锅炉烟气脱硫工艺的论证选择

目前, 世界上烟气脱硫工艺有上百种, 但具有实用价值的工艺仅十几种。根据脱硫反应物和脱硫产物的存在状态可将其分为湿法、干法和半干法 3 种。湿法脱硫工艺应用广泛, 占世界总量的 85.0%, 其中氧化镁法技术成熟, 尤其对中、小锅炉烟气脱硫来说, 具有投资少, 占地面积小, 运行费用低等优点, 非常适合我国的国情。

采用湿法脱硫工艺, 要考虑吸收器的性能, 其性能的优劣直接影响烟气的脱硫效率、系统的运行费用等。旋流板塔吸收器具有负荷高、压降低、不易堵、弹性好等优点, 可以快速吸收烟尘, 具有很高的脱硫效率。

1). 脱硫工艺及脱硫吸收器比较选择

(1) 脱硫除尘工艺比较选择(见表2—8

表2—8

项目 石灰石/ 石膏湿法脱硫工艺 双碱法脱硫工艺 氧化镁脱硫 工艺 喷雾干燥法脱硫工艺 氨法脱硫工艺 循环流化床脱硫工艺
工艺形式 湿 法 湿 法 湿 法 半干法 干法 干法
脱硫剂 石 灰 石 镁基和 钠基石灰 氧化镁 石灰 石灰石
副产物状态 湿 态 湿 态 湿 态 干态 干态 干态
烟煤含硫量 无 限 制 可适用 高硫煤 1% 左右 无限制 中、低 硫煤 高 硫煤 中、低硫煤
脱硫率 一般 一般
适 用 范 围 大容量 最大装机容量1000MW 大容量 试验 中等 容量 最大 200MW 机组 中、小容量
投 资
运行费

表2—9

脱硫工艺 湿 法 半干法 干法
石灰石/ 石膏湿法 钠法 双碱法 氧化镁 氨法 海水法 喷雾干燥法 炉内喷钙 循环流化床 等离子体
脱硫效率﹪ 90~98 90~98 90~98 90~98 90~98 70~90 70~85 60~75 60~90 ≧90
吸收剂 CaCO3 NaOH

NaCO3

NaOH

Mg(OH)2

CaO

MgONH3海水CaOCaOCaONH3
可靠性一般一般一般
结垢易结垢不结垢不结垢不结垢不结垢不结垢易结垢易结垢易结垢不结垢
堵塞堵塞不堵塞不堵塞不堵塞不堵塞不堵塞堵塞堵塞堵塞不堵塞
占地面积
运行费用 很高 一般 一般 一般 一般 一般
投资 较小 较小 较小

(2) 下列将最成熟工艺石灰(石)/石膏湿法脱硫工艺和氧化镁脱硫法的特点作对比

① 石灰(石)/石膏湿法脱硫工艺

石灰(石)/石膏湿法脱硫工艺是采用石灰石(CaCO3)或石灰(CaO)作脱硫吸收剂原料,经消化处理后加水搅拌制成氢氧化钙(Ca(OH)2)作为脱硫吸收浆。石灰或吸收剂浆液喷入吸收塔,吸附其中的SO2气体,产生亚硫酸钙,进而氧化为硫酸钙(石膏)副产品。

该工艺的优点主要是:

A、脱硫效率高,在Ca/S比小于1.1的时候,脱硫效率可高达 90%以上;

B、吸收剂利用率高,可达到90%;

C、吸收剂资源广泛,价格低廉;

D、适用于高硫燃料,尤其适用于大容量电站锅炉的烟气处理;

E、副产品为石膏,高品位石膏可用于建筑材料。

该工艺的缺点是:

A、系统复杂,占地面积大;

B、造价高,一次性投资大;(在美国,单位一般造价在 $150—200/kW;在中国,重庆珞璜电厂一期烟气脱硫工程2×360MW脱硫装置占电厂总投资的11.15%,太原第一热电厂高速平流 简易湿式300MW机组的600000m3/h脱硫装置的单位造价约 RMB650元/kW,杭州半山电厂2×125MW和北京第一热电厂 2×410t/h锅炉脱硫装置单位造价更高达 RMB 1600/KW);

