濕式氨法煙氣脫硫技術(shù)國(guó)內(nèi)適用性探討

黃麗娜,陳茂兵,繆明烽,秦翠娟,靳 達(dá)

(1.中環(huán)工程有限公司,江蘇 南京 210008;2.天津大港發(fā)電廠,天津 300000)

1 引言

我國(guó)過度依賴煤炭,造成SO2大量排放,SO2形成的酸雨嚴(yán)重污染環(huán)境,危害農(nóng)作物生長(zhǎng)和土壤環(huán)境。煙氣脫硫(FGD)是目前國(guó)際上普遍采用的一種有效消減SO2排放量的技術(shù)。

世界各國(guó)已開發(fā)比較成熟的脫硫技術(shù)達(dá)上百種,但真正進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用的僅為有限的十幾種,其中濕法脫硫工藝應(yīng)用最廣,占世界脫硫總裝機(jī)容量的85%左右[1]。常見的濕法煙氣脫硫技術(shù)有石灰石—石膏法、雙堿法、碳酸鈉法、氨法、氧化鎂法等[2]。濕式氨法脫硫盡管目前市場(chǎng)占有份額不多,但由于其是真正可實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的綠色脫硫工藝,正越來越受到重視[3]。

2 工藝介紹

濕式氨法脫硫工藝最早是由德國(guó)克盧伯(K rupp Koppers)公司于20世紀(jì) 70年代開發(fā)的Walther工藝,80年代初得到一定的應(yīng)用,其中一套裝置處理煙氣量為750 000m3/h。氨法脫硫工藝起初主要應(yīng)用于化工行業(yè),并沒在電力行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。隨著合成氨工業(yè)的不斷發(fā)展以及經(jīng)各國(guó)多年研究使得原有氣溶膠問題得到改進(jìn),進(jìn)入20世紀(jì)90年代后氨法脫硫逐步得到工業(yè)推廣使用。

我國(guó)從20世紀(jì)50年代起,開始了硫酸行業(yè)氨法脫硫技術(shù)的研究。1956年我國(guó)建立第一套氨法回收硫酸廠尾氣中SO2的工業(yè)規(guī)模裝置,用氨吸收SO2后形成亞硫酸銨-亞硫酸氫銨溶液[4]。隨后,我國(guó)上海硫酸廠、上海吳涇化工廠等近百套硫鐵礦制酸裝置都采用氨法脫除尾氣中SO2,至今仍然采用此法進(jìn)行尾氣處理。

氨法脫硫原理是溶解于水中的氨和煙氣接觸時(shí),與其中的SO2發(fā)生反應(yīng)生成亞硫酸銨,亞硫酸銨進(jìn)一步與煙氣中的SO2反應(yīng)生成亞硫酸氫銨,亞硫酸氫銨再與氨水反應(yīng)生成亞硫酸銨,通過亞硫酸氫銨與亞硫酸銨不斷的循環(huán),以及連續(xù)補(bǔ)充的氨水,不斷脫除煙氣中的SO2,化學(xué)反應(yīng)式如下：

2NH3+H2O+SO2=(NH4)2SO3,

(NH4)2 SO3+H 2O+SO2=2(NH4)HSO3,

(NH4)HSO3+NH4OH=(NH4)2SO3+H2O。

目前國(guó)內(nèi)成功應(yīng)用的濕式氨法脫硫裝置一般是從硫酸尾氣治理中發(fā)展來的。以氨法為主的脫硫公司有上海申川、江蘇新世紀(jì)江南、上海弗卡斯等,各家公司基本上圍繞如何更好地控制硫銨氣溶膠的生成和逃逸,亞硫酸銨氧化和硫銨結(jié)晶等難點(diǎn),對(duì)氨法脫硫體系進(jìn)行相應(yīng)改良優(yōu)化,形成具有各自特色的氨法脫硫技術(shù)。

3 氨法脫硫適用性研究

3.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

某300MW煙氣脫硫工程項(xiàng)目,脫硫塔的煙氣處理量為1 137 045 Nm3/h,處理前煙氣溫度為130～160℃,SO2的濃度為2 830mg/Nm3,SO3的濃度為39mg/Nm3,含水率 6.6%,煙塵濃度 197mg/Nm3,脫硫效率不低于94%,SO2排放濃度小于200mg/Nm3。

3.2 工藝技術(shù)

