煙氣脫硫(FGD)及脫硫石膏的生產與應用

張 敏

(自貢鴻鶴化工股份有限公司 規(guī)劃技術處,四川 自貢 643000)

煙氣脫硫(FGD)及脫硫石膏的生產與應用

張 敏

(自貢鴻鶴化工股份有限公司 規(guī)劃技術處,四川 自貢 643000)

介紹了目前煙氣脫硫技術的主要方法和幾種常用的濕法脫硫技術,及以脫硫石膏代替天然石膏在水泥生產中的應用。

煙氣脫硫;濕法;石灰;脫硫石膏;水泥生產

1 煙氣脫硫(FGD)及脫硫石膏

1.1 煙氣脫硫(濕法)的主要方法

煙氣脫硫(FGD)治理分干法和濕法兩種。目前使用范圍最廣泛的脫硫方法是濕法脫硫,約占脫硫總量的80%多。常用的濕法脫硫方法,根據(jù)其所選用的吸收劑不同,又可分為石灰石/石灰法、鈉堿雙堿法、氧化鎂法、氨法等。

1.1.1 石灰石/石灰法

煙氣脫硫工藝中的石灰石法,主要采用細度200～300目的石灰石粉與水混合后制成石灰石漿液,然后輸送至吸收塔內,再通過噴淋霧化裝置使其與煙氣接觸,并吸收煙氣,從而達到脫硫的目的。該工藝需配備石灰石粉碎與化漿系統(tǒng)。由于石灰石活性較低,脫硫過程需通過增大吸收液的噴淋量,提高液氣比,以保證達到足夠的脫硫效率,因此,采用該方法脫硫的運行費用較高。石灰法是用石灰粉代替石灰石,石灰粉活性大大高于石灰石,可提高脫硫效率。石灰法存在的主要問題是塔內容易結垢,引起氣液接觸器(噴頭或塔板)的堵塞。

圖1 典型石灰石——石膏濕法工藝流程

石灰(石灰石)——石膏法的典型工藝流程如圖1所示。煙氣在冷卻塔內用水洗滌降低溫度并增濕,同時除去大部分的煙塵。冷卻后的煙氣進入吸收塔用石灰漿液洗滌脫硫,然后經過除沫、升溫由煙囪排放。吸收后的含亞硫酸鈣和硫酸鈣的混合漿液經過氧化,得到的石膏漿料經離心過濾和洗滌得成品石膏。

1.1.2 鈉堿雙堿法

雙堿法煙氣脫硫工藝是為了克服石灰石——石灰法容易結垢的缺點發(fā)展起來的。它先用堿金屬鹽類的水溶液吸收SO2,然后在另一石灰反應器中用石灰或石灰石將吸收SO2后的溶液再生,再生后的吸收液再循環(huán)使用,最終產物以亞硫酸鈣和石膏形式析出。由于在吸收和吸收液處理中使用了不同類型的堿,故稱為雙堿法。雙堿法的明顯優(yōu)點是,由于采用液相吸收,從而不存在結垢和漿料堵塞等問題,另外副產的石膏純度較高,應用范圍可以更廣泛一些。鈉堿雙堿法是以NaOH或Na2CO3溶液為第一堿吸收煙氣中的SO2,然后再用石灰石或石灰作為第二堿處理吸收液,產品為石膏。再生后的吸收液送回吸收塔循環(huán)使用,圖2為雙堿煙氣脫硫法的一般流程。

圖2 雙堿煙氣脫硫法的一般流程

1.1.3 氧化鎂法

氧化鎂法采用氧化鎂與SO2反應得到亞硫酸鎂與硫酸鎂,它們通過鍛燒可重新分解出氧化鎂,同時回收較純凈的SO2氣體,脫硫劑可循環(huán)使用。由于氧化鎂活性比石灰水高,脫硫效率也較石灰法高。它的缺點是氧化鎂回收過程需鍛燒,工藝較復雜,但若直接采用拋棄法,鎂鹽會導致二次污染,總體運行費用也較高。

