我国燃煤发电厂脱硫应用技术及存在问题探究

我国燃煤发电厂脱硫应用技术及存在问题探究××重庆××××发电公司摘要：本文针对我国当前燃煤发电厂使用的主要脱硫技术方法进行论述，对各法使用条件、特点和优缺点等都做了综述。同时结合本次陡河发电厂5#机大修和6#小修实际情况，对我国发电厂广泛使用的湿式石灰/石灰石-石膏FGD脱硫法运行中存在问题和解决措施进行探究。关键字：SO2；脱硫；结垢；腐蚀；磨损；我国是燃煤大国，能源消耗占世界的8～9％，一次能源中燃煤占75％，SO2排放量的90％来自于燃煤。据统计，每年燃煤排放的1314万吨SO2中，燃煤火电厂排放700万吨，占总量的53.3％,工业锅炉排放510万吨，占38.8％，工业窑炉排放104万吨，占7.9％，因此，SO2治理的重点要放在控制火电厂、工业锅炉及窑炉等三大项烟气源的排放上。大气污染严重破坏生态环境、危害人体的呼吸系统、加大了癌症发病率，甚至影响人类基因造成遗传疾病，1995-2008年SO2排放总量与工业S02排放量见表1。表1不同年份我国SO2排放量单位：Mt年份SO2排放总量工业SO2排放量年份SO2排放总量工业SO2排放量199523.7-200219.2715.62199623.2-200321.5917.92199723.46-200422.5518.92199820.9018.52200525.4921.68199918.5814.60200625.8922.35200019.9516.13200724.6821.4200119.4815.67200823.2119.91目前全国火电厂二氧化硫排放量占全国二氧化硫排放量的绝大多数，预计今年底将达到60％。煤燃烧过程中产生的SO2、CO2和NOx对环境造成了严重的污染，其中大气中90％的S02、85％的CO2、70％的NOx都来自煤的燃烧。为此，国内外许多学者对控制燃煤污染排放进行了大量研究并取得了一定的成效，燃煤作为我国重要的能源，在相当长的时期内，以煤为主要能源的生产和消费结构不会改变，我国作为一个发展中国家，经济还比较落后，在环境与能源取得平衡以及采取可持续的发展路线，开发出高效、低成本的煤炭脱硫技术，将具有深远的经济意义和环保意义。1我国燃煤电厂烟气脱硫技术现状燃煤中硫的脱除途径有三个：燃烧前(燃料脱硫）、燃烧中脱硫(炉内脱硫)和燃烧后脱硫即烟气脱硫（FGD）。燃烧前脱硫的方式有化学脱硫法(如碱处理法、氧化法、溶剂萃取法)、微生物脱硫法、微波辐照脱硫法、高梯度强磁分离煤脱硫技术、静电选煤脱硫法、选择性絮凝脱硫法、有机溶剂脱硫以及生物脱硫法等。燃烧中脱硫可以采取在燃煤中掺入固硫剂、炉内喷吸收剂脱硫以及循环流化床脱硫等方法。目前，烟气脱硫被认为是控制SO2最有效的途径，世界各国研究开发和商业应用的烟气脱硫技术超过200多种。应用最广的烟气脱硫技术是作为湿法典型代表的石灰石-石膏法，约占总脱硫机组容量的85％以上。我国，目前主要集中在燃煤烟气脱硫，减少大气中SO2的含量对于缓解大气污染具有很重要的意义，大气污染破坏生态环境、危害人体健康，甚至影响人类基因造成遗传疾病，因此，开展烟气脱硫技术的基础研究与应用研究显得尤为重要。现就目前我国应用较为广泛的烟气脱硫技术进行介绍。1.1湿式石灰/石灰石-石膏FGD法湿式石灰/石灰石-石膏FGD法是目前应用最广泛、最多、最成熟的典型的湿法烟气脱硫技术。我国湿法烟气脱硫率可达98％以上，接近100％。国内绝大多数燃煤发电厂都采用此法，陡河发电厂也正是采用此法。该工艺具有操作方便、原理简单、脱硫效率高、可应用于大容量机组、高SO2浓度条件、可利用率高、吸收剂来源广泛、价格也低廉、副产品石膏具有综合利用价值、运行和维护成本以及脱硫成本较低，是目前公认应用最广泛、技术最为成熟的脱硫技术。1.2喷雾干燥脱硫法(SDA法)SDA法是美国JOY公司和丹麦NIRO公司联合研制出的脱硫工艺。目前，国内采用此工艺的电厂主要有四川白马电厂和山东黄岛电厂等。