燃煤煙氣脫硫技術簡述及經(jīng)濟性分析

唐家志

江蘇中圣高科技產(chǎn)業(yè)有限公司（江蘇南京 210009）

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，多數(shù)城市因取暖、運輸、擴大工廠生產(chǎn)，帶來了很多空氣污染物。污染物的不斷增加直接破壞居民的生活環(huán)境，威脅著成千上萬居民的身體健康，導致疾病增加，甚至失去生命。其中，燃煤工業(yè)鍋爐等所排放的煙氣中含有大量二氧化硫，并且二氧化硫為主要的大氣污染物成分之一。2015年12月2日，國務院常務會議決定：在2020年前，對燃煤火電機組全面進行超低排放與節(jié)能改造，大幅降低發(fā)電煙氣污染排放，使其大氣污染物排放質(zhì)量濃度符合發(fā)電機組排放限值，即二氧化硫、粉塵、氮氧化物的排放質(zhì)量濃度（基準含氧量為6%）分別不超過35,5，50 mg/m3。持續(xù)加大環(huán)保監(jiān)管力度，確保火電企業(yè)實施超低排放改造。

我國燃煤機組脫硫運行技術與國外相比起步較晚。經(jīng)過對國外前沿脫硫技術的不斷學習和研究，我國脫硫環(huán)保企業(yè)不斷進行研發(fā)與試驗，在20世紀初基本形成多種自主知識產(chǎn)權的脫硫技術，比如石灰石石膏法、氨法、鎂法、鈉法、有機堿法、海水脫硫等。濕法煙氣脫硫技術是目前最為成熟、安全可靠的技術，市場占有率極廣。據(jù)不完全統(tǒng)計,現(xiàn)有火電機組工廠的煙氣脫硫項目中，采用濕法煙氣脫硫技術的占比在90%以上。石灰石石膏法脫硫和氨法脫硫是濕法煙氣脫硫技術中應用最廣的兩種方式。[1]

本研究通過對比典型的石灰石石膏法煙氣脫硫技術和氨法煙氣脫硫技術，分析兩種脫硫技術的工藝路線、運營成本、副產(chǎn)品和生產(chǎn)管理難度等方面的優(yōu)劣，為工廠選擇脫硫工藝提供參考。

1 脫硫工藝路線和特點

1.1 石灰石石膏法

石灰石石膏法脫硫技術是最常用的濕法脫硫技術，其工藝系統(tǒng)主要為石灰石制漿系統(tǒng)、二氧化硫吸收系統(tǒng)、石膏脫水系統(tǒng)、廢水系統(tǒng)、煙氣系統(tǒng)，以及其他輔助系統(tǒng)，工藝流程如圖1所示。

圖1 石灰石石膏法脫硫工藝流程

石灰石石膏法脫硫，需先將石灰石粉加水制成漿液，由漿液循環(huán)泵送入吸收塔與塔內(nèi)漿液混合，再與逆流而上的煙氣充分接觸混合、反應。吸收塔為噴淋空塔，上部為吸收區(qū)，下部為氧化區(qū)。系統(tǒng)一般裝3～5臺漿液循環(huán)泵，每臺循環(huán)泵對應一層霧化噴淋層，從而滿足脫硫效果。漿液中的碳酸鈣與煙氣中的二氧化硫反應生成亞硫酸鈣，吸收二氧化硫后的漿液進入氧化區(qū)與被氧化風機鼓入的空氣發(fā)生氧化反應，亞硫酸鈣氧化生成硫酸鈣，硫酸鈣達到飽和結(jié)晶后形成二水硫酸鈣。被漿液排出泵排出的石膏漿液經(jīng)脫水皮帶機濃縮、脫水，處理后含水量小于10%，后經(jīng)皮帶輸送機送至石膏儲存車間堆放。煙氣被脫硫后再經(jīng)多級除霧器除去其自帶的霧滴，然后通過煙囪被排入大氣。

