燃煤电厂脱硫技术进展

朱永乐，赵永华，张帅，范莘茹

（辽宁工业大学化学与环境工程学院，辽宁锦州121001）

燃煤烟气排放一直以来都是大气污染的一个主要来源，尤其是烟气中的SO2会对大气造成严重污染，导致酸雨的形成，对建筑物和植物产生腐蚀，甚至还可能威胁到人的身体健康。我国是燃煤大国，且每年有一半以上的煤用于燃煤电厂和锅炉，全国80%的电力资源来源于火力发电，即通过煤燃烧产生的热能转化为电能。据相关文献[1]，2015年至今，我国每年SO2排放量达到7142.38t，其中燃煤电厂的排放量占据1/3左右。因此，开发廉价、高效的脱硫工艺显得尤为重要。本文对燃煤电厂脱硫途径进行了简要概述，并对主要工艺进行了比较。

1 燃煤电厂脱硫的主要途径

1.1 燃料脱硫

燃料脱硫又称燃烧前脱硫，通常是指采用一定的技术措施来对煤炭进行脱硫处理，其脱硫效果将对后续的工作质量产生重要影响。目前采用较为广泛的燃烧前脱硫技术主要有化学法、物理法和微生物法[2]。当前煤燃烧前的脱硫技术，虽能减缓煤燃烧后排放的二氧化硫的量，但具有一定的局限性，而且经济成本较大[3]。

1.2 燃烧过程中脱硫

燃烧过程中脱硫，又称炉内脱硫，是指在燃烧过程中，向炉内加入脱硫剂，一般为CaCO3等，煤中硫与脱硫剂发生化学反应转化成盐类物质随炉渣排除[4,5]。该方法主要包括喷钙脱硫和循环流化床燃烧脱硫技术[6]。

1.2.1 喷钙脱硫技术[7～10]

炉内喷钙多级燃烧器（LIMB）技术主要利用固硫剂CaCO3粉末喷入炉中，CaCO3分解成CaO，燃烧过程中产生的SO2与CaO反应，生成CaSO3，从而达到脱硫的效果[7]。该工艺操作简单，涉及原料少，但是脱硫效率不高，一般只能达到10%～20%左右。如果想达到高效率的脱硫，必须与尾部增湿配合。该工艺在国内仍需要改进，但在美国、加拿大、日本等国家已经工业改进与生产，是一种具有发展前景的工艺。

炉内喷石灰石及氧化钙活化反应（LIFAC）技术是对炉内喷钙多级燃烧器（LIMB）技术的进一步的开发与创新，是将石灰石于锅炉的800℃～1150℃部位喷入，燃烧产生的SO2会与CaCO3分解产生的CaO反应，生成相应的盐，从而起到部分固硫作用，在尾部烟道的适当部位装设增湿活化反应器，使炉内未反应的CaO和水反应生成Ca(OH)2,进一步吸收SO2，加大脱硫效率[8,9]。本工艺占地面积小，脱硫效率可以到60%～80%。但该工艺需对锅炉设备进行加工与巩固，增大了工艺复杂度。

1.2.2 循环流化床燃烧脱硫技术

循环流化床燃烧脱硫技术(CFD-FGB)，是通过在循环沸腾的床层上加入脱硫剂(通常是石灰石和白云石等)，脱硫剂和煤一起悬浮燃烧，煤粉燃烧所产生的SO2直接被脱硫剂吸收，通过流化床不断运动，颗粒相互之间撞击，使脱硫剂颗粒的表面得到不断的更新替换，能够使脱硫剂充分地吸收SO2，进而达到高效脱硫的目的[6,11]。该工艺具有脱硫效率高（一般可达到95%左右），工艺简单，占地面积小，系统可靠性高等特点。同时，所生成的副产物为固体，降低了对环境的污染。但是目前广泛运行的循环流化床也存在容量较小等诸多问题。

