燃煤鍋爐化學(xué)脫硫技術(shù)研究
1.前言
我國能源以煤碳為主。我國的大氣環(huán)境是典型的煤煙型污染，由燃煤排放的SO2所造成的酸雨已危及24個(gè)省、市、自治區(qū)。近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和能源消耗的不斷增長(zhǎng)，我國酸雨問題變得越來越嚴(yán)重。廣東、廣西、四川盆地和貴州的大部分地區(qū)所形成的華南、西南酸雨區(qū)，已成為與西歐、北美并列的世界三大酸雨區(qū)之一，同時(shí)又形成了以長(zhǎng)沙為中心的華中酸雨區(qū)和廈門、上海等華東沿海酸雨區(qū)，以及青島等酸雨區(qū)，有些地方降水PH值最低達(dá)3.5以下，給生態(tài)環(huán)境國民經(jīng)濟(jì)帶來了嚴(yán)重的危害。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅西南、華南酸雨區(qū)而造成的林木死亡，農(nóng)業(yè)減產(chǎn)，金屬腐蝕等的經(jīng)濟(jì)損失每年達(dá)140億元。目前，中國大氣污染的程度已相當(dāng)于世界發(fā)達(dá)國家五、六十年代污染最嚴(yán)重的時(shí)期。世界各國都已注意到大氣污染對(duì)人類生存的危害，都投入巨額資金對(duì)其進(jìn)行整治。我國也制定了《中國跨世紀(jì)綠色工程計(jì)劃》對(duì)大氣污染進(jìn)行綜合治理。治理大氣污染的根本途徑之一是采取有效的脫硫措施，減少點(diǎn)、面排放源的SO2排放量。針對(duì)我國的具體情況，開發(fā)切實(shí)可行的脫硫技術(shù)，卓有成效地控制燃煤煙氣排放的SO2量。近年來，國際國內(nèi)研制、開發(fā)了多種脫硫技術(shù)，下面僅就我們研制的化學(xué)脫硫技術(shù)和一些常規(guī)的脫硫技術(shù)的特點(diǎn)作一些探討。
2.煙氣中二氧化硫凈化的方法
2.1拋棄法：在煙氣中加入一種吸附物質(zhì),使煙氣在形成二氧化硫時(shí)便與之化合或?yàn)橹，生成另一種物質(zhì)，而不加利用地拋棄掉。
2.2回收法：通過吸附將二氧化硫富集起來，通過氧化還原或吸附作用，使之產(chǎn)生另一種有用的硫的產(chǎn)品；厥辗摿蛴址譃楦煞ê蜐穹▋煞N。
干法脫硫時(shí)煙氣不會(huì)冷卻，有利于煙羽的大氣擴(kuò)散。缺點(diǎn)是煙氣和固體吸附劑接觸時(shí)間短，吸附劑利用率低。在循環(huán)時(shí)，吸附劑顆粒經(jīng)過多次吸附和再生循環(huán)會(huì)發(fā)生鈍化和遲化甚至磨粒，實(shí)際的系統(tǒng)必須二臺(tái)設(shè)備，一臺(tái)吸附時(shí)，另一臺(tái)再生。這樣設(shè)備費(fèi)和維護(hù)費(fèi)都會(huì)增加。
濕法脫硫沒有干法的缺點(diǎn)，但在處理煙氣時(shí)必須冷卻到濕球溫度，這對(duì)煙羽的擴(kuò)散是有影響的。
2.3幾種實(shí)際使用的脫硫方法脫硫技術(shù)有許多，諸如煤炭洗選技術(shù)、煤氣化技術(shù)、水煤漿技術(shù)、型煤加工技術(shù)、流化床燃燒技術(shù)等，但是目前世界上唯一大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的是煙氣脫硫技術(shù)。它主要有下面幾種方式。
(1)石灰石（石灰）——石膏法濕式工藝絕大多數(shù)采用堿性漿液或溶液作為吸收劑，其中以石灰石或石灰為吸收劑的強(qiáng)制氧化濕式脫硫方式是目前使用最廣泛的脫硫技術(shù)。在該工藝中，石灰石或石灰洗滌劑與煙氣中SO2反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物硫酸鈣在洗滌液中沉淀下來，經(jīng)分離后既可拋棄也可以石膏形式回收。目前的系統(tǒng)大多采用了大處理量洗滌塔，300MW機(jī)組可用一吸收塔，從而節(jié)省了投資和運(yùn)行費(fèi)用；系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性已達(dá)99%以上；通過添加有機(jī)酸可使脫硫率提高到95%以上。
(2)簡(jiǎn)易石灰石（石灰）——石膏法簡(jiǎn)易工藝的原理與傳統(tǒng)石灰石——石膏法相同，但與傳統(tǒng)工藝相比，通過預(yù)洗、吸收和氧化設(shè)備合并，簡(jiǎn)化煙氣熱交換系統(tǒng)，以及煙氣部分旁路等的改進(jìn)，以中等脫硫效率（70%~80%）為目標(biāo)，有效地降低了設(shè)備初投資。