石灰石石膏法脫硫技術的化學反應原理詳見如下方程式：

石灰石石膏法脫硫技術的特點：技術穩(wěn)定成熟、系統(tǒng)運行可靠；脫硫效率高，煙道中的煙氣與吸收塔內(nèi)的石灰石漿液通過多級漿液循環(huán)泵反復循環(huán)和充分接觸，石灰石漿液利用率很高，脫硫效率可在95%以上。通過與石灰石吸收劑反應，煙氣不但可以脫除二氧化硫，還可以脫除其中的粉塵；從資源角度考慮，石灰石吸收劑資源充足，價格低廉。

1.2 氨法脫硫

氨法煙氣脫硫俗稱氨法，是以氨基物質(zhì)（如液氨）作為吸收劑，脫除煙道煙氣中的二氧化硫，并回收副產(chǎn)物（硫酸銨）的濕法煙氣脫硫技術。工藝系統(tǒng)主要為SO2吸收系統(tǒng)、空氣氧化系統(tǒng)、工藝水系統(tǒng)、煙氣系統(tǒng)、硫銨后處理系統(tǒng)、檢修系統(tǒng)，以及其他輔助系統(tǒng)，工藝流程如圖2所示。

圖2 氨法脫硫工藝流程圖

由引風機來的煙氣進入脫硫塔濃縮段，煙氣溫度降至50～60℃，后進入吸收塔上部吸收段。吸收劑（氨水）漿液循環(huán)吸收煙氣中的二氧化硫，一部分生成亞硫酸銨，另一部分生成亞硫酸氫銨溶液，隨后被連續(xù)加入的氨水中和成亞硫酸銨溶液。亞硫酸銨溶液一部分循環(huán)吸收SO2重新生成亞硫酸氫銨溶液，一部分被鼓入的空氣強制氧化生成硫酸銨。硫酸銨在塔內(nèi)結(jié)晶，部分固體硫酸銨漿液被硫銨排出泵送入過濾離心機繼續(xù)分離，由漿液變成固體，再進入干燥機干燥，經(jīng)料倉和包裝機打包，產(chǎn)出商品硫酸銨，可進入市場銷售。

脫除二氧化硫后的煙氣經(jīng)過三級除霧器，凈化后，水霧質(zhì)量濃度低于50 mg/m3的煙氣通過煙囪排入到大氣。

氨法脫硫化學反應方程式：

氨法脫硫技術的特點：（1）二氧化硫可資源化，可將污染物二氧化硫回收變成經(jīng)濟附加值較高的商業(yè)化產(chǎn)品，符合循環(huán)經(jīng)濟要求；（2）沒有二次污染，環(huán)境相容性好，符合現(xiàn)代環(huán)保理念；（3）脫硫效率高、技術成熟、可實現(xiàn)超低排放；（4）空塔噴淋技術，能耗設備少；（5）煤種適應性強，可適用于高硫煤。

2脫硫技術綜合分析

2.1 運行成本

石灰石石膏法脫硫技術，脫硫劑為石灰石粉（CaCO3），來源廣泛，價格低廉。該脫硫系統(tǒng)占地面積較大，工藝設備較大、工藝系統(tǒng)復雜、耗電耗水量大、廢水處理難度大。

氨法脫硫技術，脫硫劑為氨水，來源有限，價格高，屬于高危險化學品，運輸儲存困難、需用防爆氨站，增加生產(chǎn)運行管理難度。相對于石灰石石膏法，具有占地面積小、設備體積小、能耗低的優(yōu)點。若是自有氨源的化工企業(yè)，可就地取材使用廢氨水，經(jīng)濟性更好。該技術系統(tǒng)整合能力高，因國內(nèi)選擇性催化還原（SCR）法煙氣脫硝采用液氨作為還原劑，脫硫與脫硝能共用一個氨水系統(tǒng)，可實現(xiàn)煙氣脫硫脫硝一體化液氨技術，避免重復建設吸收劑儲存及供應系統(tǒng)，可節(jié)約建設成本與占地面積。[1]

為更好地分析脫硫技術的經(jīng)濟性，以某項目脫硫塔單臺煙氣參數(shù)（煙氣流量為111 250 m3/h，入口煙氣溫度為150℃，入口SO2質(zhì)量濃度為3 800 mg/m3，出口SO2質(zhì)量濃度為35 mg/m3，入口粉塵質(zhì)量濃度為20 mg/m3，出口粉塵質(zhì)量濃度為10 mg/m3）為計算基礎，分別對石灰石石膏法和氨法2種脫硫方案年運行費用進行測算[2]，結(jié)果詳見表2。

