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鈣法煙氣脫硫工藝技術(shù)問題探討
2003年以來,全國大部分省市都嚴重缺電,給電力工業(yè)又一次帶來發(fā)展的機遇,各大電力公司和地市相關(guān)企業(yè)都紛紛為適應(yīng)新的形勢到來,在各地搶占電源建設(shè)點,新上馬的火電廠在全國各地迅猛出現(xiàn),這種供電緊張的局面將在2007年才會有所緩解,但由于GDP年均增長過7 % ,經(jīng)濟持續(xù)快速增長,需要充足的電力供應(yīng),預(yù)計2020年,我國全社會用電量將達到4. 8kW·h左右,需裝機容量約10億kW ,這意味著未來15年間,年均新裝機將超過3 300萬kW ,年均用電增長達到1 600億kW·h。其中火電裝機容量約6. 5億kW。2004年全國發(fā)電裝機容量已達到44 070萬kW ,其中火電裝機為32 490萬kW ,發(fā)電及供熱消耗原煤10. 5億t ,火電SO2排放量高達1 300萬t。2005年全國電力裝機突破5億kW ,達到50 841萬kW ,火
電達到38 413萬kW ,SO2排放量接近1 600萬t。火電SO2排放占全國SO2 排放量的53. 2 % ,占工業(yè)SO2 排放量的63. 4 %。到2020年底,電力行業(yè)的SO2 排放量就相當于目前全國SO2 排放總量。1995年,中國由SO2造成的酸雨損失超過1 100億元/ a ,大氣污染造成的損失每年約占我國GDP的2 %～3 % ,每排放1 t SO2,平均約造成5 000元的損失,世界銀行根據(jù)目前發(fā)展趨勢預(yù)計,2020 年中國由于燃煤污染所導致的疾病需付出的代價為3 900億元,占GDP的13 %。因各地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平和人口密度及污染排放差異,發(fā)電大氣污染造成的經(jīng)濟損失不同,2010 年火電污染損失為1～8分/ (kW·h)不等,經(jīng)濟發(fā)達水平較高的地區(qū)SO2 造成的經(jīng)濟損失較大。因此,火電行業(yè)新裝機組以及現(xiàn)有機組裝設(shè)脫硫設(shè)施是當務(wù)之急。但用哪些脫硫工藝更合適,的確需要深入探討,下面就當前主流的脫琉工藝的一些問題談?wù)効捶ā?/span>1 鈣法煙氣脫硫帶來新的污染1. 1 石灰石2石膏濕法帶來的新問題濕法脫硫占世界安裝煙氣脫硫機組總?cè)萘康?/span>85 % ,其中石灰石法占36. 7 % ,其他濕法技術(shù)約占48. 3 %。我國已有2 400萬kW燃煤機組的煙氣脫硫設(shè)施投運或建成,占火電機組容量的6. 8 % ,約300多萬kW機組的煙氣脫硫裝置正在施工建設(shè)。包括已簽合同的工程,煙氣脫硫機組容量已達到1. 2億kW左右。現(xiàn)有機組經(jīng)技術(shù)改造的煙氣脫硫裝置約850萬kW ,占35. 4 % ,所有投運和在建脫硫工藝中,石灰石2石膏濕法約占90 %以上。該脫硫工藝占的比例如此之高是我國現(xiàn)行政策所決定的,因為200 MW及以上機組都要采用石灰石2石膏濕法。這種工藝zui為成熟,運行較為可靠,但投資高,運行費用高,工藝中存在結(jié)垢、腐蝕、磨損等問題,同時也帶來其他新的環(huán)境問題。從反應(yīng)式可知,脫硫過程中釋放出CO2,消耗大量的碳酸鈣,產(chǎn)生大量的副產(chǎn)品二水石膏,它們會造成新的環(huán)境問題。
SO2+ CaCO3+12O2+ 2H2O→CaSO4·2H2O + CO2↑
1. 2 脫硫用大量石灰石將會造成水土流失
理論上脫除1 kg硫需要3. 125 kg的CaCO3。實際石灰石用量可由計算鈣硫比的公式反算求得:
CaS=32100×CaCO3%S %×GB也可直接從下式計算得出實際所需的石灰石量:
G =Ca/ S×10064SO2CaCO3
