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燃煤锅炉脱硫技术

发布者:  发布时间:2007-01-26  浏览次数:3349

 

一、煤炭燃烧是硫氧化物的主要来源

我国的能源构成以煤炭为主,其消耗量日益增加,SO2的排放量也不断增加,我国是世界上大气环境SO2严重污染的少数国家之一。煤在我国的一次能源中占71%左右,并且今后在相当长的时间内一次能源的消耗仍然以煤炭为主。全国各地的煤炭都不同程度地含有化学成分“硫”,然而绝大部分的煤不经过处理就直接进入工业窑炉、工业锅炉内燃烧,燃烧产生的SO2等有害物质又直接排放到大气中,我国每年排放到大气的SO2有1800~2000万t,其中80%来自燃烧过程。

我国76%的发电燃料、75%的工业动力燃料、80%的居民生活燃料和60%的化工原料,都来自煤炭,而煤炭是通过燃烧加以利用的。它的燃烧一方面产生了各种工业和人类生活所需要的能量,同时也产生了有害物如SO2,CO2,NO等,严重污染了环境。

1998年我国SO2排放总量成为世界SO2排放量最高的国家,且随着我国经济的迅速发展,煤炭消耗量的不断增加,排放量将以每年100万t递增,致使我国的酸雨覆盖面积已占到国土面积的40%,酸雨造成的经济损失每年达数百亿元。

二、煤炭中硫的存在形式

煤炭脱硫与硫在煤炭中的赋存状态有着密切的关系,硫在煤炭中存在形式复杂,主要包括无机硫和有机硫,有时还包括微量的呈单体状态的元素硫

有机硫以硫醇类(R-SH)、硫醚类(R-S-R′)、硫蒽类(R-S-S-R′)、硫醌类等结构的官能团存在于煤中;无机硫主要以硫化物的形式存在,还有少量的硫酸盐中的硫,无机含硫矿物以黄铁矿为主,硫酸盐以钙、铁、镁和钡的硫酸盐类形式出现。黄铁矿是煤炭中硫的主要组成部分。

有机硫与无机硫不同,它是煤中有机质组成部分,以有机键结合,主要来源于成煤植物细胞中的蛋白质。换句话说,它是成煤植物本身的硫在成煤过程中参与煤的形成转到煤里面,均匀分布于煤中的,有机硫主要包括硫醚和硫醇。

中国煤中硫的含量变化很大(0.2%~8%)。我国煤炭资源平均灰分为17%,平均硫分为1.11%。其中,高灰分、高硫分的煤比重大,高硫煤储量约占煤炭总量的1/3左右,西南地区煤平均含硫量为3.23%,西北地区煤的平均含硫量为3.05%,中南地区煤的平均含硫量为2.02%,华北地区煤的平均含硫量为1.65%,山东地区煤的平均含硫量在2%以上。

三、燃烧脱硫的方法简介

1.燃烧前脱硫技术

燃烧前脱硫技术主要是指煤炭选洗技术,应用化学或物理方法去除或减少原煤中所含的硫分和灰分等杂质,从而达到脱硫的目的。即:在煤矿区或某供煤站设洗煤厂,将煤中含硫的矿物质洗掉,供给用户的是低硫煤、洁净煤。

燃烧前脱硫技术主要有物理洗选煤法、化学洗选煤法、煤的气化和液化等。物理洗选煤法脱硫最经济,可除去大部分的黄铁矿硫,但只能脱无机硫,且会造成煤炭资源和水资源的浪费。物理选洗因投资少、运行费用低而成为广泛采用的煤炭选洗技术。生物化学法脱硫不仅能脱无机硫,也能脱除有机硫,但生产成本昂贵。目前,化学洗选技术尽管有数十种之多,但因普遍存在操作过程复杂、化学添加剂成本高等缺点而仍停留在小试或中试阶段,尚无法与其他脱硫技术竞争,距工业应用尚有较大距离。燃烧前脱硫技术中物理洗选煤技术已成熟,煤的气化和液化还有待于进一步研究完善,有的技术如微生物脱硫等正在开发研究。尽管还存在着种种问题,但其优点是:能同时除去灰分,减轻运输量,减轻锅炉的沾污和磨损,减少电厂灰渣处理量,还可回收部分硫资源。

我国当前的煤炭入洗率较低,2005年大约在20%左右,而美国为42%,英国为94.9%,法国为88.7%,日本为98.2%,提高煤炭的入洗率能显著改善燃煤SO2污染。然而,物理选洗仅能去除煤中无机硫的80%,占煤中硫总含量的25%~30%,无法满足燃煤SO2污染控制要求,故只能作为燃煤脱硫的一种辅助手段。

2.燃烧过程中脱硫技术

煤燃烧过程中进行脱硫处理,即在煤中掺烧固硫剂固硫,固硫物质随炉渣排出。也就是在煤中掺入或向炉内喷射各种石灰石粉、白云石粉、生石灰、电石渣及富含金属氧化物的矿渣、炉渣等作为固硫剂,在燃烧中,由于固硫剂的作用,煤燃烧产生的SO2还没有逸出就与煤中含钙的固硫剂(如石灰石)发生化学反应,生成固相硫酸盐,随炉渣排出,从而减少SO2随烟气排入大气而污染环境。

石灰石固硫的化学反应方程式为:

CaCO3→CaO+CO2-183kJ/mol

CaO+SO2+1/2O2→CaSO4+486kJ/mol

3.燃烧后脱硫技术

煤燃烧后进行脱硫处理,即对尾部烟气进行脱硫处理,净化烟气,降低烟气中的SO2排放量。亦即烟气脱硫,是在烟道处加装脱硫设备对烟气进行脱硫的方法。是目前世界上大规模商业化应用的脱硫技术,它是控制SO2最行之有效的途径。典型的技术有石灰石/石膏法,喷雾干燥法,电子束法,氨法等。

a)湿法脱硫工艺

湿法脱硫工艺绝大多数采用碱性浆液或溶液作为吸收剂,是目前使用最广泛的脱硫技术。

较为常用的工艺有FGD法,工艺流程如下所示:

b)半干法脱硫工艺

半干法的工艺特点是反应在气、液、固三相中进行,利用烟气的湿热蒸发吸收剂中的水分,使最终产物为干粉。典型工艺有喷雾干燥法和吸着剂喷射法。

c)干法脱硫工艺

干法脱硫工艺利用粉状或颗粒状吸收剂,通过吸附、催化反应或高能电子电解等作用除去烟气中的SO2。反应在无液相介入的完全干燥状态下进行,反应物亦为干粉状,不存在腐蚀和结垢等问题。相对于湿法脱硫技术,干法脱硫技术具有耗水量少、不造成二次污染、硫便于回收等优点,但由于气固反应速率较低,致使脱硫过程空速低、设备庞大,脱硫率不及湿法。

d)等离子体法

等离子体法主要是利用高能电子使烟气中的N2O2和水蒸气等发生辐射反应,生成大量离子、自由基、原子、电子和各种激发态原子等活性物质,将烟气中的SO2,NOx等氧化为SO3和NO2,并与水蒸气反应生成雾状硫酸和硝酸,在注入氨的情况下生成硫铵和硝铵化肥,根据高能电子的来源,等离子体法可分为电子束照射法和脉冲电晕等离子体法。