潔凈煤技術(shù)的新發(fā)展一種火電廠so2資源化

從不同的角度認(rèn)識SO2 就會有不同的辦法 H2SO3CaCO3=O3O2HO 2在化學(xué)家眼中,SO2是一種物質(zhì),其有害還是有利完全決定于人們的態(tài)度。以一種“友好”的態(tài)度對待SO2,將其回收,變廢為寶,劃害為利,在我國具有突出的意義。我國是一個人口大國,也是農(nóng)業(yè)大國,需要大量化肥。據(jù)報載,2005年,我國的合成氨年需求量達(dá)33Mt,磷肥需求10Mt。硫酸是生產(chǎn)磷肥的主要原料23Mt,等同于15MtSO2。近年來由于我國的硫資源相對缺乏,為已進(jìn)口大量硫磺。據(jù)估計(jì),250Mt相當(dāng)于5MtSO210億元以上。此外今年的磷肥5Mt6Mt,4MtSO2。所以,按照這個發(fā)展趨勢,2005年,我國進(jìn)口SO210Mt。加上國內(nèi)自產(chǎn)的SO2到時,我國化肥行業(yè)需要的SO2將超過20Mta。在這同時20Mt/aSO2通過嚴(yán)重污染環(huán)境,造成1100億元/a以上的酸雨損失。為此作者研究開發(fā)了回收火電廠煙氣2生產(chǎn)化肥的技術(shù)并確立了相應(yīng)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。應(yīng)用該技術(shù),一臺20萬kW機(jī)組的煙氣2回收裝置總投資在5000～8000萬元,是國外技術(shù)的20%～%20～40%該技術(shù)稱為NADSNovelAmmoniaDesulfurizatio,以合成氨為吸收劑,回收煙氣中的SO2,生產(chǎn)硫酸銨、磷酸銨或銷酸銨化肥,聯(lián)產(chǎn)工業(yè)濃硫酸將煙氣脫硫與化肥生產(chǎn)相結(jié)合,已在25萬kW機(jī)組上實(shí)施,計(jì)劃于200020萬kW機(jī)組。FGD的國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨按脫硫劑的種類劃分:有以Ca2CO3石灰石為基礎(chǔ)的鈣法、以MgO為基礎(chǔ)的鎂法、

CaSO3+xH2O+1O2=CaSO4· 323這種方法占的比例超過90,為最成FGD技術(shù)。95%以上,消耗0經(jīng)過高效電除塵后,石膏質(zhì)量較好,具有利用價值。因此,對于缺乏石膏的國家和地區(qū),比如和東南亞,脫硫石膏可利用。多數(shù)國家,比如和德國,脫硫石膏都不利用。在我國,由于石膏資源豐富,脫硫石膏也難以利用。因此,鈣法被稱為拋棄法。:1)煙氣被水蒸氣飽和70℃以上才能排向煙囪,再熱器的投資較大,20萬kW機(jī)組的再熱器需1000萬元左右,阻力大,系統(tǒng)壓降約15;2)5m);3系統(tǒng)要求高,氣、液比很低,循環(huán)泵流量和揚(yáng)程高,4)的二次污染。為克服濕法的缺點(diǎn),燃燒爐或蒸汽鍋爐的干式鈣法。其原理如下=O 4SO2 5CaSO3+1O2=O4 62式4～6所示反應(yīng)在高溫850～1000)下進(jìn)行其缺點(diǎn)是生成的石膏與煤灰混在一起,不能利Ca/S20為了克服干法和濕法的缺點(diǎn),出現(xiàn)了半干式鈣法。半干法以生石灰CaO為脫硫劑,其原理如下:CaOHO=CaOH2 7) 8OH2 9為基礎(chǔ)的鈉法、以NH3為基礎(chǔ)的氨法、還有堿為基礎(chǔ)的有機(jī)堿法。這里主要討論鈣法和氨法

+1O2

=O4

10鈣世界上普遍使用的商業(yè)化技術(shù)是鈣法,其主要優(yōu)點(diǎn)是吸收劑的來源豐富且價格便宜。實(shí)踐中,鈣法具有多種具體形式。,

