中國(guó)燃煤發(fā)電廠煙氣脫硫技術(shù)及應(yīng)用

賀 鵬，張先明

(1.內(nèi)蒙古大唐國(guó)際托克托發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000；2.內(nèi)蒙古大學(xué)鄂爾多斯學(xué)院，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

1 我國(guó)的電力發(fā)展和環(huán)境狀況

我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)決定了燃煤發(fā)電是電力的主要來(lái)源。據(jù)2012年中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)2011年電力生產(chǎn)總量為47130.2×108(kW·h)，其中火電發(fā)電量為38337.0×108(kW·h)，約占總量的81.3%。中國(guó)是燃煤大國(guó)，煤炭約占一次能源消費(fèi)總量的70% 左右。相對(duì)于石油等其他能源，煤炭的燃燒會(huì)產(chǎn)生更多的SO2和其他廢氣，所以被稱為“不干凈的能源”。據(jù)2012年中國(guó)環(huán)境年鑒報(bào)告，我國(guó)2011年的SO2排放總量為2217.9萬(wàn)t，其中工業(yè)排放2017.2萬(wàn)t，占總量的91.0%?；鹆Πl(fā)電機(jī)組是燃煤大戶，2010年火力發(fā)電電源結(jié)構(gòu)中煤占94.3%。因而導(dǎo)致了SO2工業(yè)排放的50%以上來(lái)自燃煤工業(yè)[1]。隨著我國(guó)大氣污染防治法規(guī)的日趨嚴(yán)格，加快火電廠新建機(jī)組煙氣脫硫工程建設(shè)和老機(jī)組脫硫技術(shù)改造勢(shì)在必行，煙氣脫硫技術(shù)正在迅速地推廣和應(yīng)用。

2 燃煤電廠煙氣脫硫技術(shù)現(xiàn)狀

燃煤鍋爐脫硫技術(shù)的研究到現(xiàn)在已有百年的歷史，據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上現(xiàn)有的SO2去除技術(shù)已有上百種，其中很多種脫硫技術(shù)相當(dāng)成熟，可應(yīng)用于實(shí)際工程?？傮w來(lái)說(shuō)，根據(jù)脫硫工藝和脫硫技術(shù)可分為三類：(1)燃燒前脫硫-原煤凈化；(2)燃燒中脫硫-硫化床燃燒和爐內(nèi)噴吸收劑；(3)燃燒后脫硫-煙氣脫硫[1]。

燃燒前脫硫技術(shù)主要有洗選、化學(xué)和生物等脫硫技術(shù)[2]。燃燒中脫硫技術(shù)主要有循環(huán)流化床燃燒技術(shù)和爐內(nèi)噴鈣技術(shù)，使用時(shí)往往與煙氣脫硫聯(lián)合使用[2]。燃燒后脫硫也稱煙氣脫硫，是指對(duì)燃煤經(jīng)過(guò)燃燒以后所產(chǎn)生的含有SO2的煙氣進(jìn)行處理的技術(shù)。煙氣脫硫技術(shù)具有脫硫效率高、穩(wěn)定性較好、安裝費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)，是目前世界唯一大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的脫硫方式。下面對(duì)常用的幾種技術(shù)進(jìn)行分析比較。

2.1 石灰石—石膏濕法脫硫技術(shù)

石灰石—石膏濕法脫硫工藝是世界上應(yīng)用最廣泛的一種脫硫技術(shù)。截至2010年底，我國(guó)建成投產(chǎn)火電廠中90%的企業(yè)采用此種脫硫工藝[3]。該工藝吸收劑利用率很高，鈣硫比較低，脫硫效率可大于95%。但當(dāng)脫硫效率大于90%后，繼續(xù)提高脫硫效率比較困難，尤其是提高到95%以上更加困難，很容易造成“石灰石屏蔽”[4]。

2.2 旋轉(zhuǎn)噴霧干燥法脫硫技術(shù)

噴霧干燥法脫硫工藝屬于半干法脫硫技術(shù)，以生石灰為脫硫吸收劑，噴霧干燥法脫硫工藝具有技術(shù)成熟、流程簡(jiǎn)單、系統(tǒng)可靠性高等特點(diǎn)，脫硫率可達(dá)到85%以上[5-6]。脫硫灰渣可用作制磚、筑路，但多為拋棄至灰場(chǎng)或回填廢舊礦坑。

2.3 循環(huán)流化床脫硫技術(shù)

煙氣循環(huán)流化床脫硫工藝一般采用干態(tài)的消石灰粉作為吸收劑，也可采用其他對(duì)SO2有吸收反應(yīng)能力的干粉或漿液作為吸收劑。

此工藝所產(chǎn)生的副產(chǎn)物呈干粉狀，其化學(xué)成分與噴霧干燥法脫硫工藝類似，適合作廢礦井回填、道路基礎(chǔ)等。典型的煙氣循環(huán)流化床脫硫工藝，當(dāng)燃煤硫分為2%左右，鈣硫比不大于1.3時(shí)，脫硫效率可達(dá)90%以上，排煙溫度為70～75℃[7-8]。

