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干法脱硫技术

摘要:本文主要论述了干法脱除烟气中SO2的各种技术应用及其进展情况,对烟气脱硫技术的发展进行展望,即研究开发出优质高效、经济配套、性能可靠、不造成二次污染、适合国情的全新的烟气污染控制技术势在必行。
    关键词:烟气脱硫 二氧化硫 干法


  前言:我国的能源以燃煤为主,占煤炭产量75%的原煤用于直接燃烧,煤燃烧过程中产生严重污染,如烟气中CO2是温室气体,SOx可导致酸雨形成,NOX也是引起酸雨元凶之一,同时在一定条件下还可破坏臭氧层以及产生光化学烟雾等。总之燃煤产生的烟气是造成中国生态环境破坏的最大污染源之一。中国的能源消费占世界的8%~9%,SO2的排放量占到世界的15.1%,燃煤所排放的SO2又占全国总排放量的87%中国煤炭一年的产量和消费高达12亿吨,SO2的年排放量为2000多吨,预计到2010年中国煤炭量将达18亿吨,如果不采用控制措施,SO2的排放量将达到3300万吨。据估算,每削减1万吨SO2的费用大约在1亿元左右,到2010年,要保持中国目前的SO2排放量,投资接近1千亿元,如果想进一步降低排放量,投资将更大[1]。为此1995年国家颁布了新的《大气污染防治法》,并划定了SO2污染控制区及酸雨控制区。各地对SO2的排放控制越来越严格,并且开始实行SO2排放收费制度。随着人们环境意识的不断增强,减少污染源、净化大气、保护人类生存环境的问题正在被亿万人们所关心和重视,寻求解决这一污染措施,已成为当代科技研究的重要课题之一。因此控制SO2的排放量,既需要国家的合理规划,更需要适合中国国情的 低费用、低耗本的脱硫技术。
  烟气脱硫技术是控制SO2和酸雨危害最有效的手段之一,按工艺特点主要分为湿法烟气脱硫、干法烟气脱硫和半干法烟气脱硫。
  湿法脱硫是采用液体吸收剂洗涤SO2烟气以脱除SO2。常用方法为石灰/石灰石吸收法、钠碱法、铝法、催化氧化还原法等,湿法烟气脱硫技术以其脱硫效率高、适应范围广、钙硫比低、技术成熟、副产物石膏可做商品出售等优点成为世界上占统治地位的烟气脱硫方法。但由于湿法烟气脱硫技术具有投资大、动力消耗大、占地面积大、设备复杂、运行费用和技术要求高等缺点,所以限制了它的发展速度。
  干法脱硫技术与湿法相比具有投资少、占地面积小、运行费用低、设备简单、维修方便、烟气无需再热等优点,但存在着钙硫比高、脱硫效率低、副产物不能商品化等缺点。
  自20世纪80年代末,经过对干法脱硫技术中存在的主要问题的大量研究和不断的改进,现在已取得突破性进展。有代表性的喷雾干燥法、活性炭法、电子射线辐射法、填充电晕法、荷电干式吸收剂喷射脱硫技术、炉内喷钙尾部增湿法、烟气循环流化床技术、炉内喷钙循环流化床技术等一批新的烟气脱硫技术已成功地开始了商业化运行,其脱硫副产物脱硫灰已成功地用在铺路和制水泥混合材料方面。这一些技术的进步,迎来了干法、半干法烟气脱硫技术的新的快速发展时期。
  传统的石灰石/石膏法脱硫与新的干法、半干法烟气脱硫技术经济指标的比较见表1。表1说明在脱硫效率相同的条件下,干法、半干法脱硫技术与湿法相比,在单位投资、运行费用和占地面积的方面具有明显优势,将成为具有产业化前景的烟气脱硫技术。