這里選用單塔氨法脫硫工藝,流程圖見圖1。具體工藝流程是：鍋爐出口原煙氣經(jīng)電除塵器除去99%以上的煙塵后,從吸收塔中部進(jìn)入吸收塔;吸收液由循環(huán)泵打入噴淋管道,經(jīng)噴嘴噴淋而下,霧化狀的吸收液與煙氣逆流充分撞擊,混合接觸反應(yīng)生成亞硫酸銨;塔頂部的二級(jí)除霧器去除脫硫凈化后煙氣夾帶的絕大部分霧滴,使其霧滴含量＜75mg/Nm3,凈化后煙氣由煙囪排出;脫硫產(chǎn)物亞硫酸銨在吸收塔底部被氧化風(fēng)機(jī)鼓入的空氣氧化成硫銨;料液取出泵將35%的硫氨溶液從脫硫塔取出后打入母液箱,再進(jìn)入蒸發(fā)結(jié)晶器;蒸發(fā)結(jié)晶器設(shè)置有抽真空系統(tǒng),硫銨溶液在其中70℃左右就達(dá)到沸點(diǎn),比正常蒸發(fā)下降了40℃,大大降低了蒸汽用量;蒸發(fā)結(jié)晶器出口含固量為30%的硫酸銨料漿,經(jīng)離心機(jī)進(jìn)一步分離,干燥機(jī)造粒,就得到含水率低于3%純度較高的硫酸銨產(chǎn)品(圖1)。

圖1 濕式氨法煙氣脫硫技術(shù)工藝流程圖

石灰石—石膏法工藝是將磨成粉狀的石灰石與水混合,攪拌制成30%的吸收漿液,不斷補(bǔ)充到吸收塔內(nèi);經(jīng)升壓風(fēng)機(jī)增壓的原煙氣流經(jīng)煙氣換熱器(GGH)后溫度降至100℃,隨即進(jìn)入吸收塔;循環(huán)漿液通過循環(huán)泵向上輸送,由噴漿層內(nèi)設(shè)置的噴嘴噴射到吸收塔中,煙氣在塔內(nèi)向上流動(dòng)且被向下流動(dòng)的循環(huán)漿液以逆流方式洗滌,氣體和液體得以充分接觸以便脫除SO2、SO3、HC l和HF,同時(shí)生成的CaSO3在吸收塔底部與鼓入的氧化空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng),最終生成石膏;吸收塔底部的石膏漿液先在水力旋流分離器中稠化至含固量約為40%,然后排出反應(yīng)塔,經(jīng)帶式真空過濾機(jī)過濾,脫除大部分水得到含水量小于10%的石膏;脫硫后的凈煙氣經(jīng)兩級(jí)除霧器去除水,再返回至GGH進(jìn)行加熱,溫度由50℃升至80℃以上,通過煙道進(jìn)入煙囪排向大氣。

這兩種脫硫技術(shù)由于吸收劑和反應(yīng)產(chǎn)物粘度大,均存在腐蝕和堵塞現(xiàn)象,這也是濕法脫硫的“詬病”,因此對(duì)設(shè)備材質(zhì)要求高。表1是它們的主要工藝技術(shù)指標(biāo),相比較而言,石灰石—石膏法工藝成熟,設(shè)備國(guó)產(chǎn)化程度和系統(tǒng)利用率高,而氨法脫硫工藝脫硫效率高,而且脫硫過程中形成的亞硫銨對(duì)NOx具有還原作用,可同時(shí)脫除氮氧化物。石灰石—石膏法缺點(diǎn)是占地面積相對(duì)較大,幾乎是氨法的兩倍;脫硫塔阻力大,需要增壓風(fēng)機(jī),漿液循環(huán)量大,耗電量較高;不能很好地脫除SO3和NOX等污染物。氨法存在的主要問題是排出煙氣中的氨生成亞硫酸銨、硫酸銨和氯化銨等難以除去的氣溶膠,造成氨損失和煙霧排放;硫銨結(jié)晶過程能耗大,加熱器材質(zhì)要求較高。

表1 煙氣脫硫技術(shù)的主要工藝技術(shù)指標(biāo)

3.3 經(jīng)濟(jì)技術(shù)

表2 煙氣脫硫技術(shù)的主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

從表2所示的具體經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)來看,石灰石—石膏法所用的石灰石價(jià)格低廉,而氨法脫硫的吸收劑氨的費(fèi)用較高,占運(yùn)行成本的比重較大。值得注意的是,隨著工藝和設(shè)備國(guó)產(chǎn)化程度的不斷提高,石灰石—石膏法平均單位造價(jià)已由20世紀(jì)80年代引進(jìn)國(guó)外技術(shù)時(shí)的1 200元/kW[5],降到了現(xiàn)在的100元/kW,甚至更低,這使其運(yùn)行費(fèi)用主要集中在電耗上。氨法脫硫成本較高,但脫硫副產(chǎn)品的銷售收入可以抵消大部分,使其發(fā)電成本低于石灰石—石膏法,可以預(yù)測(cè)當(dāng)煙氣中硫含量更高時(shí),項(xiàng)目完全有可能實(shí)現(xiàn)盈利。也就是說氨法脫硫經(jīng)濟(jì)效益隨煙氣中的SO2含量的增加而更佳,尤其適合中高硫煤。

