燃煤电厂烟气脱硫技术的应用与展望.pdf

燃煤电厂烟气脱硫技术的应用与展望 李先春 韩仁志 鞍山科技大学 摘要 介绍了燃煤电厂烟气脱硫的主要工艺, 分析了国内外烟气脱硫技术的研究与应用情况, 对目前国内电厂应用的几种主要烟气脱硫技术进行比较, 并就其发展提出展望。 关键词 电厂 烟气脱硫 开发应用 Application and Forecast of Flue Gas Desulphurization T echnology in Coal Fired Power Plant Li Xianchun Han Renzhi Anshan Science and T echnology University Abstract This paper describes the main flue gas desulphurization techniques in coal fired power plant,analyzes the study and application situations at home and abroad,compares presently several ma- jor flue gas desulphrization techniques used at home and puts its development forecast forward. Keywords power plant flue gas desulphurization development and application 1 前言 酸雨、 温室效应和臭氧层破坏是当前人类面 临的三大环境问题, 其中酸雨的形成主要是由于 大量SO2的排放。据统计, 2000年我国 SO2的排 放量达到1990 万t/ a, 预计 2020 年SO2的排放量 将达到 3500 万 t/ a [ 1]。 因此, 要从根本上解决酸雨 问题, 首先要控制 SO2的排放, 减少其对环境的 污染。 目前, 世界各国研究开发的 SO2控制技术已 达 200 多种 [ 1] 。 这些技术概括起来可分为三大类, 即燃烧前脱硫、 燃烧中脱硫和烟气脱硫 FGD , 其中烟气脱硫技术是目前燃煤电厂控制 SO2排 放最有效和应用最广的一项脱硫技术。烟气脱硫 技术按工艺特性一般可分为湿法 WFGD 、 干法 DFGD 、 半干法 SDFGD 三类。 2 国外烟气脱硫技术的应用情况[ 1] 1 目前, 全世界已有 17 个国家和地区使用 了 FGD 装置, 电站装机容量达 2～2. 5 亿 kW, 每 年脱除 100 万 t SO2。 日本是世界上最早大规模应 用 FGD 的国家, 截止到 1990 年, 其装置达 1900 多套, 总装机容量达 0. 5～0. 6 亿 kW。所用技术 以湿式石灰石石膏法为主, 占 75 以上。由于 日本资源匮乏, 脱硫产物大多采用回收工艺。 日本国 内所用石膏基本上来自于烟气脱硫的回收产物。日 本在 SO2基本得到控制的基础上, 开展了烟气同时 脱硫脱硝的研究和开发, 并应用在工业上。 2 美国的FGD 技术研究较日本略迟, 自 20 世纪70 年代开始。 目前, 美国FGD 装置总装机容 量超过 0. 7～1. 0 亿 kW, 超过日本而成为世界第 一。 美国采用的脱硫工艺80是湿式石灰石石 膏法, 脱硫产物以抛弃为主。 3 欧洲的 FGD 技术以德国发展最为迅速, 其装机容量超过 0. 36～0. 46 亿 kW, 居世界第 三。