 3、电子射线辐射法烟气脱硫技术  电子射线辐射法是日本荏原制作所于1970年着手研究,1972年又与日本原子能研究所合作,确立的该技术作为连续处理的基础。1974年荏原制作所处理重油燃烧废气,进行了1000Nm3/h规模的试验,探明了添加氨的辐射效果,稳定了脱硫脱硝的条件,成功地捕集了副产品和硝铵。80年代由美国政府和日本荏原制作所等单位分担出资在美国印第安纳州普列斯燃煤发电厂建立了一套最大处理高硫煤烟气量为24000Nm3/h地电子束装置,1987年7月完成,取得了较好效果,脱硫率可达90%以上,脱硝率可达80%以上。现日本荏原制作所与中国电力工业部共同实施的“中国EBA工程”已在成都电厂建成一套完整的烟气处理能力为300000Nm3/h的电子束脱硫装置,设计入口SO2浓度为1800ppm,在吸收剂化学计量比为0.8的情况下脱硫率达80%,脱硝率达10%[6]
  该法工艺由烟气冷却、加氨、电子束照射、粉体捕集四道工序组成,其工艺流程图如图2所示。温度约为150℃左右的烟气经预除尘后再经冷却塔喷水冷却道60~ 70左右,在反应室前端根据烟气中SO2及NOX的浓度调整加入氨的量,然后混合气体在反应器中经电子束照射,排气中的SO2和NOX受电子束强烈作用,在很短时间内被氧化成硫酸和硝酸分子,被与周围的氨反应生成微细的粉粒(硫酸铵和硝酸铵的混合物),粉粒经集尘装置收集后,洁净的气体排入大气[7]。
  6、炉内喷钙尾部增湿烟气脱硫技术
  炉内喷钙尾部增湿也作为一种常见的干法脱硫工艺而被广泛应用。虽然喷钙尾部增湿脱硫的基本工艺都是将CaCO3粉末喷入炉内,脱硫剂在高温下迅速分解产生CaO,同时与烟气中的SO2反应生成CaSO3。由于单纯炉内喷钙脱硫效率往往不高(低于20%~50%),脱硫剂利用率也较低,因此炉内喷钙还需与尾部增湿配合以提高脱硫效率。该技术已在美国、日本、加拿大和欧洲国家得到工业应用,是一种具有广阔发展前景的脱硫技术。目前,典型的炉内喷钙尾部增湿脱硫技术有美国的炉内喷钙多级燃烧器(LIMB)技术、芬兰的炉内喷石灰石及氧化钙活化反应(LIFAC)技术、奥地利的灰循环活化(ARA)技术等,下面介绍一下LIFAC技术[11]。
  LIFAC脱硫技术是由芬兰的Tampella公司和IVO公司首先开发成功并投入商业应用的该技术是将石灰石于锅炉的800
℃~1150℃部位喷入,起到部分固硫作用,在尾部烟道的适当部位(一般在空气预热器与除尘器之间)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,提高脱硫率。
  LIFAC技术是将循环流化床技术引入到烟气脱硫中来,是其开创性工作,目前该技术脱硫率可达90%以上,这已在德国和奥地利电厂的商业运行中得到实现。
  LIFAC技术具有占地小、系统简单、投资和运行费用相对较、无废水排放等优点,脱硫率为60%~80%;但该技术需要改动锅炉,会对锅炉的运行产生一定影响。我国南京下关电厂和绍兴钱清电厂从芬兰引进的LIFAC脱硫技术和设备目前已投入运行。
  7、炉内喷钙循环流化床反应器烟气脱硫技术
  炉内喷钙循环流化床反应器脱硫技术是由德国Sim-mering Graz Pauker/Lurgi GmbH公司开发的。该技术的基本原理是:在锅炉炉膛适当部位喷入石灰石,起到部分固硫作用,在尾部烟道电除尘器前装设循环流化床反应器,炉内未反应的CaO随着飞灰输送到循环流化床反应器内,在循环硫化床反应器中大颗粒CaO被其中湍流破碎,为SO2反应提供更大的表面积,从而提高了整个系统的脱硫率[12]。
  该技术将循环流化床技术引入到烟气脱硫中来,是其开创性工作,目前该技术脱硫率可达90%以上,这已在德国和奥地利电厂的商业运行中得到证实。在此基础上,美国EEC(Enviromental  Elements Corporation)和德国Lurgi公司进一步合作开发了一种新型烟气的脱硫装置。在该工艺中粉状的Ca(OH)2和水分别被喷入循环流化床反应器内,以此代替了炉内喷钙。在循环流化床反应器内,吸收剂被增湿活化,并且能充分的循环利用,而大颗粒吸收剂被其余粒子碰撞破碎,为脱硫反应提供更大反应表面积。