(3)海水脫硫天然海水中含有大量的可溶性鹽，其中主要成分是氯化鈉和硫酸鹽及一定量的可溶性碳酸鹽。海水通常呈堿性，自然堿度為1.2~2.5mmol/L，這使得海水具有天然的酸堿緩沖能力及吸收SO2的能力。國外一些脫硫公司利用海水的這種特性，成功地開發(fā)出海水脫硫工藝。海水脫硫系統(tǒng)主要由煙氣系統(tǒng)、再熱系統(tǒng)、供排海水系統(tǒng)、海水恢復(fù)系統(tǒng)等組成。1988年以前，海水脫硫工藝多應(yīng)用于冶金行業(yè)的煉鋁廠及煉油廠等。近年來在火電廠的應(yīng)用有較快的發(fā)展。挪威ABB公司的海水脫硫工藝已在挪威和國外建成20多套裝置，挪威的煙氣脫硫全部采用這種工藝。
(4)磷銨復(fù)肥法（PAFP法）該法是利用天然磷礦石和氨為原料，在煙氣脫硫過程中副產(chǎn)磷銨復(fù)合肥料。
工藝流程主要包括四個(gè)過程，即：活性炭一級(jí)脫硫并制得稀硫酸；稀硫酸萃取磷礦制得稀磷酸溶液；磷酸和氨的中和液[（NH4）2HPO4]二級(jí)脫硫；料漿濃縮干燥制磷銨復(fù)肥。該技術(shù)在國外尚無應(yīng)用實(shí)例。
(5)其它濕法其它濕式工藝包括用碳酸鈉、鎂和氨作吸收劑，一般用于小型電廠和工業(yè)鍋爐。氨洗滌法可達(dá)較高的脫硫效率，副產(chǎn)硫銨是可出售的化肥。
(6)噴霧干燥法噴霧干燥法屬半干法脫硫工藝，于70年代初至中期開發(fā)成功。第一臺(tái)電站噴霧干燥脫硫裝置于1980年在美國北方電網(wǎng)的河濱電站投入運(yùn)行，此后該技術(shù)在美國和歐洲的燃煤電站實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。噴霧干燥工藝目前約占總裝機(jī)量的10%，大多用于燃用低硫和中硫的中小容量機(jī)組上，該法利用石灰漿液作吸收劑，以細(xì)霧滴噴入反應(yīng)器，與SO2邊反應(yīng)邊干燥，在反應(yīng)器出口，隨著水分蒸發(fā)，形成了干的顆料混合物。該副產(chǎn)品是硫酸鈣、硫酸鹽、飛灰及未反應(yīng)的石灰組成的混合物。噴霧干燥法可脫除70%~95%的SO2，并有可能提高到98%.
(7)吸著劑噴射法吸著劑工藝屬干法工藝。按所用吸著劑不同可分為鈣基和鈉基工藝，吸著劑可以是干態(tài)、濕潤(rùn)態(tài)或漿液。噴入部位可以為爐膛、省煤器和煙道。當(dāng)鈣硫比為2時(shí)，干法工藝的脫硫效率可達(dá)50%~70%，鈣利用率達(dá)50%，這種方法適合老電廠改造，因?yàn)樵陔姀S排煙流程中不需增加什么設(shè)備就可達(dá)到脫硫目的。噴吸著劑工藝目前占總裝機(jī)容量的3.2%，其中89%用于燃煤含硫量<2%的機(jī)組。
煙氣脫硫還有一些方法，如電子束法；再生工藝和SO2/NOx聯(lián)合脫除工藝；簡(jiǎn)易除塵脫硫一體化技術(shù)；但這些技術(shù)還很不成熟。
燃煤鍋爐化學(xué)脫硫技術(shù)：
上述脫硫方法，都需要增加投資，據(jù)美國統(tǒng)計(jì)，脫硫裝置投資占電站總投資的25%，運(yùn)行費(fèi)用增加15%.我們研制的燃煤鍋爐化學(xué)脫硫技術(shù)基本上不需復(fù)雜的裝置，只需要簡(jiǎn)單的喂料機(jī)構(gòu)，運(yùn)行費(fèi)用隨煤含硫量的增加而增加，一般在10%~15%之間，系統(tǒng)如圖：系統(tǒng)圖
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由圖可見，系統(tǒng)中只是增加了一套添加劑的料倉及喂料機(jī)構(gòu)，添加劑經(jīng)喂料機(jī)進(jìn)入球磨機(jī)，同原煤一起粉碎并混合均勻，經(jīng)送粉系統(tǒng)進(jìn)入鍋爐內(nèi)燃燒，煤中的硫同添加劑產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成金屬硫化物，大部分留在煤灰中，小部分隨煙氣進(jìn)入除塵器再次分離，其余部分均隨煤灰沖入灰場(chǎng)。
煤灰燃燒過程中硫分析如下圖（略）：硫平衡關(guān)系式：Sk+Sb=Sy+Sw=So=Syq+Sz+Sm=Sq+Sf+Sz+Slm燃煤鍋爐化學(xué)脫硫技術(shù)的核心是：
(1)通過計(jì)算和實(shí)驗(yàn)尋求最佳的化學(xué)添加劑組合。該組合固硫率最高，對(duì)燃燒的負(fù)面影響最小。選用氧化助燃助劑，在固硫的同時(shí)還改善了燃燒，提高了一定的熱值，節(jié)煤2-3%.