德国在 20 世纪 70 年代后期, 森林大面积受 害, 不得不开展 SO2的治理工作。在引进日、 美先 进技术的同时, 立足本国技术的开发。20 世纪 70 年代末开始在电站锅炉上安装FGD装置, 1983 李先春, 讲师, 1993 年毕业于西安交通大学锅炉专业, 现任鞍山科技大学材料科学与工程学院热能工程系主任 114044 。 18 鞍钢技术 ANGANG TECHNOLOGY 2004 年第 6 期 年颁布了环境法规后, 促进了FGD 装置的大规模 应用。截止到 1992 年, 50MW 以上的燃煤锅炉全 部安装了FGD 装置。 德国90以上的 FGD 装置 采用石灰石石膏法。 20 世纪 80 年代中后期, 德 国的Lurgi 公司在原来炼铝尾气处理技术的基础 上, 开发了一种新的适用于电厂锅炉的烟气脱硫 设备, 即循环流化床烟气脱硫工艺。 此外, 丹麦、 芬 兰、 挪威、 奥地利等国对 FGD 技术也开展了大规 模的研究, 开发出许多先进工艺, 如丹麦的 SDA 法、 芬兰的 LIFAC 法、 挪威的 NID 法和海水脱硫 工艺以及奥地利的 DCFB 流化床工艺等, 不仅在 国内安装了许多FGD 装置, 还向境外出口技术和 装备。 3 我国烟气脱硫技术的研究及应用现状 我国的烟气脱硫技术始于 20 世纪 70 年代 初, 起步较早, 几乎与国外同步, 但进展缓慢, 大部 分技术停留在小试或中试阶段, 有些技术虽然已 有工业性试验装置, 但未能大范围推广应用。在 20 世纪70 年代, 分别建成了 WellmanLord 法、 含碘活性炭法和石灰石石膏湿法的小型工业装 置或中试装置。进入 80 年代, 开展了一些较大规 模的研究。 20 世纪 90 年代, 对一些我国自行研究 开发的工艺, 如石灰石三相流化床法、 磷铵肥法、 文丘里简易石灰石洗涤法进行了不同规模的试 验。目前, 清华大学、 浙江大学、 东南大学、 山东大 学、 哈尔滨工业大学等主要从事循环流化床烟气 脱硫技术 CFBFGD 的实验研究, 并已经开发出 适用于中小电站燃煤锅炉的工业化脱硫装置。 下文列出的是在我国已中试、 引进示范或应 用的几种有代表性的烟气脱硫技术。 1 石灰石/ 石灰石膏湿法[ 2, 3] 该法是目前最成熟的脱硫工艺, 具有脱硫效 率高、 适用煤种及机组范围广、 运行稳定的特点。 1992 年, 重庆珞璜电厂引进了日本三菱重工的两 套湿式石灰石石膏法烟气脱硫技术和设备 两 套总投资 3700 万美元 , 分别匹配两台 360MW 21025t/ h 锅炉 发电机组, 其中 1 号机组于 1992 年 11 月开始运行, 2 号机组于 1993 年 5 月 开始运行, 均为 100 烟气处理。 电厂燃煤为高硫 无烟煤, 含硫量3. 5～5. 0, 平均 4. 02。 单台 机组的烟气处理量为 1087200m 3/ h, 烟气温度 142℃, 入口 SO2浓度为 0. 35 。 该脱硫工艺的指 标为 脱硫效率 95 , 出口烟气温度 90℃, 石 灰石 耗量小于 19. 7t/ h 单台 , Ca 利用 率达 93, 电耗 6400kWh 单台 , 年产石膏 40 万 t, 系统可用率 99 。目前我国采用此工艺的电厂 主要有 珞璜电厂二期 2360MW、 杭州半山电 厂 2125MW 机组、 重庆电厂 2200MW 机组、 北京第一热电厂 2125MW 机组、 上海石洞口发 电厂 2300MW 机组、 扬州电厂 200MW 机组、 苏州望亭电厂 2300MW 机组、 济南黄台电厂 2 300MW 机组等。 