C、运行问题较多——由于副产品CaSO4易沉积和粘结,所以, 容易造成系统积垢,堵塞和磨损;

D、运行费用高,高液/气比所带来的电、水循环和耗量非常大;

E、副产品处理问题——目前,世界上对该副产品处理,主要采用抛弃和再利用两种方法:西欧和日本因缺乏石膏资源,所以用此副产品做建筑用石膏板,与此同时,当地建筑规范也为该产品的推广使用提供了方便。但对副产品石膏的成分要求严格(CaSO4>96%)。在美国,因天然石膏资源丰富,空地较多,过去一般采用抛弃处理。在中国,天然石膏资源丰富,而石灰石的成分却很难保证,因此脱硫石膏的成分不稳定,建筑行业很难采用;对于建在城市近郊或工业区的需要脱硫的电厂,又很难容纳大量石膏渣液的抛弃,即使有空闲场地抛弃,从长远来讲,仍然可能造成固体废弃物的二次污染。因而副产物处理存在问题。

F、由于该工艺技术成熟,运用广泛,目前国家有相应技术规范,但国家环保总局在脱硫技术指导文件中明确指出该种方法适用于大型电站锅炉的脱硫,中小锅炉运用存在规模不经济等问题。

G、为适应国内中小型锅炉的烟气脱硫,对该工艺进行了改造运用,减少脱硫剂制备和石膏生成系统尚可,但其他部分的或缺带来诸多问题,因此要谨慎用之。

② 氧化镁脱硫法

氧化镁脱硫技术是利用氢氧化镁作为脱硫剂吸收烟气中的二氧化硫,生成亚硫酸镁,并通入空气将亚硫酸镁生成溶解度更大的硫酸镁。氢氧化镁作脱硫剂具有反应活性大、脱硫效率高、液气比小等优点,因此具有综合投资低,运行费用低等特点。

氧化镁吸收SO2的湿法脱硫方式是目前适合于中、小型锅炉烟气脱硫技术最为成熟的脱硫方式之一。综合氢氧化镁脱硫法具有以下四个特点:

A、氧化镁原料取得容易

目前包括在日本、首尔、东南亚地区、台湾地区等均有普遍使用的实绩和经验,而所使用的的氧化镁大部分均来自大陆地区。我国拥有丰富的氧化镁资源,储量约为160亿吨,占全世界的80%左右,环渤海湾的山东、辽宁地区以及山西都有丰富的产量。由于广泛地运用,使该技术相对于其他脱硫技术更加成熟。

B 、MgO工艺也是技术成熟的脱硫工艺,该工艺在日本已应用了100多个项目,台湾的电厂约95﹪是.MgO法,美国波士顿的Mgstic电厂150Mw机组.MgO湿 法脱硫1982年投产。

在中国深圳X玻璃厂,500T/D熔化炉排烟;珠海X集团90t/h燃油锅炉;湛江x公司320t/h锅炉;无锡X热电厂100t/h锅炉。均采用湿 式MgO法。尚有更多MgO法脱硫工程在建设中。

C、 MgO法脱硫效率达到90﹪~98﹪,因为MgO活性强,实例表明在相同操作条件下,MgO作为吸收剂比用CaCO3作为吸收剂时吸附效率高。

D 、脱除等量的SO2消耗的MgO量仅为CaCO3的40﹪.

