活性焦烟气脱硫_脱硝工艺在火电及钢铁行业中的应用_谢浩

第八章 环境污染防治技术研究与开发 3329 活性焦烟气脱硫/脱硝工艺在火电及钢铁行业中的应用 谢浩朴桂林 (南京师范大学动力工程学院 江苏 南京 2 1( X )4 2) 摘要介绍了我国火电及钢铁行业烟气脱硫技术应用现状以及所面临的问题 , 阐述了活性焦干法脱 硫/脱硝技术的原理和工艺流程 , 对该技术在火电行业及钢铁工业中应用的可行性及技术经济性进行 了评估 。 分析表明 : 随着我国加大了环保减排的考核力度 , 活性焦烟气脱硫/脱硝技术以其节约水资 源和无二次污染等优点 , 在我国火电及钢铁行业烟气脱硫中将有很大的发展潜力 。 关健词火电钢铁活性焦 脱硫脱硝 一 、 引言 20 (拍 年 , 全国废气中二氧化硫 (50 : )总排放量为22 1 4 . 4万t , 电力行业的5 0 : 排放量占全 国工艺排放量的4 5%左右 , 钢铁行业 的50 : 排放量占全国工艺排放量的 11%左右 , 仅次于电力 行业 。 50 : 的大量排放造成了严重的大气环境污染和酸雨等日趋严重的生态问题 , 尤其在我国中 西部地区 , 具有富煤缺水的地域特性 , 也是我国火电厂 、 钢铁厂相对集中地带 , 如何因地制宜地 开发适合这些地区的烟气脱硫技术势在必行 。 目前 , 我国30 0 MW以上大型燃煤发电厂的新建或扩建都已安装脱硫设备 , 2( X )8年底全国脱 硫装机容量达到3 . 6 3亿kw , 装备脱硫设施的火电机组比例由20 ( ) 7 年的4 8 %提高到了6 0%左 右 , 但仍有很大的提升空间 。 而在我国钢铁行业 , 由于烧结烟气量大 、 烟气成分复杂 、 负荷不稳 定以及副产物难以有效利用等诸多问题 , 使全面实施烧结烟气脱硫鱼待解决的问题更多 。 我国的烟气脱硫绝大部分采用石灰石 一 石膏湿法脱硫工艺 , 同时还有循环流化床烟气脱硫 、 海水脱硫 、 氨 一 硫铁法 、 旋转喷雾半干法脱硫等工艺 , 在实施运行中 , 存在的主要问题有 : 许多 烟气脱硫工程设备本身问题较多 、 运行管理水平较低;普遍火电煤质有所下降 , 大部分电厂实际 含硫量超过了设计值;脱硫电价补贴不到位 , 影响了脱硫设备运行的积极性;脱硫副产品得不到 有效的利用 , 如脱硫石膏综合利用率仅为4 5 %左右 , 大部分采用灰场堆放或填埋处理 。 随着经济的发展 , 我国将执行更高的污染物排放标准 , 烟气脱硫工艺系统的更新与改造日益 迫切 。 针对以上问题 , 本文提出了一种活性焦烟气脱硫/脱硝工艺 , 具有较高的脱硫/脱硝效率 , 高度节约水资源 , 可以回收经济性较高的硫黄或硫酸 , 失效的活性焦可以通过燃烧进行处理 , 既 符合环保排放的要求 , 又符合我国经济可持续发展 的战略 。 二 、 活性焦烟气脱硫/脱硝工艺 (一)活性焦简介 活性焦是以煤炭为原料生产的一种吸附剂 , 由原料经过粉化 、 配比 、 成形 、 焦化 、 活化等多 道工序生产而成 。 对于不同的吸附对象 , 其原料种类 、 原料配 比和工艺参数等不一样 。 在火电及 钢铁行业的烟气脱硫工艺中 , 使用的活性焦是一种直径为 smm (或者gm m ) 、 长3 一 1 0 的圆 柱或扁豆状颗粒如图1所示 。 与活性炭相比 , 活性焦是一种综合强度(耐压 、 耐磨损 、 耐冲击) 高 、 比表面积小 , 具有更好的脱硫 、 脱硝性能 , 能够通过脱硫再生多次循环利用 , 且其堆积密度 较小 。 因此 , 它具有如下特点 : 对 50 : 具有良好的吸附能力 , 对于流过的烟气具有较低的阻力 。 活性焦在脱硫的同时还能脱除重金属和有毒气体 , 同时 , 由于其对固体颗粒有过滤作用 , 故 还有一定的除尘能力 。 