2 海水湿法脱硫工艺[ 3] 海水通常呈碱性, 当 SO2被海水吸收后, 再 经过曝气, 便会被氧化为无害的硫酸盐并完全溶 于海水中。海水脱硫工艺具有以下优点 采用天然海水作吸收剂, 节省吸收剂制备 系统, 工艺系统简单; 吸收系统不会产生结垢、 堵塞等运行问 题, 可用率高; 无脱硫灰渣生成; 脱硫效率高; 投资和运行成本较低, 通常比湿式石灰石 石膏法低三分之一。 但由于其吸收剂的特殊性, 该工艺可考虑在 沿海地区的燃煤电厂采用, 且煤种含硫量 90, 出口烟气温度 70℃, 排放海水 pH 6. 5, 氧化率 90。 3 旋转喷雾干燥法 LSD [ 2] 该法属于半干法烟气脱硫。 “ 七五” 期间, 西南 电力设计院等用国产设备、 仪表在四川白马电厂 设计并建立一套 70000m 3/ h 的 LSD 高硫煤 煤含 硫量3. 5 烟气脱硫中试装置。 烟气中SO2浓度 为 0. 3, 烟气温度 162℃, 脱硫剂为外购石灰粉, CaO 含量为 60 ～70, 细度 200 目。使用电除 尘器除尘, 当 Ca/ S 1. 4 时, 脱硫效率达到 85 。 1993 年由日本政府援助, 山东黄岛电厂 4 号机组 引进三菱重工旋转喷雾干燥烟气脱硫工业试验装 19 李先春 韩仁志 燃煤电厂烟气脱硫技术的应用与展望 置, 于 1995 年 开 始 投 入运 行。处 理 烟 气 量 300000m 3/ h, 入口 SO2 浓度为 0. 2, 烟气温度 145℃, 脱硫剂为石灰, Ca/ S 1. 4, 设计脱硫效率 为 70。该装置经过 2 年的运行, 基本达到设计 要求, 设备能够连续运行。但该装置脱硫效率低、 运行费用较高, 钙的有效利用率低。 4 炉内喷钙尾部增湿 LIFAC [ 4] “ 八五“ 期间, 哈尔滨电站设备成套设计研究 所、 北京轻工学院和哈尔滨锅炉厂在贵州轮胎厂 一台 20t/ h 链条炉上建立了炉内喷钙脱硫的工业 示范装置, 尾部增湿活化功能利用锅炉原配有的 文丘里和水模除尘器来实现。试验用的脱硫剂为 贵州水泥厂的窑尾灰, 含 CaCO376, 由水泥厂 磨制。脱硫系统总耗电 150kW。锅炉燃煤含硫量 5. 0, SO2入口浓度 0. 35～0. 5 。试验结果 表明, 当 Ca/ S 1. 5 时, 系统脱硫效率为 80, 其 中炉内部分脱硫效率为13. 7 ～36. 6 。 运行结 果表明, 喷入脱硫剂前后, 锅炉主要参数无明显变 化, 脱硫对锅炉无影响。 但其试验锅炉为 20t/ h 链 条炉, 不具有典型的代表性, 实际上炉内喷钙对锅 炉的炉膛温度、 炉内传热、 锅炉尾部受热面积灰等 有一定的影响 [ 1]。国外应用该技术最好的是芬兰 Tempella Power 公司开发的 LIFAC 脱硫工艺。 我国抚顺电厂引进了LIFAC 的炉内喷钙部分, 配 套 120MW 机组 锅炉燃煤含硫量 0. 54 , 于 1996 年投入运行, 设计脱硫效率 40 。南京下关 电厂引进全套技术, 配套 125MW 机组 锅炉燃煤 含硫量 0. 92 , 设计脱硫效率 75 , 该装置于 1998 年投入运行。 继下关电厂后, 浙江钱清电厂 1 号机组 125MW 也引进该技术, 脱硫装置于 1999 年投入运行。其主要参数为 燃煤含硫量 0. 9～1. 2 , 设计脱硫效率达 65, SO2排放 浓度为 887mg/ kg。 5 电子束法 EBA [ 1] 电子束烟气脱硫技术采用电子束加速器照射 烟气, 增加烟气的活性, 然后向吸收塔补氨, 与 SO2反应生成硫酸氨, 在吸收塔后部被吸收。 