式中CaCO3%為石灰石中CaCO3 的質(zhì)量分數(shù); S %為煤中硫分;轉(zhuǎn)換率取0. 9 ; G為實際石灰石用量,kg/h ; B為實際燃料耗量,kg/ h ; SO2為年二氧化硫排放量,kg。脫硫率在90 %以上時,鈣硫比一般取值為1. 1～1. 2 ,*狀態(tài)可達1. 01～1. 02 ,本文取1. 1。2000年煤炭平均硫分為0. 9 % ,現(xiàn)在煤質(zhì)越來越差, S %取1 %(有些資料取1. 08 %) 。我國大部分地區(qū)的石灰石品位較低,CaCO3含量僅為75 %左右,計算時取75 % ,則每脫除1 kg硫需消耗4. 5 t石灰石,那么
2005年按90 %采用石灰石2石膏工藝計,共用石灰石3 666. 6萬t ,2020 年將達到4 812. 53萬t ,15 年平均累計消耗石灰石高達63 778. 83萬t。為了取得石灰石將毀滅山頭,破壞大面積的山林和植被,將會出現(xiàn)新一輪生態(tài)環(huán)境問題,特別是山西、內(nèi)蒙,河南等省大量建設(shè)火電廠,問題更為突出。1. 3 脫硫副產(chǎn)物如何處理(1)石灰石2石膏濕法脫硫工藝可得到含2個結(jié)
晶水的脫硫石膏,大約是石灰石的1. 5倍。這種脫硫石膏雖經(jīng)真空機干燥仍含自由水10 %左右,利用時還需進一步干燥消耗更多的熱量,另因其級配不好還應(yīng)考慮研磨等問題。這種石膏可以在建材行業(yè)經(jīng)加工后應(yīng)用,基本上可代替天然石膏,可作水泥緩凝劑、石膏板、石膏砌塊、模型襯料、脫凝材料等。但由于脫硫石膏受煙塵含量及未反應(yīng)的吸收劑等影響,純度低于90 %時就很難作為建材石膏使用。而煙塵濃度又受除塵器效率的影響,除塵器效率又受到煤質(zhì)、鍋爐燃燒工況,磨煤機性能以及燃料煤雜質(zhì)中的氯化物超過極限值等因素影響,所以,很難使脫硫石膏的品質(zhì)保持穩(wěn)定,使得脫硫石膏綜合利用市場很難打開,是目前脫硫石膏堆積的原因之一。
(2)我國有豐富的石膏資源,已探明的蘊藏量為570億t ,且天然石膏基本處于無償開采狀態(tài),形成了與脫硫石膏競爭的局面。另據(jù)報道,我國化肥工業(yè)每年的磷肥石膏多達2 000萬t ,基本上棄置未用。雖然我國每年需用石膏接近1 500萬t ,但是在天然石膏年產(chǎn)1 000多萬t 以及磷肥石膏廢棄料的夾擊下,脫硫石膏很難被利用。
(3)我國電力行業(yè)目前建設(shè)的煙氣脫硫裝置幾乎100 %采用的是鈣法,而石灰石2石膏濕法占90 %以上。2005年產(chǎn)生脫硫石膏約4 730萬t , 是每年需要石膏量的3倍左右, 到2020年, 脫硫石膏將達到6 210萬t ,15 年累計共產(chǎn)生82 289. 2萬t ,而被利用的脫硫石膏少于20 % ,仍然有65 831. 36萬t 要占地填埋,按深埋12 m計算,要占地292. 78 hm2。脫硫石膏量大,目前尚未有適合大量綜合利用的途徑,在未來除灰場外,火電廠存放脫硫石膏又成為另一個麻煩。產(chǎn)煤地區(qū)火電基地也是天然石膏富產(chǎn)地,供需矛盾更為凸出,所以,從全國整體來看不容
樂觀,除非有了更好的綜合利用方法。
1. 4 增加CO2排放量對大氣造成污染
從反應(yīng)式中可算出理論上每脫除1 kg SO2 就會放出0. 687 5 kg的CO2
,考慮到鈣硫比一般在1. 1～1. 27 ,*為1. 01～1. 02 ,又有過量的CaCO3再把煙氣中少量的HCl和HF考慮進去,有些資料得出脫除1 kg SO2,會放出0. 7 kg的CO2。以2005年SO2排放1 600萬t 計算,考慮90 %采用石灰石2石膏濕法脫硫工藝,就會放出CO21 008萬t ,到2020年SO2排放達到2 100萬t ,仍然有90 %裝機容量采用石灰石2石膏濕法脫硫,排放的CO2將達到23萬t。從2005年開始逐年平均累計,到2020年15年中將因采用石灰石2石膏濕法脫硫多排放CO2累計達17 533. 5萬t ,這是十分驚人的數(shù)字。當然,有學者會提出質(zhì)疑,電廠燃煤排放的CO2比脫硫排放的CO2多得多,即燃燒100 kg的煤(平均硫分為1 %)排放SO2
1. 8 kg ,排放CO21. 26 kg ,考慮90 %的脫硫率,從脫硫工藝中只排放CO2 1. 134 kg。而每噸燃煤中CO2排放率則為:
GCO2=B ×Q×E×KCO2×λCO2
