几种脱硫技术综合性评价及在我国应用前景分析
摘要:本文对国内外脱硫技术进行了综合性比较,分析了国内研究现状,同时对引进的脱硫工艺作了分析汇总。在此基础上,预测了脱硫技术在我国的应用前景,并就开展脱硫工作和选择脱硫工艺提出相关建议。
关键词:脱硫技术,国内研究现状,分析汇总,选择建议
1 前言
我国是燃煤大国,煤炭占一次能源消费总量的 75 %。随着煤炭消费的不断增长,燃煤排放的SO2 也在不断增加。目前我国酸雨已从80 年代西南少数地区发展到长江以南、青藏高原以东和四川盆地的大部分地区,降水pH 值< 516 的面积已经占国土面积的 30 %。我国很多城市空气SO2 污染十分严重,目前已有62 %的城市环境空气SO2 平均浓度超过国家《环境空气质量标准》二级标准、日平均浓度超过国家《环境空气质量标准》三级标准。
自80 年代以来,随着环境法规的进一步严格,控制SO2 不仅引起各地政府的重视,还引起周边国家的关注,国内外专家学者对脱硫技术进行了广泛的研究。本文在分析当今国内外脱硫技术特点和发展趋势的基础上,综合评价了其中几种脱硫技术,预测了脱硫技术在我国的应用前景,并就开展脱硫工作和选择脱硫工艺提出相关建议,为需要增加脱硫装置的部门提供有参考价值的方法。
2 常见的几种脱硫方法
脱硫方法按控制类型可划分为燃烧前脱硫、炉内脱硫和烟气脱硫(FGD) 三类。目前烟气脱硫被认为是前景最为看好的一类,本文将着重介绍FGD 脱硫技术。
2.1 燃烧前脱硫
燃烧前脱硫就是在燃烧前采用化学和物理方法将煤中的硫去除掉,主要有物理洗选法、化学洗选法、煤的气化液化法等。物理洗选法最为经济,但只能脱除无机硫(主要是黄铁矿硫) 。化学洗煤是使有机硫和黄铁矿硫的化学键断裂,生成H2S 并与碱反应脱硫 (可脱去90 %的无机硫和70 %的有机硫) 。用于脱除煤中硫化物的微生物种类较多,主要是氧化亚铁硫杆菌和氧化硫杆菌。目前我国煤炭入选煤不到17 %、美国为42 %、法国为8817 %、日本为9812 %。我国曾对微波脱硫和高硫煤强磁分离脱硫进行小试研究,总脱硫效率达50 %左右。但由于所需基建投资和运行费用较高,脱硫后的煤是水煤浆,在使用上受到一定的限制。因此,燃烧前脱硫技术没有得到广泛的应用[1 ] 。
2.2 炉内脱硫
炉内脱硫又称燃烧中脱硫,是在煤燃烧过程中使加入的固硫剂与燃烧产生的SO2 起反应,从而减少烟气中SO2 浓度。炉内脱硫与其它脱硫技术比较,费用较低,适合较小和较旧电厂锅炉的改造。缺点是脱硫效益低;脱硫剂会沉积在换热管壁上,使气流压降增加;未反应的石灰会使静电除尘器的效率降低,严重增加除尘设备的负荷。主要工艺有炉内喷钙技术和型煤固硫技术。炉内喷钙工艺早在60 年代就已经开始研究,但脱硫效率不高,一直未能广泛应用。进入 80 年代以后,芬兰的Tampella 公司成功开发了LIFAC 工艺,使得这一技术又得以应用。型煤固硫技术是由型煤加工厂集中生产型煤,再向用户销售。“八五”期间我国投资上千万元建设大型型煤加工厂,但由于设备和其他技术方面的原因未能如期正常运行。目前, 我国的型煤固硫率为40 %左右,美国为87 % ,日本为 70～90 %[2 ] 。
2.3 烟气脱硫(FGD)
FGD 技术按工艺特点可分为湿法、干法、半干法三类。
2.3.1 湿法脱硫工艺
湿法脱硫一个显著特点是可以实现除尘脱硫一体化,而除尘脱硫一体化的脱硫效率比单纯的脱硫效率高。这可从三方面解释:一是烟气中固体颗粒的运动扰动了气液接触面,破坏了气膜和液膜,减少了 SO2 向液相中扩散和的阻力;二是飞灰中含有一定的碱金属,可以参与SO2 的吸收,以及Mn2 + 和Fe3 + 等对亚硫酸钙氧化成硫酸钙起催化作用;三是浆液中的固体颗粒还可能提供更多的石膏结晶的核心,从而有利于吸收反应的进行。
