鍋爐煙氣脫硫技術綜述
二氧化硫(SO2)的排放是造成我國大氣環境污染及酸雨不斷加劇的主要原因。酸雨破壞生態平衡,嚴重威脅人類健康和正常的生產生活。我國能源構成以煤炭為主,一次能源中煤炭占75%左右,有關資料表明：我國大氣中SO2主要是煤炭燃燒產生的,約占總量94%，目前我國約有工業鍋爐51萬臺,主要以中小型燃煤鍋爐為主,每年消耗煤炭5億噸,其中SO2的排放近1000萬噸。所以解決酸雨問題、控制SO2排放的有效手段之一就是燃煤工業鍋爐煙氣的脫硫化與凈化。國家對工業鍋爐排煙提出了嚴格要求,并制定了相關標準,嚴格要求各煤炭消耗企業采取必要措施，減少SO2等污染物的排放。近年來，雖然出現了各種各樣的煙氣脫硫裝置對煙氣脫硫有一定效果,但至今還沒有一種十分理想的脫硫裝置適應中小型燃煤鍋爐煙氣脫硫的需要,大力研究開發新型煙氣脫硫凈化技術和設備是目前的當務之急。
煙氣脫硫技術的發展狀況
目前，世界各國研究開發的控制技術已達200多種。這些技術概括起來可分為三大類,即燃燒前脫硫、燃燒中脫硫和煙氣脫硫,其中煙氣脫硫技術是目前燃煤電廠控制排放最有效和最廣泛應用的一項脫硫技術。煙氣脫硫技術按工藝特性一般可分為濕法、干法、半干法三類。
1.1濕法脫硫工藝
世界各國的濕法煙氣脫硫工藝流程、形式和機理大同小異，主要是采用堿性漿液或溶液作為吸收劑在吸收塔內對含有SO2的煙氣進行噴林洗滌,使SO2和吸收劑反應生成亞硫酸鹽和硫酸鹽。這種工藝已有50年的歷史,經過不斷地改進和完善后,技術成熟,而且具有脫硫效率高、機組容量大、鈣硫比低、煤種適應性強、運行費用較低和副產品易回收等優點。但其工藝流程復雜、占地面積大、投資大,需要煙氣再熱裝置,脫硫產物為濕態,且普遍存在腐蝕嚴重、運行維護費用高及造成二次污染等問題。常用的濕法工藝有:石灰石/石灰-石膏法、雙堿法、氨酸法、鈉鹽循環法、堿式硫酸鋁法、水和稀酸吸收法、氧化鎂法以及海水脫硫等。其中石灰石/石灰-石膏法[3]是技術最成熟、應用最多、運行狀況最穩定的方法,其脫硫效率在90%以上。
石灰石/石灰-石膏法脫硫工藝主要是采用石灰石、石灰或碳酸鈉等漿液作洗滌液，在反應塔中對煙氣進行洗滌，從而除去煙氣中的SO2。煙氣中SO2與漿液中的CaCO3或CaO以及進入的空氣進行化學反應，最終產物為石膏。脫硫后的煙氣需通過水霧消除器去除水滴和水霧。煙氣經洗滌后溫度降低，為防止在煙道和煙囪內腐蝕，要經加熱器提高煙氣的溫度后排出。副產品石膏可以根據需要進行綜合處理或拋棄。該技術脫硫效率高，設備小，投資省，操作容易，占地面積小;缺點是易造成二次污染，存在廢水處理問題，能耗高，特別是洗滌后煙氣溫度低，不利于煙囪排氣的擴散，需要二次加熱。
1.2干法脫硫工藝
干法脫硫工藝用于電廠煙氣脫硫始于20世紀80年代初。它使用固相粉狀或粒狀吸收劑或催化劑,在無液相介入下完全干燥的狀態下與SO2反應,并在干態下處理或再生脫硫劑。脫硫產物為干態,工藝流程相對簡單、投資費用低;煙氣在脫硫過程中無明顯降濕,利于排放后擴散;無廢液等二次污染;設備不易腐蝕,不易發生結垢及堵塞。但要求鈣硫比高,反應速度慢,脫硫效率及脫硫劑利用率低;飛灰與脫硫產物相混可能影響綜合利用;對干燥過程控制要求很高。
1.2.1荷電干式噴射脫硫法
該方法的工作原理是：吸收劑以高速通過高壓靜電電暈區,得到強大的靜電荷后,被噴射到煙氣中擴散形成均勻的懸濁狀態,吸收劑離子表面充分暴露,增加了與SO2反應的機會。同時,由于離子表面的電暈,增強了其活性,縮短了反應所需的滯留時間,有效提高了脫硫效率,當Ca/S=115時,脫硫效率為60%~70%。該方法優點[4]為投資小、收效大、工藝簡單可靠;占地面積小，不僅可以用于新建鍋爐的脫硫，而且更適應對現有鍋爐技術的改造;不會產生二次污染，反應生產物和煙塵一起被除塵設備去除。