由于活性焦具有催化能力 , 在安装脱硫装置的同时 , 可预留脱硝位置 , 只 3330 中国环境科学学会学术年会论文集 (20 10 ) 需增加少量设备 , 就能实现脱硝要求 , 为烟气的进一步净化打下基础 。 图1活性焦外形 (二)脱湖以脱稍原理 在活性焦表面的吸附和催化作用下 , 烟气中的50 : 在 12 0 一 18 0的温度下 , 与烟气中氧气 、 水蒸气发生如下反应 : 50 2+ H20 + 1/20 2 0 H 2504 50 :+ ZNH 3+ H20 *(NH 4 ) 2504 NO与投人的NH 3 以及烟气中的氧在吸附剂表面上进行反应 : NO + NH 3+ 1/ 40 20 NZ + 3/ 2 H 20 50 : 转化为硫酸吸附在活性焦孔隙内 , 同时活性焦吸附层相当于高效颗粒吸附过滤器 , 在惯 性碰撞和拦截效应作用下 , 烟气中的大部分粉尘颗粒在床层内部不同部位被捕集 , 完成烟气脱硫 除尘净化 。 吸附50 : 后的活性焦被加热至 40 ( )左右时 , 解吸出5 0 : (浓度2 0 % 一 3 0 % ) , 而使活性焦 恢复活性 , 其化学反应如下 : H250 4 、 50 3+ H ZO 50 3+ l/ 2 C叶50 : + l/ 2 CO Z (NH ; ) 250 4 0 ZNH3 + H25 0 4 ZNH3 + 3/ 20 2 一 NZ + 3 H20 活性焦的解吸反应相当于对活性焦进行再次活化 , 经过解吸再生后的活性焦 , 被再生塔冷却 至1 20以下 , 由物料输送机械送至吸附脱硫塔循环使用 , 保持高吸附和活化性能的活性焦一般 可以重复循环5 一 1 0次 。 解析出的高浓度50 : , 在采用成熟的化工工艺 , 可生产出多种含硫元素的商品级产品 , 如硫 磺 、 浓硫酸 、 稀硫酸 、 液体50 : 等 。 (三)脱硫/脱稍工艺流程 活性焦烟气脱硫/脱硝系统安装于除尘器和烟囱之间 。 经过电除尘器的脱硫烟气进人移动床 脱硫/脱硝吸附塔 , 在吸附塔内烟气中的50 : 被氧化成50 3 并溶于水中 , 产生稀硫酸气溶胶 , 被 活性焦吸附;同时 , 向吸附塔内注氨 , 氨与 NO 二 在活性焦催化还原作用下生成 N: , 净化后的烟 气经过再次除尘 , 最终由烟囱排人大气 。 吸附有50 : 的活性焦通过物料输送系统进人再生塔 , 利 用烟气加热法再生 , 解吸出50 : 气体 , 恢复活性焦活性 , 产生的50 : 气体进人副产品转化装置 , 整个工艺流程如图2所示 。 第八章 环境污染防治技术研究与开发 3 331 图2活性焦千法脱硫/脱硝工艺流程 经过再生塔处理的活性焦被送至吸附塔循环利用 , 一般可以有效循环5 一 1 0 次 , 需要定期更 换或补充新鲜活性焦 。 失效的活性焦 、 循环过程中分离出来的小颗粒活性焦以及灰分可经过筛分 送人燃烧设备进行燃烧处理 。 活性焦烟气脱研酬脱硝技术是一种干法技术 , 脱硫过程中不消耗工艺水 , 净化后的气体排烟 温度高 , 大于12 0 , 不用进行烟气再加热 。 脱硫过程中无废水 、 废渣排放 。 由于装置的操作温 度较高 , 系统防腐要求低 。 活性焦烟气脱硫/脱硝技术脱硫效率可达9 5% , 脱硝效率达 60 % 一80 % 。 (四)脱硫副产品利用 活性焦烟气脱硫工艺在脱硫过程中通过解吸再生工艺获得高浓度 50 : 气体 , 干基体积比达 2 0 % 一 3 0% , 以其为原料 , 采用现有成熟的化工工艺 , 可生产出多种含硫元素的商品级产品 。 从 图3可以看出 , 其通过直接或深加工转化的产品应用范围 , 涉及 国民经济的各个领域 。 