海水脱硫技术及其发展.doc

海水脱硫技术及其发展海水脱硫技术及其发展周菊华(武汉电力职业技术学院)摘要:本文介绍利用海水的碱性,吸收锅炉烟气中S02的脱硫工艺流程.同时对某一电厂的工艺流程特点,系统的防腐措施等作了分析和说明.对国内外的技术发展概况进行补充介绍.关键词:海水脱硫;工艺流程;设备防腐.海水呈碱性,pH值一般为8.08.3,其碱度在2.3mg/l左右,对酸性气体如so2具有很大的吸收和中和能力,SO2被海水吸收后,最终产物为可溶性硫酸盐,而海水的主要组成部分就是硫酸盐,海水脱硫对海洋的影响较小,国外研究人员和工程技术人员开发了多种海水脱硫工艺.1.脱硫原理与工艺流程(1)海水脱硫基本原理海水脱硫工艺是利用天然海水作为SO2的吸收剂进行脱硫的工艺.对于沿海利用海水作为直流供水水源的火力发电厂,可以直接利用其排水作为脱硫的吸收剂,从而成为对自然资源综合利用的典型工艺.海水烟气脱硫工艺属于湿法脱硫工艺.它利用海水具有天然的碱度中和被吸收的酸性SO2气体,最终生产稳定的硫酸盐.其化学反应过程如下SO2(g)+H20一sO2(水溶液1)+H20SO2(1)+H20一HSO3一+HHSO3一一SO32+H在海水恢复系统中,加空气氧化:SO3+1/2O(g)一SO4海水中的天然碱度与产生的H中和:CO3-2+H一HCO3一HSO3一+H一CO2(I)+H20CO2(1)一CO2(g)f总的化学反应过程:sO2(g)+H2O+l/2O2(g)一sO4+2HHCO3一+H叶.一CO2f(g+1)+H20(2)海水脱硫的工艺流程海水脱硫工艺中,海水以一次通过的形式吸收烟气中的SO2.然后进入曝气池,在曝气池中注入大量的海水和空气,将SO2氧化成硫酸根离子,其水质得以恢复后又流回大海.烟气在脱硫前要进行除尘,脱硫之后要有烟气再热装置,以保证不腐蚀烟道,烟囱,同时烟气有足够的抬升高度.a.海水输送系统脱硫用的海水取自凝汽器出口循环冷却水虹吸井,部分排水经海水升压泵送入吸收塔顶部,吸收塔排水与其余排水昆合后进入海水水,质恢复系统.深圳西部电厂:在设计工况下,供吸收塔喷沐用的海水量约为7360m/h,海水增压泵房就近建在排水沟旁,内设两台海水增压泵,二台同时运行,不设备用.海水从吸收塔顶部进入吸收塔,将烟气中的SO2洗脱后,从吸收塔底部流出,靠自重流至曝气池.采用温水方案.即F-FGD工艺系统从凝汽器出口取水(循环水按升温8.5考虑),不需从其它地方取水或另设取水口,以煤的含硫量为6.3%,脱硫效率达到90%,海水盐度为2.3%作为设计的原始依据,F-FGD工艺系统海水用量为43200m/h,与单台汽轮机所需循环冷却水量相当.因此,电厂原设计的循环水量即可基本满足FFGD工艺系统的要求.b.烟气系统锅炉排烟经引风机出口烟道引出,经过增压风机及气一气热交换器(GGH)降温后从一8一塔底部自下而上流经吸收塔,吸收塔出口的清洁烟气进入GGH加热升温排人烟囱.吸收塔进出口有挡板和旁路烟道.深圳西部电厂:烟气从引风机出口经调节风门引入FFGD系统,在F-FGD系统调节风门前设100%的烟气旁路系统,正常运行时,旁路烟道上的调节风门关闭.当FFGD系统停止运行时,旁路烟道上的调节风门打开,FFGD系统人口调节风门关闭,以确保机组允许不受影响.