  本工艺流程的脱硫效率可达95%以上,造价较低,运行费用相对不高,是一种较有前途的脱硫工艺。
  8、干式循环流化床烟气脱硫技术
  干式循环流化床烟气脱硫技术是20世纪80年代后期发展起来的一种新的干法烟气脱硫技术,该技术具有投资少、占地小、结构简单、易于操作,兼有高效除尘和烟气净化功能,运行费用低等优点。因而,国家电站燃烧工程技术研究中心和清华大学煤的清洁燃烧技术国家重点实验室分别对该技术的反应机理、反应过程的数学模型等进行了理论和实验研究。其工艺流程如图3示,从煤粉燃烧装置产生的实际烟气通过引风机进入反应器,再经过旋风除尘器,最后通过引风机从烟囱排出。脱硫剂为从回转窑生产的高品质石灰粉,用螺旋给粉机按给定的钙硫比连续加入。旋风除尘器除下的一部分脱硫灰经循环灰斗和螺旋给灰机进入反应器中再循环。在文丘里管中有喷水雾化装置,通过调节水量来控制反应器内温度[13]。

     摘  要  本文针对工业烟气的脱硫技术的研究现状及研究方向进行综合性分析。  
     关键词  烟气  脱硫  技术  研究
1 前言
SO2是造成大气污染的主要污染物之一,有效控制工业烟气中SO2是当前刻不容缓的环保课题。
据国家环保统计,每年各种煤及各种资源冶炼产生二氧化硫(SO2)达2158.7万t,高居世界第一位,其中工业来源排放量1800万t,占总排放量的83%。其中我国目前的一次能源消耗中,煤炭占76%,在今后若干年内还有上升的趋势。我国每年排入大气的87%的SO2来源于煤的直接燃烧。随着我国工业化进程的不断加快,SO2的排放量也日渐增多。
2、烟气脱硫技术进展
目前,烟气脱硫技术根据不同的划分方法可以分为多种方法;其中最常用的是根据操作过程的物相不同,脱硫方法可分为湿法、干法和半干法[1]。
2.1 湿法烟气脱硫技术
优点:湿法烟气脱硫技术为气液反应,反应速度快,脱硫效率高,一般均高于90%,技术成熟,适用面广。湿法脱硫技术比较成熟,生产运行安全可靠,在众多的脱硫技术中,始终占据主导地位,占脱硫总装机容量的80%以上[2]。
缺点:生成物是液体或淤渣,较难处理,设备腐蚀性严重,洗涤后烟气需再热,能耗高,占地面积大,投资和运行费用高。系统复杂、设备庞大、耗水量大、一次性投资高,一般适用于大型电厂。
分类:常用的湿法烟气脱硫技术有石灰石-石膏法、间接的石灰石-石膏法、柠檬吸收法等。
A 石灰石/石灰-石膏法:
原理:是利用石灰石或石灰浆液吸收烟气中的SO2,生成亚硫酸钙,经分离的亚硫酸钙(CaO3S)可以抛弃,也可以氧化为硫酸钙(CaSO4),以石膏形式回收。是目前世界上技术最成熟、运行状况最稳定的脱硫工艺,脱硫效率达到90%以上。
B 间接石灰石-石膏法:
常见的间接石灰石-石膏法有:钠碱双碱法、碱性硫酸铝法和稀硫酸吸收法等。原理:钠碱、碱性氧化铝(Al2O3·nH2O)或稀硫酸(H2SO4)吸收SO2,生成的吸收液与石灰石反应而得以再生,并生成石膏。该法操作简单,二次污染少,无结垢和堵塞问题,脱硫效率高,但是生成的石膏产品质量较差。
C 柠檬吸收法:
原理:柠檬酸(H3C6H5O7·H2O)溶液具有较好的缓冲性能,当SO2气体通过柠檬酸盐液体时,烟气中的SO2与水中H发生反应生成H2SO3络合物,SO2吸收率在99%以上。这种方法仅适于低浓度SO2烟气,而不适于高浓度SO2气体吸收,应用范围比较窄[3]。
另外,还有海水脱硫法、磷铵复肥法、液相催化法等湿法烟气脱硫技术。
2.2  干法烟气脱硫技术