1.1.4 氨法

氨法采用氨水作為SO2的吸收劑,SO2與NH3反應可產生亞硫酸銨、亞硫酸氫銨與部分因氧化而產生的硫酸銨。根據(jù)吸收液再生方法的不同,氨法可分為氨 ——酸法、氨——亞硫酸銨法和氨——硫酸銨法。氨法主要優(yōu)點是脫硫效率高(與鈉堿法相似),副產物可作為農業(yè)肥料。由于氨易揮發(fā),使吸收劑消耗量增加,脫硫劑利用率不高;脫硫對氨水的濃度有一定的要求,若氨水濃度太低,不僅影響脫硫效率,而且水循環(huán)系統(tǒng)龐大,使運行費用增大;濃度增大,勢必導致蒸發(fā)量的增大,對工作環(huán)境產生影響。而且氨易與凈化后煙氣中的SO2反應,形成氣溶膠,使得煙氣無法達標排放。氨法的回收過程也是較為困難的,投資費用較高,需配備制酸系統(tǒng)或結晶回收裝置,如中和器、結晶器、脫水機、干燥機等,系統(tǒng)復雜,設備繁多,管理、維護要求高。

1.2 濕法石灰石/石膏煙氣脫硫工藝技術

1.2.1 格柵填料塔工藝

重慶華能珞璜電廠一期工程2×360 MW濕法石灰石——石膏法煙氣脫硫工藝:日本三菱技術,于上個世紀80年代末引進的國內第一套濕法石灰石——石膏法煙氣脫硫工藝,這套脫硫裝置采用的是典型的濕法石灰石系統(tǒng),煙氣流程系統(tǒng),石膏脫硫系統(tǒng)與其他濕法石灰石——石膏法是相同的,這里主要區(qū)別在于吸收氧化二合一的吸收塔。

1.2.2 液柱塔工藝

重慶華能珞璜電廠二期2×360 MW煙氣脫硫裝置:日本三菱技術,煙氣脫硫吸收氧化系統(tǒng)采用的是液柱塔,其余系統(tǒng)與一期基本相同。

1.2.3 噴淋式空塔工藝

1)重慶電廠2×200 MW煙氣脫硫裝置

采用德國比曉夫濕法石灰石——石膏法空塔技術,故名思義,空塔即吸收塔內不設格柵等物體,這樣可以大大降低系統(tǒng)阻力。

2)大唐國際陡河發(fā)電廠2×200 MW煙氣脫硫裝置

由北京國電清新環(huán)保技術工程公司提供具有自主知識產權的旋匯耦合脫硫技術——濕法石灰石——石膏煙氣脫硫裝置。

1.2.4 逆流噴霧塔煙氣脫硫工藝

德國巴高克技術,這套裝置的特點為氣從吸收塔的下部進入,而吸收漿液從塔的上部不同高度水平噴入。

1.2.5 優(yōu)化雙循環(huán)脫硫工藝

德國諾爾優(yōu)化雙循環(huán)脫硫工藝指的是在上下2個不同p H值下循環(huán)運行,在脫硫塔內,為了高效吸收SO2,總希望在高p H值運行,而為了石灰石的溶解和亞硫酸鈣的溶解,即希望在低p H值下運行,所以為了顧全兩者,一般將p H值設定在5.6左右,這樣雖顧全了兩者但卻難以滿足兩者同時在最佳狀況下運行。

1.2.6 簡易型脫硫工藝

山西太原第一熱電廠600000 Nm3/h采用的是簡易型式濕法石灰石/石膏煙氣脫硫裝置,簡易濕法煙氣脫硫技術的提出和開發(fā)應用,是基于充分應用濕式石灰石——石膏法脫硫效率高、穩(wěn)定、成熟的優(yōu)點,并考慮到脫硫效率要求又不是很高,從而達到簡化設備、減少投資、降低運行成本的目的。