缺點是對脫硫劑要求太高，一般的石灰難以滿足，經濟成本高，限制了其推廣應用的范圍。
1.2.2等離子體法
該方法是20世紀70年代發展起來的同時脫硫脫硝技術,被國際上認為是最有前途的新一代煙氣脫硫技術。它主要是利用高能電子使煙氣中的SO2,NOX,H2O,O2等分子被激活,電離甚至裂解,產生大量的離子及自由基等活性粒子,由于強氧化性使SO2,NOX被氧化,在注入氨的情況下,生成硫酸銨和硝酸銨化肥。根據高能電子的來源,可分為電子束照射法和脈沖電暈等離子法。電子束照射法是靠電子加速器產生高能電子,使煙氣中的氧和水蒸氣等激發轉化成氧化能力強的自由基,與煙氣中的SOX,NOX反應生成硫酸和硝酸,再和加入的氨反應產生硫酸銨和硝酸銨化肥。可以同時高效地脫硫脫銷，但是投資和運行費用非常高，技術含量高。脈沖電暈等離子法是靠脈沖高壓電源在普通反應器中形成等離子體,從而產生高能電子,國內外許多研究人員對其進行大量實驗研究工作。目前，該技術已進入大規模工業試驗階段，其優點是,設備簡單、操作簡便、投資僅是電子束照射法的60%,因此,成為國際上干法脫硫脫硝的研究前沿。
1.2.3吸附法
吸附劑主要包括活性碳、活性炭纖維、活性氧化鋁、沸石、硅膠等,其中實際應用最廣泛的是活性碳。吸附脫硫的原理為SO2被活性炭吸附并催化為SO3，然后再與水反應生成H2SO4，飽和后的活性炭可以通過水洗或加熱再生，同時生成稀H2SO4或高濃度的SO2。獲得副產品H2SO4、液態SO2和單質S，既有效地控制SO2的排放，又回收硫資源。其優點是脫硫劑消耗少，運行費用低;脫硫產物可以回收利用，適應不同的市場需求，設備相對較少，工藝流程相對簡單。但是由于傳統技術存在脫硫容量低、脫硫速度慢，再生頻繁等缺點而阻礙了其推廣應用。近年來，在脫硫劑、脫硫工藝和設備等方面進行廣泛的研究開發，這也是以后炭法脫硫技術的發展方向。
1.3半干法脫硫工藝
半干法脫硫工藝融合了濕法、干法脫硫工藝的優點,具有廣闊的應用前景。它利用熱煙氣使Ca(OH)2吸收煙氣中的SO2,在反應生成CaSO3˙0.5H2O的同時進行干燥過程,使最終產物為干粉狀。該工藝通常配合袋式除塵器使用,能提高10%～15%的脫硫效率。
1.3.1旋轉噴霧干燥法
該方法是通過高速旋轉霧化器將吸收劑漿液霧化成細小霧滴,噴入吸收塔與煙氣形成比較大的接觸表面積，在氣液兩相中進行傳質、傳熱反應，生成亞硫酸鈣和部分硫酸鈣，達到脫硫的目的。脫硫效率在80%~85%[，它的優點是流程簡單，占地面積小，投資較少，物廢水排出。缺點是技術要求高，吸收劑用量難以控制，生產物太細小不易除塵，設備腐蝕嚴重。
1.3.2循環流化床法
該工藝原理是以將煙氣通入床料為脫硫劑的循環流化床內，使煙氣發生反應達到脫硫目的。主要是采用石灰石(CaCO3)和白云石(CaCO3˙MgCO3)為脫硫劑。通過脫硫劑的多次再循環,延長脫硫劑與煙氣的接觸時間,來提脫硫劑的利用率和脫硫效率，一般高達90%，并且占地面積少，投資小，運行費用低，適合老機組煙氣脫硫。
1.3.3爐內噴鈣后增濕活化法
該方法是用石灰石等堿性鈣質吸收劑直接向鍋爐膛內高溫區噴入，經過煅燒后生成有極高反應接觸面的許多CaO細小顆粒，在高速煙氣流的帶動下，顆粒物進入較低溫度區，在這里CaO顆粒不再結晶，在富氧狀態下吸收煙氣中的SO2，從而達到脫硫目的。該方法工藝簡單，設備投資費用和運行費用低，適合現有電廠改造，具有廣泛的應用前景，但其最大缺點是對鍋爐有不利影響，引起爐內結焦、受熱面磨損。
國外煙氣脫硫現狀及發展趨勢
從70年代起，工業發達國家相繼頒布了大氣污染防治的有關法令及條例，強制采用煙氣脫硫技術控制大氣SO2污染，進一步促進了煙氣脫硫技術的研究及開發。