优点:干法烟气脱硫技术为气同反应,相对于湿法脱硫系统来说,设备简单,占地面积小、投资和运行费用较低、操作方便、能耗低、生成物便于处置、无污水处理系统等。
缺点:但反应速度慢,脱硫率低,先进的可达60-80%。但目前此种方法脱硫效率较低,吸收剂利用率低,磨损、结垢现象比较严重,在设备维护方面难度较大,设备运行的稳定性、可靠性不高,且寿命较短,限制了此种方法的应用。
分类:常用的干法烟气脱硫技术有活性碳吸附法、电子束辐射法、荷电干式吸收剂喷射法、金属氧化物脱硫法等。
典型的干法脱硫系统是将脱硫剂(如石灰石、白云石或消石灰)直接喷入炉内。以石灰石为例,在高温下煅烧时,脱硫剂煅烧后形成多孔的氧化钙颗粒,它和烟气中的SO2反应生成硫酸钙,达到脱硫的目的。
A 活性碳吸附法:
原理:SO2被活性碳吸附并被催化氧化为三氧化硫(SO3),再与水反应生成H2SO4,饱和后的活性碳可通过水洗或加热再生,同时生成稀H2SO4或高浓度SO2。可获得副产品H2SO4,液态SO2和单质硫,即可以有效地控制SO2的排放,又可以回收硫资源。该技术经西安交通大学对活性炭进行了改进,开发出成本低、选择吸附性能强的ZL30,ZIA0,进一步完善了活性炭的工艺,使烟气中SO2吸附率达到95.8%,达到国家排放标准[4]。
B 电子束辐射法:
原理:用高能电子束照射烟气,生成大量的活性物质,将烟气中的SO2和氮氧化物氧化为SO3和二氧化氮(NO2),进一步生成H2SO4和硝酸(NaNO3),并被氨(NH3)或石灰石(CaCO3)吸收剂吸收
C 荷电干式吸收剂喷射脱硫法(CD.SI):
原理:吸收剂以高速流过喷射单元产生的高压静电电晕充电区,使吸收剂带有静电荷,当吸收剂被喷射到烟气流中,吸收剂因带同种电荷而互相排斥,表面充分暴露,使脱硫效率大幅度提高。此方法为干法处理,无设备污染及结垢现象,不产生废水废渣,副产品还可以作为肥料使用,无二次污染物产生,脱硫率大于90%[7],而且设备简单,适应性比较广泛。但是此方法脱硫靠电子束加速器产生高能电子;对于一般的大型企业来说,需大功率的电子枪,对人体有害,故还需要防辐射屏蔽,所以运行和维护要求高。四川成都热电厂建成一套电子脱硫装置,烟气中SO2的脱硫达到国家排放标准。
D 金属氧化物脱硫法:
原理:根据SO2是一种比较活泼的气体的特性,氧化锰(MnO)、氧化锌(ZnO)、氧化铁(Fe3O4) 、氧化铜(CuO)等氧化物对SO2具有较强的吸附性,在常温或低温下,金属氧化物对SO2起吸附作用,高温情况下,金属氧化物与SO2发生化学反应,生成金属盐。然后对吸附物和金属盐通过热分解法、洗涤法等使氧化物再生。这是一种干法脱硫方法,虽然没有污水、废酸,不造成污染,但是此方法也没有得到推广,主要是因为脱硫效率比较低,设备庞大,投资比较大,操作要求较高,成本高。该技术的关键是开发新的吸附剂。
以上几种SO2烟气治理技术目前应用比较广泛的,虽然脱硫率比较高,但是工艺复杂,运行费用高,防污不彻底,造成二次污染等不足,与我国实现经济和环境和谐发展的大方针不相适应,故有必要对新的脱硫技术进行探索和研究。
2.3  半干法烟气脱硫技术
半干法脱硫包括喷雾干燥法脱硫、半干半湿法脱硫、粉末一颗粒喷动床脱硫、烟道喷射脱硫等。
A 喷雾干燥法[5]:
喷雾干燥脱硫方法是利用机械或气流的力量将吸收剂分散成极细小的雾状液滴,雾状液滴与烟气形成比较大的接触表面积,在气液两相之间发生的一种热量交换、质量传递和化学反应的脱硫方法。一般用的吸收剂是碱液、石灰乳、石灰石浆液等,目前绝大多数装置都使用石灰乳作为吸收剂。一般情况下,此种方法的脱硫率65%~85%。其优点:脱硫是在气、液、固三相状态下进行,工艺设备简单,生成物为干态的CaSO 、CaSO ,易处理,没有严重的设备腐蚀和堵塞情况,耗水也比较少。缺点:自动化要求比较高,吸收剂的用量难以控制,吸收效率不是很高。所以,选择开发合理的吸收剂是解决此方法面临的新难题。
