关于现行主流脱硫工艺的分析

关于现行主流脱硫工艺的分析

林华峰

浙江北高峰环境工程有限公司310013

摘要：近10年国家环保力度逐年加强，脱硫工艺遍地开花。现今“超低排放”日渐成为主流，大部分脱硫工艺自然淘汰。对于脱硫市场上现存的脱硫工艺本文进行初步剖析，了解他们的差异及特点。

关键词：脱硫；石灰石-石膏法；氨法脱硫；氧化镁法

一、前言

我国是世界上主要的煤炭生产和消费国，也是以煤炭为主要一次能源的国家。据统计，2002年，原煤在我国一次能源构成中所占比例为70.7%，而用于发电的煤炭约占煤炭消费量的49.1%。

我国以燃煤为主的电力生产所造成的环境污染是电力工业发展的一个制约因素。煤炭燃烧产生的烟气中含有烟尘、硫氧化物（SO2）、氮氧化物（NOx）和CO2等污染物，已经造成了严重的环境问题，是我国经济可持续发展急待解决的重要问题。

在燃煤电站SO2排放的控制方面，我国采用引进技术和设备建立了一批烟气脱硫工程，不断加大SO2排放的控制力度，SO2排放的增长势头已基本得到了控制，SO2排放总量将不断降低。国家环境保护部和国家质量监督检验检疫总局及时地于2011年7月联合修订并发布了《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011），明确规定自2014年7月1日起，现有火力发电及燃气轮机SO2的排放将按新标准执行。

自从2011年超低排放的理念首次由浙能集团提出，2015年3月，十二届全国人大三次会议《政府工作报告》明确要求“推动燃煤电厂超低排放改造”；2015年12月国务院常务会议决定，在2020年之前对燃煤电厂全面实施超低排放和节能改造。其中SO2排放执行35mg/Nm3；NOx排放执行50mg/Nm3；粉尘排放执行5mg/Nm3。本文从脱硫角度阐述当今国内主流工艺的利弊及各自特点。

二、脱硫工艺演化

按脱硫工艺在生产中所处的不同位置，我们可以将脱硫分为三种：

燃烧前脱硫：如原煤洗选脱硫；

燃烧中脱硫：如洁净煤燃烧、循环流化床锅炉和炉内喷钙；

燃烧后脱硫：即我们所研究的炉后烟气脱硫。

燃烧后的烟气脱硫（FlueGasDesulphrlzation）是目前世界上控制SO2污染所采用的主要手段。大部分情况下，单纯依靠燃烧后烟气脱硫即可满足排放要求。

自2004年起，烟气脱硫改造在我国大行其道，针对各脱硫主体的不同外部条件、自身状况也衍生出多种不同的脱硫工艺。常见的有石灰石-石膏湿法脱硫、氨法脱硫、循环悬浮式半干法脱硫、炉内喷钙干法脱硫、双碱法脱硫、海水法脱硫、氧化镁法脱硫等等。

据GB13223-2003《火电厂大气污染物排放标准》，自2004年1月1日起新建、扩建、改建的火电厂脱硫项目一般按照400mg/Nm3的SO2排放标准执行。正因脱硫早期国家对SO2的排放要求不高，每一种脱硫工艺在其特有的如脱硫效率、技术成熟度、一次投资成本、运行成本、吸收剂供应链、设备建设场地空间、对现有设备影响等特点下均有一定的市场份额。但随着国家环保力度的逐年加大，SO2排放限制的一再提高，许多脱硫工艺均已自然淘汰。根据最新的超低排放标准，二氧化硫排放限值为35mg/Nm3。按市场流通低硫煤硫分通常在0.5~0.8%左右，锅炉排放SO2浓度为1250~2000mg/Nm3，脱硫效率至少应≥97.2%。目前能实现高脱硫效率且工艺技术成熟、运行可靠，在国内有一定数量的运用实例的有石灰石-石膏法脱硫工艺、氨法脱硫工艺、氧化镁法脱硫工艺以及干法+半干法工艺。

三、主流脱硫工艺比较

下表是针对不同烟气脱硫技术的性能比较。

四种脱硫方案中属石灰石-石膏法技术最为成熟，且在国内应用广泛，设备国产化程度比较高。氧化镁法的技术成熟度仅次于石灰石-石膏法，氨法脱硫目前有相当一部分为简易氨法，氨逃逸高，有废水，且副产物抛弃处理。氨肥法需增加一整套蒸发浓缩设备，造价较高且占一定场地空间。干法+半干法现基本很少见，主要还是和较低的脱硫效率和稳定性有关。

石灰石-石膏法

石灰石-石膏法从20世纪90年代的全套国外引进到目前的接近95%的国产率，经历了很长的发展历史，技术上日趋成熟、完善也积累了很丰富的建设及运行经验。无数个石灰石-石膏脱硫装置的运行验证，该工艺是成熟、可靠的。

石灰石-石膏法以石灰石作为吸收剂廉价易得，获得的产物为含水率10%的石膏，可用于生产建材产品或水泥缓凝剂，获得一部分收益。作为湿法脱硫石灰石-石膏法液气比较大，相对其他两种湿法工艺吸收塔运行能耗较高，系统日常运行费用大约70~80为设备电耗。石灰石-石膏法系统设备繁多，一般包括烟气系统、吸收剂制备及存储系统、石膏脱水系统、工艺水系统、浆液排放收集系统，个别还包括废水处理系统，占地广，投资费用高。但在现今大部分设备国产化的现状下，投资费用得到大大降低。

