于煙囪排放,不需要再熱。其缺點是脫硫效率低,操作技術要求高,維修量大,耐磨要求高, Ca/ S 要比濕法高1～3 倍,因而在同樣條件下生成的灰量是濕法脫硫的215～315 倍。具有代表性的干法脫硫工藝有:

荷電干式噴射脫硫法(CDSI) 　此法是美國 ALANCO 環境公司開發研制的專利技術,第一套裝置在美國亞力桑那州運行。其核心是吸收劑以高速通過高壓靜電電暈充電區,得到強大的靜電荷后,被噴射到煙氣流中,擴散形成均勻的懸濁狀態。吸收劑粒子表面充分暴露,增加了與SO2 反應的機會。同時由于粒子表現出的電暈,增加了其活性,縮短了反應所需要的滯留時間,有效提高了脫硫效率。當Ca/ S = 115 時,脫硫效率為60～70 %。該工藝的投資及占地僅為傳統濕法的10～27 %。對現有電廠改造尤為適用。

等離子體法　這是70 年代發展起來的同時脫硫脫硝技術,被認為是最有前途的新一代FGD 技術。主要利用高能電子使煙氣中的SO2 、NOx、H2O 和O2 等分子激活、電離甚至裂解,產生大量離子及自由基等活性粒子,由于它們的強氧化性,使SO2 、NOx 被氧化,在注入氨的情況下,生成硫氨和硝氨化肥。根據高能電子的來源可分為電子束照射法和脈沖電暈等離子體法[5 ] 。

2.3.3 　半干法脫硫工藝

該工藝的特點是反應在氣、固、液三相中進行,利用煙氣顯熱蒸發吸收液中的水份,使最終產物為干粉狀。若與袋式除塵器一起使用,能提高10 %的脫硫效率。脫硫廢渣一般拋棄處理。通常采用石灰或消石灰作為吸收劑,采用鈉基吸收劑時由于鈉基吸收劑使NO 轉換成NO2 ,致使排煙顏色變黃。采用氨吸收劑時,過量的氨噴入可能會形成白色排煙,影響電廠形象。具有代表性的半干法脫硫工藝有:

旋轉噴霧干燥法(SDA) 　該法適合中、低硫煤, 其關鍵的設備是高速旋轉霧化器,將吸收液霧化成細小的液滴與煙氣進行傳質傳熱反應。目前脫硫效率可達80 %～85 % ,雖然比濕法低,但投資及運行費用也較低。

爐內噴鈣增濕活化法(LIFAC) 　傳統爐內噴鈣脫硫效率只有20～30 % ,而LIFAC 法在空氣預熱器和除塵器之間加裝一個活化反應器,并噴水增濕,脫硫效率最終達到70～75 %。此法比較適合中、低硫煤, 投資和運行費用具有明顯得優勢[6 ] 。

循環流化床脫硫技術(GSA) 　該工藝采用循環流化床脫硫塔進行煙氣脫硫。煙氣中的SO2 與附著在煙塵和床料表面的脫硫劑反應,排出塔外的固體物經旋風除塵器后絕大部分返回塔內,繼續脫硫。利用循環流化床高傳質、高傳熱的特點,增加SO2 與脫硫劑接觸面積和時間,從而達到較高的脫硫效率。

隨著新材料、新能源的開發和應用,最近幾年出現了一些新的脫硫工藝,如:高能輻射法、液膜法、電化學法、微波法等,但這些技術在一定程度上都存在著投資大、操作復雜等問題。

3 　我國FGD 技術的研究現狀

近年來,我國實行大氣污染物總量控制政策和排硫排塵收費制度,加強了污染治理的力度,從而促進了脫硫除塵技術的發展。國內對燃煤鍋爐煙氣脫硫技術進行了大量的研究,先后有60 多個大專院校和研究院所進行此研究,現大致列表如下:

引進的示范工程雖然設備先進,運行穩定,自控程度高,但不管采用何種技術,都需要付出高昂的投資和運行費用,因此開發脫硫成本低、安裝簡單、維修量少、運行靈活的煙氣處理技術已是當務之急。煙氣治理設備投資高的原因,除了大多數脫硫工藝本身復雜以外,國內外絕大多數煙氣治理流程都把除塵和脫硫分開進行的,這就需要兩套設備投資。近幾年來, 國內已開發了數種鍋爐煙氣脫硫除塵一體化裝置,但很難對各種方法作全面的評價�，F將這些技術的經濟指標列表如下:

為促進我國FGD 技術的研究開發,國家有計劃的引進一批示范工程,見表2。

4 　應用前景分析

隨著人們環保意識的加強,控制煙氣中SO2 已迫在眉睫,脫硫技術必將進一步完善和成熟,同時必將涌現一大批具有競爭力的環保設備企業。

流化床燃燒技術作為新型的潔凈煤燃燒技術使得爐內噴鈣得到更廣闊的應用空間。荷電干式噴射脫硫法和等離子體法,雖然各項工藝技術指標都達到國際同類研究水平,但從我國國情來看,考慮到大型加速器的研究尚有不少問題,而且基建投資和電耗較大,認為目前還不具備推廣應用條件。

由于濕法脫硫具有其它脫硫技術無法比擬的優點,在未來的10 年內,濕法脫硫仍然是大中型火電機組的主要技術方法。在中小型鍋爐脫硫方面,煙氣循環流化床脫硫技術具有投資和運行費用低、脫硫率高、占地小、系統簡單等特點,預計在我國量大面廣的中小型火電機組、垃圾電站、工業鍋爐的脫硫方面將會有廣泛的應用。日本千代田公司發明的噴射法脫硫工藝(CT - 121) 工藝以其獨特的特點,被美國《能源》雜志評選為一種面向未來的先進脫硫工藝。它具有SO2 吸收、中和、氧化、結晶、及除塵于一塔內完成的特點,大大簡化了處理系統,減少了占地和投資運行費用,且操作彈性大,運行可靠等特點,想必在未來的脫硫工藝中會占有很大的份額。雙堿法由于解決了石灰/ 石灰石濕法洗滌的結堝問題,并且動力消耗和操作費用并不高,相信在未來的脫硫市場中會有一定的生命力。

對于機組壽命較短、年運行時間不長、設備改造場地有限、脫硫要求不高的中小電廠,管道噴鈣不失為一種可行的脫硫方法。同時脫硫脫硝除塵一體化技術,由于在總體上比分別進行脫硫、脫硝、除塵要好,一旦在工程技術上取得實質性突破,將會有相當高的市場競爭力。對采用廢渣、廢液作為脫硫劑的研究也必將得到進一步重視。

我國脫硫技術的研究進展緩慢,研究的方法雖多,但工業化裝置很少,大多數停留在小試或中試階段,因此必須加快科研步伐,研究出適合我國國情的工藝和設備裝置,并使其達到產業化應用[7 ] 。

5 　選擇脫硫工藝的幾點建設

1) 脫硫工藝應符合中國國情,脫硫的經濟性要好,從長遠的角度考慮,使投資和運行費用在合理的范圍內。應優先考慮國產脫硫工藝,一方面國產脫硫工藝投資小,對今后的技術指導更方便,另一方面有利于民族工業的發展。

2) 脫硫設備要能穩定運行,減少維修量,設備的適應性要強。在缺水的地區應選擇干法或半干法工藝。與調峰機組配套的脫硫裝置必須能適應經常起停的要求。同時要對脫硫裝置使用后產生的二次污染做充分的考慮。

3) 從煙氣脫硫的成熟性和脫硫劑易得的角度出發,應優先考慮石灰石/ 石灰法,同時要兼顧除塵脫硝問題, 簡化工藝流程。還要考慮到電廠灰場的容積有限,希望脫硫副產品的綜合利用能對昂貴的脫硫費用全一些補償,可優先選擇副產品可利用的工藝。

4) 對于中小型鍋爐應考慮投資小就能滿足環保要求的工藝,如爐前脫硫和循環流化床脫硫;對于大型鍋爐應優先選擇技術成熟且脫硫效率高的石灰石/ 石灰濕法脫硫工藝。

5) 進行脫硫工程項目的可行性研究時必須結合工程的具體情況,科學、全面、深入、細致的對所有可能的方案進行評估,評估內容應包含技術評估、經濟評估、環境評估和綜合評估等方面。

參考文獻

[1 ] 陳行濱. 中國燃煤電站鍋爐燃燒前脫硫技術分析[J ] . 福建能源開發與節約,2002 ,1 :44 - 46.

[2 ] 陳治金,錢錦榮. 型煤發展相關問題的研究[J ] . 山西能源與節能, 2002 ,1 (24) :6 - 8.

[3 ] 陳云嫩,王海寧. 煙氣脫硫石膏的利用新途徑[J ] . 礦業安全與環保,2002 ,29 (3) :34 - 35.