鍋爐煙氣脫硫技術(shù)綜述
二氧化硫(SO2)的排放是造成我國(guó)大氣環(huán)境污染及酸雨不斷加劇的主要原因。酸雨破壞生態(tài)平衡,嚴(yán)重威脅人類(lèi)健康和正常的生產(chǎn)生活。我國(guó)能源構(gòu)成以煤炭為主,一次能源中煤炭占75%左右,有關(guān)資料表明：我國(guó)大氣中SO2主要是煤炭燃燒產(chǎn)生的,約占總量94%，目前我國(guó)約有工業(yè)鍋爐51萬(wàn)臺(tái),主要以中小型燃煤鍋爐為主,每年消耗煤炭5億噸,其中SO2的排放近1000萬(wàn)噸。所以解決酸雨問(wèn)題、控制SO2排放的有效手段之一就是燃煤工業(yè)鍋爐煙氣的脫硫化與凈化。國(guó)家對(duì)工業(yè)鍋爐排煙提出了嚴(yán)格要求,并制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),嚴(yán)格要求各煤炭消耗企業(yè)采取必要措施，減少SO2等污染物的排放。近年來(lái)，雖然出現(xiàn)了各種各樣的煙氣脫硫裝置對(duì)煙氣脫硫有一定效果,但至今還沒(méi)有一種十分理想的脫硫裝置適應(yīng)中小型燃煤鍋爐煙氣脫硫的需要,大力研究開(kāi)發(fā)新型煙氣脫硫凈化技術(shù)和設(shè)備是目前的當(dāng)務(wù)之急。
煙氣脫硫技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r
目前，世界各國(guó)研究開(kāi)發(fā)的控制技術(shù)已達(dá)200多種。這些技術(shù)概括起來(lái)可分為三大類(lèi),即燃燒前脫硫、燃燒中脫硫和煙氣脫硫,其中煙氣脫硫技術(shù)是目前燃煤電廠控制排放最有效和最廣泛應(yīng)用的一項(xiàng)脫硫技術(shù)。煙氣脫硫技術(shù)按工藝特性一般可分為濕法、干法、半干法三類(lèi)。
1.1濕法脫硫工藝
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，主要是采用堿性漿液或溶液作為吸收劑在吸收塔內(nèi)對(duì)含有SO2的煙氣進(jìn)行噴林洗滌,使SO2和吸收劑反應(yīng)生成亞硫酸鹽和硫酸鹽。這種工藝已有50年的歷史,經(jīng)過(guò)不斷地改進(jìn)和完善后,技術(shù)成熟,而且具有脫硫效率高、機(jī)組容量大、鈣硫比低、煤種適應(yīng)性強(qiáng)、運(yùn)行費(fèi)用較低和副產(chǎn)品易回收等優(yōu)點(diǎn)。但其工藝流程復(fù)雜、占地面積大、投資大,需要煙氣再熱裝置,脫硫產(chǎn)物為濕態(tài),且普遍存在腐蝕嚴(yán)重、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高及造成二次污染等問(wèn)題。常用的濕法工藝有:石灰石/石灰-石膏法、雙堿法、氨酸法、鈉鹽循環(huán)法、堿式硫酸鋁法、水和稀酸吸收法、氧化鎂法以及海水脫硫等。其中石灰石/石灰-石膏法[3]是技術(shù)最成熟、應(yīng)用最多、運(yùn)行狀況最穩(wěn)定的方法,其脫硫效率在90%以上。
石灰石/石灰-石膏法脫硫工藝主要是采用石灰石、石灰或碳酸鈉等漿液作洗滌液，在反應(yīng)塔中對(duì)煙氣進(jìn)行洗滌，從而除去煙氣中的SO2。煙氣中SO2與漿液中的CaCO3或CaO以及進(jìn)入的空氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，最終產(chǎn)物為石膏。脫硫后的煙氣需通過(guò)水霧消除器去除水滴和水霧。煙氣經(jīng)洗滌后溫度降低，為防止在煙道和煙囪內(nèi)腐蝕，要經(jīng)加熱器提高煙氣的溫度后排出。副產(chǎn)品石膏可以根據(jù)需要進(jìn)行綜合處理或拋棄。該技術(shù)脫硫效率高，設(shè)備小，投資省，操作容易，占地面積小;缺點(diǎn)是易造成二次污染，存在廢水處理問(wèn)題，能耗高，特別是洗滌后煙氣溫度低，不利于煙囪排氣的擴(kuò)散，需要二次加熱。
1.2干法脫硫工藝
干法脫硫工藝用于電廠煙氣脫硫始于20世紀(jì)80年代初。它使用固相粉狀或粒狀吸收劑或催化劑,在無(wú)液相介入下完全干燥的狀態(tài)下與SO2反應(yīng),并在干態(tài)下處理或再生脫硫劑。脫硫產(chǎn)物為干態(tài),工藝流程相對(duì)簡(jiǎn)單、投資費(fèi)用低;煙氣在脫硫過(guò)程中無(wú)明顯降濕,利于排放后擴(kuò)散;無(wú)廢液等二次污染;設(shè)備不易腐蝕,不易發(fā)生結(jié)垢及堵塞。但要求鈣硫比高,反應(yīng)速度慢,脫硫效率及脫硫劑利用率低;飛灰與脫硫產(chǎn)物相混可能影響綜合利用;對(duì)干燥過(guò)程控制要求很高。