B 半干半湿法:
半干半湿法是介于湿法和干法之间的一种脱硫方法,其脱硫效率和脱硫剂利用率等参数也介于两者之间,该方法主要适用于中小锅炉的烟气治理。这种技术的特点是:投资少、运行费用低,脱硫率虽低于湿法脱硫技术,但仍可达到70%tn,并且腐蚀性小、占地面积少,工艺可靠。工业中常用的半干半湿法脱硫系统与湿法脱硫系统相比,省去了制浆系统,将湿法脱硫系统中的喷入Ca(OH):水溶液改为喷入CaO或Ca(OH):粉末和水雾。与干法脱硫系统相比,克服了炉内喷钙法SO2和CaO反应效率低、反应时间长的缺点,提高了脱硫剂的利用率,且工艺简单,有很好的发展前景。
C 粉末一颗粒喷动床半千法烟气脱硫法:
技术原理:含SO2的烟气经过预热器进入粉粒喷动床,脱硫剂制成粉末状预先与水混合,以浆料形式从喷动床的顶部连续喷人床内,与喷动粒子充分混合,借助于和热烟气的接触,脱硫与干燥同时进行。脱硫反应后的产物以干态粉末形式从分离器中吹出。这种脱硫技术应用石灰石或消石灰做脱硫剂。具有很高的脱硫率及脱硫剂利用率,而且对环境的影响很小。但进气温度、床内相对湿度、反应温度之间有严格的要求,在浆料的含湿量和反应温度控制不当时,会有脱硫剂粘壁现象发生。
D 烟道喷射半干法烟气脱硫:
该方法利用锅炉与除尘器之间的烟道作为反应器进行脱硫,不需要另外加吸收容器,使工艺投资大大降低,操作简单,需场地较小,适合于在我国开发应用。半干法烟道喷射烟气脱硫即往烟道中喷人吸收剂浆液,浆滴边蒸发边反应,反应产物以干态粉末出烟道。
3 新兴的烟气脱硫方法以及当前研究的热点
最近几年,科技突飞猛进,环境问题已提升到法律高度。我国的科技工作者研制出了一些新的脱硫技术,但大多还处于试验阶段,有待于进一步的工业应用验证。
3.1 硫化碱脱硫法
由Outokumpu公司开发研制的硫化碱脱硫法主要利用工业级硫化纳作为原料来吸收SO2工业烟气,产品以生成硫磺为目的。反应过程相当复杂,有Na2SO4、Na2SO3、Na2S203、S、Na2Sx等物质生成,由生成物可以看出过程耗能较高,而且副产品价值低,华南理工大学的石林经过研究表明过程中的各种硫的化合物含量随反应条件的改变而改变,将溶液pH值控制在5.5—6.5之间,加入少量起氧化作用的添加剂TFS,则产品主要生成Na2S203,过滤、蒸发可得到附加值高的5H 0·Na2S203,,而且脱硫率高达97%,反应过程为:SO2+Na2S=Na2S203+S。此种脱硫新技术已通过中试,正在推广应用。
3.2 膜吸收法
以有机高分子膜为代表的膜分离技术是近几年研究出的一种气体分离新技术,已得到广泛的应用,尤其在水的净化和处理方面。中科院大连物化所的金美等研究员创造性地利用膜来吸收脱出SO2气体,效果比较显著,脱硫率达90%。过程是:他们利用聚丙烯中空纤维膜吸收器,以NaOH溶液为吸收液,脱除SO2气体,其特点是利用多孔膜将气体SO2气体和NaOH吸收液分开,SO2气体通过多孔膜中的孔道到达气液相界面处,SO2与NaOH迅速反应,达到脱硫的目的。此法是膜分离技术与吸收技术相结合的一种新技术,能耗低,操作简单,投资少。
3.3 微生物脱硫技术
根据微生物参与硫循环的各个过程,并获得能量这一特点,利用微生物进行烟气脱硫,其机理为:在有氧条件下,通过脱硫细菌的间接氧化作用,将烟气中的SO2氧化成硫酸,细菌从中获取能量。