进人FFGD系统后的绝大部分烟气经气一气热交换器(GGH)降温后,从塔底部自下而上流经吸收塔,吸收塔出口的清洁烟气在混合加热器中与3%的小旁路热烟气混合,升温后经增压风机,进入GGH加热升温至70PAh(保证值为70X2),经烟囱排人大气.c.SO2吸收系统主要设备为吸收塔.塔内装有填料,烟气自下而向上,海水自上部喷人,气液两相逆流接触以获得较高的SO2脱除率,洗涤后的烟气通过除雾器除去雾滴及携带物后排除.深圳西部电厂:吸收塔是该系统的主要设备之一系统设一座逆流式吸收塔,海水自塔上部喷人,烟气自塔底向上.塔体横截面为正方形,外壳用钢筋混凝土制成.吸收SO2的反应主要在这里进行,海水吸收塔采用液气比为6.65I/Nm3.吸收SO2后酸性海水直接排出塔外.塔内装有填料床,提供较大的气液接触面积,以增强吸收SO2的能力.洗涤后的烟气经除雾器除去其中的雾沐及携带物.由于本FFGD系统采用了单气一气热交换器(GGH),因此吸收塔进气端不设预冷却器,吸收塔的顶部也不设紧急水箱,降低了吸收塔造价.考虑到国产机组在实际运行中排烟温度和含尘浓度的变化幅度大(排烟极端温度可能会高达l80,最大含尘量为279mg/Nm甚至更大),为防止GGH出现超温,结垢或堵塞等现象,故不宜采用管式而优先采用回转式GGH.d.海水水质恢复系统主要由曝气池和曝气系统组成.曝气池为钢筋混凝土半地下结构,又分混合池,曝气池与排水池三个部分.吸收塔排水与凝汽器虹吸井直接排水在混合池内混合,然后进入在曝气池曝气.曝气风机将空气送人曝气池浅层的排气管,细碎的气泡使海水中溶解氧达到饱和,并将亚硫酸盐氧化成硫酸盐.同时排出CO2,使排水中的pH值得到恢复(pH>6.5)后排人大海.一9一深圳西部电厂用大量的来自凝汽器的冷却海水与吸收塔排出的酸性水在曝气池中混合.在曝气池下部安装多排通气管道,管道上有很多排气孔,由曝气风机鼓人大量压缩空气,细碎的气泡使曝气池内海水中溶解氧达到饱和,并将亚硫酸盐氧化成硫酸盐.本系统的另一个目的是通过曝气使海水中的被中和后释放出C02,使排水中的pH值得到恢复.曝气风机建在曝气池旁.处理后的海水pH值保证在6.5以上.合格后的海水由曝气池溢流至排水沟,再排人大海.曝气池主要由钢筋混凝土建成,内壁敷设玻璃钢,池底底面加设500mm厚防腐放渗层.F-FGD工艺主要的生产物为硫酸盐,它仅仅是恢复硫自然循环的平衡.因为如果不用海水脱硫,火电厂排放的SO2进人大气被降雨洗涤,(严重时称为酸雨)通过陆地径流进人海洋,海水脱硫则缩短了这一过程,可以避免破坏陆地生态.为此,F-FGD装置发挥的功能为:截断工业排放的硫回到大海之前进入大气,湖泊,河流并造成污染和破坏的渠道;同时将硫(SO2)以硫酸盐的形式不经过大气,淡水湖,河流和土壤而直接进入大海.在F-FGD工艺中,海水采用一次通过的方式吸收烟气中的SO2,然后进入曝气池,在曝气池中注人大量的海水和空气,将SO2氧化成硫酸根离子,其水质得以恢复后又流回大海.海水中含有大约3.5%的盐分,其中主要为氯化物和硫酸盐.硫酸盐占总盐的l0.8%,碳酸盐占总盐的0.34%,为碳酸钙和碳酸钠,所以,自然界海水呈碱性,pH值一般为8.08.3,其碱度为220290mg/L(按CaCO3计).因此对SO2具有很大的吸收和中和能力,SO2被海水吸收后,最后生成可溶性的硫酸盐,这.