2.4 爐內(nèi)噴鈣尾部增濕脫硫技術(shù)

爐內(nèi)噴鈣加尾部煙氣增濕活化脫硫工藝(LIFAC法)是在爐內(nèi)噴鈣脫硫工藝的基礎(chǔ)上在鍋爐尾部增設(shè)了增濕段，以提高脫硫效率。該工藝多以石灰石粉為吸收劑。由于反應(yīng)在氣固兩相之間進(jìn)行，受到傳質(zhì)過(guò)程的影響，反應(yīng)速度較慢，吸收劑利用率較低[9]。當(dāng)Ca/S 為2.5左右時(shí)，系統(tǒng)脫硫效率可達(dá)到65%～80%。

2.5 海水脫硫技術(shù)

海水脫硫工藝是利用海水的堿度達(dá)到脫除煙氣中SO2的一種脫硫方法。由于海水的pH值為7.8～8.3左右，呈微堿性，本身是一種優(yōu)良的堿性吸收劑。該工藝無(wú)需脫硫劑成本、工藝簡(jiǎn)單、且不需要對(duì)脫硫副產(chǎn)物進(jìn)行額外處理處置，使投資和運(yùn)行費(fèi)用大幅降低，但海水堿度并不高，因此該法僅適用于較低SO2含量的煙氣脫硫。海水脫硫工藝一般適用于濱海、擴(kuò)散條件較好、用海水作為冷卻水、燃用低硫煤的電廠。目前已經(jīng)工業(yè)應(yīng)用的海水煙氣脫硫技術(shù)主要有純海水煙氣脫硫工藝和海水添加石灰漿液煙氣脫硫工藝[10-11]。

2.6 EBA 與PPCP 脫硫技術(shù)

電子束氨法與脈沖電暈氨法分別是用電子束和脈沖電暈照射噴入水和氨的、已降溫至 70℃左右的煙氣，在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，部分煙氣分子電離，成為高能電子，高能電子激活、裂解、電離其他煙氣分子，產(chǎn)生OH、O、HO2等多種活性粒子和自由基。

反應(yīng)生成物硫酸氨和硝酸氨可以生產(chǎn)化肥和工業(yè)原料[5,12]。電子束氨法的特點(diǎn)是方法經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行操作簡(jiǎn)便、負(fù)荷跟蹤能力強(qiáng)；脫硫效果好，能夠脫除煙氣中95%以上的SO2和70%以上的NOx，副產(chǎn)物無(wú)二次污染。脈沖電暈氨法的特點(diǎn)是具有裝置簡(jiǎn)單、運(yùn)行成本低、有害污染物清除徹底，同時(shí)具有除塵功能，很適合我國(guó)企業(yè)應(yīng)用[12]。

2.7 氨法脫硫技術(shù)

該工藝以氨水為吸收劑，副產(chǎn)硫酸銨化肥。煙氣經(jīng)GGH冷卻后，進(jìn)入預(yù)洗滌器，洗滌后的煙氣經(jīng)過(guò)液滴分離器除去水滴進(jìn)入前置洗滌器中。在前置洗滌器中，氨水自塔頂噴淋洗滌煙氣，煙氣中的SO2被洗滌吸收除去，經(jīng)洗滌的煙氣排出后經(jīng)液滴分離器除去攜帶的水滴，進(jìn)入脫硫洗滌器。在該洗滌器中煙氣進(jìn)一步被洗滌，經(jīng)洗滌塔頂?shù)某F器除去霧滴，進(jìn)入脫硫洗滌器。再經(jīng)煙氣換熱器加熱后經(jīng)煙囪排放。洗滌工藝中產(chǎn)生的濃度約30%的硫酸銨溶液排出洗滌塔，可以送到化肥廠進(jìn)一步處理或直接作為液體氮肥出售，也可以把這種溶液進(jìn)一步濃縮蒸發(fā)干燥加工成顆粒、晶體或塊狀化肥出售[5,10]。

2.8 濕式鎂法脫硫技術(shù)

濕法鎂法煙氣脫硫工藝的原理是將MgO粉末加水熟化后生成Mg(OH)2漿液，以此吸收煙氣中的SO2，副產(chǎn)物為含水亞硫酸鎂和硫酸鎂，可以作為復(fù)合肥料。該法已在日本、臺(tái)灣、東南亞等地得到了廣泛應(yīng)用，近年來(lái)在我國(guó)也得到了較快發(fā)展，尤其在中小型熱電廠是比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的一種脫硫方式，具有廣闊的應(yīng)用前景[10,13]。但由于對(duì)鎂法脫硫的研究還不深入，且缺乏在脫硫塔中控制亞硫酸鎂氧化的有效手段，阻礙了再生技術(shù)的應(yīng)用，因此國(guó)內(nèi)使用的鎂法煙氣脫硫多采用最終產(chǎn)物為硫酸鎂的工藝[14]。

