燃煤鍋爐脫硫技術的探究

李萌燁

摘 要：本論文通過學習了硫及其氧化物的相關化學知識及調查研究國際、國內多種脫硫技術的現狀，通過對幾種脫硫技術的脫硫率、投資情況、運行消耗等技術經濟指標的對比，提出幾類值得推廣的低投資、低消耗、脫硫率高的適合我國國情的脫硫技術。

關鍵詞：燃煤鍋爐；脫硫技術 ；大唐保定熱電廠脫硫系統

大氣是人類以及其他生物賴以生存的基本環境要素，我國大氣污染嚴重。在學習了硫及其氧化物的相關化學知識后，了解到煤炭作為主要的燃料，其中的硫和氮等雜質，經燃燒后會產生對空氣有污染的氣體。煤燃燒是造成中國生態環境破壞的最大污染源。中國的能源消費占世界的8%～9%，但SO2的排放占到世界的 15.1%，煤燃燒所排放的SO2又占全國總排放量的87%。 我國的大氣環境是典型的煤煙型污染，由燃煤排放的SO2所造成的酸雨已危及24個省、市、自治區，有些地方降水pH值最低達3.5以下，給生態環境和國民經濟帶來了嚴重的危害。治理SO2大氣污染的根本途徑之一是采取有效的脫硫措施，減少點、面排放源的SO2排放量。近年來，針對我國的具體情況，相關的研究部門已先后開發出多種切實可行的脫硫技術，在實際應用中卓有成效地控制了燃煤煙氣SO2的排放。偶然間在一次新聞聯播中看到某職業技術學院的鍋爐脫硫設備形同虛設的報道，產生了探究大型及中小型鍋爐脫硫工藝的原理及其實際應用情況的想法。

一、我國中小型燃煤鍋爐脫硫技術現狀

1、概述

我國的能源結構以煤炭為主，目前煤炭年消耗量近12億噸，煙塵和粉塵年總排放量近2000萬噸，二氧化硫（SO2）年總排放量達1800余萬噸。由此造成的大氣煤煙型污染嚴重，降水嚴重酸化。長江以南的部分城市酸雨出現頻率超過90%。酸雨腐蝕材料，破壞生態環境，使農作物減產。僅粵、桂、川、黔四省由酸雨造成的直接和間接經濟損失就達160億元。近年來，為了減緩大氣污染，我國對煙氣脫硫十分重視，各科研單位積極研究和探索適合中國國情的、技術經濟上可行的工藝和技術。我國的燃煤鍋爐約45萬臺，其中70%以上是中小型鍋爐。中小型鍋爐量大面廣，煙囪低矮，對大氣污染的影響很大。因此，治理中小型燃煤鍋爐的硫氧化物污染對控制煤煙型大氣污染具有十分重要的意義。

2、中小型燃煤鍋爐脫硫技術現狀

大氣SO2污染主要是由燃煤排放引起的， SO2排放的削減主要從燃燒前、燃燒中和燃燒后脫硫三個方面著手。

2.1燃燒前脫硫技術

燃燒前脫硫技術也就是煤炭洗選技術。目前我國煤炭人選率不到17%，而美國為42%，英國為94.9%，法國為88.7%，日木為98%。

2.2燃燒中脫硫技術

燃燒中脫硫技術是往煤中加人固硫劑。在煤的燃燒過程中，煤中的硫燃燒氧化，再與煤中的堿性物質或固硫劑反應生成硫酸鹽而留在渣中，從而減少煙氣中SO2的濃度。我國從70年代開始進行型煤固硫的研究工作。目前，美國的型煤固硫率為87%，日本為70%一90%，我國為40%左右。我國與國外固硫率差異的主要原因是采用的固硫劑及固硫催化劑的不同。

