中國(guó)火電行業(yè)SO2排放與治理

王麗雯，周 也，田 震

(鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南鄭州 450001)

0 前言

據(jù)中國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公告，2011年中國(guó)能源消耗總量為34.8億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。在我國(guó)所有消耗的能源中，煤炭占70%，而世界平均水平僅為29.4%［1］。我國(guó)能源資源狀況、分布和一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)的構(gòu)成，決定了煤炭在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中的重要地位。而且我國(guó)嚴(yán)重依賴煤炭的能源結(jié)構(gòu)狀況在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)不會(huì)改變。然而煤炭是一種低品位的化石能源，中國(guó)煤炭中灰分較高，硫含量從0.1% ～10%變化不等［2］。我國(guó)煤炭大都直接燃燒，造成煙塵和SO2等污染物直接排放到大氣中，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。我國(guó)耗煤最多的行業(yè)是火電行業(yè)，也是SO2排放量最大的行業(yè)。我國(guó)火電行業(yè)的燃煤量和SO2排放量分別占據(jù)總耗煤量和總SO2排放量的50%和52%［3］。因此，對(duì)火電行業(yè)SO2排放進(jìn)行控制和治理，對(duì)于構(gòu)筑資源節(jié)約型和環(huán)境友好型工業(yè)體系，乃至最終實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

1 火電行業(yè)SO2排放現(xiàn)狀

改革開(kāi)放以來(lái)，中國(guó)電力工業(yè)一直保持快速發(fā)展的勢(shì)頭，不斷取得顯著成績(jī)。依據(jù)中國(guó)電力聯(lián)合會(huì)發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)［4］，從1996年起，我國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量和發(fā)電量均高居世界第二位。到2010年，我國(guó)全口徑發(fā)電量42 280億kW·h，其中火電34 145億kW·h，約占81%［5］。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)電力行業(yè)中超過(guò)70%的裝機(jī)容量為火電，約占80%的發(fā)電量來(lái)自火電［6］。

表1 我國(guó)火力發(fā)電—燃煤消耗—SO2排放統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

在電力行業(yè)取得驕人成績(jī)的同時(shí)，火電行業(yè)由于燃燒煤炭排放大量SO2導(dǎo)致的問(wèn)題卻也不容忽視。從表1中給出的1997～2007年我國(guó)火力發(fā)電—燃煤消耗—SO2排放的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)［2］可以看出，燃煤消耗量逐年增加;SO2排放量在2006年達(dá)到峰值，2007年有小幅回落但仍保持高位。燃煤造成的沒(méi)煙型污染不僅使我國(guó)許多城市的大氣質(zhì)量難以達(dá)到良好的環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，而且燃煤排放的二氧化硫是導(dǎo)致酸雨產(chǎn)生的主要原因之一。目前，我國(guó)已成為繼歐洲、北美之后的世界第三大重酸雨區(qū)。酸雨的蔓延形勢(shì)非常嚴(yán)峻，酸雨區(qū)已從20世紀(jì)80年代西南少數(shù)地區(qū)發(fā)展到長(zhǎng)江以南、青藏高原以東和四川盆地的大部分地區(qū)，全國(guó)一半以上的城市降水年均pH值低于5.6，酸雨覆蓋面積已占國(guó)土面積的30%以上［7］。根據(jù)國(guó)家環(huán)境保護(hù)部的一項(xiàng)調(diào)查顯示，在2008年，由于SO2排放造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)4 642億元，相當(dāng)于當(dāng)年GDP的1.54%［1］!

2 脫硫技術(shù)現(xiàn)狀

目前，脫硫方法有燃燒前脫硫、燃燒中脫硫和燃燒后脫硫三大類，均為世界各國(guó)普遍采用的脫硫技術(shù)。燃燒前脫硫主要是通過(guò)物理、化學(xué)和生物的方法改變煤炭和重油等高硫燃料的組成和成分，降低硫含量，提高燃料品質(zhì)。燃燒中脫硫是指在燃燒過(guò)程中摻入石灰石之類的脫硫劑，以在燃燒的同時(shí)達(dá)到脫硫的目的。燃燒后脫硫即煙氣脫硫(FGD)是采用化學(xué)或物理或二者結(jié)合的方法將煙氣中的SO2固定和脫除。由于燃燒前脫硫和燃燒中脫硫造價(jià)成本較高，應(yīng)用受到限制，因此目前煙氣脫硫是SO2減排技術(shù)中研究的較多，進(jìn)展也較快的技術(shù)。