生石灰先經(jīng)過消化變?yōu)闅溲趸}漿液,經(jīng)噴霧裝置,無需再熱即可排入煙囪。生石灰一般不需要和研磨,因此,消石灰5 半干法又有兩種實(shí)施方式。一是石灰漿在電除塵器前噴入,二是在電除塵器后噴入。前者的石膏與煤灰混在一起,不能利用;后者的石膏可以利用,但必須再配置電除塵器。電除塵器的造價和占地面積是再熱器的兩倍以上。可見,與濕法相比,半干法的優(yōu)越性并不明顯,甚至不如濕法。這便是濕式鈣法被國際普遍采用的原因。拋棄法的問題是顯然的。它沒有經(jīng)濟(jì)效益,

氨法是最早出現(xiàn)的FGD技術(shù)之一,后鈣法占了優(yōu)勢。但是90年代后也許是發(fā)達(dá)國家在進(jìn)入中國的FGD市場上受挫,氨法又倍受重視,有關(guān)FGD的專利大部份是與氨法有關(guān)的。氨其原理如下NH4HSO3+NH3=NH42SO311)NH42SO12)投資和操作運(yùn)行費(fèi)用很高?？諝鈨艋居?995年在《PowerEngineering》了題

NH42SO3+1O2=NHSO

4 4 為“ScrubberMythsandRealities煙氣脫硫的傳言與現(xiàn)實(shí)”的文章,對世界的石灰石—石膏法作了綜述。其結(jié)論是,煙氣脫硫的投資為150～300/kW,操作運(yùn)行費(fèi)用為每噸SO2約400。雖然經(jīng)過近二十年的研究,我國FGD的工業(yè)化技術(shù)還未形成,無從比較,可供參考的是引進(jìn)裝置。迄今,4套,都在重慶珞璜電廠,4臺36萬kW機(jī)組,是三菱公司的技術(shù)和裝置,脫硫投資占電廠建設(shè)總投資的12%。最近,熱電一廠2臺10萬kW機(jī)組和杭州半山電廠的2125萬kW機(jī)組引進(jìn)德國的技術(shù),情況大致相同。這些引進(jìn)裝置都是石灰石濕法,使用的資在搶國煙氣脫硫市場方面,發(fā)達(dá)國家和公司是不遺余力的。公司分別山東電力局合作在黃島電廠,與省電力局合作在熱電廠,與華北電力局合作在太原電廠進(jìn)行試驗(yàn)德國、丹麥、荷蘭和芬蘭等歐州國家的公司也在我國尋找伙伴進(jìn)行FGD試驗(yàn)。某公司與電力

這一技術(shù)在電廠煙氣脫硫中用得并不多。在我國,早期的硫酸廠采用較多。主要原因是電廠煙氣與硫酸廠尾氣不同:在硫酸廠,吸收溫度低,℃左右,且氣量低;在火電廠,氣量大,且吸收溫度高達(dá)40～60℃,氨的帶出損失大。90年代以來,這一方法受到了進(jìn)一步重視。KruppKoppers公司80年代末建了一個250th蒸汽鍋爐6萬k)的氨法脫硫裝置,生產(chǎn)硫酸銨,其技術(shù)被Bischoff公司買斷該公司又被Lurgi公司收購。的GE環(huán)境系統(tǒng)公司也進(jìn)一步開發(fā)了這個方法。實(shí)際過程中,以上反應(yīng)也分兩步進(jìn)行:吸收階段,氧化率較低;氧化階段需鼓壓縮空氣。整個吸收過程要求高的液、氣比和低的pH值。GE公司擬在威斯康辛州的Kenosha0萬W的工業(yè)性示范裝置,其燃煤中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26%,0。GE氨法的總投資比石灰石濕法高,并認(rèn)為,只有在含硫量較高時,才具有優(yōu)越性。荏原制作所開發(fā)了高能技術(shù),其理如下局將進(jìn)行循環(huán)流化床燃燒及干法FGD合作。最近