此工艺脱硫效果不高(一般在70％左右)，适合于中、低硫煤的脱硫。四川白马电厂机组每台容量为200MW，采用200目的生石灰(CaO纯度在60-70％)处理含硫量在3.2％左右的燃煤烟气(8000m3／h)，脱硫效率可达到80％左右。山东黄岛电厂机组每台210MW，采用粒径4nm纯度为70％的生石灰处理含硫量为1.86％的燃煤(烟气为300000m3/h，炉后抽出部分烟气)脱硫效率为70％左右。SDA工艺的特点：(1)工艺简单，操作简便安全；(2)维护费用低；(3)腐蚀性小，可采用普通碳钢制造；(4)采用静电除尘器或布袋除尘器；(5)过程无废水产生；(6)压降低，能耗少，符合当前节能减排的要求；(7)可适用于低、中、高硫煤。1.3炉内喷钙尾部增湿活化法(LIFAC法与LIMB法)LIFAC法由芬兰IVO公司和TAMPELLA公司联合开发的基于炉内喷钙技术基础上发展起来的新型烟气脱硫工艺。该方法是由炉内喷钙法发展而来的，脱硫包括3个步骤：(1)向高温炉膛喷射石灰石粉。(2)炉后活化器内用水或灰浆增湿。(3)荻浆或干灰再循环。通常向炉内喷射石灰石粉，喷入位置选在炉内最佳温度区，使石灰石分解成CaO和CO2，CaO和SO2反应生成亚硫酸钙，亚硫酸钙再被氧化成硫酸钙。由于气一吲相反应的效率很低，因此，只有一小部分（10％~20%)的脱硫剂被利用，未反应的大部分石灰和飞灰随烟气进入活化器，在其中喷入雾化水使石灰消化成活性很高的Ca(OH)2，这些Ca(OH)2再与烟气中的剩余SO2反应，生成亚硫酸钙，从而提高钙的利用率和脱硫率。传统炉内喷钙工艺的脱硫效率仅为20％～30％，而LIFAC法在空气预热器和除尘器间加装一个活化反应器，并喷水增湿，促进脱硫反应，脱硫效率可达到70％~75％。LIFAC法比较适合中、低硫煤，其投资及运行费用具有明显优势，较具竞争力，比较适合中小容量机组和老电厂的改造。LIMB法与LIFAC法实质相同，只是增加了多级燃烧器以控制NOx的排放，分级送风燃烧的采用使得局部温度降低，既可减少NOx的生成，还可以使钙基脱硫剂避免受炉内高温烟气的影响，减少了脱硫剂表面的“死烧”，增加了反应表面积，提高了脱硫效率，国内主要在辽宁抚顺电厂和南京下关电厂应用，该工艺具有操作简单、占地面积少、脱硫率中等、吸收剂消耗量大，主要应用于低硫煤。辽宁抚顺电厂用此法，用石灰石处理480000m3／h烟气量(燃煤含硫量为0.54％)，脱硫效率仅为40％左右。南京下关电厂应用该套装置处理含硫量为0.92％燃煤，处理烟气量2×544000m3／h，脱硫效率约75％。1.4海水脱硫法海水脱硫工艺是利用海水的碱度和水化学特性达到脱除烟气中SO2的方法，可用于燃煤含量硫不高并以海水作为循环冷却水的沿海电厂。海水脱硫的原理是在脱硫吸收塔内用海水作为脱硫剂逆行喷淋洗涤，烟气中的S02被海水吸收而除去，净化后的烟气经除雾器除雾、经烟气换热器加热后排放，吸收S02被海水吸收并在洗涤液中发生水解和氧化作用，洗涤液引入曝气池，通过提升pH抑制SO2的溢出。经曝气处理使其中的SO32-被氧化成为稳定的SO42-并使海水的pH值与COD调整达到排放标准后排放大海。此套工艺一般适用于海边、扩散条件较好、用海水作为冷却水、燃用低硫煤的电厂，海水脱硫工艺简单、无结垢、堵塞现象，吸收剂来源充足、可用率高，无脱硫灰渣产生，脱硫效率达90％以上。高、中、低煤均可以采用，但对于内陆电厂，存在推广使用受地理位置影响，但可在沿海地区进行广泛的推广。如今深圳西部电厂采用该套工艺用天然海水处理含硫量在0.75％的燃煤，脱硫效率在90％以上。1.5荷电干式喷射法采有该工艺的国内电厂主要有山东德州热电厂、杭州钢铁集团第二热电厂、广州造纸有限公司自备电厂和兰化热电厂等。该套工艺具有占地少、投资成本低、运行费用较低、脱硫率中等等特点，主要适用于中、低硫煤，山东德州热电厂利用该套装置处理含硫1.0％的燃煤脱硫率达到70％左右。