2.3 燃燒后脫硫技術

燃燒后脫硫技術即對鍋爐煙氣進行脫硫，這是我國目前脫硫的主要方法。近年來，我國科技人員針對中小型鍋爐煙氣的脫硫技術進行了研究，比較有影響的主要有以下幾種。

2.3.1 PS型燃煤鍋爐煙氣脫硫技術

這種技術具有脫硫和除塵兩種功能。脫硫率大于80%，除塵效率大于90%。缺點是一次性投資較高，運行費用較高。目前，該技術已成功應用數家。

2.3.2 GGT一1型燃煤鍋爐煙氣脫硫

該技術的基本原理是：利用噴射霧狀的高效脫硫除塵藥劑水溶液，在對鍋爐排放的煙氣、粉塵進行增濕的同時，使SO2得到吸收、反應并凝于粉塵，再通過離心式旋風除塵器降人集塵箱，達到脫硫和提高降塵的目的。設備脫硫率高于60%。

2.3.3濕式沖旋脫硫除塵技術

基本原理是利用沖激、旋風二級除塵機制，在除塵器內部設置了沖激室和旋風室。煙氣由鍋爐進人沖旋室后，自上而下沖激水面，進行初次除塵，潤濕煙塵，增大細微塵粒的重量。然后自下而上，在除塵器上部經由導板組成的2通道進人旋風室。在旋風室內自上而下沿室壁作螺旋運動，利用離心力進行二次除塵，然后由軸線向上經出口排出。

2.3.4濕式旋風除塵脫硫技術

該技術利用鍋爐自身運行過程中產生的煙塵、爐渣和廢水來治理煙氣?；驹硎菙r截碰撞、離心分離、酸堿中和反應等共同作用。在裝置內，噴成霧狀的吸收液與旋轉進人的煙氣作用，進行脫硫和除塵，然后在內部構件的作用下進一步脫硫和除塵，凈化煙氣經引風機和煙囪排人大氣。脫硫效率50%，除塵效率大于95%。

2.3.5麻石脫硫除塵技術

麻石水膜除塵器和麻石文丘里除塵器應用于煙氣除塵已有多年的歷史。近年來，利用麻石的耐腐蝕、耐磨損性能制作煙氣脫硫裝置有了一定進展。其主要原理是：利用麻石制作筒體，在內部設置塔板來強化氣液接觸，提高傳質效果，進而提高脫硫效率。該技術應用于沸騰鍋爐上的脫硫效率為70%，除塵效率達99%。

2.3.6 JBR型煙氣脫硫除塵技術

石灰漿液加人JBR中，含飛灰和SO2的煙氣由引風機送人JBR反應器中，其中的SO2和煙塵被內循環的吸收劑漿液吸收除去，凈化后的煙氣經除霧后排人大氣。脫硫產物的灰渣由JBR底部放人沉淀池中，上清液返回石灰漿液罐中，從而實現水的閉路循環。去除率93%一94%，除塵效率95%一98%。

2.3.7 脈沖供電脫硫除塵技術

基本原理是：通過脈沖供電，把煙氣中的H2O、O2電離生成活性基團（O，O3，OH，HO2），活性基團把煙氣中的SO2氧化成SO3， SO3與水和飛灰中的堿性物質反應生成硫酸鹽。目前此技術正在處于試驗階段。