目前,石灰石——石膏法煙氣脫硫工藝在我國已建成和在建的煙氣脫硫工程的市場占有率為超過90%。國內的不同公司先后引進了德國 FBE公司、WULEF公司、BISCHOW公司,日本三菱公司、千代田公司、川崎公司、石川島公司,美國B&W公司、MARSULX公司、DUCON公司,奧地利 AE公司,意大利IDREC0公司5個國家中12個公司的石灰石/石灰——石膏法煙氣脫硫技術,部分技術的示范裝置列于表1。

表1 我國引進的大型電廠煙氣脫硫裝置

2 副產品石膏綜合利用

2.1 國外脫硫石膏利用的處置情況

國外在煙氣脫硫方面起步早,對脫硫石膏的利用也非常重視,他們的經驗值得我們借鑒。目前日本和德國是世界上最主要的2個脫硫石膏生產國和利用國,其次為美國、英國、奧地利、荷蘭等國。日本是利用脫硫石膏最多的國家之一,脫硫石膏在日本的利用狀況如表2所示,其中用于水泥添加料和石膏板原料超過90%,目前日本人均石膏消費量約5 m2,此消費量尚比不上美國、加拿大人均約8 m2的水平。

表2 日本的脫硫石膏利用現(xiàn)狀 (萬t)

日本、德國針對氣流干燥、煅燒中設備投資大以及脫硫石膏成分有一定要求等不足,采用常壓下鹽溶液法制備α半水石膏作了大量的研究,并且已應用于工業(yè)化生產。鹽溶液制備α半水石膏為致密的短柱晶體、比容小,水膏比小,膠凝后強度高,俗稱高強度石膏,具有較好的經濟效益。脫硫石膏另一個重要用途是用作地面自流平材料,用于自流平材料的主要膠凝材料是α半水石膏和 E型無水石膏。此材料具有良好的流動性,可用泵送澆注法施工,不需要振搗抹面,可得到光潔的樓板地面,具有良好的穩(wěn)定性,此法在歐洲具有較長的應用歷史。

2.2 國內脫硫石膏的綜合利用

2.2.1 農業(yè)

脫硫石膏的高透氣率使得它能成為極好的土壤調節(jié)劑,研究顯示脫硫石膏作為土壤調理劑可提供以下主要益處:①把砂土或黏土改善成沃土,改進它的結構和排水特性;②調節(jié)土壤p H值和增加陽離子交換能力;③對于花生、土豆和棉花是很好的硫和鈣源,對于果樹是合適現(xiàn)成的鈣源;④提供有益的微量元素;⑤增進根瘤產量,促進含氮化合物的轉化;⑥保持花生等其他莊稼無病害的手段。

2.2.2 建材

脫硫石膏經處理后成為α-半水石膏即建筑石膏,以此為原料可生產多種石膏制品。如紙面石膏板、石膏砌塊、裝飾石膏天花板、石膏紙質纖維板、石膏木質纖維板、粉刷石膏、嵌縫石膏、填充石膏等。

重慶市已成功使用脫硫石膏制作石膏砌塊、石膏條板、紙面石膏板制品及粉刷石膏等;中國新型建筑材料工業(yè)杭州設計研究院成功地開發(fā)出用脫硫石膏生產紙面石膏板、石膏砌塊等生產線的專有技術,并于2005年將該技術應用于上海杰科石膏板廠的紙面石膏板生產線上,用100%的脫硫石膏順利地產出高質量的紙面石膏板。在提高產品質量的同時,大大降低了生產成本。該技術可用于建設新石膏板生產線上,也可用于對老石膏板生產線的改造。上海拉法基小野田石膏建材有限公司是一家年產2500萬m2建筑用紙面石膏板生產企業(yè),該公司年消耗天然石膏和脫硫石膏達幾十萬噸。目前,該公司使用的脫硫石膏主要供應商為重慶珞電、重慶電廠、杭州半山等。

2.2.3 水泥緩凝劑

在硅酸鹽水泥中必須加入適量的二水石膏用以調節(jié)水泥的凝結時間,以達到標準中所規(guī)定的要求,如果摻量過多會使水泥強度下降,并造成穩(wěn)定性不良,在水泥標準中除了規(guī)定凝結時間外,還規(guī)定水泥中SO3含量不得超過35%,一般控制在15%～30%的范圍,因此水泥中需加入5%左右的石膏,也就是說石膏是硅酸鹽水泥中一種必不可少的組分。