OH,O, 14電力和環(huán)保部門又作出規(guī)劃,我國的FGD發(fā)展鈣法,走發(fā)達(dá)國家的道路。然而,而言,這將是一個“Myth神話”。因?yàn)槲覈壳凹葲]有作好技術(shù)的準(zhǔn)備,又沒作好經(jīng)濟(jì)的準(zhǔn)備,主要是接受外國的,建設(shè)一定的示范裝置。為解決電廠FGD在經(jīng)濟(jì)上的巨大,發(fā)達(dá)國家從未停止探索研究和開發(fā)低投資低成本的FGD技術(shù)。其中將煙氣中的SO2回收變?yōu)橛袃r值的產(chǎn)品的回收法是最引人注目的。面討論的幾種方法中,鈣法代表拋棄法

鎂法、鈉法和氨法都是回收法。鎂法和鈉法的脫硫劑損耗大能耗高,投資大,目前已不再受重視。SO2+O+H2O 15=NH42SO 16它借助于高能產(chǎn)生高氧化活性的原子氧或臭氧在氨的加入下形成硫酸銨可作化肥。1997年,技術(shù)商與電力局在電廠建了一套處理Vt=3105m3h的半工業(yè)5,SO2為%,脫硫率80%,單位投資為1250元/kW,能耗為發(fā)電量的25%。目前,國內(nèi)正開發(fā)高能等離子體技術(shù),希望降低能耗,但關(guān)鍵設(shè)備上的很大?？梢?煙氣脫硫似乎很簡單,但在電廠,卻顯得極為復(fù)雜。它是一個典型的化工過程。工過程相比10～100倍,SO2濃度低,脫硫技術(shù)既要效率高又要能耗低,

H2O

H21+對化學(xué)工程學(xué)本身也是一個+NADS)與現(xiàn)有的氨法相比,NADS在工藝上更為靈活,其原理如下:NH=NH4x1

17～21)所示反應(yīng)都放熱,不耗能,=124,2013制需要壓縮空氣能耗較大。在荏原技術(shù)中高能的能耗很大,尤其不適合SO2濃度低的煙氣。或者

NH4xH22xN2S 12NxNH4H21NHH SO+xHNO=4x2 xNH4NO3SO2← 2

NADS的突出優(yōu)點(diǎn)是其靈活性,除結(jié)合硫銨外,還可結(jié)合磷銨和硝銨。我國的磷銨產(chǎn)量2005年為10Mta可結(jié)合煙氣脫硫回收4MtaSO2生產(chǎn)磷肥廠必備的原料硫酸顯著改善FGD的投資效益。四25萬kW機(jī)組NADS裝置就是結(jié)合了銀山磷肥廠生產(chǎn)磷銨化肥,效益明顯NADS的工藝流程如圖1所示。由電除塵器)量后,溫度降為100～120℃,再經(jīng)水噴淋冷卻到<17)1)12,1820)據(jù)不同的情況,生產(chǎn)硫酸銨、磷酸一銨或硝酸銨化肥,并聯(lián)產(chǎn)高純度的SO2氣體。濃縮后的SO2氣體用于生產(chǎn)高質(zhì)量的工業(yè)硫酸:

80℃,進(jìn)入SO2吸收塔。50℃左右,SO2吸收率>95%,煙氣出口wNH320106。吸收后的煙氣進(jìn)入再熱器,升溫到>70℃,進(jìn)入煙囪排放。吸收塔為多級循環(huán)吸收,一般級數(shù)3～5級。與Lurgi、GE和荏原技術(shù)不同,NADS技術(shù)中的NH3和H2O是分別進(jìn)入吸收塔由此帶來了三個優(yōu)點(diǎn):第一吸收塔出口煙氣的NH3含量低氨損耗小;第二吸收液的循環(huán)量小氣液比大是國外技術(shù)的30～60倍,能耗低,解決了大型循環(huán)泵的技術(shù)難題;第三,得到的吸收產(chǎn)品亞硫酸銨濃度較高,為后續(xù)化肥生產(chǎn)裝置節(jié)省蒸汽,可確?；厥?tSO2的蒸汽消耗<1t。由吸收塔出來的亞硫銨溶液經(jīng)過離心分離除