1.6电子束照射法(EBA法)EBA法是一种较新的脱硫工艺，利用放电技术来处理烟气。该工艺由烟气冷却、加氨、电子束照射和粉体捕集4道工序组成。其原理为：在烟气进入反应器之前先加入氨气，然后在反应器中用电子加速器产生的电子束照射烟气，使水蒸气与氧等分子激发产生氧化能力强的自由基，这些自由基使烟气中的SO2和NOx很快氧化，产生硫酸与硝酸，再和氨气反应形成硫酸铵和硝酸铵化肥，由于烟气温度高于露点，不需再热。EBA法是一种干法处理过程，无废水废渣产生，脱硫率与脱硝率可分别达到90％和80％以上。操作简单、过程易于控制、对不同含硫量的烟气和烟气量的变化有较好的适应性和负荷跟踪性，副产物可以作为化肥，脱硫成本较低。国内成都热电厂采用该套装置处理含硫量2.0％的燃煤，脱硫率达80％左右。1.7氨水洗涤法脱硫工艺该脱硫工艺采用氨水作为脱硫吸收剂与进入吸收塔的烟气接触混合，烟气中SO2与氨水反应生成亚硫酸铵，经与鼓入的强制氧化空气进行氧化反应，生成硫酸铵溶液，经结晶、离心机脱水、干燥器干燥后即制得硫酸铵。该法脱硫效率高，能满足任何地方环保的要求，整个系统不产生废水或废渣、能耗低、符合节能目标、运行可靠性高和适用性广，目前还处于实验室研究模型阶段。1.8烟气循环流化床脱硫工艺(CFB-FGD)循环流化床脱硫技术是一种使高速气流与所携带的稠密悬浮颗粒充分接触的技术。其原理是：在循环流化床中加入脱硫剂石灰石以达到脱硫的目的。由于流化床具有传质和传热的特性，所以在有效吸收s的同时还能除掉HC1和HF等有害气体．用此法可处理高硫煤，当nca：nS为1～1.5时，脱硫效率能达到90%~97%。CFB-FGD工艺由吸收剂制备、吸收塔、脱硫灰再循环、除尘器及控制系统等部分组成。一般采用干态的消石灰粉作为吸收剂，也可采用其它对S02有吸收反应能力的干粉或浆液作为吸收剂。目前，科林公司与国际知名公司合作开发的循环流化床烟气脱硫技术已申报国家专利并在赤峰热电厂锅炉130t／h上应用，处于试运行阶段。1.9脉冲电晕放电等离子体烟气脱硫(PPCP法)PPCP法这种方法是日本专家增田闪一于1986年在电子束照射法的基础上提出来的，省去了昂贵的电子加速器，避免了电子枪寿命短以及X射线屏蔽等问题。脉冲电晕等离子体法是在普通反应器中用脉冲高压电源形成等离子体，产生高能电子(5-20ev)，由于只提高电子温度，而不是提高离子温度，能量效率比EBA高2倍。此工艺设备简单、操作简便、投资是EBA法的60％，因此，成为国际上千法脱硫脱硝的研究前沿，而且该工艺还具有脱硝能力，高能电子可以激活、裂解、电离烟气分子，产生·OH、﹕O、HO2·等多种活性粒子和自由基。在反应器里烟气中的SO2、NO被活性粒子和自由基氧化为高价氧化物SO3、NO2并与烟气中的H20相遇后形成H2SO4和HNO3，在有NH3或其它中和物存在的情况下生成(NH4)2SO4/NH4NO3的气溶胶，再由收尘器收集，具有有害污染物清除彻底、不产生二次污染等优点。2我国脱硫技术应用中存在的实际问题由于现在大型火力燃煤发电厂采用的脱硫技术主要有湿式石灰/石灰石-石膏FGD法，在此就以此种技术应有中存在问题进行论述。2.1湿式石灰/石灰石-石膏FGD法运行中存在问题2.1.1结垢结垢主要发生在吸收塔内的塔体内壁；吸收塔干、湿交界处以及非动力输送的石膏浆回流管道；除雾器格栅。吸收塔内的内壁表面，塔内壁脱落的垢块会在在石膏浆液中逐渐吸收晶体不断长大，本次陡河发电厂6#机大修和5#机小修中在清理吸收塔内底部浆液时候就发现了很多大块的结垢块，大块的直径能达到50cm。石膏浆回流管道内部由于停启的操作，里面残留的浆液液体就会形成结垢，停运时间长结垢情况就更加严重，所有需要安装执行停运管道冲洗。除雾器格栅也存在很严重的结垢情况，一旦形成垢体就会堵塞除雾器，使吸收塔压差加大，影响脱硫运行。本次陡河发电厂6#机大修和5#机小修中进入除雾器会发现除雾器内部有很多结垢体，很明显。结垢问题，广泛存在于电厂脱硫系统中，其原因原因是吸收塔内的氧化率太低