3.4 環(huán)境特性

氨法對(duì)環(huán)境適應(yīng)性廣,其副產(chǎn)物主要是化肥,且在工藝過程中無廢水和廢渣排放,實(shí)現(xiàn)資源良性循環(huán)利用,將我國(guó)煙氣脫硫工業(yè)與化肥工業(yè)密切相結(jié)合,使得脫硫劑NH3來自于化肥工業(yè),又回到化肥工業(yè),火電廠的能源環(huán)保可形成一個(gè)自負(fù)盈虧的化肥產(chǎn)業(yè)[6]。

石灰石—石膏法暴露出的環(huán)保問題較多,首先在脫硫過程中會(huì)產(chǎn)生大量的CO2,在大氣層中超量沉積,將加劇溫室效應(yīng),導(dǎo)致全球氣候變暖,這與我國(guó)將建設(shè)低碳社會(huì)的戰(zhàn)略目標(biāo)相背離。其次脫硫最終產(chǎn)物主要是石膏,其綜合利用存在著多方面的制約。目前脫硫石膏主要應(yīng)用于水泥緩沖劑,但脫硫石膏中尚含有10%的附著水,由于水泥廠的生產(chǎn)設(shè)備如料倉(cāng)、輸送設(shè)備及計(jì)量設(shè)備等都是為天然石膏設(shè)計(jì)的,換成脫硫石膏時(shí),易出現(xiàn)膨料、下料不暢等問題,從而造成設(shè)備堵塞。據(jù)統(tǒng)計(jì)目前我國(guó)脫硫石膏的利用率不超過10%,其他大部分拋棄處置,不僅占用了大量土地,也對(duì)環(huán)境存在極大的威脅。如果要使脫硫石膏可以利用則需增加投入比拋棄處置高約30%的建設(shè)費(fèi)用,而我國(guó)天然石膏資源豐富,市場(chǎng)價(jià)格不高,因此脫硫石膏不具備競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。脫硫工藝過程中還產(chǎn)生了一定量呈弱酸性的廢水,pH值為5.0～6.0,廢水水質(zhì)比較特殊含有石灰石、亞硫酸鈣、石膏及煤中的鹵素和重金屬等,其中部分重金屬離子是國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)中要求控制的第一類污染物,處理難度較大[7]。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)合成氨產(chǎn)量位居世界第一,分布面廣,氨源豐沛,同時(shí)又是世界氮肥第一大國(guó),土壤嚴(yán)重缺硫,硫銨具有較大的市場(chǎng)潛力,因此氨法脫硫技術(shù)符合我國(guó)“缺硫不缺膏”的國(guó)情,相當(dāng)適合我國(guó)脫硫行業(yè)應(yīng)用。盡管現(xiàn)階段濕式氨法脫硫工藝技術(shù)不夠完善成熟,但隨著科技的發(fā)展,相信技術(shù)難點(diǎn)會(huì)一一得到解決,作為環(huán)境友好型工藝其發(fā)展前景將越來越廣闊。

[1]李俊華,陳建軍,郝吉明.控制大氣污染化工技術(shù)的研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展,2005,24(7)：703～ 709.

[2]郝吉明,馬廣大.大氣污染控制工程[M].北京：高等教育出版社,2002.

[3]葛能強(qiáng),邵永春.濕式氨法脫硫工藝及應(yīng)用[J].硫酸工業(yè),2006(6)：10～ 15.

[4]繆天成.我國(guó)治理SO2污染的歷程和建議[J].硫酸工業(yè),2000(1)：1～ 9.

[5]趙鵬高.我國(guó)燃煤電廠煙氣脫硫技術(shù)與設(shè)備國(guó)產(chǎn)化進(jìn)展、問題及建議[J].電力環(huán)境保護(hù),2004,20(2)：1～2,10.

[6]肖文德,袁渭康.潔凈煤技術(shù)的新發(fā)展——一種火電廠SO2的資源化技術(shù)[J].中國(guó)工程科學(xué),2000,2(5)：77～83.

[7]張淑芳.電廠石灰石——石膏法濕法煙氣脫硫廢水處理[J].能源環(huán)境保護(hù),2009,23(3)：34～35,50.