生物法脱硫与传统的化学和物理脱硫相比,基本没有高温、高压、催化剂等外在条件,均为常温常压下操作,而且工艺流程简单,无二次污染。国外曾以地热发电站每天脱除5t量的H:S为基础;计算微生物脱硫的总费用是常规湿法50%[6]。无论对于有机硫还是无机硫,一经燃烧均可生成被微生物间接利用的无机硫SO2,因此,发展微生物烟气脱硫技术,很具有潜力。四川大学的王安等人在实验室条件下,选用氧化亚铁杆菌进行脱硫研究,在较低的液气比下,脱硫率达98%。
4、烟气脱硫技术发展趋势
目前已有的各种技术都有自己的优势和缺陷,具体应用时要具体分析,从投资、运行、环保等各方面综合考虑来选择一种适合的脱硫技术。随着科技的发展,某一项新技术韵产生都会涉及到很多不同的学科,因此,留意其他学科的最新进展与研究成果,并把它们应用到烟气脱硫技术中是开发新型烟气脱硫技术的重要途径,例如微生物脱硫、电子束法脱硫等脱硫新技术,由于他们各自独特的特点都将会有很大的发展空间。随着人们对环境治理的日益重视和工业烟气排放量的不断增加,投资和运行费用少、脱硫效率高、脱硫剂利用率高、污染少、无二次污染的脱硫技术必将成为今后烟气脱硫技术发展的主要趋势。
各种各样的烟气脱硫技术在脱除SO2的过程中取得了一定的经济、社会和环保效益,但是还存在一些不足,随着生物技术及高新技术的不断发展,电子束脱硫技术和生物脱硫等一系列高新、适用性强的脱硫技术将会代替传统的脱硫方法。   
干法烟气脱硫是反应在无液相介入的完全干燥的状态下进行,反应产物也为干粉状,不存在腐蚀、结露等问题。干法主要有炉内喷钙烟气脱硫、炉内喷钙尾部烟气增湿活化脱硫、活性炭吸附—再生烟气脱硫等技术。
(1) 炉内喷钙烟气脱硫技术
炉内喷钙烟气脱硫是把钙基吸收剂如石灰石、白云石等喷到炉膛燃烧室上部温度低于1200℃的区域,随后石灰石瞬时煅烧生成CaO,新生的CaO与SO2进行硫酸盐化反应生成CaSO4,并随飞灰在除尘器中收集。该反应过程是非常复杂的,主要由石灰石的煅烧、CaO/SO2硫酸盐化反应和CaCO3/SO2直接硫酸化反应等组成。曾经认为是简单反应的CaO/SO2硫酸盐化反应,现在被认为是复杂的高温、瞬时的多相反应。吸收剂的类型、新生CaO的微孔结构、温度、时间等诸多参数影响着硫酸盐化反应过程。因此,炉内喷钙烟气脱硫仍是一个值得研究的课题。炉内喷钙烟气脱硫技术的特点是投资省、占地面积小、易于在老锅炉上改造,不足之处是脱硫效率低,钙利用率低。为此,可以通过加装一些设备提高炉内喷钙的SO2脱除率。最简单的方法是在除尘器之前向烟道内喷水,这能使脱硫率提高10%。反应产物再循环也是提高脱硫率和石灰石利用率的有效方法。被除尘设备(ESP或布袋除尘器)收集下来的反应产物经过一些调整后,喷入炉膛或管道并循环数次,使脱硫率达到70%以上。
(2) 炉内喷钙尾部烟气增湿活化脱硫技术
炉内喷钙在除尘装置如ESP之前喷水增湿,使未反应的CaO活化,提高烟气中SO2的脱除效率。芬兰IVO公司把烟气增湿这一概念进行了扩展,开发出炉内喷钙尾部烟气增湿活化脱硫工艺(LIFAC)。该工艺除了保留炉内喷射石灰石粉脱硫系统,在炉后烟道上增设了一个独立的活化反应器,将炉内未反应完的CaO通过雾化水进行活化后再次脱除烟气中的SO2。LIFAC工艺可以分步实施,以满足用户在不同阶段对脱硫效率的要求。可分三步实施:石灰石炉内喷射→烟气增湿及干灰再循环→加湿灰浆再循环。第一步通过石灰石粉喷入炉膛可得到25%~35%的脱硫率,该步的投资需要量很小,一般为整个脱硫系统费用的10%。在第二步中活化塔是核心,烟气要进行增湿和脱硫灰再循环,可使脱硫效率达到75%,该步的投资大约是脱硫系统总费用的85%。增加第三步灰浆再循环后脱硫效率可增至85%,而投资费用仅为总费用的5%。分步实施可以在原有锅炉上进行。这样非常独特的优点使得用户在计划自己的投资和满足排放标准方面有更大的灵活性。