2.1 濕法煙氣脫硫

我國(guó)火電廠鍋爐排放的主要是低濃度SO2煙氣，采用傳統(tǒng)的接觸法脫硫制硫酸等方法技術(shù)經(jīng)濟(jì)難度大，必須采用其他方法進(jìn)行脫硫［8］。低濃度SO2煙氣脫除方法可分為濕法、半干法和干法三大類。在濕法脫硫過(guò)程中，采用不同的吸收劑可獲得不同的副產(chǎn)物而加以利用，因此濕法脫硫是國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣，研究最多的濕法脫硫技術(shù)。目前已經(jīng)商業(yè)化或處于中試階段的濕法煙氣脫硫工藝有:石灰/石灰石—石膏法、海水脫硫法、磷銨復(fù)合肥法、鈉堿法、氨吸收法、氧化鎂法等［9］。

2.1.1 石灰/石灰石—石膏法

石灰/石灰石—石膏法脫硫法采用的脫硫劑為石灰或石灰石漿液。石灰或石灰石漿液與SO2反應(yīng)生成亞硫酸鈣，然后通入空氣強(qiáng)制氧化，最終產(chǎn)物為石膏。

石灰/石灰石—石膏法是目前較為成熟的脫硫技術(shù)。該工藝脫硫效率高;吸收劑取材方便，價(jià)格低廉，利用率較高;對(duì)煤種的適應(yīng)性好，尤其適用于高硫煤，對(duì)鍋爐負(fù)荷變化的適應(yīng)性也強(qiáng)，并且設(shè)備運(yùn)行可靠性高。但該工藝初期投資約占電廠總投資的20% ～30%;對(duì)設(shè)備腐蝕、磨損嚴(yán)重，需要較高的運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用;副產(chǎn)品的綜合利用出路不大，產(chǎn)生的廢水很難處理。

2.1.2 海水法

海水煙氣脫硫法使用的SO2吸收劑是天然海水。經(jīng)過(guò)脫硫吸收的海水經(jīng)過(guò)海水恢復(fù)系統(tǒng)，其pH值得以恢復(fù)，最終排入大海。

海水法煙氣脫硫工藝用天然海水作為吸收劑，工藝較簡(jiǎn)單;吸收系統(tǒng)可用率高;吸收SO2后的海水經(jīng)處理達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后排入大海，此過(guò)程無(wú)脫硫灰渣生成;脫硫率較高，環(huán)境效益顯著;投資和運(yùn)行費(fèi)用較低。但海水法只能在沿海國(guó)家和地區(qū)使用，而且一般只適合于中低硫煤電廠。另外，該法還可能對(duì)海洋環(huán)境造成不良影響。

2.1.3 磷銨復(fù)合肥法［2，11］

磷銨復(fù)合肥法煙氣脫硫技術(shù)利用天然磷礦石和氨為原料，在煙氣脫硫的同時(shí)生產(chǎn)磷銨復(fù)合肥，是我國(guó)自主研發(fā)的一項(xiàng)回收法脫硫技術(shù)。

磷銨復(fù)合肥法相比一般煙氣脫硫方法，有脫硫效率較高的優(yōu)點(diǎn)，可達(dá)95%以上，而且該法使用的脫硫原料來(lái)源比較豐富，所獲產(chǎn)品為農(nóng)業(yè)需要的磷銨復(fù)肥。此項(xiàng)技術(shù)除需處理磷石膏廢渣和含氟廢氣外，幾乎無(wú)其它額外污染。但該工藝復(fù)雜，磷礦粉萃取過(guò)程產(chǎn)生的廢棄物容易造成二次污染，并且設(shè)備腐蝕嚴(yán)重。

2.1.4 氨法

氨法是用氨水吸收煙氣中的 SO2，形成(NH4)2SO3－NH4HSO3－H2O的吸收液體系，該溶液中(NH4)2SO3是主要的SO2吸收劑。氨法中比較成熟的有氨—酸法、氨—亞硫酸銨法和氨—硫酸氨法等。

氨法的主要特點(diǎn):一方面氨的堿性比鈣基吸收劑強(qiáng)，另一方面吸收 SO2的過(guò)程是氣—液或氣—?dú)夥磻?yīng)，反應(yīng)速度快而且完全，所以吸收劑利用率較高，脫硫效率也相對(duì)較高。另外該法還有脫硫系統(tǒng)簡(jiǎn)單、設(shè)備體積小、能耗低的優(yōu)點(diǎn)，但氨吸收劑的消耗量較大，氨的來(lái)源也受地域及生產(chǎn)企業(yè)等因素的限制。

