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烟气脱硫工艺技术经济评估

时间:2016-07-28来源: 作者: 点击: 245次


摘要:系统分析国内外现有脱硫工艺的优缺点和技术经济指标,为企业脱硫工程确定工艺方案提供依据。

关键词:脱硫工艺;技术经济;评估

SMELTING FLUE GAS DESULFURIZATION TECHNOLOGY ECONOMIC AND TECHNICAL ASSESSMENT        

Lu Yunxia

(JINCHUAN Co., Ltd,JINCHANG 737100, China )

Abstract The advantages and disadvantages of the existing desulfurization technology at home and abroad and the technical and economic indexes are analyzed in order to provide the basis for determining the technological scheme.

Keywordsdesulfurization technologytechnical and economicassessment

 

SO2是大气主要污染物之一,它对人类生存的生态环境主要有四个方面的危害:一是危害水生生态系统,丧失鱼类和其它生物群落,改变营养物和有毒物的循环,使有毒金属溶解于水中,并进入食物链,使物种减少和生产力下降;二是危害陆地生态系统,抑制土壤有机物的分解和氮的固定,淋洗钙、镁、钾等营养元素,使土壤贫瘠化,同时损害植物新生叶芽,影响其生长发育,导致森林生态系统的退化;三是危害人体健康,通过食物链使汞、铅等重金属进入人体,诱发癌症和老年痴呆,酸雾侵人肺部,诱发肺水肿或导致死亡,长期生活在含酸沉降物的环境中,诱使产生过多氧化脂,导致动脉硬化、心梗等疾病概率增加;四是危害建筑物、机械和市政设施,全球每年因酸雨造成的建筑物和材料腐蚀、森林死亡、农作物减产等损失,高达几百亿美元。

二氧化硫的污染来源包括含硫燃料(如煤和石油)的燃烧,含硫化氢油气井作业中硫化氢的燃烧排放,含硫矿石(特别是含硫较多的有色金属矿石)的冶炼,化工、炼油和硫酸厂等的生产过程,控制SO2排放的途径有3种,即燃烧前脱硫、燃烧中脱硫、和燃烧后脱硫,燃烧后脱硫即烟气脱硫(FGD),目前被公认为是控制SO2危害最有效的途径。

全球烟气脱硫工艺达数百种,在这些脱硫工艺中,有的技术较成熟,已达到商业应用水平,有的尚处于实验研究阶段,掌握脱硫工艺的经济技术特点,结合脱硫工程实际要求,选择高效、稳定、安全、经济运行的脱硫工艺,对企业至关重要。

国内外FGD技术的现状

目前,FGD技术主要可以分为两大类:一是传统脱硫技术,利用SO2的酸性气体特性,与液态或固态碱性脱硫剂发生化学反应,使SO2转入液相或固相副产品中,副产品大多丢弃或需要进一步安全处置,传统脱硫工艺按工艺特点分为湿法、半干法和干法3大类;二是吸收解吸循环法脱硫技术,将烟气中的SO2进行吸附富集后,再脱附出高纯二氧化硫,回收宝贵的硫资源,高纯二氧化硫可作为生产液体二氧化硫、硫酸、硫磺和其它化工产品的优良原料,该技术实现了烟气脱硫装置的高效化、资源化,符合循环经济的发展思路,是解决SO2污染问题的根本途径,主要有离子液法、柠檬酸钠吸收解吸法、活性焦吸收解吸法等。

1.1 传统脱硫技术

1.1.1 湿法脱硫工艺

湿法脱硫工艺原理是采用碱性浆液或溶液作为吸收剂在吸收塔内对含有SO2的烟气进行喷林洗涤,使SO2和吸收剂反应生成亚硫酸盐和硫酸盐。常用的湿法工艺有:石灰石/石灰一石膏法、钠碱法、氨酸法、钠盐循环法、碱式硫酸铝法、水和稀酸吸收法、氧化镁法、海水脱硫以及碱性矿浆脱硫等。