湿法脱硫工艺的缺点是:设备大,投资高,占地面积也大,易造成二次污染,存在污水处理问题,能耗高,特别是洗涤后的烟气降温很大,不利于烟囱排气的扩散。具有代表性的湿法脱硫工艺有:
石灰/ 石灰石—石膏湿法 利用石灰或石灰石浆液作为吸收液,副产品石膏可以回收,亦可抛弃处理。该法是目前世界上技术最为成熟、实用业绩最多、运行状况最为稳定的脱硫工艺。其中最主要的原因是石灰/ 石灰石价廉易得,且有较高的脱硫效率。尤其是缓冲添加剂的加入,使该法具有更大的优越性。在选用石灰石作为吸收剂时必须考虑石灰石的纯度和活性。石灰石在大自然中有丰富的储存量,而石灰都是石灰石在窑中煅烧生成的,石灰的优劣完全取决于煅烧过程的控制,劣质的石灰既影响投资和运行费用,又会造成固体废弃物污染,并且每生产1t 石灰大约需要200kg 的煤,产生大约4kg 的SO2 ,从而造成一定的空气污染,同时石灰的安全性没有石灰石好,但石灰作为吸收剂比石灰石具有更高的活性,单位质量的脱硫效率比石灰石高约1 倍,是一种高效的脱硫剂。石灰主要用在石灰—石膏湿法脱硫、喷雾干燥半干法脱硫和烟气循环流化床脱硫工艺中。我国生产的脱硫石膏由于含杂质和水分不符合要求很难直接利用,目前主要抛弃或填埋[3 ] 。
双碱法 又称钠碱法,是采用钠化合物(氢氧化钠、碳酸钠或亚硫酸钠) 和石灰/ 石灰石来处理烟气。首先使用钠化合物吸收烟气中的SO2 ,再采用石灰或石灰石使钠化合得到再生,其后返回吸收塔重新加以利用。运用该法的优点是设备不易阻塞,投资低,脱硫效果更好,脱硫率可达70 % ,并且有10～20 %的脱硝率,可以得到纯度较高的石膏。存在的问题是吸收剂来源困难,脱硫产物中的钠盐易溶解于水,造成灰场水体的污染[4 ] 。
氨吸收法 氨吸收法是一个古老而又广泛使用的方法,可以生产氮肥。此类方法主要应用于硫酸厂处理废气,系统简单,脱硫效率比较高。就吸收SO2 而言,氨是一种比任何钙基吸收剂都理想的脱硫吸收剂,但该法运行成本高,需要专用的运输、贮存、计量、输送设备,氨气的泄漏还会造成恶臭、中毒等环境问题,故应用范围有限。
此外,氧化镁法、洗硫酸法、海水脱硫法都属于湿法脱硫的范畴。特别是近几年来,为降低运行费用, 湿法脱硫工艺在吸收剂的选择上又有了新的发展。如采用废电石渣或电厂飞灰制成吸收浆液,利用其中的碱性物质,达到脱硫目的,实现以废治废的目的。同时选择合理的脱硫添加剂(如乙二酸等) 能有效的提高脱硫效率,从而使得湿法脱硫工艺显示出更大的优越性。
2.3.2 干法脱硫工艺
该工艺的特点是反应在无液相介入、完全干燥的状态下进行,反应产物亦为干粉状,可方便的采用气力输送或罐车输送。不存在腐蚀、结露等问题,净化后的烟气有利于烟囱排放,不需要再热。其缺点是脱硫效率低,操作技术要求高,维修量大,耐磨要求高, Ca/ S 要比湿法高1～3 倍,因而在同样条件下生成的灰量是湿法脱硫的215～315 倍。具有代表性的干法脱硫工艺有:
荷电干式喷射脱硫法(CDSI) 此法是美国 ALANCO 环境公司开发研制的专利技术,第一套装置在美国亚力桑那州运行。其核心是吸收剂以高速通过高压静电电晕充电区,得到强大的静电荷后,被喷射到烟气流中,扩散形成均匀的悬浊状态。吸收剂粒子表面充分暴露,增加了与SO2 反应的机会。同时由于粒子表现出的电晕,增加了其活性,缩短了反应所需要的滞留时间,有效提高了脱硫效率。当Ca/ S = 115 时,脱硫效率为60～70 %。该工艺的投资及占地仅为传统湿法的10～27 %。对现有电厂改造尤为适用。