2.2 火電企業(yè)脫硫現(xiàn)狀

截止到2009年底，我國(guó)燃煤電廠煙氣脫硫機(jī)組容量比2008年增長(zhǎng)29.5%，達(dá)到4.73億kW，在所有煤電機(jī)組中脫硫機(jī)組占76%。在我國(guó)已投產(chǎn)的煙氣脫硫機(jī)組中，86%煙氣脫硫機(jī)組是30萬(wàn)kW級(jí)以上。煙氣脫硫采用的工藝中，石灰石—石膏法依然是主要方法，占92%，海水法占3%，氨法占2%，其他方法占 3%［6］。

3 煙氣脫硫技術(shù)進(jìn)展

開(kāi)發(fā)新的濕法脫硫工藝路線綜合起來(lái)有兩種［2］:一是保持傳統(tǒng)濕法的高脫硫效率，通過(guò)提高空塔氣速，提高噴霧效果等改進(jìn)措施，進(jìn)一步降低設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用;二是適當(dāng)降低濕法的脫硫效率，通過(guò)提高流速，簡(jiǎn)化工藝，縮小吸收塔容積等技術(shù)措施降低一次投資和運(yùn)行費(fèi)用。

除單純的脫硫之外，由于分段脫除煙氣中SO2和NOx不僅投資和運(yùn)行費(fèi)用昂貴，而且在工藝中還存在脫硫后煙氣再熱等問(wèn)題，因此目前開(kāi)發(fā)節(jié)能高效的同時(shí)脫硫脫硝新技術(shù)、新設(shè)備成為國(guó)內(nèi)外煙氣凈化技術(shù)研究的趨勢(shì)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外都相繼開(kāi)展了煙氣同時(shí)脫硫脫硝技術(shù)的開(kāi)發(fā)，有的技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)實(shí)踐。這類技術(shù)包括電子束法脫硫、脈沖電暈放電脫硫脫硝技術(shù)、固相吸附再生技術(shù)等。

4 結(jié)束語(yǔ)

“十一五”計(jì)劃期間，我國(guó)火電行業(yè)節(jié)能減排效果顯著，二氧化硫控制已取得明顯成效，并為我國(guó)完成節(jié)能減排目標(biāo)作出了巨大貢獻(xiàn)。盡管如此，在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，我國(guó)電力工業(yè)仍然主要依賴火力發(fā)電，因此SO2排放形勢(shì)依然嚴(yán)峻?！笆濉惫?jié)能減排目標(biāo)對(duì)電力行業(yè)二氧化硫排放總量進(jìn)一步削減。在此背景下，我國(guó)火電行業(yè)應(yīng)該進(jìn)一步加強(qiáng)從源頭控制和末端治理中減少SO2排放，我國(guó)的科研人員應(yīng)繼續(xù)大力致力于煙氣脫硫工藝改進(jìn)和開(kāi)發(fā)的工作，以實(shí)現(xiàn)構(gòu)筑環(huán)境友好型工業(yè)體系的目標(biāo)。

［1］Bao Qianglin，Zhu Junjiang，Peng zhang.Allocation of sulphur dioxide allowance－An analysis based on a survey of power plants in Fujian province in China［J］.Energy，2011，36:3120－3129.

［2］郝吉明，王書肖，陸永琪.燃煤二氧化硫污染控制技術(shù)手冊(cè)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2001:2－294.

［3］王淑娜，孫根年.中國(guó)1991年至2007年火力發(fā)電—燃煤消耗—SO2排放關(guān)系的分析［J］.資源科學(xué)，2010，32(7):1230－1235.

［4］中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì).中國(guó)電力行業(yè)年度發(fā)展報(bào)告2010［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2010.

［5］中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì).2010年全國(guó)電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)快報(bào)［R］.北京:中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)，2011.

［6］張建宇，潘 荔，楊 帆，等.中國(guó)燃煤電廠大氣污染物控制現(xiàn)狀分析［J］.環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，1(3):185－196.

［7］王志軒，朱法華，劉思湄，等.火電二氧化碳環(huán)境影響與控制對(duì)策［M］.北京:中國(guó)環(huán)境出版社，2002，2.

［8］張 麗.低濃度SO2煙氣處理及NO2和CO2對(duì)其過(guò)程的影響研究［D］.湖南:中南大學(xué)，2010，3.

［9］王召啟.超聲波膜吸收法處理低濃度二氧化硫的研究［D］.陜西:西安建筑科技大學(xué)，2006，3.

［10］徐正中.磷銨肥法煙氣脫硫中試研究［J］.熱力發(fā)電，1993，(2):14－19.