该法 具有一次性投资低、 适用范围广、 对环境无二次污 染的特点。 日本荏原公司与中国政府合作, 在四川 成都热电厂建立一套电子束脱硫示范工程, 处理 该厂 200MW 机组锅炉的部分烟气。该工程是世 界上第一套, 也是容量最大的电子束脱硫装置。 处 理烟气量 300000m 3/ h, 入口 SO2 浓度为 0. 18 , 设计脱硫效率为 80, 脱硫剂为液氨, 副产品为 氨肥。 6 荷电干法 CDSI [ 3] 该技术是美国阿兰柯环境资源公司于 20 世 纪 90 年代开发的。CDSI 系统通过在锅炉炉膛出 口喷入干的吸收剂 Ca OH2 , 使吸收剂与烟气 中的 SO2发生反应, 产生颗粒物质, 再被后面的 除尘设备除去, 以达到脱硫的目的。 荷电干法与普 通干法不同, 其吸收剂在喷入烟道前, 以高速流过 高压静电电晕区, 从而得到强大的静电。 吸收剂颗 粒由于带有同一电性电荷, 相互排斥, 很快在烟气 中扩散, 呈均匀的悬浮状态, 增加了与 SO2反应 的机会, 提高了脱硫效率。该法投资少, 占地面积 小, 工艺简单, 适用于中小型锅炉的脱硫。 山东德州热电厂在一台 75t/ h 煤粉锅炉上安 装了 CDSI 系统, 1995 年投入运行, 锅炉燃煤的含 硫量 1. 66 ～1. 94, 脱硫剂为 Ca OH2, 当 Ca/ S 1. 35 时, 脱硫效率达 70。广州造纸有限 公 司 三 台 220t/ h 燃 煤 锅 炉 处 理 烟 气 量 1090000m 3/ h 1997 年安装了 CDSI 系统, 脱硫效 率为 75 ～80。 7 循环流化床烟气脱硫 CFBFGD [ 5～7] CFBFGD 是以循环流化床原理为基础, 通过 吸收剂在反应塔内多次的再循环, 使烟气中的 SO2气体与脱硫剂充分接触, 大大提高吸收剂的 利用率和脱硫效率, 能在较低钙硫比下 Ca/ S 1. 1～1. 2 , 接近或达到湿法工艺的脱硫效率。该 法具有运行可靠、 投资少、 煤种适应性强、 无废水 排放、 无腐蚀的特点, 是一种适合我国国情的脱硫 技术。 东南大学与中绿环保公司合作, 为无锡化工 集团一台65t/ h 燃煤锅炉设计建造一套 CFBFGD 装置。该装置处理烟气量 110000m 3/ h, 燃煤含硫 量 1. 0, 入口 SO2浓度为 0. 16 , 脱硫剂为 Ca OH2, 设计脱硫效率 90 。山东大学与哈尔滨 工业大学合作在完成中试和工业性试验的基础 上, 为青岛热电厂一台 75t/ h 煤粉炉设计一套双 循环流化床烟气脱硫装置。该装置处理烟气量 140000m 3/ h, 设计脱硫效率 90。清华大学目前 正在银川热电厂设计建造一套相当于 150t/ h 燃 煤锅炉的循环流化床烟气脱硫装置。国内龙源电 力环保公司和丹麦 FLS 公司合作, 在云南小龙潭 20 鞍钢技术 2004年第 6 期 电厂 6 号 100MW 410t/ h 煤粉炉 机组安装了一 套 CFBFGD 装置, 于 2001 年投入运行, 处理烟气 量 487000m3/ h, 脱硫剂为 CaO, 脱硫效率大于 90。武汉凯迪与德国 WULLF 公司合作, 在广 州恒运集团公司 7 号 210MW 670t/ h 煤粉炉 机 组安装一套内回流循环流化床烟气脱硫装置。该 装置于 2002 年投入运行, 处理烟气量 867500m 3/ h, 脱硫剂为 Ca OH2, Ca/ S 85。 