该工艺1985年在芬兰建成了第1套工业化装置后短短几年,就在多个国家应用。南京下关电厂引进芬兰IVO公司全套LIFAC技术,配套125MW机组,燃煤含硫0.92%时,脱硫率为75%左右,该脱硫工程已于1998年投入运行。
(3) 活性炭吸附-再生烟气脱硫技术
活性炭吸附-再生烟气脱硫技术最早出现在19世纪70年代后期,已有数种工艺在日本、德国、美国等得到工业应用,其代表方法有日立法、住友法、鲁奇法、BF法及Reidluft法等。目前已由火电厂扩展到石油化工、硫酸及肥料工业等领域。
活性炭脱硫的主要特点:过程比较简单,再生过程中副产物很少;吸附容量有限,须在低气速(0.3~1.2m/s)下运行,因而吸附器体积较大;活性炭易被废气中的O2氧化而导致损耗;长期使用后,活性炭会产生磨损,并因微孔堵塞丧失活性。
一般认为当烟气中没有氧和水蒸气存在时,用活性炭吸附SO2仅为物理吸附,吸附量较小,而当烟气中有氧和水蒸气存在时,在物理吸附过程中,还会发生化学吸附。这是由于活性炭表面具有催化作用,使吸附的SO2被烟气中的O2氧化为SO3,SO3再与水蒸气反应生成硫酸,使其吸附量大为增加,该过程可表示为:SO2→SO2*(物理吸附),O2→O2*(物理吸附),H2O→H2O*(物理吸附),2SO2*+ O2*→2SO3*(化学吸附),SO3*+ H2O*→H2SO4*(化学吸附),H2SO4*+ nH2O*→H2SO4•H2O* (化学吸附)。
活性炭吸附SO2后,在其表面形成的硫酸存在于活性炭的微孔中,降低其吸附能力,因此需把存在于微孔中的硫酸取出,使活性炭再生。再生方法包括洗涤再生和加热再生两种。两种方法中,以洗涤再生较为简单、经济。洗涤再生法是通过洗涤活性炭床层使炭孔内的酸液不断排出炭层,从而恢复炭的催化活性。因为脱硫过程在炭内形成的稀硫酸几乎全部以离子形态形式存在,而活性炭有吸附选择性能,对这些离子化物质的吸着力非常薄弱,可以通过洗涤造成浓度差扩散使炭得到再生,该再生法常常用于固定床吸附流程中。对于固定床,其流程为烟气经除尘后,送入吸附塔。吸附塔可以并联或串联运行。并联时的脱硫效率为80%左右,串联可达到90%。各塔吸附SO2达饱和后,轮流进行水洗,用水量为活性炭重量的4倍,水洗时间为10h,可得到浓度为10%~20%的硫酸,稀硫酸可用浸没燃烧装置浓缩至70%。
活性炭加热再生常采用移动床吸附脱硫流程。该流程为烟气送入吸附塔与活性炭错流接触,SO2被活性炭吸附而脱除,净化烟气经烟囱排入大气。吸附了SO2的活性炭被送入脱附塔,先在换热器内预热至300℃,再与300℃的过热水蒸气接触,活性炭上的硫酸被还原成SO2放出。脱硫后的活性炭与冷空气进行热交换而被冷却至150℃后,送至空气处理槽,与预热过的空气接触,进一步脱除SO2,然后送入吸附塔循环使用。从脱附塔产生的SO2、CO2和水蒸气经过换热器除去水汽后,送入硫酸厂,此工艺脱硫率可达90%以上。
吸附法常用的吸附剂除活性炭外,还有用活性焦、分子筛、硅胶等吸附介质。活性焦比活性炭的经济性要好,表现出较大的应用潜力。活性炭或活性焦吸附法烟气脱硫能否得到应用的关键是解决副产物稀硫酸的应用市场及提高它们吸附性能。
随着循环经济理念不断地扩展,国内外对活性炭或活性焦吸附-再生烟气脱硫技术表现出浓厚的兴趣,该技术特别适合于缺水、脱硫石膏无法综合利用的区域。因此,国内已有多家单位正在开展该技术的工业试验,有望今后能在大型机组上应用。
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