標籤:濕法脫硫

煙氣脫硫 指從煙道氣或其他工業廢氣中除去硫氧化物(SO2和SO3)。

1工藝簡介

煙氣脫硫(Flue gas desulfurization,簡稱FGD),在FGD技術中,按脫硫劑的種類劃分,可分為以下五種方法:以CaCO3(石灰石)為基礎的鈣法,以MgO為基礎的鎂法,以Na2SO3為基礎的鈉法,以NH3為基礎的氨法,以有機鹼為基礎的有機鹼法。

2基本原理

化學原理:煙氣中的SO2 實質上是酸性的,可以通過與適當的鹼性物質反應從煙氣中脫除SO2。煙道氣脫最常用的鹼性物質是石灰石(碳酸鈣)、生石灰(氧化鈣,Cao)和熟石灰(氫氧化鈣)。石灰石產量豐富,因而相對便宜,生石灰和熟石灰都是由石灰石通過加熱來製取。有時也用碳酸納(純鹼)、碳酸鎂和氨等其它鹼性物質。所用的鹼性物質與煙道氣中的SO2發生反應,產生了一種亞硫酸鹽和硫酸鹽的混合物(根據所用的鹼性物質不同,這些鹽可能是鈣鹽、鈉鹽、鎂鹽或銨鹽)。亞硫酸鹽和硫酸鹽間的比率取決於工藝條件,在某些工藝中,所有亞硫酸鹽都轉化成了硫酸鹽。SO2與鹼性物質間的反應或在鹼溶液中發生(濕法煙道氣脫硫技術),或在固體鹼性物質的濕潤表面發生(干法或半干法煙道氣脫硫技術)。
在濕法煙氣脫硫系統中,鹼性物質(通常是鹼溶液,更多情況是鹼的漿液)與煙道氣在噴霧塔中相遇。煙道氣中SO2溶解在水中,形成一種稀酸溶液,然後與溶解在水中的鹼性物質發生中和反應。反應生成的亞硫酸鹽和硫酸鹽從水溶液中析出,析出情況取決於溶液中存在的不同鹽的相對溶解性。例如,硫酸鈣的溶解性相對較差,因而易於析出。硫酸納和硫酸銨的溶解性則好得多。SO2在干法和半干法煙道氣脫硫系統中,固體鹼性吸收劑或使煙氣穿過鹼性吸收劑床噴入煙道氣流中,使其與煙道氣相接觸。無論哪種情況,SO2都是與固體鹼性物質直接反應,生成相應的亞硫酸鹽和硫酸鹽。為了使這種反應能夠進行,固體鹼性物質必須是十分疏鬆或相當細碎。在半干法煙道氣脫硫系統中,水被加入到煙道氣中,以在鹼性物質顆粒物表面形成一層液膜,SO2溶入液膜,加速了與固體鹼性物質的反應。

3工藝方法

乾式脫硫
乾式煙氣脫硫工藝
該工藝用於電廠煙氣脫硫始於80年代初,與常規的濕式洗滌工藝相比有以下優點:投資費用較低;脫硫產物呈干態,並和飛灰相混;無需裝設除霧器及再熱器;設備不易腐蝕,不易發生結垢及堵塞。其缺點是:吸收劑的利用率低於濕式煙氣脫硫工藝;用於高硫煤時經濟性差;飛灰與脫硫產物相混可能影響綜合利用;對乾燥過程式控制制要求很高。
煤灰脫硫
粉煤灰乾式煙氣脫硫技術
日本從1985年起,研究利用粉煤灰作為脫硫劑的乾式煙氣脫硫技術,到1988年底完成工業實用化試驗,1991年初投運了首台粉煤灰乾式脫硫設備,處理煙氣量644000Nm3/h。其特點:脫硫率高達60%以上,性能穩定,達到了一般濕式法脫硫性能水平;脫硫劑成本低;用水量少,無需排水處理和排煙再加熱,設備總費用比濕式法脫硫低1/4;煤灰脫硫劑可以復用;沒有漿料,維護容易,設備系統簡單可靠。

濕法脫硫

FGD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,主要是使用石灰石(CaCO3)、石灰(CaO)或碳酸鈉(Na2CO3)等漿液作洗滌劑,在反應塔中對煙氣進行洗滌,從而除去煙氣中的SO2。這種工藝已有50年的歷史,經過不斷地改進和完善後,技術比較成熟,而且具有脫硫效率高(90%~98%),機組容量大,煤種適應性強,運行費用較低和副產品易回收等優點。據美國環保局(EPA)的統計資料,全美火電廠採用濕式脫硫裝置中,濕式石灰法佔39.6%,石灰石法佔47.4%,兩法共佔87%;雙鹼法佔4.1%,碳酸鈉法佔3.1%。世界各國(如德國、日本等),在大型火電廠中,90%以上採用濕式石灰/石灰石-石膏法煙氣脫硫工藝流程。
石灰或石灰石法主要的化學反應機理為:
石灰法:SO2+CaO+1/2H2O→CaSO3·1/2H2O
石灰石法:SO2+CaCO3+1/2H2O→CaSO3·1/2H2O+CO2
其主要優點是能廣泛地進行商品化開發,且其吸收劑的資源豐富,成本低廉,廢渣既可拋棄,也可作為商品石膏回收。目前,石灰/石灰石法是世界上應用最多的一種FGD工藝,對高硫煤,脫硫率可在90%以上,對低硫煤,脫硫率可在95%以上。
傳統的石灰/石灰石工藝有其潛在的缺陷,主要表現為設備的積垢、堵塞、腐蝕與磨損。為了解決這些問題,各設備製造廠商採用了各種不同的方法,開發出第二代、第三代石灰/石灰石脫硫工藝系統。
濕法FGD工藝較為成熟的還有:氫氧化鎂法;氫氧化鈉法;美國DavyMckee公司Wellman-LordFGD工藝;氨法等。
在濕法工藝中,煙氣的再熱問題直接影響整個FGD工藝的投資。因為經過濕法工藝脫硫后的煙氣一般溫度較低(45℃),大都在露點以下,若不經過再加熱而直接排入煙囪,則容易形成酸霧,腐蝕煙囪,也不利於煙氣的擴散。所以濕法FGD裝置一般都配有煙氣再熱系統。目前,應用較多的是技術上成熟的再生(迴轉)式煙氣熱交換器(GGH)。GGH價格較貴,占整個FGD工藝投資的比例較高。近年來,日本三菱公司開發出一種可省去無泄漏型的GGH,較好地解決了煙氣泄漏問題,但價格仍然較高。前德國SHU公司開發出一種可省去GGH和煙囪的新工藝,它將整個FGD裝置安裝在電廠的冷卻塔內,利用電廠循環水餘熱來加熱煙氣,運行情況良好,是一種十分有前途的方法。