,進(jìn)入硫酸中和反應(yīng)釜,得到硫銨溶液和高濃度的S2氣體。硫銨溶液經(jīng)過蒸發(fā)結(jié)晶、干燥、包裝得到商品硫銨化肥。S2氣體進(jìn)入硫酸裝置生8,0～0釜,20～30作為商品。NADS的關(guān)鍵設(shè)備是吸收塔。它是一種大孔徑、高開孔率的篩板塔,阻力低,通量大。25萬機(jī)組的裝置上,0～300a,是50%4/s,是傳統(tǒng)塔板的2倍。它采用整體玻璃鋼拼裝技術(shù)容易大型化,防腐性能高,使用長。225萬kW機(jī)組的試驗(yàn)結(jié)果。該吸收塔為三級吸收?？梢钥吹?在此期間,煙氣中,wSO2011～018%,,

014,66小時SO290,大95%。吸收率由加氨量和加水量控制得NH42肥車間得O8%10%的氣體98的濃硫酸和滿足質(zhì)量指標(biāo)的磷銨化肥5Fig2coalcombustedpowerntthreedy)布、氣相中NH3和SO2的濃度分布,和吸收溫度分布等操作性能。采用四級吸收,計(jì)算得到的SO2總吸收率為9635,吸收液中wNH42SO3為527wS2 NH38106NADS的經(jīng)濟(jì)評20萬kW30萬kW機(jī)組為例分析:石景山熱電廠共有20萬kW機(jī)組4臺,每臺排放SO212104ta全廠5104ta。廠對首都的污染很大,市要求限期治理;30萬kW4臺,圖 NADS吸收塔簡 放SO2約4104t/a,全廠約16104t/a,該廠是3oftheNADS'absober圖3是該吸收塔的簡圖。作者建立了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)模型:質(zhì)量衡算能量衡算相平衡和規(guī)一化方程,開發(fā)了NADS技術(shù)的計(jì)算機(jī)模擬軟件。對于一個20萬kW機(jī)組的火電機(jī)組,燃煤中w3,S2

安市污染的主要來源20kWSO212kt/a,生1682kt/a硫酸,其品硫酸6kt/a,硫酸銨15,a,相當(dāng)于每噸SO2458元。這個項(xiàng)目可享受環(huán)保貼息和免稅政策?？紤]脫硫減少的SO2排污費(fèi)。市2000年SO21200元t。因此,采用NADSm3/h。采用該軟件可得到該吸收塔的吸收液濃度每年減少支出1440568=872萬元由此可見,經(jīng)濟(jì)效益是相當(dāng)明顯的,8年內(nèi)即可以償還投資。NADS技術(shù)與現(xiàn)有典型FGD所示。顯然,NADS的優(yōu)勢是明顯的在投資方面,NADS法與目前普遍使用的石膏法,和新近推出的法相比,減少了70%。在運(yùn)行費(fèi)用方面,NADS法的優(yōu)越性也是明顯的。與以上兩種方法相比,70%以上的運(yùn)行成本。在投資償還方面,NADS的投資償還使用設(shè)備折舊費(fèi),15年。以上兩種方法基本上是無法償還投資的,因?yàn)樗鼈儧]有經(jīng)濟(jì)效益,除非提高電價。1NADS20萬kW機(jī)組FGDmethodsbasedona200MW 6202462024%82脫硫成本 2 200投資回收期 將NADS技術(shù)應(yīng)用于陜西渭河電廠的30機(jī)組,一臺機(jī)組可回收超過4104t/a的SO2,可生產(chǎn)硫酸銨化肥6104ta,2104ta,年產(chǎn)值44600萬元15510ta。2是NADS技術(shù)與濕式鈣法和氨法的比較。對這個電廠,濟(jì)效益SO2150元,因此,一臺機(jī)組的全年利潤為600萬元。加上節(jié)省的排污罰款1200萬元西安地區(qū)SO2排污費(fèi)按300元tSO2計(jì),1800萬元5年可回收投資。30FGDmethodsbasedona300MWcoalcombusted NADS 濕式鈣 氨