1.1.2 半干法脱硫工艺

半于法脱硫工艺的特点是: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分,使最终产物为十粉状。主要包括:旋转喷霉干燥法(SDA)、炉内喷钙法(UFAC)、烟气循环硫化床脱硫(CFB)、增湿灰循环脱硫(NID)、烟道喷射脱硫法等。

1.1.3 干法脱硫工艺

干法脱硫反应在无液相介入的完全干燥的状态下进行,反应产物亦为干粉状态,不存在腐蚀、结露等问题。主要有荷电干式喷射脱硫法(CDSI)、等离子体法。

1.2 吸收解吸循环法脱硫技术

1.2.1 离子液法脱硫工艺

离子液法脱硫工艺采用的吸收剂是以有机阳离子、无机阴离子为主,添加少量活化剂、抗氧化剂和缓蚀剂组成的水溶液,该吸收剂对SO气体具有良好的吸收和解析能力,低温下吸收二氧化硫,高温下将吸收剂中二氧化硫再生出来,从而达到脱除和回收烟气中SO2的目的,吸收液可再生,循环使用。

1.2.2 柠檬酸钠吸收解吸脱硫工艺

柠檬酸钠吸收解析脱硫工艺以柠檬酸钠为吸收剂,工艺为:烟气净化→柠檬酸钠吸收SO2→解吸高浓度SO2→送去生产硫酸、液体二氧化硫、硫磺等。

1.2.3活性焦吸收解吸脱硫工艺

活性焦吸收解吸脱硫工艺以颗粒状活性焦为吸附剂,烟气通过装有活性焦的吸附脱硫装置被净化,吸附饱和的活性焦靠重力流至再生装置进行解析,通过加热使活性焦再生,释放出的高浓度SO2混合气体生产硫酸、液体二氧化硫、硫磺等。

烟气脱硫工艺经济技术分析

烟气脱硫工程中脱硫工艺的评估主要包括2个方面:环境评估、技术评估和经济评估,包括:脱硫率、吸收剂利用率、吸收剂的可获得性和易处理性、脱硫副产品的处置和可利用性、占地大小、流程的复杂性、总技术的成熟性,投资和运行成本。以下对国内外现有主要烟气脱硫工艺进行经济技术评估。

2.1湿法脱硫工艺经济技术评估

2.1.1 石灰石-石膏法脱硫工艺

石灰石-石膏法脱硫工艺以石灰石作为吸收剂,与烟气中的SO2反应,并鼓入空气,生成副产品石膏,是最成熟、应用最广泛、运行状况最稳定的烟气脱硫技术,目前,全世界正在使用的烟气脱硫装置中,湿法脱硫工艺约占90%以上,其中石灰石—石膏脱硫工艺约占60%。该工艺有以下特点:

(1)技术成熟,脱硫效率高(燃煤含硫量为0.17%~2.15%,Ca/S=1.10~1.15时,可达90%~95%的脱硫效率),吸收剂利用率高,吸收剂来源广,价格低,副产品可用做基建材料;

(2)适应大容量热电机组的需要,煤种适应性强;

(3)工艺系统较复杂,占地面积大,有废水排放,一次性投资大,运行费用较低;

(4)如果烟气中含有重金属等有害物质,脱硫石膏将成为危险废物,该技术不适合钢铁、有色金属冶炼等烟气脱硫。

2.1.2 钠碱法脱硫工艺

钠碱法烟气脱硫工艺以氢氧化钠作为脱硫剂,与烟气中的SO2反应,生成亚硫酸钠和亚硫酸氢钠,通过加入新鲜脱硫剂来调节溶液pH值,使溶液保持较高的脱硫率。钠碱法烟气脱硫是一种高效脱硫技术,多应用于需要硫酸钠原料的企业。该工艺有以下特点:

1)技术成熟,传质速率快,吸收速率高,脱硫率90%

2)无废水排放,吸收过程中无结垢、堵塞等现象,无二次污染;

3)为提高副产品品质,进入脱硫系统的烟气需要净化;

4)高价值氢氧化钠的原料转化为低价值的硫酸钠产品,脱硫成本高;