1.3 燃烧后脱硫

燃烧后脱硫即烟气脱硫，主要是指在煤燃烧后附加装置，对燃烧后的排放烟气进行处理，处理达标后排放。烟气脱硫是目前国内公认的有效脱硫方式，也是应用最广泛的脱硫技术。例如上海浦电厂及四川白马电厂等，早已引进先进的烟气脱硫技术，对二氧化硫进行回收、再利用。就目前而言，烟气脱硫技术可以有效的控制煤电厂SO2的排放，是一种极具发展潜力的技术工艺。

1.3.1 湿法脱硫技术［12］

石灰石-石膏法具有应用广泛，技术简单成熟的特点。碳酸钙作为吸收剂，来源广泛，廉价易得，处理烟气范围广，能将200MW～600MW机组的烟气有效处理，对锅炉的适应性较强，一般的大型电厂或大功率锅炉都可使用该技术[13]。生成的副产物石膏（CaSO4·2H2O）可作为其他产业的原料，增加产品利用率。但由于碳酸钙难溶于水，制成浆液作为吸收剂，不仅对设备要求高，也会加大经济成本。在整个工艺流程中，碳酸钙中的不溶颗粒及飞尘会对设备造成磨损，在连续运行的设备车间，会造成结垢，严重时会堵塞管口，影响脱硫效率[14]。

氧化镁法常用于国外的脱硫系统中，其是利用氢氧化镁浆液作为吸收剂，进行二氧化硫的吸收。从天然的镁铝矿石资源中提取镁元素（以MgO形式存在），利用MgO原料粉与工艺水按比例混合，搅拌均匀，制成一定的Mg(OH)2浆液。将生成的含硫尾气通入Mg(OH)2浆液中，充分接触混合，生成Mg-SO3·(x+1)H2O，脱水、去杂后，与 O2反应，生成 Mg-SO4。将生成的MgSO4进行高温煅烧，随即又生成MgO[15,16]。氧化镁法工艺的主要优点在于氧化镁成本低，可以从镁铝矿石（黑土菱）中获得，且针对于不同能源结构的煤，脱硫效果极为显著，均达到90%以上。氢氧化镁浆液作为吸收剂能更有效地去除烟气中的SO2，无结垢问题，并且该工艺优于以石灰石为基础的钙法工艺，氧化镁法脱硫工艺对脱硫剂的质量要求低，大大降低了反应成本。而且，生成的硫酸镁不仅可回炉煅烧生成氧化镁，进行回收使用，还可以进一步加工制作，生成七水硫酸镁，真正实现了高效节能。氧化镁法工艺存在的不足主要在于设备费用高，从天然镁铝矿石中提取氢氧化镁，并将氢氧化镁固体制成浆液，对设备质量、耐磨程度要求高且必须具有一定的安全保护系统。

海水洗涤法是以天然海水为吸收剂通过吸收的方式去除烟气中SO2的脱硫技术[17]。近年来，在燃煤、燃油电厂的应用有较快发展。天然的海水中含有大量的碳酸钙和碳酸钠，这些物质都是碱性的能够和SO2反应，从而使得海水有足够大吸收SO2的能力[18]。海水洗涤法工艺简单成熟，利用海水作为吸收剂，进行对二氧化硫高质量的吸收。其工艺过程主要是从高处喷淋下的海水（pH=8.1～8.3）与烟气中的二氧化硫进行充分的反应，将二氧化硫氧化成为亚硫酸根与氢离子，通入空气，经曝气池后，生成含有硫酸根的酸性海水，处理达标后，排入大海。利用天然海水中所含的离子成分，对二氧化硫进行深度的吸收，吸收效率高，经济成本低。但此法具有地域及建厂的局限性，工业化生产困难，束缚面多。另一方面，后续的海水处理达标（pH，离子浓度）不容易掌控，会使处理后的海水还有大量化学物质，对海洋环境造成二次污染。

