关于火电厂烟气脱硫的几点思考

曾 卫

[摘要]先从脱硫技术入手,突出烟气脱硫是应用最广的脱硫技术。然后比较烟气脱硫方案,突出湿法脱硫技术最成熟、可靠。重点分析石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺以及我国目前烟气脱硫中存在的问题。

[关键词]脱硫技术烟气脱硫方案石灰石-石膏湿法烟气脱硫烟气脱硫存在的问题

中图分类号:X5文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1120120-02

前段时间,我参与了某水处理公司对某火电厂烟气脱硫工程的投标工作。查阅了一些相关书籍和设计标准,并收集了一些资料,对火电厂的烟气脱硫工艺有了更新认识和更多思考。

2005年,我国二氧化硫排放总量高达2549万吨,超过美国,居世界第一,比2000年增加了27%。二氧化硫排放是造成我国大气环境污染及酸雨不断加剧的主要原因。火电行业是我国二氧化硫排放的主要来源。我国将通过严格控制二氧化硫排放量、强化现有和新建电厂脱硫设施建设等手段来减少二氧化硫的排放量。到2010年,我国将把二氧化硫年排放总量控制在2300万吨以内。

我国电厂烟气脱硫技术起步于1961年,科研院所和高等院校相继投入研究开发力量,进行干法、湿法和半干法等等的烟气脱硫的探索研究,但目前我国自行开发的烟气脱硫工程,工业化、产业化技术不多。目前,世界上燃煤或燃油电站所采用的脱硫工艺多种多样,达数百种之多。在这些脱硫工艺中,有的技术较为成熟,已经达到商业化应用的水平,有的尚处于研究阶段。

一、脱硫技术

脱硫方法可划分为燃烧前脱硫、炉内脱硫和烟气脱硫三大类。前两种技术存在较多缺陷,在我国应用很少,但在国外都有一定应用。

1.燃烧前脱硫。燃烧前脱硫就是在煤燃烧前脱除掉煤中的硫分,并能同时除去灰分,减轻运输量,减轻锅炉的玷污和磨损,减少电厂灰渣处理量,还可回收部分硫资源,但该技术目前还存在着许多问题,所以应用较少。

2.炉内脱硫。炉内脱硫是在燃烧过程中,向炉内加入固硫剂如CaCO3等,使煤中硫分转化成硫酸盐,随炉渣排除。炉内喷钙脱硫技术工艺简单,投资费用低,占地面积小、没有废水排放,特别适用于老厂的改造,但其脱硫率不高。

3.烟气脱硫。烟气脱硫技术是当前应用最广、效率最高的脱硫技术。其基本原理是:碱性脱硫剂+SO2=亚硫酸盐(吸收过程),亚硫酸盐+SO2=硫酸盐(氧化过程)。碱性脱硫吸收剂吸收SO2,先反应形成亚硫酸盐,再加上氧,氧化成为稳定的硫酸盐,然后将硫酸盐加工为所需产品。

二、烟气脱硫方案比较

目前国外应用较为广泛的烟气脱硫工艺主要有7种,石灰石-石膏湿法、烟气循环流化床、海水脱硫、电子束和氨水洗涤等5种工艺均可以达到90%以上的高脱硫效率。国内电厂烟气脱硫主要有湿法、干法等工艺。

(一)干法烟气脱硫工艺

干法烟气脱硫技术的优点:该技术为气同反应,相对于湿法脱硫系统来说,设备简单,占地面积小、投资和运行费用较低、操作方便、能耗低、生成物便于处置、无污水处理系统等。但其缺点是反应速度慢,脱硫率较低,先进的可达60-80%,吸收剂利用率低,磨损、结垢现象比较严重。而且在设备维护方面难度较大,设备运行的稳定性、可靠性不高,且寿命较短。因此,限制了此种方法的广泛应用。

(二)湿法烟气脱硫工艺

湿法烟气脱硫技术的优点:湿法烟气脱硫技术为气液反应,反应速度快,脱硫效率高,一般均高于90%,而且技术成熟,适用面广,生产运行安全可靠。因此,在众多的脱硫技术中,始终占据主导地位。但其缺点是生成物是液体或淤渣,较难处理,设备腐蚀性严重,洗涤后烟气需再热,能耗高,占地面积大,投资和运行费用高。而且系统复杂、设备庞大、耗水量大、一次性投资高,一般适用于大型电厂。