等离子体法 这是70 年代发展起来的同时脱硫脱硝技术,被认为是最有前途的新一代FGD 技术。主要利用高能电子使烟气中的SO2 、NOx、H2O 和O2 等分子激活、电离甚至裂解,产生大量离子及自由基等活性粒子,由于它们的强氧化性,使SO2 、NOx 被氧化,在注入氨的情况下,生成硫氨和硝氨化肥。根据高能电子的来源可分为电子束照射法和脉冲电晕等离子体法[5 ] 。
2.3.3 半干法脱硫工艺
该工艺的特点是反应在气、固、液三相中进行,利用烟气显热蒸发吸收液中的水份,使最终产物为干粉状。若与袋式除尘器一起使用,能提高10 %的脱硫效率。脱硫废渣一般抛弃处理。通常采用石灰或消石灰作为吸收剂,采用钠基吸收剂时由于钠基吸收剂使NO 转换成NO2 ,致使排烟颜色变黄。采用氨吸收剂时,过量的氨喷入可能会形成白色排烟,影响电厂形象。具有代表性的半干法脱硫工艺有:
旋转喷雾干燥法(SDA) 该法适合中、低硫煤, 其关键的设备是高速旋转雾化器,将吸收液雾化成细小的液滴与烟气进行传质传热反应。目前脱硫效率可达80 %～85 % ,虽然比湿法低,但投资及运行费用也较低。
炉内喷钙增湿活化法(LIFAC) 传统炉内喷钙脱硫效率只有20～30 % ,而LIFAC 法在空气预热器和除尘器之间加装一个活化反应器,并喷水增湿,脱硫效率最终达到70～75 %。此法比较适合中、低硫煤, 投资和运行费用具有明显得优势[6 ] 。
循环流化床脱硫技术(GSA) 该工艺采用循环流化床脱硫塔进行烟气脱硫。烟气中的SO2 与附着在烟尘和床料表面的脱硫剂反应,排出塔外的固体物经旋风除尘器后绝大部分返回塔内,继续脱硫。利用循环流化床高传质、高传热的特点,增加SO2 与脱硫剂接触面积和时间,从而达到较高的脱硫效率。
随着新材料、新能源的开发和应用,最近几年出现了一些新的脱硫工艺,如:高能辐射法、液膜法、电化学法、微波法等,但这些技术在一定程度上都存在着投资大、操作复杂等问题。
3 我国FGD 技术的研究现状
近年来,我国实行大气污染物总量控制政策和排硫排尘收费制度,加强了污染治理的力度,从而促进了脱硫除尘技术的发展。国内对燃煤锅炉烟气脱硫技术进行了大量的研究,先后有60 多个大专院校和研究院所进行此研究,现大致列表如下:
引进的示范工程虽然设备先进,运行稳定,自控程度高,但不管采用何种技术,都需要付出高昂的投资和运行费用,因此开发脱硫成本低、安装简单、维修量少、运行灵活的烟气处理技术已是当务之急。烟气治理设备投资高的原因,除了大多数脱硫工艺本身复杂以外,国内外绝大多数烟气治理流程都把除尘和脱硫分开进行的,这就需要两套设备投资。近几年来, 国内已开发了数种锅炉烟气脱硫除尘一体化装置,但很难对各种方法作全面的评价。现将这些技术的经济指标列表如下:
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为促进我国FGD 技术的研究开发,国家有计划的引进一批示范工程,见表2。
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4 应用前景分析
随着人们环保意识的加强,控制烟气中SO2 已迫在眉睫,脱硫技术必将进一步完善和成熟,同时必将涌现一大批具有竞争力的环保设备企业。
流化床燃烧技术作为新型的洁净煤燃烧技术使得炉内喷钙得到更广阔的应用空间。荷电干式喷射脱硫法和等离子体法,虽然各项工艺技术指标都达到国际同类研究水平,但从我国国情来看,考虑到大型加速器的研究尚有不少问题,而且基建投资和电耗较大,认为目前还不具备推广应用条件。