2.9 鈉堿法脫硫技術(shù)

鈉堿法是采用NaOH、Na2CO3或Na2SO3等鈉金屬堿鹽的水溶液來(lái)吸收SO2。由于鈉堿的陽(yáng)離子是非揮發(fā)性的，與用氨水吸收相比，不存在吸收劑在脫硫過(guò)程中揮發(fā)并產(chǎn)生煙霧的問(wèn)題。而且鈉堿的價(jià)格相對(duì)鉀堿更便宜， Na2SO3和NaHSO3的物理化學(xué)特性更適宜于結(jié)晶和加熱解吸過(guò)程。

鈉堿法具有吸收能力強(qiáng)、選擇性好、揮發(fā)性低和無(wú)毒等諸多優(yōu)點(diǎn)，但由于鈉堿價(jià)格較貴，致使脫硫成本提高而較難普及[10,15]。

2.10 雙堿法脫硫技術(shù)

雙堿法先利用鈉堿吸收SO2，而后用石灰處理和再生吸收液，是在鈉堿法和石灰法這兩種技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)和發(fā)展起來(lái)的[10,15]。雙堿法的操作過(guò)程分為吸收、再生和固體分離。常用的吸收堿有NaOH、Na2CO3和Na2SO3，再生過(guò)程通常使用石灰，在有氧的情況下再生副產(chǎn)物為石膏，再生的NaOH、Na2CO3可循環(huán)使用。

雙堿法吸收液吸收SO2的速度快，脫硫效率也較高，而且在系統(tǒng)操作過(guò)程中不產(chǎn)生沉淀物，避免了吸收塔內(nèi)部的堵塞和磨損，運(yùn)行可靠性高，運(yùn)行費(fèi)用較低。雙堿法缺點(diǎn)是在吸收系統(tǒng)后多了一道工序，增加了投資費(fèi)用，副產(chǎn)物Na2SO4的再生較難，降低了石膏質(zhì)量[10]。

3 脫硫工藝的選擇

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)已投運(yùn)的煙氣脫硫機(jī)組中，石灰石—石膏濕法脫硫工藝占90%以上，海水法占3%，煙氣循環(huán)流化床法占2%，氨法占2%，其他占1%[4]。各種脫硫工藝優(yōu)缺點(diǎn)比較見(jiàn)表1。

表1 各種脫硫工藝的優(yōu)缺點(diǎn)比較[4,16-18]

項(xiàng)目濕 法半干法干法 石灰-石膏法鈉法雙堿法鎂法氨法電子束與脈沖電暈海水循環(huán)流化床噴霧干燥爐內(nèi)噴鈣加濕脫硫效率/%90～9590～9575～90>95>9590～9590～9560～9070～8065～80可靠性高高一般高高高高高一般一般結(jié)垢堵塞易結(jié)垢堵塞不結(jié)垢不堵塞可能結(jié)垢不堵塞不結(jié)垢不堵塞不結(jié)垢不堵塞不結(jié)垢不堵塞易腐蝕可能堵塞易堵塞易結(jié)垢堵塞易堵塞脫硫物處理裝置需需 需 需需需需占地面積最大小大中較小中大中中中副產(chǎn)品石膏硫酸鈉石膏硫酸鎂硫酸銨硫酸鈉硫酸銨硝酸銨亞硫酸鈣亞硫酸鈣亞硫酸鈣運(yùn)行費(fèi)高很高一般較高低很高一般一般一般一般投資中小較小中中小大較小較小小技術(shù)成熟度成熟成熟國(guó)外成熟成熟較成熟在試驗(yàn)中在試驗(yàn)中較成熟成熟較成熟

根據(jù)《火力發(fā)電廠煙氣脫硫設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》(DL/T5196-2004)按機(jī)組容量和燃煤硫分對(duì)脫硫工藝選擇的原則：(1)燃煤含硫量≥2%或容量≥200MW機(jī)組，宜優(yōu)先采用石灰石—石膏濕法脫硫工藝，脫硫率應(yīng)保證在90%以上；(2) 燃煤含硫量<2%或容量<200MW機(jī)組，宜優(yōu)先采用干法、或半干法等費(fèi)用較低的成熟技術(shù)，脫硫率應(yīng)保證在75%以上；(3)燃煤含硫量<1%的海濱電廠，可以采用海水法脫硫工藝，脫硫率宜保證在90%以上；(4)電子束法和氨水洗滌法脫硫工藝應(yīng)經(jīng)過(guò)全面技術(shù)經(jīng)濟(jì)認(rèn)可時(shí)采用，脫硫率宜保證在90%以上；(5) 脫硫裝置的可用率應(yīng)保證在95%以上。