常用的湿法烟气脱硫技术有石灰石-石膏法、间接的石灰石-石膏法、柠檬吸收法等。其中,石灰石-石膏湿法脱硫工艺是当今世界的主导脱硫工艺,约占全部烟气脱硫装置的90%以上。

(三)石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺

石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺过程中主要的化学反应为:

吸收反应:SO2+H2O→H2SO3→HSO3-+H+

溶解反应:CaCO3+H+→Ca2-+CO2+H2O

氧化反应:HSO3-+1/2O2→SO42-+H+

石膏析出:Ca2-+SO42-+2H2O→CaSO4·2H2O

2.石灰石-石膏湿法脱硫工艺的主要特点:

(1)技术成熟,运行可靠性好。国外火电厂石灰石-石膏湿法脱硫装置投运率一般可达95%以上。

(2)对煤种变化的适应性强。该工艺适用于任何含硫量的煤种。

(3)脱硫效率高,可达95%以上,脱硫后的烟气不但二氧化硫浓度很低,而且烟气含尘量也大大减少。

(4)脱硫副产物便于综合利用。其脱硫副产物为二水石膏,主要用途是生产建材产品和水泥缓凝剂。

(5)吸收剂资源丰富,价格便宜。作为该脱硫工艺吸收剂的石灰石,在我国分布很广,资源丰富,且石灰石价格便宜。

(6)技术进步快。近年来国内外对石灰石-石膏湿法工艺进行了深入的研究与不断的改进,如吸收装置由原来的冷却、吸收、氧化三塔合为一塔等。

(7)占地面积相对较大,一次性建设投资也相对较大。

三、石灰石-石膏湿法脱硫工艺的流程

石灰石-石膏湿法脱硫工艺系统主要由烟气系统、吸收氧化系统、浆液制备系统、石膏脱水系统、排放系统组成。

1.浆液制备系统。不同的制浆方式所对应的设备也各不相同。主要设备包括:磨机(湿磨时用)、粉仓(干粉制浆时用)、浆液箱、搅拌器、浆液输送泵。石灰石粉经给料、加水后,在石灰石浆液箱内制成浓度为25%左右浆液,供脱硫系统使用。

2.吸收氧化系统。吸收系统的主要设备是吸收塔,它是石灰石-石膏湿法脱硫设备的核心装置,系统在塔中完成对SO2、SO3等有害气体的吸收。湿法脱硫吸收塔有许多种结构,如设一座集吸收、氧化于一体的吸收塔,其上部为吸收区,下部为氧化槽。塔内设2台浆液循环泵,另设2层雾化喷淋层,分别对应2台循环泵。

3.烟气系统。烟气系统包括烟道、烟气挡板、密封风机和气-气加热器等关键设备。烟气从烧结机经引风机引出,降温后进入吸收塔。脱硫后的烟气加热后通过烟道进入烟囱排向大气。

4.石膏脱水系统。石膏脱水系统包括水力旋流器和真空皮带脱水机等关键设备。从吸收塔中排出的含固量为15%的浆液,经水力旋流器浓缩至含固量40～60%左右,再经真空皮带脱水机脱水,控制最终石膏副产品的含水率小于10%。

5.排放系统。排放系统主要由事故浆池、区域浆池及排放管路组成。

石灰石-石膏湿法脱硫的基本工艺流程是:石灰粉经消化处理后加水搅拌制成吸收浆液,浆液通过喷浆层内设置的喷嘴喷射到吸收塔中并循环流动。锅炉烟气除尘后通过增压风机并降温后进入吸收塔。在吸收塔内烟气向上流动且被向下流动的循环浆液以逆流方式洗涤,即可脱除SO2、SO3、HCL和HF,同时在“强制氧化工艺”的处理下反应的副产物被导入的空气氧化为石膏(CaSO4·2H2O),并消耗作为吸收剂的石灰石。