5)钠碱法对管道及设备的腐蚀性严重,设备维护费用及人工成本较高。

2.1.3 氨法脱硫工艺

氨法烟气脱硫是用氨水或液氨来吸收烟气中的SO2,生成亚硫酸铵或硫酸氢铵,通过加入新鲜的氨水调节吸收液的pH值,以保持高的脱硫效率,亚硫酸铵再被空气氧化为硫酸铵,硫酸铵浆液可以直接应用于具有复混肥生产的企业和工业园区的下一工序,也可以经浓缩、离心、干燥得到固体硫酸铵产品。氨法脱硫工艺有以下特点:

(1)煤种硫分适应范围广,脱硫效率90%

2)技术成熟,运行可靠。

3)无废水产生,无二次污染,。

4)如果氨法所获得的副产品硫酸铵溶液不能直接利用,需要加工为固体硫酸铵产品出售时,将高价值的合成氨转化为低价值的硫酸铵产品,企业运行成本过高,氨法脱硫工艺适用于现代煤化工所属的化肥领域,如化肥厂、焦化厂、合成氨厂等。

2.1.4镁法脱硫工艺

镁法烟气脱硫是将氧化镁粉末与工艺水按一定比例混合配制成氢氧化镁浆液,与含有SO2的烟气接触,发生化学反应,生成亚硫酸镁或亚硫酸氢镁,部分亚硫酸镁被空气氧化为硫酸镁的方法。该副产物亚硫酸镁或硫酸镁。镁法烟气脱硫的工艺特点:

1)脱硫效率95%,技术成熟,运行可靠。

2)投资低。

3)镁盐的溶解性远高于钙盐,不易造成堵塞。

4)镁矿资源大多集中在少数几个省,原料来源及运输成本制约了该法的应用。

5)副产物化学性质稳定,但有效利用途径少,处理工艺系统复杂。

6)对烟气的除尘要求高。

2.2 半干法脱硫工艺经济技术评估

2.2.1 旋转喷雾干燥法脱硫工艺

旋转喷雾干燥法脱硫工艺以石灰浆为吸收剂,通过高速旋转的雾化器,将吸收浆液雾化成细小雾滴(小于100 μm),液滴蒸发干燥与烟气中的SO2进行传质、传热反应生成亚硫酸钙。全球旋转喷雾干燥法脱硫工艺市场占有率仅次于湿法脱硫工艺。旋转喷雾干燥法脱硫工艺特点:

1)工艺成熟,系统流程简单,投资较小;

(2)脱硫效率80-85%,脱硫产物干干态,无废水排放;

(3)运行可靠,不会产生结垢和堵塞,只要运行中控制好干燥吸收器的出口烟气温度,对设备腐蚀性不大,运行安全,运行时能耗较低,运行费用也不高。

(4)以石灰浆作为吸收剂,品质要求严格,价格高。

(5)该脱硫工艺用于现有电厂的改造,电厂原有的除尘和灰处理设备可以继续使用。

2.2.2 炉内喷钙法脱硫工艺

炉内喷钙法脱硫工艺是向炉膛内喷石灰石粉,使烟气中的SO2与Cao反应生成CaSO4,同时在锅炉空气预热器和除尘器间加装活性反应器,并喷水增湿,使未反应的Cao遇水生成Ca(OH)2,促进脱硫反应。炉内喷钙法脱硫工艺特点:

(1)技术成熟,脱硫率70-75%;

(2)设备紧凑,运行可靠,运行成本低;

(3)副产品容易地从脱硫系统中分离出来,不会对环境水体造成污染,不存在脱硫废水的处理问题;

(4)石灰石可能在炉内发生煅烧分解并与SO2发生吸热和放热反应,反应的产物可能改变炉膛中飞灰特性,增加锅炉冷壁上积灰的可能性。

2.2.3 循环流化床脱硫工艺

循环流化床脱硫工艺采用循环流化床脱硫塔进行烟气脱硫。在脱硫塔内,烟气中的SO2与附着在烟尘及脱硫产物颗粒表面的脱硫剂石灰浆液发生反应而被脱除,排出脱硫塔的固体物经旋风分离器分离后绝大部分返回脱硫塔进行再循环,继续进行脱硫。循环流化床脱硫工艺特点:

(1)技术成熟,脱硫率90%;

(2)设备比较简单,占地面积较少,投资和运行费用较低;

(3)对煤种的适应性强,综合脱硫技术性能达到并超过喷雾干燥法的技术指标,比较适用于容为50~200M热电机组的脱硫技术改造,也可用于新建机组的烟气脱硫;

2.2.4增湿灰循环脱硫工艺

增湿灰循环脱硫工艺以生石灰(CaO)或消石灰Ca(OH)2为吸收剂。该技术是从锅炉的空预器出来的烟气,经一级电除尘器及引风机后,再经反应器底部进入反应器,和均匀混合在增湿循环灰中的吸收剂发生反应。在降温和增湿的条件下,烟气中的SO2与吸收剂反应生成亚硫酸钙和硫酸钙。反应后的烟气携带大量的干燥固体颗粒进入脱硫后除尘器收集净化。经过脱硫后除尘器的捕集,干燥的循环灰被除尘器从烟气中分离出来,由输送设备再输送给混合器,同时也向混合器加入消化过的石灰,经过增湿及混合搅拌进行再次循环。增湿灰循环脱硫工艺特点:

(1)工艺成熟,运行可靠,脱硫率80%;

(2)整个装置结构紧凑、占用空间小,初期投资小,运行成本较低;

(3)吸收剂在混合器中预先混合、增湿并多次循环,有效利用率高;

(4)克服了其他干法(半干法)脱硫工艺脱硫剂消化系统的复杂性及运用中产生的一系列粘结、堵塞、崩塌等严重问题。

2.3 干法脱硫工艺经济技术评估

2.3.1 荷电干式喷射脱硫工艺

荷电干式吸收剂喷射脱硫系统(CDSI)是美国最新专利技术,它通过在锅炉出口烟道喷入干的吸收剂(通常用熟石灰),使吸收剂与烟气中的SO2发生反应产生颗粒物质,被后面的除尘设备除去,从而达到脱硫的目的。荷电干式喷射脱硫工艺特点:

1)脱硫工艺简单有效、可靠性强,脱硫率60-70%

(2)吸收剂以高速流过喷射单元产生的高压静电晕充电区,得到强大的静电荷(负电荷)。当吸收剂通过喷射单元的喷管被喷射到烟气流中时,被喷射到烟气中扩散形成均匀的悬浮状态,吸收剂粒子表面都充分暴露在烟气中,增加了与SO2完全反应的机会,提高了脱硫效率,解决了传统干法脱硫需要加长烟道和吸收剂不能悬浮两大难题;

3)投资小,只有传统湿法脱硫投资的27%,适用于现有电厂升级改造;

4)纯干法脱硫,不会造成二次污染;

5)对脱硫剂要求太高,一般的石灰难以满足其使用要求,而其指定的可用石灰则售价过高,限制了其推广。

2.3.2 等离子体脱硫工艺

等离子体脱硫工艺是20世纪70年代发展起来的脱硫脱硝技术,主要是利用高能电子使烟气中的SO2NOXH2OO2等分子被激活,电离甚至裂解,产生大量离子和自由基等活性粒子,这些自由基对烟气中的SO2NO进行氧化,分别变成SO3NO2或相应的酸。在有氨存在的情况下,生成较稳定的硫铵和硫硝铵固体,它们被除尘器捕集下来而达到脱硫脱硝的目的。可分为电子束辐照法(EB)和脉冲电晕法(PPCP)。等离子体脱硫工艺特点:

    1)工艺先进,脱硫率80%

2)同时具备脱硝能力;

3)副产物硫酸氨和硝酸氨微粒,可作为农用肥料和工业原料使用。

4)投资小、占地面积小,运行成本低;

