濕式氨法煙氣脫硫技術國內適用性探討

黃麗娜,陳茂兵,繆明烽,秦翠娟,靳 達

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

1 引言

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

世界各國已開發比較成熟的脫硫技術達上百種,但真正進行工業應用的僅為有限的十幾種,其中濕法脫硫工藝應用最廣,占世界脫硫總裝機容量的85%左右[1]。常見的濕法煙氣脫硫技術有石灰石—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占有份額不多,但由于其是真正可實現循環經濟的綠色脫硫工藝,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克盧伯(K rupp Koppers)公司于20世紀 70年代開發的Walther工藝,80年代初得到一定的應用,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用于化工行業,并沒在電力行業得到廣泛應用。隨著合成氨工業的不斷發展以及經各國多年研究使得原有氣溶膠問題得到改進,進入20世紀90年代后氨法脫硫逐步得到工業推廣使用。

我國從20世紀50年代起,開始了硫酸行業氨法脫硫技術的研究。1956年我國建立第一套氨法回收硫酸廠尾氣中SO2的工業規模裝置,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,與其中的SO2發生反應生成亞硫酸銨,亞硫酸銨進一步與煙氣中的SO2反應生成亞硫酸氫銨,亞硫酸氫銨再與氨水反應生成亞硫酸銨,通過亞硫酸氫銨與亞硫酸銨不斷的循環,以及連續補充的氨水,不斷脫除煙氣中的SO2,化學反應式如下：

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

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

(NH4)HSO3+NH4OH=(NH4)2SO3+H2O。

目前國內成功應用的濕式氨法脫硫裝置一般是從硫酸尾氣治理中發展來的。以氨法為主的脫硫公司有上海申川、江蘇新世紀江南、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晶等難點,對氨法脫硫體系進行相應改良優化,形成具有各自特色的氨法脫硫技術。

3 氨法脫硫適用性研究

3.1 主要設計參數

某300MW煙氣脫硫工程項目,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

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：鍋爐出口原煙氣經電除塵器除去99%以上的煙塵后,從吸收塔中部進入吸收塔;吸收液由循環泵打入噴淋管道,經噴嘴噴淋而下,霧化狀的吸收液與煙氣逆流充分撞擊,混合接觸反應生成亞硫酸銨;塔頂部的二級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;脫硫產物亞硫酸銨在吸收塔底部被氧化風機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,再進入蒸發結晶器;蒸發結晶器設置有抽真空系統,硫銨溶液在其中70℃左右就達到沸點,比正常蒸發下降了40℃,大大降低了蒸汽用量;蒸發結晶器出口含固量為30%的硫酸銨料漿,經離心機進一步分離,干燥機造粒,就得到含水率低于3%純度較高的硫酸銨產品(圖1)。

圖1 濕式氨法煙氣脫硫技術工藝流程圖

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,不斷補充到吸收塔內;經升壓風機增壓的原煙氣流經煙氣換熱器(GGH)后溫度降至100℃,隨即進入吸收塔;循環漿液通過循環泵向上輸送,由噴漿層內設置的噴嘴噴射到吸收塔中,煙氣在塔內向上流動且被向下流動的循環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,同時生成的CaSO3在吸收塔底部與鼓入的氧化空氣發生化學反應,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%,然后排出反應塔,經帶式真空過濾機過濾,脫除大部分水得到含水量小于10%的石膏;脫硫后的凈煙氣經兩級除霧器去除水,再返回至GGH進行加熱,溫度由50℃升至80℃以上,通過煙道進入煙囪排向大氣。

這兩種脫硫技術由于吸收劑和反應產物粘度大,均存在腐蝕和堵塞現象,這也是濕法脫硫的“詬病”,因此對設備材質要求高。表1是它們的主要工藝技術指標,相比較而言,石灰石—石膏法工藝成熟,設備國產化程度和系統利用率高,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NOx具有還原作用,可同時脫除氮氧化物。石灰石—石膏法缺點是占地面積相對較大,幾乎是氨法的兩倍;脫硫塔阻力大,需要增壓風機,漿液循環量大,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;硫銨結晶過程能耗大,加熱器材質要求較高。

表1 煙氣脫硫技術的主要工藝技術指標

3.3 經濟技術

表2 煙氣脫硫技術的主要經濟技術指標

從表2所示的具體經濟技術指標來看,石灰石—石膏法所用的石灰石價格低廉,而氨法脫硫的吸收劑氨的費用較高,占運行成本的比重較大。值得注意的是,隨著工藝和設備國產化程度的不斷提高,石灰石—石膏法平均單位造價已由20世紀80年代引進國外技術時的1 200元/kW[5],降到了現在的100元/kW,甚至更低,這使其運行費用主要集中在電耗上。氨法脫硫成本較高,但脫硫副產品的銷售收入可以抵消大部分,使其發電成本低于石灰石—石膏法,可以預測當煙氣中硫含量更高時,項目完全有可能實現盈利。也就是說氨法脫硫經濟效益隨煙氣中的SO2含量的增加而更佳,尤其適合中高硫煤。

3.4 環境特性

氨法對環境適應性廣,其副產物主要是化肥,且在工藝過程中無廢水和廢渣排放,實現資源良性循環利用,將我國煙氣脫硫工業與化肥工業密切相結合,使得脫硫劑NH3來自于化肥工業,又回到化肥工業,火電廠的能源環保可形成一個自負盈虧的化肥產業[6]。

石灰石—石膏法暴露出的環保問題較多,首先在脫硫過程中會產生大量的CO2,在大氣層中超量沉積,將加劇溫室效應,導致全球氣候變暖,這與我國將建設低碳社會的戰略目標相背離。其次脫硫最終產物主要是石膏,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,由于水泥廠的生產設備如料倉、輸送設備及計量設備等都是為天然石膏設計的,換成脫硫石膏時,易出現膨料、下料不暢等問題,從而造成設備堵塞。據統計目前我國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,也對環境存在極大的威脅。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%的建設費用,而我國天然石膏資源豐富,市場價格不高,因此脫硫石膏不具備競爭優勢。脫硫工藝過程中還產生了一定量呈弱酸性的廢水,pH值為5.0～6.0,廢水水質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家環保標準中要求控制的第一類污染物,處理難度較大[7]。

4 結語

我國合成氨產量位居世界第一,分布面廣,氨源豐沛,同時又是世界氮肥第一大國,土壤嚴重缺硫,硫銨具有較大的市場潛力,因此氨法脫硫技術符合我國“缺硫不缺膏”的國情,相當適合我國脫硫行業應用。盡管現階段濕式氨法脫硫工藝技術不夠完善成熟,但隨著科技的發展,相信技術難點會一一得到解決,作為環境友好型工藝其發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的研究進展[J].化工進展,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,邵永春.濕式氨法脫硫工藝及應用[J].硫酸工業,2006(6)：10～ 15.

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

[5]趙鵬高.我國燃煤電廠煙氣脫硫技術與設備國產化進展、問題及建議[J].電力環境保護,2004,20(2)：1～2,10.

[6]肖文德,袁渭康.潔凈煤技術的新發展——一種火電廠SO2的資源化技術[J].中國工程科學,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].能源環境保護,2009,23(3)：34～35,50.