4工藝歷史

1927年英國為了保護倫敦高層建築的需要,在泰吾士河岸的巴特富安和班支賽德兩電廠(共120MW),首先採用石灰石脫硫工藝。
據統計,1984年有SO2控制工藝189種,目前已超過200種。主要可分為四類:(1)燃燒前控制-原煤凈化(2)燃燒中控制-硫化床燃燒(CFB)和爐內噴吸收劑(3)燃燒后控制-煙氣脫硫(4)新工藝(如煤氣化/聯合循環系統、液態排渣燃燒器)其中大多數國家採用燃燒后煙氣脫硫工藝。煙氣脫硫則以濕式石灰石/石膏法脫硫工藝作為主流。
自本世紀30年代起已經進行過大量的濕式石灰石/石膏法研究開發,60年代末已有裝置投入商業運行。ABB公司的第一套實用規模的濕法煙氣脫硫系統於1968年在美國投入使用。1977年比曉夫公司製造了歐洲第一台石灰/石灰石石膏法示範裝置。IHI(石川島播磨)的首台大型脫硫裝置1976年在磯子火電廠1、2號機組應用,採用文丘里管2塔的石灰石石膏法混合脫硫法。三菱重工於1964年完成第一套設備,根據其運轉實績,進行煙氣脫硫裝置的開發。
第一代FGD系統:在美國和日本從70年代開始安裝。早期的FGD系統包括以下一些流程:石灰基流質;鈉基溶液;石灰石基流質;鹼性飛灰基流質;雙鹼(石灰和鈉);鎂基流質;Wellman-Lord流程。採用了廣泛的吸收類型,包括通風型、垂直逆流噴射塔、水平噴射塔,並採用了一些內部結構如托盤、填料、玻璃球等來增進反應。
第一代FGD的效率一般為70%~85%
除少數外,副產品無任何商用價值只能作為廢料排放,只有鎂基法和Wellman-Lord法產出有商用價值的硫和硫酸。特徵是初投資不高,但運行維護費高而系統可靠性低。結垢和材料失效是最大的問題。隨著經驗的增長,對流程做了改進,降低了運行維護費提高可靠性。
第二代FGD系統
在80年代早期開始安裝。為了克服第一代系統中的結垢和材料問題,出現了干噴射吸收器,爐膛和煙道噴射石灰和石灰石也接近了商業運行。然而佔主流的FGD技術還是石灰基、石灰石基的濕清洗法,利用填料和玻璃球等的通風清洗法消失了。改進的噴射塔和淋盤塔是最常見的。流程不同其效率也不同。最初的干噴射FGD可達到70%~80%,在某些改進情形下可達到90%,爐膛和煙道噴射法可達到30%~50%,但反應劑消耗量大。隨著對流程的改進和運行經驗的提高,可達到90%的效率。美國所有第二代FGD系統的副產物都作為廢物排走了。然而在日本和德國,在石灰石基濕清洗法中把固態副產品強制氧化,得到在某些工農業領域中有商業價值的石膏。第二代FGD系統在運行維護費用和系統可靠性方面都有所進步。
第三代FGD系統
爐膛和煙道噴射流程得到了改進,而LIFAC和流化床技術也發展起來了。通過廣泛採用強制氧化和鈍化技術,影響石灰、石灰石基系統可靠性的結垢問題基本解決了。隨著對化學過程的進一步了解和使用二基酸(DBA)這樣的添加劑,這些系統的可靠性可以達到95%以上。鈍化技術和DBA都應用於第二代FGD系統以解決存在的問題。許多這些系統的脫硫效率達到了95%或更高。有些系統的固態副產品可以應用於農業和工業。在德國和日本,生產石膏已是電廠的一個常規項目。隨著設備可靠性的提高,設置冗餘設備的必要性減小了,單台反應器的煙氣處理量越來越大。在70年代因投資大、運行費用高和存在腐蝕、結垢、堵塞等問題,在火電廠中聲譽不佳。經過15年實踐和改進,工作性能與可靠性有很大提高,投資和運行費用大幅度降低,使它的下列優點較為突出:(1)有在火電廠長期應用的經驗;(2)脫硫效率和吸收利用率高(有的機組在Ca/S接近於1時,脫硫率超過90%);(3)可用性好(最近安裝的機組,可用性已超過90%)。人們對濕法的觀念,從而發生轉變。
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