2.4 吸收解吸循环法脱硫技术经济技术评估

2.4.1 离子液脱硫工艺

离子液脱硫工艺是一种新兴的湿法烟气脱硫技术,采用的吸收剂是由阴离子和阳离子组成的在室温或接近室温下呈液体状态的物质,以有机阳离子、无机阴离子为主,添加少量活化剂、抗氧化剂和缓蚀剂,对SO气体具有良好的吸收和解吸能力。离子液循环使用,收集的SO2气体可用来生产硫酸、硫磺或液态二氧化硫。离子液体脱硫工艺的主要特点:

1)工艺先进,但流程复杂,脱硫率高(99%);

2)离子液体可循环使用,且一般没有蒸汽压,在使用过程中不产生对大气造成污染的有害气体,无废水、固废等二次污染问题;

3)可以通过采用不同的阴、阳离子组合来调节离子液体的物理和化学性质,即离子液体具有优良的可设计性,可以通过分子设计获得特殊功能的离子液体;

4)对进入吸收系统的杂质含量要求高;

5)占地面积大,初期投资高,蒸汽消耗量大。运行成本高。

6)回收硫资源,符合循环经济发展目标。

2.4.2柠檬酸钠吸收解吸脱硫工艺

柠檬酸钠吸收解吸脱硫工艺以柠檬酸钠缓冲溶液对烟气中SO2进行吸收解吸的脱硫工艺,预先除尘的烟气在吸收塔内与吸收液接触以吸收SO2,吸收液中含有一定浓度的柠檬酸,它的缓冲作用(维持PH4.5左右)强化了吸收过程。该过程可用下列反应式表示(反应式中Cl代表柠檬酸根)

SO2 (G)= SO2 (L)            (1)

SO2 (L)+H20=H++H SO3-     (2)

H++Cl3=HCl22-            (3)

H++HCl22-=H2Cl-          (4)

H++H2Cl-=H3Cl           (5)

柠檬酸钠缓冲溶液吸收SO2后,SO2作为电解质在溶液中电离,反应式(1)(2)表示SO2的溶解和电离,反应式(3)(4)(5)表示柠檬酸盐的离解平衡,保证了吸收液在要求的pH值范围内变化。SO2吸收时,反应向右进行,解吸时,通过加热使反应向左进行,实现吸收液再生。

柠檬酸钠吸收解吸脱硫工艺特点:

1)工艺流程可靠、实用,脱硫率80-90%

2)柠檬酸钠溶液可再生循环使用,具有无毒、无害、蒸汽压低等优点,无废水和固体废物的产生;

3)在弱酸性气液相环境中运行,系统腐蚀性小,吸收剂稳定;

4)一次性投资费用高,脱硫剂再生能耗高,蒸汽消耗量大,高温加热解吸过程中溶质易挥发并且容易生成热稳定性盐,需要及时去除,运行成本高;

5)如果低浓度SO2烟气中含有大量氧气,亚硫酸根被氧化成硫酸根造成吸收液的失效和硫酸钠的结晶;

6)对进入吸收系统的杂质含量要求高,同时,为确保尾气达标排放,工艺尾部需安装液碱保安系统。

2.4.3 活性焦脱硫工艺

活性焦脱硫工艺以活性焦为脱硫剂,是新型干法脱硫技术。进入吸附器的烟气与活性焦逆流接触,当烟气中存在氧气和水蒸气时,二氧化硫生成生成SO3SO3与水进一步生成硫酸,气体脱除SO2后排空。吸附SO2后的活性焦进入脱附器进行加热脱附再生,脱附后的活性焦筛分后,返回吸附器中循环使用,富集的SO2生产硫酸、液体二氧化硫、硫磺等。活性焦脱硫工艺特点:

1)工艺先进,脱硫效率98%

2)既可实现硫资源的有效回收利用,又能产生良好的经济效益;

3)再生后的活性焦经筛选后由物料输送系统送入吸附脱硫装置循环使用,筛下的少量小颗粒活性焦可作为燃料用于生产;

4)无废水、固废等二次污染问题;

5)初期投资大,运行过程电耗高,运行成本高;