式中B為耗煤量,kg ; Q為煤炭的單位熱值,MJ / kg ;E為單位熱值下潛在碳的排放量,t/ TJ ; KCO2為燃料中碳的氧化率;λCO2為CO2 與C的質(zhì)量摩爾比,約為3. 667。我國煤炭的平均數(shù)值: Q 為21. 2 MJ / kg ; E為24. 74 t/ TJ ; KCO2為0. 9 ,由此求得GCO2= 1 731 kg/ t ;
燃燒1 000 kg煤時,排放的CO2為173 kg ,SO2脫除中釋放的CO2 只占0. 655 % ,但從脫硫設(shè)備后增加的CO2的數(shù)和累計數(shù)來看,卻是相當大的數(shù)字,而且每年新增的CO2遠超過大自然光合作用和海水吸收淡化的能力。本來燃煤電廠排放CO2數(shù)量已相當大,因脫硫新增的CO2 無疑是雪上加霜。當溫室氣體一旦超出人均4 t ,我國履約的費用每年就達到500億元,這種損失是相當大的。排放值是以煤含硫1 %計算的,而這里尚未考慮今后用煤增加,地
下深層煤的含硫量會逐年增加。當然,這個數(shù)字可能由于煤耗逐年下降所抵消。1. 5 煙氣循環(huán)流化床等其他鈣法脫硫工藝鈣法中的煙氣循環(huán)流化床半干法脫硫工藝有CFB、RCFB、GSA以及NID技術(shù)等,脫硫劑使用CaO或Ca(OH)2,同樣產(chǎn)生上述問題,因為所用吸收劑仍
是由CaCO3燒制得到,反應(yīng)過程如下:CaCO3→CaO + CO2↑每生產(chǎn)1 t石灰大約需要200 k的煤,產(chǎn)生3. 6kg的SO2氣體和346. 2 kg的CO2,燒制CaCO3時還放出CO2785. 7 kg。消耗1 785. 7 kg CaCO3,即要用石灰石2 380 kg。所以說煙氣循環(huán)流化床半干法脫硫要用CaO作脫硫劑,只是提前在上一個環(huán)節(jié)造成空氣污染,使用大量石灰石同樣破壞環(huán)境和植被。脫硫后的廢棄物CaSO4 和CaSO3 綜合利用也同樣很難辦,大部分只好堆放在灰場和填埋。
1. 6 選擇煙氣脫硫工藝要因地制宜
我國有豐富的石灰石礦產(chǎn)資源,所以鈣基吸收劑在煙氣脫硫中得到廣泛應(yīng)用。由于我國酸和
SO2污染十分嚴重,進入21世紀以來,我國對煙氣脫硫高度重視,加上電力等能源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)快速發(fā)展,迫切需要相關(guān)政策法規(guī)和實用的脫硫技術(shù)。有關(guān)部門制定了大力支持和發(fā)展鈣法煙氣脫硫產(chǎn)業(yè)和技術(shù)政策,國內(nèi)幾十家大的脫硫公司也紛紛重復引進國外20世紀70、80年代水平的各種鈣法工藝,形成目前國內(nèi)火電廠的脫硫局面,脫硫技術(shù)幾乎清一色的鈣法。這種單一脫硫技術(shù),因為量大面廣,把這種方法存在的問題累加起來,就明顯顯示出給生態(tài)環(huán)境帶來的新問題。提出以上的問題和看法主要目的是希望因地制宜地采用和開發(fā)新的脫硫方法,例如氨法和非鈣基煙氣脫硫技術(shù),其中有負載型CuO脫硫脫硝技術(shù), SRT/ ISPRA 煙氣脫硫輔助脫NOx 技術(shù),Na 化合物作為脫硫劑的聯(lián)合化學 ———生物脫硫技術(shù)、新型活性碳纖維的脫硫技術(shù),等離子體煙氣脫硫脫硝技術(shù)、NaClO2煙氣脫硫脫硝技術(shù),MgO脫硫工藝等。一定要結(jié)合當?shù)厍闆r,進行長遠的分析,靈活選用各種脫硫工藝,揚長避短,盡量降低和分散對生態(tài)環(huán)境的影響,真正起到綠色環(huán)保的作用。
2 結(jié)語
為緩和工業(yè)發(fā)展對電力的需求,電力工業(yè)得到迅速的發(fā)展,其中將近70 %是火力發(fā)電,都需加裝煙氣脫硫裝置,帶動了廣闊的煙氣脫硫市場,由于我國目前的政策導向,幾乎100 %都用鈣法,其中石灰石2石膏濕法占90 %以上,過于單一而集中的脫硫工藝,將會帶來新的環(huán)境污染和生態(tài)破壞問題,從綠色環(huán)境角度審視,是否應(yīng)因地制宜開發(fā)和采用多種脫硫工藝,盡量減少帶來新的環(huán)境問題是至關(guān)重要的。