作为湿法脱硫代表石膏雨现象一直与人诟病，由于排烟温度较低，上升的饱和烟气抬升高度有限，在烟囱出口与外界冷空气交互后迅速结露形成雨状在烟囱附近飘落，在北方的冬天室外温度较低的情况下尤其明显。好在目前超低排放对烟囱出口粉尘的控制力度较大，石膏颗粒作为粉尘的一部分也得到有效的控制，如今的湿法脱硫工艺烟囱出口仅仅是饱和水结露形成的较为干净的“雨”，不再是以往的“石膏雨”。由于从吸收塔出口的烟气温度均低于露点温度，从吸收塔至排放烟囱均要做防腐处理，费用较大。

氧化镁法

氧化镁法虽然在国内应用不多，但在世界各地却已经有非常多的应用业绩。氧化镁在化学反应活性方面氧化镁要远远大于钙基脱硫剂，并且由于氧化镁的分子量较碳酸钙和氧化钙都比较小。因此其它条件相同的情况下氧化镁的脱硫效率要高于钙法的脱硫效率。由于氧化镁作为脱硫本身有其独特的优越性，因此在吸收塔的结构设计、循环浆液量的大小、系统的整体规模、设备的功率都可以相应较小，这样一来，整个脱硫系统的投资费用可以降低20%以上。在运行费用上主要是脱硫剂的消耗费用和水电汽的消耗费用。氧化镁的价格比氧化钙的价格高一些，但是脱除同样的SO2氧化镁的用量是碳酸钙的40%；液气比相对石灰石石膏系统而言，前者液气比一般都在15L/m3以上，而氧化镁在7L/m3以下，这样氧化镁法脱硫工艺就能节省很大一部分费用。镁法脱硫相对于钙法的最大优势是系统浆液内部含固量非常小，设备磨损和堵塞情况基本没有，能保证整个脱硫系统能够安全有效的运行，同时镁法PH值控制在6.0-6.5之间，在这种条件下设备腐蚀问题也得到了一定程度的解决。

但是氧化镁法副产品回收困难。因MgS04水中的溶解度较高，如采用蒸发结晶的办法将消耗大量能源。大部分企业尤其是中小型锅炉由于副产物发生量也小，基本都是采用抛弃法，形成了二次污染。另外，镁矿在国内的分布并不均匀，约84.7%的镁矿分布在辽宁，其次是山东莱州。对于苏南地区而言，以氧化镁作为吸收剂无形中增加了运行成本。这造成了氧化镁法在中国无法大量普及。

氨水法脱硫

氨法脱硫的技术特点是反应速度快，脱硫效率非常高，并且兼有20%~40%的脱硝效率。氨法适应烟气特性变化能力较大，运行无结垢、堵塞现象。副产物硫酸铵可回收利用硫资源。系统工艺结构简单，系统阻力小，占地面积也小，基本可利用原有引风机。

但氨具有易挥发性，在高温烟气的冲洗下，容易造成氨气挥发逃逸，对大气造成二次污染。其次在一定条件下会发生：NH3(g)+SO2(g)+H2O(g)=NH4HSO3(s)即在气相形成亚硫酸氢氨的固体,即气相沉淀。最初形成的固体呈现为超细粉末,在微米级别,称为气溶胶。由于在脱硫过程中,热烟气与水溶液接触,在液体表面,饱和水蒸汽向气相传递,超细的固体颗粒会成为水蒸汽冷凝结露的核心或晶种。因此,关键是要防止以上反应的发生。最重要的一点，氨法脱硫从理论上来说能生成氨肥，补充我国缺少的氮肥硫肥变废为宝，并且销售收入可抵消很大一部分运行成本，但事实上要生成合格的氨肥要严格把控吸收剂的质量及烟气中的含尘量，且氨法脱硫无法除去重金属，因此烟气中的Hg、Pb、As等重金属离子最终将带入到氨肥中，对农作物有害。

由于氨法脱硫的种种缺陷，一般是不建议作为常规脱硫手段采纳，目前大部分现存的氨法脱硫相当一部分是化工企业内部以废制废的简约临时处理。随着环保外部条件进一步的紧缩，氨法脱硫的市场形势不容乐观。

四、结论

综上所述，在目前主流的湿法脱硫工艺中，石灰石-石膏法和氧化镁法都是能满足超低排放要求的脱硫处理工艺，石灰石-石膏法门坎较低在具备场地条件、吸收剂条件、副产物处理条件后可纳入考量范围。石灰石石膏法运行业绩多，普及分布广泛，具备很强的传播和示范效应。是目前最为成熟、普遍的脱硫工艺。氧化镁法因脱硫剂活性强，在投资和运行费用方面都具备更好的优势。但副产物处理是难题。若加入浓缩、结晶、打包的副产物处理系统后投资和运行费用与石灰石石膏法相当。氨法脱硫自身缺陷较多，无法作为主流工艺推广，但在环保要求还不太严格的自备热电厂、小型热电厂内仍有一定的保有量。