1.2.1荷電干式噴射脫硫法
該方法的工作原理是：吸收劑以高速通過(guò)高壓靜電電暈區(qū),得到強(qiáng)大的靜電荷后,被噴射到煙氣中擴(kuò)散形成均勻的懸濁狀態(tài),吸收劑離子表面充分暴露,增加了與SO2反應(yīng)的機(jī)會(huì)。同時(shí),由于離子表面的電暈,增強(qiáng)了其活性,縮短了反應(yīng)所需的滯留時(shí)間,有效提高了脫硫效率,當(dāng)Ca/S=115時(shí),脫硫效率為60%~70%。該方法優(yōu)點(diǎn)[4]為投資小、收效大、工藝簡(jiǎn)單可靠;占地面積小，不僅可以用于新建鍋爐的脫硫，而且更適應(yīng)對(duì)現(xiàn)有鍋爐技術(shù)的改造;不會(huì)產(chǎn)生二次污染，反應(yīng)生產(chǎn)物和煙塵一起被除塵設(shè)備去除。
缺點(diǎn)是對(duì)脫硫劑要求太高，一般的石灰難以滿足，經(jīng)濟(jì)成本高，限制了其推廣應(yīng)用的范圍。
1.2.2等離子體法
該方法是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的同時(shí)脫硫脫硝技術(shù),被國(guó)際上認(rèn)為是最有前途的新一代煙氣脫硫技術(shù)。它主要是利用高能電子使煙氣中的SO2,NOX,H2O,O2等分子被激活,電離甚至裂解,產(chǎn)生大量的離子及自由基等活性粒子,由于強(qiáng)氧化性使SO2,NOX被氧化,在注入氨的情況下,生成硫酸銨和硝酸銨化肥。根據(jù)高能電子的來(lái)源,可分為電子束照射法和脈沖電暈等離子法。電子束照射法是靠電子加速器產(chǎn)生高能電子,使煙氣中的氧和水蒸氣等激發(fā)轉(zhuǎn)化成氧化能力強(qiáng)的自由基,與煙氣中的SOX,NOX反應(yīng)生成硫酸和硝酸,再和加入的氨反應(yīng)產(chǎn)生硫酸銨和硝酸銨化肥。可以同時(shí)高效地脫硫脫銷(xiāo)，但是投資和運(yùn)行費(fèi)用非常高，技術(shù)含量高。脈沖電暈等離子法是靠脈沖高壓電源在普通反應(yīng)器中形成等離子體,從而產(chǎn)生高能電子,國(guó)內(nèi)外許多研究人員對(duì)其進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)研究工作。目前，該技術(shù)已進(jìn)入大規(guī)模工業(yè)試驗(yàn)階段，其優(yōu)點(diǎn)是,設(shè)備簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、投資僅是電子束照射法的60%,因此,成為國(guó)際上干法脫硫脫硝的研究前沿。
1.2.3吸附法
吸附劑主要包括活性碳、活性炭纖維、活性氧化鋁、沸石、硅膠等,其中實(shí)際應(yīng)用最廣泛的是活性碳。吸附脫硫的原理為SO2被活性炭吸附并催化為SO3，然后再與水反應(yīng)生成H2SO4，飽和后的活性炭可以通過(guò)水洗或加熱再生，同時(shí)生成稀H2SO4或高濃度的SO2。獲得副產(chǎn)品H2SO4、液態(tài)SO2和單質(zhì)S，既有效地控制SO2的排放，又回收硫資源。其優(yōu)點(diǎn)是脫硫劑消耗少，運(yùn)行費(fèi)用低;脫硫產(chǎn)物可以回收利用，適應(yīng)不同的市場(chǎng)需求，設(shè)備相對(duì)較少，工藝流程相對(duì)簡(jiǎn)單。但是由于傳統(tǒng)技術(shù)存在脫硫容量低、脫硫速度慢，再生頻繁等缺點(diǎn)而阻礙了其推廣應(yīng)用。近年來(lái)，在脫硫劑、脫硫工藝和設(shè)備等方面進(jìn)行廣泛的研究開(kāi)發(fā)，這也是以后炭法脫硫技術(shù)的發(fā)展方向。
1.3半干法脫硫工藝
半干法脫硫工藝融合了濕法、干法脫硫工藝的優(yōu)點(diǎn),具有廣闊的應(yīng)用前景。它利用熱煙氣使Ca(OH)2吸收煙氣中的SO2,在反應(yīng)生成CaSO3˙0.5H2O的同時(shí)進(jìn)行干燥過(guò)程,使最終產(chǎn)物為干粉狀。該工藝通常配合袋式除塵器使用,能提高10%～15%的脫硫效率。
1.3.1旋轉(zhuǎn)噴霧干燥法