3、綜合上述幾種應用于中小型鍋爐的脫硫技術，具有以下特點：

（1）投資較低、脫硫效率適中、運行費用低、操作管理簡便的技術易于推廣應用。

（2）就脫硫產物的處理而言，多采取拋棄法而未作為副產品回收。

（3）脫硫劑價廉，可利用鍋爐運行中產生的飛灰和爐渣中的堿性物質脫硫。

（4）推廣較好的技術多為濕法脫硫兼除塵的技術。

（5）我國中小型鍋爐數量眾多，而脫硫技術的應用遠未達到應有的水平。通過大家的共同努力，一定能把我國的二氧化硫污染控制到較低水平。

二、大型燃煤鍋爐脫硫技術

1、燃燒后脫硫主要工藝種類

1.1石膏法

石灰石——石膏法脫硫工藝是世界上應用最廣泛的一種脫硫技術，日本、德國、美國的火力發電廠采用的煙氣脫硫裝置約90%采用此工藝。

它的工作原理是：將石灰石粉加水制成漿液作為吸收劑泵入吸收塔與煙氣充分接觸混合，煙氣中的二氧化硫與漿液中的碳酸鈣以及從塔下部鼓入的空氣進行氧化反應生成硫酸鈣，硫酸鈣達到一定飽和度后，結晶形成二水石膏。經吸收塔排出的石膏漿液經濃縮、脫水，使其含水量小于10%，然后用輸送機送至石膏貯倉堆放，脫硫后的煙氣經過除霧器除去霧滴，再經過換熱器加熱升溫后，由煙囪排入大氣。由于吸收塔內吸收劑漿液通過循環泵反復循環與煙氣接觸，吸收劑利用率很高，脫硫效率可大于95%。

1.2噴霧干燥法

噴霧干燥法脫硫工藝以石灰為脫硫吸收劑，石灰經消化并加水制成消石灰乳，消石灰乳由泵打入位于吸收塔內的霧化裝置，在吸收塔內，被霧化成細小液滴的吸收劑與煙氣混合接觸，與煙氣中的SO2發生化學反應生成CaSO3，煙氣中的SO2被脫除。與此同時，吸收劑帶入的水分迅速被蒸發而干燥，煙氣溫度隨之降低。脫硫反應產物及未被利用的吸收劑以干燥的顆粒物形式隨煙氣帶出吸收塔，進入除塵器被收集下來。脫硫后的煙氣經除塵器除塵后排放。為了提高脫硫吸收劑的利用率，一般將部分除塵器收集物加入制漿系統進行循環利用。該工藝有兩種不同的霧化形式可供選擇，一種為旋轉噴霧輪霧化，另一種為氣液兩相流。

噴霧干燥法脫硫工藝具有技術成熟、工藝流程較為簡單、系統可靠性高等特點，脫硫率可達到85%以上。該工藝在美國及西歐一些國家有一定應用范圍。脫硫灰渣可用作制磚、筑路，但多為拋棄至灰場或回填廢舊礦坑。

1.3磷銨肥法

磷銨肥法煙氣脫硫技術屬于回收法，以其副產品為磷銨而命名。該工藝脫硫流程過程主要由吸附（活性炭脫硫制酸）、萃?。ㄏ×蛩岱纸饬椎V萃取磷酸）、中和（磷銨中和液制備）、吸收（磷銨液脫硫制肥）、氧化（亞硫酸銨氧化）、濃縮干燥（固體肥料制備）等單元組成。

2、燃燒中脫硫

燃燒中脫硫即爐內脫硫，爐內脫硫是在燃燒過程中，向爐內加入固硫劑如CaCO3等，使煤中硫分轉化成硫酸鹽，隨爐渣排除。其基本原理是：

CaCO3==高溫==CaO+CO2↑

CaO+SO2====CaSO3

2CaSO3+O2====2CaSO4

3、燃燒前脫硫

燃燒前脫硫就是在煤燃燒前把煤中的硫分脫除掉，燃燒前脫硫技術主要有物理洗選煤法、化學洗選煤法、添加固硫劑、煤的氣化和液化、水煤漿技術等。洗選煤是采用物理、化學或生物方式對鍋爐使用的原煤進行清洗，將煤中的硫部分除掉，使煤得以凈化并生產出不同質量、規格的產品。微生物脫硫技術從本質上講也是一種化學法，它是把煤粉懸浮在含細菌的氣泡液中，細菌產生的酶能促進硫氧化成硫酸鹽，從而達到脫硫的目的；微生物脫硫技術目前常用的脫硫細菌有：屬硫桿菌的氧化亞鐵硫桿菌、氧化硫桿菌、古細菌、熱硫化葉菌等。添加固硫劑是指在煤中添加具有固硫作用的物質，并將其制成各種規格的型煤，在燃燒過程中，煤中的含硫化合物與固硫劑反應生成硫酸鹽等物質而留在渣中，不會形成SO2。煤的氣化，是指用水蒸汽、氧氣或空氣作氧化劑，在高溫下與煤發生化學反應，生成H2、CO、CH4等可燃混合氣體（稱作煤氣）的過程。煤炭液化是將煤轉化為清潔的液體燃料（汽油、柴油、航空煤油等）或化工原料的一種先進的潔凈煤技術。水煤漿是將原料煤，研磨成250～300μm的細煤粉，按65%～70%的煤、30%～35%的水和約1%的添加劑的比例配制而成，水煤漿可以像燃料油一樣運輸、儲存和燃燒。