34Mt。50%是我國的特色:50%的合成氨生產(chǎn)碳銨肥料,利用率較低;50%的產(chǎn)量來自于小型合成氨廠。我國的合成氨廠遍布各縣、市,因此,氨的供應(yīng)是相當(dāng)方便和豐富的。2010年我國的火電廠排放SO2達(dá)到15Mt/a全部采用NADS技術(shù)需要合成氨為540Mta,15,占碳銨用氨的30%。如前所述,2010年,180020萬kW容量計(jì)算,則NADS的總的市場前1000億元。每年回收SO2生產(chǎn)化肥和硫酸,100億元以上,對我國能源工業(yè)而言,這是一個新興的產(chǎn)業(yè)。NADS的社會效益也是巨大的,按1998年國家環(huán)保公布的酸雨損失數(shù)據(jù),屆時,NADS1000億元。目前,我國可以采用NADS技術(shù)回收煙氣中的SO2,并與化工結(jié)合聯(lián)產(chǎn)化肥與硫酸的火電廠很多比如,內(nèi)江發(fā)電廠,與銀山化工有限公司相距25km;廣西柳州發(fā),100m;秦皇島電廠與秦皇島中阿化肥公司一墻之隔;石景山電廠、高井電廠、第二熱電廠,可用試驗(yàn)化工廠的合成氨1105t/a;石洞口發(fā)電廠、閔行電廠、吳涇熱電廠,可用崇明化肥廠、南匯化工廠和吳涇化工廠的合成氨的電廠可用南化公司和金陵的合成氨;銅陵市的電廠可用銅陵化肥廠的合成氨;陜西渭河電廠可用渭河化肥廠的合成氨可以說,我國火電廠采用NADS技術(shù)基本上都是具備條件的。 結(jié)NADS是一個投資低、效益好的火電廠煙SO2資源化回收技術(shù),筆者認(rèn)為對我國的火電廠具有普遍適用性回收的SO2生產(chǎn)化肥和硫酸在我國具有巨大的市場,因此,火電廠的能源環(huán)?？尚纬蓚€自負(fù)盈虧的化肥產(chǎn)業(yè)82832近年來,由于受煤煙型污染的影響,%062了發(fā)展天然氣的政策。但是,燃煤發(fā)電仍然脫硫成本 > >投資回收期

NADS我國是一個人口、糧食和化肥大國2005年最經(jīng)濟(jì)的,而且可促進(jìn)國內(nèi)煤碳工業(yè)的發(fā)展。因此NADS對于我國的重要性是值得重視的目前電力行業(yè)并不認(rèn)為煙氣脫硫是化工過程,對回SO2生產(chǎn)化肥不易接受。實(shí)際上,火電廠就是化工廠,它將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,煤燃燒爐爐是典型的反應(yīng)器和換熱器。我國煙氣脫硫的科研經(jīng)過近二十年攻關(guān),進(jìn)展不明顯,原因是多方面的,其中,將化工的研究力量排斥在外也是原因之一。化學(xué)工程學(xué)科是一門融科學(xué)、技術(shù)和藝術(shù)為一體的學(xué)科,在潔凈能源技術(shù)方面將發(fā)揮重要的作用。致謝:本研究得到國家發(fā)展計(jì)劃、科技部和教育部資助。[1] 朱光亞.跨世紀(jì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展趨勢和我國的差距下)[J].世界科技研究與發(fā)展1998,205)1～6[ 國家環(huán)保.酸雨控制區(qū)和二氧化硫控制區(qū)劃分

7[3]InstituteofCleanAirCompanies,IncScrubbrmythsandrealities[J]PowerEngineering,1995,991)35～38[4]LeolaAS,LititzEGProssforthesimultaneousabsorptionandproductionofammoniumsulfates[P]US19FLueICEngymp.Ser1ut231[6]LoureuconTLentjesBischoffammonia