6)对进入系统的烟气温度有要求,且烟气不能含有重油等易燃物质,防止系统爆炸。

7)实际运行中活性焦的消耗较大,主要来源于物料输送过程中的机械磨损(物理消耗)和工艺消耗(化学消耗)。

国内外主要脱硫工艺技术经济性能比较详见表1

现有主要脱硫工艺技术经济性能比较

Tab1  Comparison of the economic performance of the main desulfurization technology

脱硫工艺

技术

成熟度

脱硫率

%

适用范围

吸收剂

脱硫

副产品

副产品的处理

SO2是否利用

占地面积

处理成本

石灰石-石膏法

成熟

90-95

火力发电企业,现代煤化工企业

石灰石

石膏

少部分作为建材,大部分作为废物,堆放

部分利用

较低

钠碱法

成熟

90

有硫酸钠原料需求企业、硫酸尾气脱硫

氢氧化钠

硫酸钠

适用或销售

利用

较小

氨法

成熟

90

复混肥生产企业,现代煤化工企业

硫酸铵

少部分作为复混肥原料,大部分亏本销售

利用

较小

镁法

成熟

95

火力发电企业

氧化镁

七水合硫酸镁或亚硫酸镁

七水合硫酸镁作为肥料;亚硫酸镁制硫酸

部分利用

旋转喷雾干燥法

成熟

80-85

火力发电企业配套建设或升级改造

石灰石

亚硫酸钙

少部分作为建材,大部分作为废物,堆放

部分利用

较小

较低

炉内喷钙法

成熟

70-75

火力发电企业

石灰石

硫酸钙、氢氧化钙

少部分作为建材,大部分作为废物,堆放

部分利用

较低

循环流化床法

成熟

90

火力发电企业配套建设或升级改造

石灰石

硫酸钙

少部分作为建材,大部分作为废物,堆放

部分利用

较小

较低

增湿灰循环脱硫

成熟

80

火力发电企业

生石灰或消石灰

硫酸钙

少部分作为建材,大部分作为废物,堆放

部分利用

较低

荷电干式喷射脱硫

成熟

60-70

火力发电企业

熟石灰

硫酸钙

少部分作为建材,大部分作为废物,堆放

部分利用

较低

等离子体脱硫

成熟

80

硫矿石冶炼企业、复混肥生产企业

硫铵和硫硝铵

生产化肥

利用

离子液脱硫

成熟

99

硫矿石冶炼企业、化工企业

离子液

高纯二氧化硫

生产硫酸、液体二氧化硫、硫磺等

利用

柠檬酸钠吸收解吸脱硫

成熟

80-90

硫矿石冶炼企业、化工企业

柠檬酸钠

高纯二氧化硫

生产硫酸、液体二氧化硫、硫磺等

利用

活性焦脱硫

成熟

98

硫矿石冶炼企业、化工企业

活性焦

高纯二氧化硫

生产硫酸、液体二氧化硫、硫磺等

利用

 

脱硫工程选择脱硫工艺应满足6个条件:一是满足现有的国家排放标准和地方环保局的规定,以及今后5-10年内不断趋严的国家排放标准的要求;二是采用的工艺系统应技术成熟、先进;三是在正常稳定运行的基础上,达到高效、低物耗、低能耗运行的目的,运行经济性好;四是系统工艺选择和设备布置要充分考虑场地大小,设备布置及施工难度大的实际条件;五是脱硫系统除能满足有关的环保要求,并应有良好经济效益,要尽可能回收利用副产品,变废为宝;六是优先选用经过简单改造即可提供脱硫效率的工艺,减少工程投资,延长脱硫系统寿命。烟气脱硫工程投资以及项目运行成本会给企业带来巨大的经济压力,因此烟气脱硫工程中正确选择脱硫工艺十分重要,烟气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、深人、细致地对所有可能运用工艺方案进行经济技术评估。

参考文献

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[3]骆宇时,张 伟, 李志翔,脱硫技术及经济分析[J]. 云南电力技术,2002,30(2):11-14

 

第一作者:卢云霞(1967—),女,硕士研究生,主要研究方向为大气污染防治、循环经济。Luyunxia2@163.com

 

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