由于湿法脱硫具有其它脱硫技术无法比拟的优点,在未来的10 年内,湿法脱硫仍然是大中型火电机组的主要技术方法。在中小型锅炉脱硫方面,烟气循环流化床脱硫技术具有投资和运行费用低、脱硫率高、占地小、系统简单等特点,预计在我国量大面广的中小型火电机组、垃圾电站、工业锅炉的脱硫方面将会有广泛的应用。日本千代田公司发明的喷射法脱硫工艺(CT - 121) 工艺以其独特的特点,被美国《能源》杂志评选为一种面向未来的先进脱硫工艺。它具有SO2 吸收、中和、氧化、结晶、及除尘于一塔内完成的特点,大大简化了处理系统,减少了占地和投资运行费用,且操作弹性大,运行可靠等特点,想必在未来的脱硫工艺中会占有很大的份额。双碱法由于解决了石灰/ 石灰石湿法洗涤的结埚问题,并且动力消耗和操作费用并不高,相信在未来的脱硫市场中会有一定的生命力。
对于机组寿命较短、年运行时间不长、设备改造场地有限、脱硫要求不高的中小电厂,管道喷钙不失为一种可行的脱硫方法。同时脱硫脱硝除尘一体化技术,由于在总体上比分别进行脱硫、脱硝、除尘要好,一旦在工程技术上取得实质性突破,将会有相当高的市场竞争力。对采用废渣、废液作为脱硫剂的研究也必将得到进一步重视。
我国脱硫技术的研究进展缓慢,研究的方法虽多,但工业化装置很少,大多数停留在小试或中试阶段,因此必须加快科研步伐,研究出适合我国国情的工艺和设备装置,并使其达到产业化应用[7 ] 。
5 选择脱硫工艺的几点建设
1) 脱硫工艺应符合中国国情,脱硫的经济性要好,从长远的角度考虑,使投资和运行费用在合理的范围内。应优先考虑国产脱硫工艺,一方面国产脱硫工艺投资小,对今后的技术指导更方便,另一方面有利于民族工业的发展。
2) 脱硫设备要能稳定运行,减少维修量,设备的适应性要强。在缺水的地区应选择干法或半干法工艺。与调峰机组配套的脱硫装置必须能适应经常起停的要求。同时要对脱硫装置使用后产生的二次污染做充分的考虑。
3) 从烟气脱硫的成熟性和脱硫剂易得的角度出发,应优先考虑石灰石/ 石灰法,同时要兼顾除尘脱硝问题, 简化工艺流程。还要考虑到电厂灰场的容积有限,希望脱硫副产品的综合利用能对昂贵的脱硫费用全一些补偿,可优先选择副产品可利用的工艺。
4) 对于中小型锅炉应考虑投资小就能满足环保要求的工艺,如炉前脱硫和循环流化床脱硫;对于大型锅炉应优先选择技术成熟且脱硫效率高的石灰石/ 石灰湿法脱硫工艺。
5) 进行脱硫工程项目的可行性研究时必须结合工程的具体情况,科学、全面、深入、细致的对所有可能的方案进行评估,评估内容应包含技术评估、经济评估、环境评估和综合评估等方面。
参考文献
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[2 ] 陈治金,钱锦荣. 型煤发展相关问题的研究[J ] . 山西能源与节能, 2002 ,1 (24) :6 - 8.
[3 ] 陈云嫩,王海宁. 烟气脱硫石膏的利用新途径[J ] . 矿业安全与环保,2002 ,29 (3) :34 - 35.
[4 ] 徐永生. 双碱法烟气脱硫技术新进展[J ] . 城市环境与城市生态, 1997 ,4 (2) :45 - 48.
[5 ] 朱文敏,张跃进,蒋诚,任建兴. 火电厂电子束脱硫技术特性的分析与应用[J ] . 上海电力学院学报,2002 ,18 (2) :4 - 8.
[6 ] 吴树志,赵长遂,刘现卓. 增湿活化脱硫试验研究[J ] . 热能动力工程,2001 ,16 (95) :491 - 493.
[7 ] 庚晋,白木,周洁. 烟气脱硫技术的进展及其产业化[J ] . 化工装备技术,2002 ,23 (2) :50 - 54.
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