些硫酸盐是海水的主要成分之一.对海洋生态环境的研究表明,海水烟气脱硫的排水不影响海洋生物的生存环境,这与海洋对酸性物的中和能力强有关.海水中的硫酸盐在硫菌的作用下厌氧分解生成硫,这些硫沉积在化石内形成可燃硫,因而形成了自然界的硫循环.硫的循环路径简图一10一河流酸雨陆生生态二烟气在排出的海水中,虽然硫酸盐不是污染因子;pH值经处理至大于6.5以后也可达标排放,进人海洋后很快又可达到8.08.3,但由于烟气中还有其他成份,除尘后的烟气中的少量烟尘大部分被洗涤下来也进入海水,故仍需认真进行水环境评价.e.系统防腐措施设备防腐GGH,增压风机防腐由供应商考虑.吸收塔及曝气池主体结构为钢筋混凝土,内衬玻璃钢.海水增压泵,曝气风机仅考虑一般防腐措施管沟及烟道F-FGD系统内所有管沟及烟道均考虑内衬玻璃钢或金属片,以防海水或SO2腐蚀.烟囱防腐电厂3,4号炉共用1座套筒烟囱.外筒为钢筋混凝土结构,内筒材质为COR-TENB.由于F-FGD工艺具有较高的脱硫效率,烟囱进口烟气SO2含量将大大降低,因此,烟囱酸腐蚀的问题大大缓和.但由于约92%的烟气经海水洗涤后,携带约0.2mg/Nm的El-进入烟囱,将给烟囱的防腐带来新课题.2.FFGDT艺特点(1)工艺简单.系统可靠的F-FGD工艺系统主要由吸收塔,再热器和曝气池等部分组成,脱硫原理及工艺简单.由于F-FGD工艺利用海水吸收SO2,不再采用其它添加剂,因此系统不会结垢或堵塞,具有极高的系统利用率.(2)脱硫效率及其保证率高.F-FGD工艺脱硫效率可达90%以上,完全能够满足环保部门关于削减排放的要求.由于系统简单,运行稳定可靠,因而很容易获得很高的脱硫效率保证率.(3)不产生任何气态和固态废弃物,最大程度地减少了FGD装置对环境带来的附加影响.(4)投资省,运行费用低.一般来说约为石灰石一石膏湿法脱硫工艺的2/3以下,运行费用约为后者的1/22/3.F-FGD装置的直接运行费用绝大部分为系统电耗(约占电厂发电量的1%1.5%),除此之外无需采购,运输,制备其它添加剂.3.海水脱硫的应用目前该工艺已有30多套装置投入运行,主要应用于发电厂和冶炼厂.国外最大的装置处理烟气量l125000Nm/h,于1988年在挪威的Husnes炼铝厂投运,该烟气量相当于375MW发电机组.1988年印度Tara电力公司在处于海边河口地的Bombay电厂5号机组(500MW)安装海水脱硫装置,处理其中25%的烟气.第二期工程于19941995年安装,处理另外25%的烟气,运行结果表明,系统性能可靠,脱硫效率高,脱硫率达90%以上,最高达98%.我国深圳西部电厂2号机组(300MW)引进挪威ABB公司的Flakt-Hydro海水脱硫工艺,成为我国第一台海水脱硫工艺.投资约为电厂总投资的78%,工程于l997年7月完成.后石电厂设计装机容量为6600MW.为满足环保要求,锅炉岛设置两台除尘效率达99.85%的双室五电场静电除尘器,烟气脱硝和烟气海水脱硫装置.脱硫装置是目前国内电力系统内安装的最大的海水脱硫设施.4.海水脱硫工艺对海洋的影响|【排水水质海水脱硫技术作为一种减少大气污染的方法,是否有可能给环境(海洋环境)带来二次污染,自然是该项工艺人选工程方案之前人们最关心的问题之一.