在吸收塔内,烟气中的SO2与浆液中CaSO3以及鼓入的氧化空气进行化学反应被脱除,最终反应产物为石膏。石膏浆液通过石膏浆液泵排出,进入石膏脱水系统。经过净化处理的烟气流经两级除雾器除雾,将清洁烟气中所携带的浆液雾滴去除。在吸收塔出口,干净的烟气一般被冷却到50℃左右,且为水蒸气所饱和。通过气-气加热器将烟气加热到80℃以上,通过烟道进入烟囱排向大气。

四、烟气脱硫存在的问题

(一)从宏观上看

1.国家对烟气脱硫的市场监管不够。目前,我国缺乏对烟气脱硫设施进行科学评价的指标和要求,对供、需双方的市场监管还未及时有效跟进。供方市场存在着脱硫技术的重复引进,技术人员不足,招标中无序,质量管理环节薄弱等问题;需方市场存在着工艺选择的盲目性,单纯地以低价位选取中标单位,重前期招标,轻建造管理。

2.烟气脱硫技术自主创新能力较低。烟气脱硫建设规模急剧增长,但产业化发展相对滞后;虽然大部分设备可以国内制造,但关键设备仍需要进口。大多数脱硫公司仍需采用国外技术,而且消化吸收、再创新能力较弱。

3.脱硫设施难以高效稳定运行。要求与机组“三同时”的脱硫设施,在实际中却不能与新建机组同步建设、同步投运;投运后达不到设计指标、不能连续稳定运行等情况时有发生。目前已建成投产的烟气脱硫设施实际投运率不足,减排二氧化硫的作用没有完全发挥。

(二)从微观上看

对于大量采用的湿法烟气脱硫通常存在废液难以处理、结垢和堵塞、腐蚀和磨损等问题。这些问题如果解决不好,便会造成二次污染、运转效率低下或不能运转等新问题。

1.废液的处理。合理处理湿法烟气脱硫产生的含有烟尘、硫酸盐、亚硫酸盐等废液,往往是湿法烟气脱硫技术成败的关键因素之一。硫酸盐及亚硫酸盐废液未经处理就排放,会造成二次污染。回收和利用废液中的硫酸盐类,废物资源化,可采用如转化成优良的建筑材料——石膏,转化成高浓度高纯度的液体SO2等处理技术。

2.结垢和堵塞。脱硫系统结垢和堵塞的原因是烟气中的氧气将CaSO3氧化成CaSO4·2H2O(石膏),并使石膏过饱和。可造成吸收塔、氧化槽、管道、喷嘴、除雾器等结垢和堵塞。通常可通过强制氧化和抑制氧化得到控制。

3.腐蚀及磨损。煤炭燃烧时除生成SO2以外,还生成少量的SO3,烟气中SO3的浓度为10～40ppm,由于烟气中含有水(4%～12%),生成的SO3瞬间内形成硫酸雾。当温度较低时,硫酸雾凝结成硫酸附着在设备的内壁上,或溶解于洗涤液中,造成吸收塔及有关设备腐蚀。解决方法主要有:采用耐腐蚀材料制作吸收塔,设备内壁涂敷防腐材料等。含有烟尘的烟气高速穿过设备及管道,在吸收塔内同吸收液搅动接触,致使设备严重磨损。解决的方法主要有:烟气进入吸收塔前进行高效除尘,采用耐磨材料制作吸收塔及其有关设备,设备内衬或涂敷耐磨材料。

火电厂烟气脱硫虽然存在这样那样的问题,但其发展是必然趋势。加快火电厂烟气脱硫产业化发展的指导思想是:以科学发展观为指导,以环保法规和工程建设法规为准绳,以市场为导向,以企业为主体。通过创新机制、加强监管、落实和完善相关政策、建立和完善技术标准体系、加强行业自律、加强协调管理,推动我国火电厂烟气脱硫产业的健康、快速发展。

参考文献:

[1]国家发改委,关于加快火电厂烟气脱硫产业化发展的若干意见,2005.

[2]周至祥,《火电厂湿法烟气脱硫技术手册》,中国电力出版社.

[3]孙克勤,《电厂烟气脱硫设备及运行》,中国电力出版社.

[4]李森、余娟丽、惠世恩、徐通模,《湿法脱硫系统中烟气排放问题的探讨》[期刊论文].动力工程,2003(11).