(1)目前,全世界已有許多國家和地區使用了煙氣脫硫裝置,日本是世界上最早大規模應用煙氣脫硫裝置的國家,所用技術以濕式石灰石—石膏法為主,占75%以上。由于日本資源匱乏,脫硫產物大多采用回收工藝。日本國內所用石膏基本上來自于煙氣脫硫的回收產物。日本在SO2基本得到控制的基礎上,開展了煙氣同時脫硫脫硝的研究和開發,并應用在工業上。
(2)美國的煙氣脫硫技術研究較日本略遲,自20世紀70年代開始。目前,美國脫硫裝置總裝機容量超過0.7～1.0億kW,超過日本而成為世界第一。美國采用的脫硫工藝80%是濕式石灰石—石膏法,脫硫產物以拋棄為主。
(3)歐洲的煙氣脫硫技術以德國發展最為迅速,德國在20世紀70年代后期,森林大面積受害,不得不開展SO2的治理工作。在引進日、美先進技術的同時,立足本國技術的開發。20世紀70年代末開始在電站鍋爐上安裝脫硫裝置,德國90%以上的脫硫裝置采用石灰石—石膏法。20世紀80年代中后期,德國的Lurgi公司在原來煉鋁尾氣處理技術的基礎上,開發了一種新的適用于電廠鍋爐的煙氣脫硫設備,即循環流化床煙氣脫硫工藝。此外,丹麥、芬蘭、挪威、奧地利等國對煙氣脫硫技術也開展了大規模的研究,開發出許多先進工藝,不僅在國內安裝了許多脫硫裝置,還向境外出口技術和裝備。目前國外煙氣脫硫技術的主要發展趨勢是要開發脫硫效率高，裝機容量大，投資少，占地少，運行費用低，自動化程度高，可靠性好等的技術。
國內煙氣脫硫現狀及發展趨勢
我國煙氣脫硫技術始于20世紀70年代初，起步較早,幾乎與國外同步,但進展緩慢,大部分技術停留在小試或中試階段,有些技術雖然已有工業性試驗裝置,但未能大范圍推廣應用。70年代后，由于能源需求量的增大，環境污染問題日益嚴重，火電廠煙氣脫硫工作受到有關部門的重視，進入發展階段。
近年來,我國對中小型燃煤工業鍋爐煙氣脫硫技術專門進行了攻關研究,雖略低于國外先進水平,但其效率可達到國家允許排放標準,均適用于燃煤工業鍋爐煙氣脫硫。但是,這些煙氣脫硫技術在不同程度上都存在一些缺陷及弊端。加大燃煤發電廠煙氣脫硫研究及開發的力度,加快研究與開發適合我國國情的投資少、見效快、簡便易行的煙氣脫硫勢在必行,刻不容緩。我國燃煤發電廠煙氣脫硫的研究試驗基地鑒于我國目前中小型燃煤工業鍋爐眾多,短期內改型尚不可能一步到位,甚至還會長期使用,燃煤工業鍋爐煙氣脫硫以其存在問題多、治理難度大,而成為我國當今令人關注的熱點。為此,應充分發揮科研設計部門以及高等院校技術力量雄厚的優勢,在對國內外現有煙氣脫硫技術及裝置認真篩選、優化組合的基礎上,從高起點出發,全力組織對燃煤工業鍋爐煙氣脫硫技術及裝置進行再攻關,爭取在較短的時間內研究及開發出優質高效、經濟配套、性能可靠、不造成二次污染、適合國情的全新的煙氣脫硫技術,并盡快推廣應用到治理實踐中去。
展望
在科學技術不斷發展與進步的今天，隨著研究者的不斷努力，一些新型實用性強的脫硫技術不斷涌現。目前的煙氣脫硫技術在應用中仍然存在一些問題，研究和解決這些問題是今后工作的重點。結合我國國情與資源分布特點，未來煙氣脫硫技術，要著重研發新的脫硫吸收劑和開發新的設備來降低運行、維護費用，提高脫硫效率，從而提高經濟性能。同時開展脫硫副產物綜合利用的研究，擴展應用的領域。還要開展新型煙氣脫硫的機理、技術和工藝研究，并應用與工業，提高效率，節約能源。隨著我國各項環境法規、標準和相應環境管理制度的不斷完善,以及煙氣脫硫技術日趨成熟,大、中型火電廠必將大規模地安裝煙氣脫硫設施,減少二氧化硫排放,從而確保環境與經濟的協調發展。
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