燃燒前脫硫技術中物理洗選煤技術已成熟，應用最廣泛、最經濟，但只能脫無機硫；生物、化學法脫硫不僅能脫無機硫，也能脫除有機硫，但生產成本昂貴，距工業應用尚有較大距離；煤的氣化和液化還有待于進一步研究完善；微生物脫硫技術正在開發；水煤漿是一種新型低污染代油燃料，它既保持了煤炭原有的物理特性，又具有石油一樣的流動性和穩定性，被稱為液態煤炭產品，市場潛力巨大，目前已具備商業化條件。

煤的燃燒前的脫硫技術盡管還存在著種種問題，但其優點是能同時除去灰分，減輕運輸量，減輕鍋爐的沾污和磨損，減少電廠灰渣處理量，還可回收部分硫資源。

三、實地調研---保定大唐熱電廠

大唐保定熱電廠位于保定市新市區西郊，是我國第一個五年計劃期間由國家確定興建的華北地區第一座高溫高壓熱電聯產廠。該廠原采用干法脫硫技術，現在主要采用石灰石--石膏法煙氣脫硫技術.經技術改良后，可處理100%的煙氣，脫硫效率達99%以上.煙氣中HCl，HF等同時去除，飛灰，三氧化硫部分去除。

在實地調研前我聯系了熱電廠工作人員，當天一位電廠員工帶領我參觀了電廠的脫硫設備，并為我進行了解說.以下為參觀時的照片：

大唐保定熱電廠脫硫系統的組成：

1、石灰漿供給系統：將石灰石粉加水配制成石灰石漿液通過漿液泵運至吸收塔，在漿液循環系統中循環，與塔內空氣接觸。

2、石膏脫水系統：分一級脫水系統和二級脫水系統.一級脫水，脫硫產物石膏漿液在漿液池中生成，經離心旋流固液分離，較稀部分運至回收水箱重復利用，較濃部分（石膏成分50%左右）進入二級脫硫系統（圓盤石膏脫水機，真空皮帶脫水機）脫水后含水量小于10%，落至石膏庫。

3、SO2吸收系統：設有五個噴淋層，保證二氧化硫與石灰漿液滴充分接觸.吸收塔漿池的循環漿液通過循環泵送至噴淋層，經噴嘴霧化成微滴后噴出.煙氣進入吸收塔后向上方流動，被由上而下噴出的循環漿液洗滌，經過除霧器去除水分由煙囪排出。

4、工藝水系統：分為工業水和循環水，工業水用于軸承冷卻和機械沖洗，循環水作為脫硫系統工藝用水，用于置備石膏漿液，石膏脫水，吸收塔補水，除霧器沖洗和所有漿液管道沖洗。

5、壓縮空氣系統：提供脫硫系統所需的壓縮空氣。

6、電控系統：為脫硫設備供電。

7、控制部分：實現對整個機組的控制監視和調整，以及對異常狀況的處理。

脫硫產物等處理方式

石膏：成品石膏的含水量要求在10%以下，CaCO3，CaSO3等含量不得過多，如CaCO3含量過多，應減少石灰漿的供給，若CaSO3的含量過多，增加空氣鼓入量，以保證CaSO3充分被氧化。

粉塵：粉塵經布袋除塵，電除塵被捕獲收集，輸入倉庫

四、結語

隨著國內外環境相關法規的不斷完善，我國對于燃煤脫硫技術應該加大力度。因燃前脫硫技術的成本最低，短期我國中小型鍋爐的燃煤脫硫的主攻方向仍是燃前脫硫技術，燃中脫硫與燃后脫硫為適當補充?；鹆Πl電廠等大型鍋爐采用燃后脫硫技術，更加注重工藝過程的改進，以提高脫硫除塵的效率，降低生產成本。