对海水脱硫装置进口海水和处理后排放的海水水质进行分析,结果见下表:海水脱硫装置进出海水水质比较参数单位进口海水处理后海水温度0C2526pH值87溶解性硫酸盐mg/L27002770COD增量mg/L2.5溶解氧mg/L6.76.0悬浮物增量mg/L0.221可沉降固形物增量mg/L0盐度.1003.33.3从表中看出,海水脱硫后经过恢复系统处理,其水质与脱硫装置进口处的海水水质基本相同,这主要是由于海水吸收了SO2后,氧化生成硫酸盐,同时用大量冷却水稀释.排水中有微量的未氧化的SO2使COD略有增加,经过曝气氧化和稀释,其增量很小.2mg/l的悬浮物增量反映的是采用电除尘器除尘时未除去的粉煤灰,经海水脱硫洗涤下来的,其中有微量重金属溶解,但实验表明,其溶解量远远小于最严格的水质标准.排水对海洋生物的影响为了研究海水脱硫对海洋生物的影响,国外进行了大量试验.挪威Bergen大学鱼类和海洋生物系于19891994年连续对挪威Statiol炼油厂海水脱硫排水海域底质进行了跟踪监测,结果如下:一一重金属,在各采样点和各采样周期重金属含量的变化大多由底泥自然变化产生,对此区域富集动物群调查证明,在排放中附近没有重金属沉积的迹象,且观测值对环境没有影响.一一海底生物群,采样证明海底生物具有良好的环境条件.1989年以来,生物种类及个体数量均有增加,生物种类的多样性和均匀性在逐渐升高.一排放口启用以来,海洋环境条件仍保持良好状态,在海底生物中没有发现有害物质.另外美国R?W?Bech&Associafes的海洋生物学家对关岛的Cabras火电厂海水脱硫排水进行了生物研究,专家们认为”生物积累试验表明,没有一种生物的体内从排水中积累了重金属,根据关岛做的广泛试验,海水脱硫可以用于火电厂”.一l2一海水脱硫装置进出海水水质比较有相当大的吸收能力.从吸收塔出来的吸收母液依靠重力流入水质恢复系统,在这里鼓入空气氧化并加海水稀释,使SO2转化为无害的,最后水质pH值恢复到原有水平.5.国内外发展概况20世纪60年代后期,美国加州柏克莱大学Bromkley教授研究了海水脱硫工艺,后由ABBFakt公司与Norsk-Hydro公司协作开发了实用的海水脱硫工艺,1968年首套商业装置投运,至1995年,该工艺已有20多套投入运行,主要用于冶炼厂与火电厂.该工艺在火电厂的应用起步于美国关岛电力公司(1981年,中试装置),1988年第一套商业化装置在印度TATA电厂投运,TATA电厂处于海湾沿岸,燃煤含硫0.35%,脱硫效率为85%,机组容量为500MW,原设计处理烟气量为l/4,实际处理量已接近l/3.与此同时,在西班牙,印尼,英国,美国以及我国台湾均有应用.该工艺首先在挪威取得环保主管部门对用于冶炼厂的认可,随后在印度,西班牙,Ell度尼西亚,英国和美国等处取得环保主管部门用于火电厂的认可.目前掌握海水脱硫工艺的厂商还有日本的富士化水工业株式会社,法国的Stein公司和德国的FBE等一批企业.西门子公司也给Paition电厂(2610MW)安装了海水脱硫装置.1996年,深圳西部电厂从挪威ABB公司成套引进了海水脱硫装置,安装在l台300MW机组上,并于:1999年投运.随后,福建漳州后石电厂也从日本富士化水工业株式会社为6600MW机组引进了海水脱硫装置,并也已陆续投产.