(2)化學(xué)添加劑組合的成本最小，確保其應(yīng)用成本固化每噸硫不大于600~1100元/T（固化硫）。
(3)選擇了一個(gè)合理的工藝路線，使助劑與煤粉充分混合，充分參加燃燒，使其固硫作用發(fā)揮至最大，有效系數(shù)為最大值。
(4)設(shè)計(jì)合理的化學(xué)助劑喂料裝置，并具備精度不低1%的計(jì)量功能（隨機(jī)），以保證劑/煤比達(dá)到最小，減少成本。
(5)確保化學(xué)助劑在爐膛參與燃燒過程和在受熱面流動(dòng)的過程中，不能對(duì)其造成負(fù)面影響。
(6)盡量減少對(duì)受熱面結(jié)垢和腐蝕的影響。
(7)研究爐內(nèi)化學(xué)脫硫?qū)胰廴谔匦、結(jié)渣特性、沾污特性的影響。
我們從化學(xué)機(jī)理、煤燃燒、鍋爐及輔機(jī)等各方面，進(jìn)行試驗(yàn)室內(nèi)的試驗(yàn)研究，開展?fàn)t內(nèi)化學(xué)動(dòng)力學(xué)分析研究，化學(xué)脫硫劑特性，加劑后煤灰高溫特性、飛灰電氣特性、爐膛上部空氣動(dòng)力場(chǎng)計(jì)算機(jī)模擬數(shù)值計(jì)算，混合狀況冷態(tài)；囼(yàn)等，開發(fā)了專項(xiàng)試驗(yàn)研究技術(shù)，形成了一系列研究開發(fā)化學(xué)脫硫成套技術(shù)不同環(huán)節(jié)的試驗(yàn)研究，有力地支持、保證了試驗(yàn)室內(nèi)系統(tǒng)小試的圓滿完成，并且在唐山成功地進(jìn)行了工業(yè)中試。
燃煤鍋爐化學(xué)脫硫技術(shù)適用范圍廣、覆蓋的煤種多，能有效地控制SO2排放量，如一個(gè)200MW的電站，煤熱值在21000KJ/kg，含硫量在1.5%，使用化學(xué)脫硫技術(shù)，脫硫率80%，則少排放SO213.2萬噸/年。這為實(shí)現(xiàn)國家提出的在2000年將SO2排放量控制在1995年水平的目標(biāo)做出了貢獻(xiàn)，具有可觀的環(huán)境和社會(huì)效益。
多年攻關(guān)成果已經(jīng)表明，化學(xué)脫硫技術(shù)不僅適用于中小型鍋爐，而且適用于電站鍋爐；不僅適用于新建鍋爐，而且適用于現(xiàn)役鍋爐的脫硫技術(shù)改造；不僅適用于中硫煤，而且可用于高硫煤，可以覆蓋所有的煤種。中國化學(xué)脫硫技術(shù)幾乎還是空白，具有巨大的市場(chǎng)和廣闊的推廣應(yīng)用前景。
燃燒鍋爐化學(xué)脫硫技術(shù)其最突出的特點(diǎn)是：
<1>工藝流程簡(jiǎn)單、操作維護(hù)方便；
<2>有強(qiáng)有力的理論支持和前期試樣研究為先導(dǎo)；
<3>投資費(fèi)用極小，不需復(fù)雜的脫硫設(shè)備；
<4>脫硫效果顯著，與其它脫硫方式相比，能用最低的費(fèi)用收到較高的脫硫效果，是當(dāng)前最適合我國國情的一種最新脫硫技術(shù)。
<5>除脫硫作用外，還有助燃、降塵的多種用途，極有利于環(huán)保。
3.結(jié)論
燃煤鍋爐化學(xué)脫硫在國家實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的單管燃燒裝置上進(jìn)行了試驗(yàn)、測(cè)試，在添加劑加入量0.6%的情況下，脫硫率為92.45%.綜上所述，燃煤鍋爐化學(xué)脫硫技術(shù)以其低投資、低消耗、高脫硫率的優(yōu)點(diǎn)值得大力推廣。
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