4 煙氣脫硫技術(shù)發(fā)展中應(yīng)注意的問(wèn)題

4.1 降低脫硫成本

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)對(duì)SO2污染問(wèn)題往往采用高投入、高消耗的模式，而由于我國(guó)煙氣脫硫的研究起步較晚，很多技術(shù)和設(shè)備都依賴進(jìn)口，導(dǎo)致了脫硫成本很高，將使發(fā)電成本大幅上升，給企業(yè)帶來(lái)了沉重負(fù)擔(dān)。因此，在脫硫工藝選擇中我們要了解火電廠所處位置的石灰石、海水等脫硫原料的存儲(chǔ)量，以及從其他地區(qū)運(yùn)輸?shù)某杀径嗌佟⒃牧系馁|(zhì)量如何，運(yùn)送的周期長(zhǎng)短，這些都會(huì)影響到后期脫硫成本的大小。

4.2 尋找脫硫副產(chǎn)物出路

我國(guó)天然石膏資源豐富，導(dǎo)致石膏價(jià)格低廉。雖然已經(jīng)出臺(tái)了一系列針對(duì)脫硫石膏再利用的優(yōu)惠政策，但仍有大量脫硫石膏難以有效利用，因此歐美等國(guó)對(duì)脫硫副產(chǎn)物的利用方法較難在我國(guó)大規(guī)模實(shí)施。這些廢棄的脫硫副產(chǎn)物不得不作為固體廢物進(jìn)行堆埋，不僅浪費(fèi)了大量的硫資源，也占用了大量土地資源。因此，很有必要開(kāi)發(fā)脫硫石膏的新路徑，如應(yīng)用于水泥、建筑等領(lǐng)域[17]。

4.3 加快脫硫技術(shù)國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程

國(guó)產(chǎn)化主要包括設(shè)備國(guó)產(chǎn)化和技術(shù)國(guó)產(chǎn)化，其目的是為降低脫硫成本。其中，尤以技術(shù)國(guó)產(chǎn)化最為關(guān)鍵。我國(guó)現(xiàn)有的脫硫技術(shù)與設(shè)備絕大多數(shù)由國(guó)外引進(jìn)，雖然國(guó)內(nèi)已有能力制造大部分設(shè)備，但核心設(shè)備仍然一定程度上依賴進(jìn)口，且設(shè)備質(zhì)量與國(guó)外產(chǎn)品相比，差距有待進(jìn)一步縮小。

4.4 避免二次污染

濕法煙氣脫硫通常存在富液難以處理、沉淀、結(jié)垢及堵塞、腐蝕及磨損等等棘手的問(wèn)題。這些問(wèn)題如解決的不好，便會(huì)造成二次污染、運(yùn)轉(zhuǎn)效率低下或不能運(yùn)行等。為了防止二次污染，洗滌液必須循環(huán)使用。在吸收法煙氣脫硫工藝過(guò)程設(shè)計(jì)，需要同時(shí)考慮SO2吸收及富液合理的處理，可以回收和利用富液中的硫酸鹽類，廢物資源化。

4.5 脫硫新工藝的嘗試

應(yīng)不斷探索、研究和開(kāi)發(fā)低投資、低運(yùn)行成本、能夠變廢為寶的高科技新型工藝技術(shù)，如電子束照射法、生物脫硫法等，這些都是能夠變廢為寶，有效降低運(yùn)行成本，甚至能夠產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益的高科技工藝技術(shù)，是未來(lái)脫硫技術(shù)的發(fā)展方向。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，我國(guó)作為世界上新建燃煤發(fā)電廠最多的國(guó)家，近期的脫硫任務(wù)仍然很艱巨。通過(guò)自主創(chuàng)新、高效化、資源化、綜合化，將可能最終實(shí)現(xiàn)煙氣脫硫的經(jīng)濟(jì)化目標(biāo)，這是煙氣脫硫的發(fā)展大勢(shì)。因此，控制SO2的排放，提高灰渣、廢水等污染控制和綜合利用，完善相關(guān)法律法規(guī)，加強(qiáng)監(jiān)管力度可有效降低環(huán)境污染狀況。在全球提倡節(jié)能減排的今天，繼續(xù)加大火電廠煙氣脫硫技術(shù)的投資力度和研發(fā)力量，意義重大。借鑒國(guó)外先進(jìn)的脫硫技術(shù)，結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際情況，大膽創(chuàng)新，不斷改革，促進(jìn)我國(guó)火電行業(yè)脫硫產(chǎn)業(yè)更快、更好地發(fā)展。

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