該方法是通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)霧化器將吸收劑漿液霧化成細(xì)小霧滴,噴入吸收塔與煙氣形成比較大的接觸表面積，在氣液兩相中進(jìn)行傳質(zhì)、傳熱反應(yīng)，生成亞硫酸鈣和部分硫酸鈣，達(dá)到脫硫的目的。脫硫效率在80%~85%[，它的優(yōu)點(diǎn)是流程簡(jiǎn)單，占地面積小，投資較少，物廢水排出。缺點(diǎn)是技術(shù)要求高，吸收劑用量難以控制，生產(chǎn)物太細(xì)小不易除塵，設(shè)備腐蝕嚴(yán)重。
1.3.2循環(huán)流化床法
該工藝原理是以將煙氣通入床料為脫硫劑的循環(huán)流化床內(nèi)，使煙氣發(fā)生反應(yīng)達(dá)到脫硫目的。主要是采用石灰石(CaCO3)和白云石(CaCO3˙MgCO3)為脫硫劑。通過(guò)脫硫劑的多次再循環(huán),延長(zhǎng)脫硫劑與煙氣的接觸時(shí)間,來(lái)提脫硫劑的利用率和脫硫效率，一般高達(dá)90%，并且占地面積少，投資小，運(yùn)行費(fèi)用低，適合老機(jī)組煙氣脫硫。
1.3.3爐內(nèi)噴鈣后增濕活化法
該方法是用石灰石等堿性鈣質(zhì)吸收劑直接向鍋爐膛內(nèi)高溫區(qū)噴入，經(jīng)過(guò)煅燒后生成有極高反應(yīng)接觸面的許多CaO細(xì)小顆粒，在高速煙氣流的帶動(dòng)下，顆粒物進(jìn)入較低溫度區(qū)，在這里CaO顆粒不再結(jié)晶，在富氧狀態(tài)下吸收煙氣中的SO2，從而達(dá)到脫硫目的。該方法工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用低，適合現(xiàn)有電廠改造，具有廣泛的應(yīng)用前景，但其最大缺點(diǎn)是對(duì)鍋爐有不利影響，引起爐內(nèi)結(jié)焦、受熱面磨損。
國(guó)外煙氣脫硫現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
從70年代起，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相繼頒布了大氣污染防治的有關(guān)法令及條例，強(qiáng)制采用煙氣脫硫技術(shù)控制大氣SO2污染，進(jìn)一步促進(jìn)了煙氣脫硫技術(shù)的研究及開(kāi)發(fā)。
(1)目前,全世界已有許多國(guó)家和地區(qū)使用了煙氣脫硫裝置,日本是世界上最早大規(guī)模應(yīng)用煙氣脫硫裝置的國(guó)家,所用技術(shù)以濕式石灰石—石膏法為主,占75%以上。由于日本資源匱乏,脫硫產(chǎn)物大多采用回收工藝。日本國(guó)內(nèi)所用石膏基本上來(lái)自于煙氣脫硫的回收產(chǎn)物。日本在SO2基本得到控制的基礎(chǔ)上,開(kāi)展了煙氣同時(shí)脫硫脫硝的研究和開(kāi)發(fā),并應(yīng)用在工業(yè)上。
(2)美國(guó)的煙氣脫硫技術(shù)研究較日本略遲,自20世紀(jì)70年代開(kāi)始。目前,美國(guó)脫硫裝置總裝機(jī)容量超過(guò)0.7～1.0億kW,超過(guò)日本而成為世界第一。美國(guó)采用的脫硫工藝80%是濕式石灰石—石膏法,脫硫產(chǎn)物以拋棄為主。
(3)歐洲的煙氣脫硫技術(shù)以德國(guó)發(fā)展最為迅速,德國(guó)在20世紀(jì)70年代后期,森林大面積受害,不得不開(kāi)展SO2的治理工作。在引進(jìn)日、美先進(jìn)技術(shù)的同時(shí),立足本國(guó)技術(shù)的開(kāi)發(fā)。20世紀(jì)70年代末開(kāi)始在電站鍋爐上安裝脫硫裝置,德國(guó)90%以上的脫硫裝置采用石灰石—石膏法。20世紀(jì)80年代中后期,德國(guó)的Lurgi公司在原來(lái)煉鋁尾氣處理技術(shù)的基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)了一種新的適用于電廠鍋爐的煙氣脫硫設(shè)備,即循環(huán)流化床煙氣脫硫工藝。此外,丹麥、芬蘭、挪威、奧地利等國(guó)對(duì)煙氣脫硫技術(shù)也開(kāi)展了大規(guī)模的研究,開(kāi)發(fā)出許多先進(jìn)工藝,不僅在國(guó)內(nèi)安裝了許多脫硫裝置,還向境外出口技術(shù)和裝備。目前國(guó)外煙氣脫硫技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)是要開(kāi)發(fā)脫硫效率高，裝機(jī)容量大，投資少，占地少，運(yùn)行費(fèi)用低，自動(dòng)化程度高，可靠性好等的技術(shù)。