氨液法是利用氨液易和SO2发生化学反应而进行的。其工艺过程是氨液首先吸收烟气中的SO2生成亚硫酸铵溶液，然后在富氧条件下把亚硫酸氨氧化生成硫酸铵，再经过加热蒸发结晶使硫酸铵析出，过滤干燥后即可得到高附加值化肥产品[19～21]。氨法工艺的特点是吸收效率高，工艺成熟，适用范围广，同时会生成高附加值化肥产品，加大了工程效益。缺点在于工艺复杂，反应过程难以控制，氨气易泄露，反应过程中需要大量的氨气循环，逸氨量控制技术需要完善，否则氮氧化物会破坏大气，而且亚硫酸铵、硫酸铵易形成气溶胶，一旦形成，很难去除，会对环境造成二次污染。

1.3.2 干法脱硫技术

干法烟气脱硫工艺是采用吸收剂进入吸收塔，脱硫后所产生的脱硫副产品是干态的工艺流程[22]。干法脱硫与湿法相比具有以下特点：投资少、占地面积小、运行费用低、设备简单且维修方便、烟气无需再热等优点，但存在着钙硫比高、脱硫效率比较低、且副产品不能商品化等缺点[23]。

自20世纪80年代末，对干法脱硫技术中存在的主要问题进行了大量研究，并对工艺过程进行了不断的改进，现在已经取得较好的结果[24]。著名的德国WULFF公司的WULFF脱硫技术就是基于干法脱硫技术，该工艺所有的脱硫反应均在塔内完成，主要过程为增湿的烟气首先与喷入的吸收剂Ca(OH)2相混合，烟气中的SO2和微量的SO3与Ca(OH)2发生化学反应生成亚硫酸钙和硫酸钙，生成的部分亚硫酸钙再与烟气中过剩的氧气反应生成硫酸钙。该技术最主要的特点便是脱硫剂利用率高，脱硫效率高。但经济成本较高，有一定的资金投入。

2 脱硫工艺选择方法探讨

在烟气脱硫中，无论是湿法脱硫技术，还是干法脱硫技术，都具有不同的优缺点，脱硫方向的侧重点也不同。湿法脱硫技术，对二氧化硫普遍具有较高的吸收率（均可以达到90%以上），经济成本较为适中。但是，针对于不同的湿法脱硫技术，有很多局限性。首先，尽管湿法脱硫工艺对二氧化硫具有较高的吸收率，但富含二氧化硫富集液的处理，对工业设备要求（耐磨损）比较高，易结垢堵塞出口，仍需要完善。另一方面，二氧化硫作为原料气必定夹带大量的不溶颗粒及粉尘，需要进行的预处理，不易完成，加大经济成本费用。在全程的反应工艺中，高温气体作为媒介进行反应，需要进行换热降温，对于降温设备有较大的要求，工业复杂性（管路布置、阻力损失、厂区构型等）都会增加。

对于干法脱硫技术，应用时间较长，有较多的实际应用经验。而且干法脱硫技术相对于湿法脱硫技术来说，经济成本普遍偏低，而且因地制宜（极其适用于缺水的地方），不易结垢，对设备要求低。对于不同地区的煤能源结构，所生成的副产物均为固体，不会对环境造成二次污染。然而，由于干法脱硫技术无法大面积工业化生产，脱硫率也大约只有70%左右，通常无法达到排放要求，因此干法脱硫技术仍需要进一步改进。

对于具体的燃煤电厂而言，其在选择脱硫工艺时除了需要参考相关的技术指标外，还必须懂得运用一些科学的选择方法，以确保最终选择的脱硫工艺具有良好的适用性。脱硫工艺的选择方法主要包括以下几种[25]：1)专家会议法。采用组织专家开会讨论的方式来确定适宜的脱硫工艺方案；2）层次分析法。将影响选择脱硫工艺的因素进行分层，并根据实际情况对每种因素附加不同的权重，以确保最终所选工艺方案的合理性和适用性；3）灰色综合评价法。采用系统分析的方法，对脱硫工艺进行半定性半定量的评价。

3 结语

对于我国的燃煤电厂而言，脱硫工作面临的形势依然十分严峻，存在各种问题急需解决。燃煤电厂只有从自身的实际情况出发，坚持适用、合理以及经济等原则，不断对脱硫工艺进行改进和创新，才能真正确保脱硫工作的质量和效率得到全面提升。

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