表2 氨法脫硫和石灰石石膏法脫硫年運行費用對比情況

根據(jù)估算分析，氨法脫硫的年運行成本低于石灰石石膏法的年運行成本，且優(yōu)勢比較明顯。

2.2 脫硫副產(chǎn)品的利用價值和危害

石灰石石膏法副產(chǎn)品主要是石膏，我國天然石膏資源豐富且市場價格低，品質(zhì)優(yōu)于脫硫石膏。由于脫硫石膏水分與雜質(zhì)含量較高，存在材料膨脹、比天然石膏需要更長的時間凝結(jié)等問題，實際被需求率較低。因此，大部分脫硫石膏無法實現(xiàn)資源綜合利用，作為廢料被堆棄處理，不但占用土地面積，且對生態(tài)環(huán)境造成破壞。

氨法脫硫技術的副產(chǎn)品主要是硫酸銨，可用來生產(chǎn)硫銨肥料，硫銨肥含有農(nóng)作物所需的第一大養(yǎng)分氮（N）和第四大養(yǎng)分硫（S）,可以廣泛應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。氨法脫硫技術副產(chǎn)品實現(xiàn)硫資源回收利用，且不產(chǎn)生廢氣、廢渣；危害是工藝存在氣溶膠和氨逃逸等情況，運行中容易出現(xiàn)硫酸銨結(jié)晶困難導致硫酸銨無法正常出料，造成煙氣排放粉塵超標。

2.3 脫硫系統(tǒng)操作與工藝安全比較

石灰石石膏法脫硫技術成熟可靠，脫硫劑性質(zhì)相對穩(wěn)定，設備性能穩(wěn)定，方便操作；自動化控制水平先進，操作工人工作強度小，生產(chǎn)管理難度低，安全系數(shù)高。

與石灰石石膏法脫硫技術相比，氨法技術脫硫劑為氨水，來源有限，價格高，屬于高危險化學品，運輸儲存困難；生產(chǎn)運行管理難度高，安全系數(shù)低，操作不當會有爆炸危險，正常工況下可達到穩(wěn)定運行。

結(jié)合以上石灰石石膏法脫硫與氨法脫硫技術的綜合對比分析，匯總形成技術綜合對比，具體如表3所示。

表3 脫硫技術綜合比較

3 脫硫項目案例分析

以參建的項目為例，對2種脫硫技術進行比較。

河北某熱電聯(lián)產(chǎn)項目，一期是2×220 t/h高溫超高壓循環(huán)流化床鍋爐。廠區(qū)有自建氨水罐，項目采用氨法脫硫，在一臺爐滿負荷運行的情況下，平均每年消耗液氨1 460 t，年均可產(chǎn)出5 475 t副產(chǎn)物硫酸銨。根據(jù)季節(jié)不同，每噸硫酸銨售價為400～1 000元，副產(chǎn)物經(jīng)濟附加值比較可觀。

廣東某熱電聯(lián)產(chǎn)項目,一期是3×150 t/h高溫超高壓循環(huán)流化床鍋爐。由于該項目無自有氨源，附近也沒有可靠的氨源可供應，所以只能采用石灰石石膏法脫硫工藝。3臺爐滿負荷運行的情況下，每年會產(chǎn)生2.28萬t石膏，而石膏難以售出，大多情況下，石膏出售價與進廠車輛運輸費相抵，基本不產(chǎn)生經(jīng)濟效益。

4 結(jié)語

通過介紹石灰石石膏法與氨法技術的優(yōu)缺點、適用條件，對比得出氨法脫硫技術環(huán)境污染小、運營成本低，副產(chǎn)物附加值高、資源綜合利用好的優(yōu)勢。從經(jīng)濟的角度出發(fā)，推薦采用氨法脫硫技術，同時也提醒技術選擇方結(jié)合各項目所在地的實際條件來選擇合適的脫硫方法。