國(guó)內(nèi)煙氣脫硫現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
我國(guó)煙氣脫硫技術(shù)始于20世紀(jì)70年代初，起步較早,幾乎與國(guó)外同步,但進(jìn)展緩慢,大部分技術(shù)停留在小試或中試階段,有些技術(shù)雖然已有工業(yè)性試驗(yàn)裝置,但未能大范圍推廣應(yīng)用。70年代后，由于能源需求量的增大，環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，火電廠煙氣脫硫工作受到有關(guān)部門(mén)的重視，進(jìn)入發(fā)展階段。
近年來(lái),我國(guó)對(duì)中小型燃煤工業(yè)鍋爐煙氣脫硫技術(shù)專(zhuān)門(mén)進(jìn)行了攻關(guān)研究,雖略低于國(guó)外先進(jìn)水平,但其效率可達(dá)到國(guó)家允許排放標(biāo)準(zhǔn),均適用于燃煤工業(yè)鍋爐煙氣脫硫。但是,這些煙氣脫硫技術(shù)在不同程度上都存在一些缺陷及弊端。加大燃煤發(fā)電廠煙氣脫硫研究及開(kāi)發(fā)的力度,加快研究與開(kāi)發(fā)適合我國(guó)國(guó)情的投資少、見(jiàn)效快、簡(jiǎn)便易行的煙氣脫硫勢(shì)在必行,刻不容緩。我國(guó)燃煤發(fā)電廠煙氣脫硫的研究試驗(yàn)基地鑒于我國(guó)目前中小型燃煤工業(yè)鍋爐眾多,短期內(nèi)改型尚不可能一步到位,甚至還會(huì)長(zhǎng)期使用,燃煤工業(yè)鍋爐煙氣脫硫以其存在問(wèn)題多、治理難度大,而成為我國(guó)當(dāng)今令人關(guān)注的熱點(diǎn)。為此,應(yīng)充分發(fā)揮科研設(shè)計(jì)部門(mén)以及高等院校技術(shù)力量雄厚的優(yōu)勢(shì),在對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有煙氣脫硫技術(shù)及裝置認(rèn)真篩選、優(yōu)化組合的基礎(chǔ)上,從高起點(diǎn)出發(fā),全力組織對(duì)燃煤工業(yè)鍋爐煙氣脫硫技術(shù)及裝置進(jìn)行再攻關(guān),爭(zhēng)取在較短的時(shí)間內(nèi)研究及開(kāi)發(fā)出優(yōu)質(zhì)高效、經(jīng)濟(jì)配套、性能可靠、不造成二次污染、適合國(guó)情的全新的煙氣脫硫技術(shù),并盡快推廣應(yīng)用到治理實(shí)踐中去。
展望
在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展與進(jìn)步的今天，隨著研究者的不斷努力，一些新型實(shí)用性強(qiáng)的脫硫技術(shù)不斷涌現(xiàn)。目前的煙氣脫硫技術(shù)在應(yīng)用中仍然存在一些問(wèn)題，研究和解決這些問(wèn)題是今后工作的重點(diǎn)。結(jié)合我國(guó)國(guó)情與資源分布特點(diǎn)，未來(lái)煙氣脫硫技術(shù)，要著重研發(fā)新的脫硫吸收劑和開(kāi)發(fā)新的設(shè)備來(lái)降低運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用，提高脫硫效率，從而提高經(jīng)濟(jì)性能。同時(shí)開(kāi)展脫硫副產(chǎn)物綜合利用的研究，擴(kuò)展應(yīng)用的領(lǐng)域。還要開(kāi)展新型煙氣脫硫的機(jī)理、技術(shù)和工藝研究，并應(yīng)用與工業(yè)，提高效率，節(jié)約能源。隨著我國(guó)各項(xiàng)環(huán)境法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)環(huán)境管理制度的不斷完善,以及煙氣脫硫技術(shù)日趨成熟,大、中型火電廠必將大規(guī)模地安裝煙氣脫硫設(shè)施,減少二氧化硫排放,從而確保環(huán)境與經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。
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