两个工程的实例见后.由于海水脱硫工艺具有技术成熟,流程简单,运行可靠,脱硫效率高,无需另购吸收剂和处理副产物,从而具有投资与运行费用较低等特点,在海滨火电厂的建设中,由于海水资源充足,只要海洋环境条件允许,具有很强的吸引力.目前青岛,黄岛,厦门嵩屿等一批电厂正在就此开展前期工作,已通过环境评价,大多已通过招标确定了供货厂商和拟提供专利的国外合作伙伴.6.深圳西部电厂实例深圳西部电厂与妈湾电厂处于同一厂址,首期安装2300MW机组,其第2台机组(全厂址编号为4号)同步安装海水脱硫装置.锅炉为哈锅生产.电气除尘器由兰州电力修造厂制造,除尘效率99%.2台炉合用一座烟囱,高210m,出口直径7m,钢筋混凝土外筒,耐腐蚀合金钢内筒.电厂燃用晋北烟煤,设计含硫0.63%,实际约为0.75%,BMCR工况实际用煤126.9t/h,相应烟气量为122万m/h,FGD)入口烟温12312,在10414512之间变化.海水流量凝汽器后为12m3/S,含盐2.3%,水温在274012之间变化.FGD设计性能指标如下:(1)在设计工况下,系统脱硫效率90%.在校核工况下70%.(2)曝气池出口pH6.5.排水水质满足GB3097-1982海水水质标准的三类标准.(3)FGI)系统出口烟温7012.其典型海水脱硫系统工艺流程图如图4-1所示.海水泵为250%容量,型号为24sH一9,吸水池及海水泵站布置在主厂房A列外,平面尺寸分别为llm5m及13.5m5.5m.海水泵房为半地下式,有防雨蓬及手动起吊装置.全容量烟气进入l台哪型国产动叶可调轴流风机,再进入德国ABB进口气一气热交换器(双分仓,回转式),最后进入吸收塔;吸收塔出口烟气排人烟道进烟囱,设有100%通过能力的旁路烟道及相应的三个挡板.吸收塔为正方形,14.3m14.3m,高20m,外壳为钢筋混凝土结构,本体吸收效率大于95%,采用逆流式填料塔,出口装有除雾器,内壁防腐.海水水质恢复系统俗称海水处理厂,位于A列外,平面尺寸58mx37m,池深7.3m,半地下钢筋混凝土结构,分为进水池含混合池,曝气池与排水池三段,其中混合池顶封闭,防止S02逸出,余为敞开式,曝气风机布置在混合一13池顶部,共设2台,2l18A/761型,由上海鼓风机厂供货,风机房有手动起吊装置及防雨蓬,并有消音器减少噪声.海水脱硫工艺中防腐是一个较突出的问题,具体措施包括:(1)吸收塔身为钢筋混凝土结构,内衬有机树脂,内部管件,填料选用加强玻璃钢材料或聚丙烯材料.(2)烟道为钢结构,内衬有机树脂.(3)GGH壳体及转子衬有机树脂,传热元件为搪瓷钢材料.(4)曝气池为钢筋混凝土结构,内涂改性环氧煤沥青.,(5)海水管道和曝气管道采用加强玻璃钢管材(FRP).(6)海水升压泵,其进出口阀门,烟气挡板的关键部件选用耐海水腐蚀的合金材料.(7)烟囱内筒选用抗腐蚀的STEN3钢.海水脱硫排水对海洋环境的影响是一个关键问题.为此,在赴国外考察及进行环评的基础上明确了以下问题:(1)海中脱硫工艺中SO42一增量仅占海水中SO4卜浓度的2%左右,是对海洋生物无毒,无害的主要成份之一,无不良影响.(2)COD增量系因残留SO3卜引起的,脱硫后海水COD增量约为2.5mg/L以内,与未脱硫的其余海水混合后,增量不超过0.7mg/L