4 烟气脱硫工艺的技术经济分析 目前, 国内电厂应用的烟气脱硫技术主要有 石灰石/ 石灰石膏湿法、 旋转喷雾干燥法、 炉内 喷钙炉后增湿活化法 LIFAC 和循环流化床烟 气脱硫 CFBFGD 四种。表 1 列出了四种主要脱 硫工艺技术的经济比较。 表 1 国内燃煤电厂采用的主要烟气 脱硫工艺的技术经济比较[ 8] 脱硫工艺 石灰石/ 石灰 石膏湿法 旋转喷雾 干燥法 LIFAC CFB- FGD 适用煤种含硫量/ 1. 51～3 85 工程投资占电厂总 投资的百分数/ 15～2010～154～75～7 钙利用率/ 9040～45 35～40 70 运行费用高较高较低较低 设备占地面积大较大小小 灰渣状态湿干干干 通过上述分析, 得出结论 今后 20 年将是我 国烟气脱硫技术快速发展的时期, 烟气脱硫工艺 的开发及应用应遵循投资少、 能耗低、 脱硫效率 高、 适用性强、 二次污染少的原则, 但最基本的原 则是保证工业化装置稳定、 高效的运行, 这也是烟 气脱硫技术研究的一个重要课题。因此, 对于 300MW、 600MW 的燃煤机组应首先考虑采用石 灰石/ 石灰石膏湿法脱硫工艺; 对于沿海的电厂 可 考虑 采用 海 水湿 法 脱硫 工艺; 对 于 50 ～ 200MW 的燃煤机组, 可考虑采用循环流化床烟 气脱硫工艺; 对于已有的 200MW 以下燃煤机组, 可考虑采用 LIFAC 法或循环流化床烟气脱硫工 艺。 由于湿法脱硫工艺已经比较成熟, 因此今后的 研究方向是如何消化吸收国外的先进技术, 达到 关键部件全部国产化, 以降低工程投资成本。 同循 环流化床锅炉相类似, 循环流化床烟气脱硫技术 是一项非常有发展潜力的烟气脱硫技术, 从国内 外脱硫装置的运行情况看, 该技术才处于刚刚起 步阶段, 从先进的工艺到实际装置的工业化应用, 还有大量工作要做。 其中开发出低阻、 高效的分离 装置和运行稳定可靠的回料装置是该脱硫工艺工 业化应用的关键之处。 目前, 国内高校和科研院所 都投入了大量的人力、 物力、 财力, 从事该技术的 开发与应用, 相信不久的将来, 一种稳定、 高效的 CFBFGD 脱硫装置将会应用到大型燃煤机组上。 5 结语 本文分析了国内外烟气脱硫技术的研究及应 用情况。 随着环保要求的提高, 我国电厂烟气脱硫 工程逐渐增多, 在各种脱硫技术中, 石灰石石膏 湿法脱硫是目前世界上最成熟的一种脱硫技术, 也是我国火电厂主要应用的脱硫技术。而循环流 化床烟气脱硫是烟气脱硫技术中的后起之秀, 是 一种适合我国国情的烟气脱硫技术。我国燃煤电 厂的烟气脱硫工程将会出现以湿法脱硫为主、 其 它脱硫技术并存的局面。 参考文献 1 钟秦. 燃煤烟气脱硫脱硝技术及工程实例. 化学工业出版社, 2002 2 郝吉明, 陆永琪. 中国燃煤电厂烟气脱硫技术现状及经济分 析.中国环保产业, 1998, 2 3 姚国华. 燃煤电厂烟气脱硫技术进展. 煤化工, 2003, 8 4 周军, 周全. 下关电厂炉内喷钙炉后活化烟气脱硫工程评述. 电力环境保护, 2001, 6 5 张凤兰, 程岩. 小龙潭发电厂烟气循环流化床脱硫工程评述. 电力环境保护, 2003, 3 6 吴必科. 内回流循环流化床烟气脱硫运行特性分析. 中国电 力,2003, 8 7 赵旭东. 干法、 半干法 钙基 烟气脱硫技术研究进展及趋势. 化学工程, 2003, 8 8 刘利, 黄震, 李大骥. 循环流化床烟气脱硫技术及经济分析. 污 染防治技术, 2003, 9 编辑 许平静 收稿日期 2004- 05- 09 21 李先春 韩仁志 燃煤电厂烟气脱硫技术的应用与展望