為了確定脫硫石膏作為水泥緩凝劑對水泥質量的影響,中國硅酸鹽學會分別用珞璜脫硫石膏(含游離水9%左右)與天然石膏做水泥緩凝劑,進行了對比試驗,結果見表3～表6。

表3 原材料化學成分 (%)

表4 不同石膏的水泥配方 (%)

表5 水泥物理性能

表6 水泥國家標準 GB175—85中規(guī)定的指標

根據(jù)試驗結果得出如下結論:①脫硫石膏作水泥緩凝劑是可行的;②脫硫石膏不但能用作水泥緩凝劑,而且效果不低于天然石膏或更好;③由于緩凝劑加入量僅為5%,脫硫石膏雖含有10%左右的游離水分,但不會影響其使用。

近10年來,脫硫石膏應用于該行業(yè)的量在迅速地增長,如光宇集團浙江水泥有限公司年產75萬t熟料生產線于2003年4月投產,2004年3月初由供應部門組織紹興錢清電廠脫硫石膏進廠,4月12日開始投料生產。為了保證水泥的質量和性能的穩(wěn)定,起初使用60%的脫硫石膏代替天然石膏,逐步減少天然石膏的摻量,直到完全代替天然石膏。同時,在生產水泥時,加強出磨水泥的質量控制,水泥的初凝時間30 min檢測1次。經過3 d的連續(xù)跟蹤檢測,出磨水泥的各項性能檢測數(shù)據(jù)達到廠控指標,符合國家標準的要求,見表7。

表7 浙江水泥廠脫硫石膏作緩凝劑的水泥生產數(shù)據(jù)

2.2.4 脫硫石膏生產石膏建筑制品的調研

中國硅酸鹽學會曾對珞璜電廠的脫硫石膏進行性能驗證性試驗,結果見表8。從表中可以看出,脫硫石膏用作建筑制品完全可行,另據(jù)資料介紹,珞璜電廠脫硫石膏純度,主要是顏色較差,但因為石膏板主要作隔板,外面仍然要刷涂料,因此不影響使用。

表8 脫硫石膏性能驗證試驗結果

3 結 語

我國是以燃煤為主要能源的國家,煤產量居世界第一位,年產量達到18億t。燃煤造成的大氣污染物有粉塵、SO2、NOx和 CO2等。按 SO2污染的嚴重性分析,排在前三位的是火電廠、化工廠和冶煉廠,其中燃煤電廠污染物的排放量占全部工業(yè)排放總量的50%左右(個別地區(qū)可能達到90%)。而二氧化硫的大量排放,將導致降雨酸化,腐蝕植被、森林和建筑物,破壞人類的生存環(huán)境,直接危害人類健康?？刂贫趸虻呐欧?減少酸雨發(fā)生,是我國環(huán)境保護的重要任務之一,而電力工業(yè)將成為減少二氧化硫排放量的重點工業(yè)領域。

根據(jù)生產實際和產品配置,以及各種脫硫方法技術經濟評價后,筆者建議煙氣脫硫可采用濕法煙氣脫硫(FGD)石灰法,配套生產脫硫石膏生產線。脫硫石膏再用于水泥裝置水泥緩凝劑的生產以及用作建筑制品,以達到資源可持續(xù)循環(huán)利用和促進環(huán)保和生態(tài)平衡。

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[2]王志軒.石灰石-石膏法煙氣脫硫費用分析[J].中國電力,2004,(2)

[3]王文宗.海水白乳泥煙氣脫硫試驗研究[J].節(jié)能技術,2004,(1)

X 511;TQ 132.3

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:1005-8370(2011)01-12-06

2010-10-29

張敏(1963—),女,館員?，F(xiàn)在自貢鴻鶴化工股份公司規(guī)劃技術處科技情報所任職。長期從事科技情報調研和技術開發(fā)工作。