E 、MgO法脱硫循环液呈溶液状,不易结垢,不会堵塞。

氧化镁湿法的脱硫产物硫酸镁是一种溶解度很大的物质,因此在吸收塔脱硫的反应过程中,不似石灰石(石灰)/石膏法会产生结垢或堵塞的问题。

F、 脱硫后溶液,处理后可直接排放,无二次污染。

G、脱硫设备简单,操作简单,成本低。

脱硫系统包括熟化系统、吸收系统、废液处理系统,系统简单明了,现场布置简洁紧凑,系统运行安全可靠。

L、 脱硫产物的用途

如果把MgO法脱硫工艺产物,不 经氧化曝气则可以把浆液脱水湿渣,其组成MgSO3 60~70 MgSO4 20~30 溶解状,杂质10 ,湿渣可以作为农用肥料。可直接作基肥,追肥和叶面肥。植物正常发育的所需镁量,一般为干重5g/kg左右。施用镁肥不仅可增加作物产量,还可改善产品品质,如镁肥对甘蔗、香蕉、烟叶产量和品质都有良好作用。据调查本地区盛产甘蔗、香蕉。

根据全国土壤普查表明不少地区土壤缺镁比较严重,缺镁土壤面积巨大,大约占全国耕地面积的5.8 ,若对每亩地施镁肥,则每年需求镁肥量十分巨大。

③ 石灰(石)/石膏湿法脱硫工艺和氧化镁脱硫法技术经济比较,以220t/h 锅炉为例(见表2—10、表2—11)

表2—10

类型

性能

石灰石/石膏法 氧化镁法
技术成熟性 最成熟 成熟
脱硫效率 90~95 90~98
液气比L/NM 10~20 ~5
脱硫剂价(元/t)85﹪纯度200目 100 250
脱硫剂费比 1.1 1.2
运行可靠性 可靠 更可靠
循环池状态 浆状 水溶液状
脱硫产物利用 已普遍利用 可利用,待开发

表2—11

类型 石灰石/石膏法 氧化镁法
项目 年耗量 年耗量(万元) 年耗量 年耗量(万元)
脱硫剂(t) 2247 78.64 5369 53.69
耗电量(KW) 1715000 68.60 3836000 191.8
耗水量(t) 201600 20.16 149100 14.91
人工费(人) 4 4 4 4
直接费总计(万元) 171.4 264.4
脱硫副产物收(万元) (石膏6580T) 26.32
消减SO2 3094 3094
消减1kg SO2费(元) 0.55 0.77
少交排污费(万元) 371.28 371.28
经济收益(万元) 222.34 133.2

通过对脱硫除尘工艺———湿法、半干法、干法的对比分析: 石灰石- 石膏法虽然工艺非常成熟,但投资大, 占地面积大, 不适合中、小锅炉。具有投资少、占地面积小、运行费用低等优点, 因此, 本方案选用氧化镁法脱硫工艺。

2) 脱硫吸收器比较选择

脱硫吸收器的选择原则, 主要是看其液气接触条件、设备阻力以及吸收液循环量。脱硫吸收器比较选择如表2—12所示。

表2—12

吸收器类型 持液量 逆流接触 防堵性能 操作弹性 压降 除尘性能
喷淋塔
筛板塔
填料塔
湍球塔
旋流板塔

吸收设备中: 喷淋塔液气比高, 水消耗量大; 筛板塔阻力较大, 防堵性能差; 填料塔防堵性能差, 易结垢、黏结、堵塞, 阻力也较大; 湍球塔气液接触面积虽然较大, 但易结垢堵塞, 阻力较大。相比之下, 旋流板塔具有负荷高、压降低、不易堵、弹性好等优点, 适用于快速吸收过程, 且具有很高的脱硫效率。因此, 选用旋流板塔脱硫吸收器。

3)脱硫除尘原理

(1) 氧化镁法脱硫原理

化镁法脱硫的主要原理: 在洗涤中采用含有MgO 的浆液作脱硫剂, MgO 被转变为亚硫酸镁(MgSO3) 和硫酸镁 (MgSO4) , 然后将硫从溶液中脱除。氧化镁法脱硫工艺有如下特点:

A 、氧化镁法脱硫工艺成熟, 目前日本、中国台湾应用较多, 国内近年有一些项目也开始应用。

B、脱硫效率在 90.0%~95.0%之间。

C 、脱除等量的 SO2, MgO的消耗量仅为 CaCO3的 40.0%。

D 、要达到 90.0%的脱硫效率, 液气比在 3~5L/m 3之间, 而石灰石- 石膏工艺一般要在 10~15L/m 3之间。

E、 我国 MgO储量约 80 亿 t, 居世界首位, 生产量居世界第一。

(2) 旋流板塔吸收器脱硫原理

旋流板塔工作时,烟气由塔底从切向高速进入,在塔板叶片的导向作用下旋转上升。逐板下流的液体在塔板上被烟气喷成雾滴状,使气液间有很大的接触面积。液滴在气流的带动下旋转,产生的离心力强化气液间的接触,最后被甩到塔壁上,沿壁下流,经过溢流装置流到下一层塔板上,再次被气流雾化而进行气液接触。由于塔内提供了良好的气液接触条件,气体中的SO2等酸性气体被碱性液体吸收的效果好;旋流板塔同时具有很好的除尘性能,气体中的尘粒在旋流塔板上被水雾粘附,并受离心力作用甩到塔壁而除去,从而具有较高的除 尘除雾效率。

来自锅炉的含尘烟气首先切向进入塔底段,呈螺旋形上升到旋流板,从旋流板叶片间的开孔高穿过,将经特殊给液装置分配到各叶片上的洗涤溶液雾化,雾化后的洗涤溶液获得较高比表面积,并与废气接触完成脱硫除尘。

4) 脱硫除尘工艺设计

(1)主要设计参数

主要设计参数: 处理烟气量 47951 m3/h; 烟气温度 150~160℃; 脱硫除尘塔入口烟温 150~160℃;脱硫除尘塔出口烟温 55 ℃; 脱硫塔入口烟气 SO2 浓度 4082mg/m3 (计算值); 脱硫效率>83.0% (设计值); 脱硫剂氧化镁粉>200 目, 纯度>90.0%; 液气比 2~3 L/m3; 脱硫剂耗量23 kg/h (max); 脱硫剂浆液浓度 10.0% 。除尘效率86% (设计值)。

(2)脱硫除尘工艺设计说明

烟气脱硫除尘工艺可分为脱硫剂配制系统、烟气脱硫除尘系统和循环水系统三大部分。锅炉烟气从烟道切向进入主塔底部, 在塔内螺旋上升中与沿塔下流的脱硫液接触, 进行脱硫除尘, 经脱水板除雾后, 由引风机抽出排空。脱硫液从旋流板塔上部进入, 在旋流板上被气流吹散, 进行气液两相的接触, 完成脱硫除尘后从塔底流出, 通过明渠流到综合循环池。

(3)脱硫剂制备系统工艺流程设计说明

脱硫剂 MgO 乳液的制备系统主要由螺旋给料机、乳液贮槽、搅拌机、乳液泵等组成。

(4) 脱硫除尘工艺设备设计说明

① 旋流板塔:脱硫除尘塔 (旋流板塔) 塔体采用麻石砌筑, 主塔平台、支架、梯子等为碳钢,塔内件包括喷头、旋流板、脱水器、检修孔、支架、接管, 这些物件均采用 316 L不锈钢材质, 以确保整套装置的使用寿命。设备外径为 2 540 mm (塔壁厚 220 mm), 高度为 17 000 mm。

② 除雾器

(5) 废水处理系统

脱硫废水产生量较小, pH 在 6~7 之间, 主要含 SO3, MgSO4 和固体悬浮物等,将其汇入工厂沉淀池中经过曝气处理,上层清液再进入循环池。

(6) 烟气排放分析

经湿法脱硫洗涤净化后的冷烟气经脱水器脱水后, 温度降至露点以下, 通常为 50~60 ℃, 所含水蒸气已近饱和, 极易结露, 对后续烟道腐蚀性较大, 采用蒸汽再热器提高烟气扩散温度 (≥80 ℃)后经烟囱排放。通过对锅炉烟气污染物净化, 最终排放烟气中污染物浓度预计为: SO2≤500mg/m3,烟尘≤100mg/m3

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