焦钠 、 硫代硫酸馁 重亚硫酸钠 浓硫酸 、 结晶硫酸 声洲州申 液体二氧化硫 吊白块 、 保险粉 环顶讽 亚硫酸按 、 硫酸按 无水亚硫酸钠 圈3解吸的5 0 : 气体利用情况 各种硫资源通过不同途径转化成硫酸后被广泛的应用 , 目前 , 我国已取代美国成为世界上最 大的硫酸消费国 , 20 08 年 , 我国硫酸表观消费量已达54 9 9 万 t (折合纯硫179 5 . 6 万 t) , 且每年 还在以1 0 %左右 的速度递增 。 为弥补硫资源不足 , 我国每年进口大量的硫黄和硫酸 , 20 ( )8年进 3332 中国环境科学学会学术年会论文集 (2 0 10 ) 口硫黄84 2 万 t , 硫酸1 6 1万t , 这样的结果不但花费大量外汇 , 而且资源结构势必会降低硫酸行 业抵御市场风险的能力 , 进而影响整个硫酸产业及其相关行业的可持续发展 。 20 08年全国废气中50 : 排放总量2 3 2 1万 t (折合纯硫 n6 0 . 5万 t) , 为当年全国硫酸生产所 消耗硫资源量的三分之二 。 如何有效地将废气中的50 : 回收 , 进行资源化综合利用 , 并转化为不 同种类的化工产品 , 对我国这样一个缺少硫资源和淡水资源的国家来说 , 有着重要的意义 。 (五)国内外发展状况 活性焦烟气脱硫/脱硝工艺开发于2 0世纪 6 0年代 , 并于7 0年代开始在国外应用 , 属于干法 烟气脱硫工艺 。 该工艺是一种以物理/化学吸附原理为基础的硫资源可回收的干法烟气脱硫工艺 。 已有数种方法在日本 、 德国以及美国等国家得到工业应用 , 其代表方法有日立法 、 住友法 、 鲁奇 法 、 BF法及Re idl u f t 法等 。 目前为止 , 最大规模工业装置是2( X ) 2 年日本矶子电厂1号6以)MW燃 煤机组的烟气脱硫装置 , 50 : 和NO : 的脱除效率分别为9 5 %和4 0% 。 随着活性焦脱硫技术的逐渐成熟 , 在国外该技术已由火电厂逐步扩展到钢铁行业 、 石油化 工 、 硫酸和化肥工业等领域 , 如表 1所示 。 表1国外已运行的活性焦脱硫装里 用用户户烟气类型型 脱硫效率/ % % 脱硝效率/ % % 投运时间间 N N N ip po nst ee l Co . 新日铁公司司烧结烟气气气气 1987 7 7 日日本出光兴产株式会社社重油分解废气气9 0 0 0 70 0 0198 7 7 7 E E E . V . O . A G 德国国燃煤烟气气 98 8 8 印印 1987 7 7 H H Ho e o h a t AG 德国国 燃煤烟气 气9 2 2 2 7 8 8 81989 9 9 K K K力t aC呷久保田铁工厂 厂焚烧炉烟气气 1的 的6 0 0 0 19 94 4 4 日日本电源开发株式会社竹原电厂厂燃煤烟气气 9 8 8 8 80 0 0 19 95 5 5 日日本电源开发新矶子电厂 厂燃煤烟气 气 95 5 5 2 0 4 0 0 0 2( X )2 2 2 韩韩国浦项制铁铁烧结烟气 气气气 2( X 抖抖 澳澳大利亚博思格钢铁公司司烧结烟气 气 97 7 7 7 72( X 抖抖 近年来我国科研机构也在不断进行活性炭 、 活性焦脱硫的研究 。 首先 , 在活性炭制备与改性 方面取得了很多实验成果 , 2以X)年前后 , 我国的一些生产企业 , 如山西新华化工厂 、 山西玄中 化工实业公司 、 宁煤集团活性炭公司等 , 开始进行脱硫活性焦的生产 , 生产能力可达到年1万 t , 他们生产的活性焦约8 0 %以上出口国外用于烟气净化 。 其次 , 国内一些单位正参与或投运活性 焦脱硫工程 , 20 (只年n 月 , 在 “ 十五 ” 86 3 计划支持下 , 由南京电力自动化设备总厂 、 北京煤 化工研究分院和贵州宏福实业开发有限公司合作完成了活性焦烟气脱硫试验装置 , 这是国内目前 唯一的活性焦烟气脱硫工业装置;20 08年1 0月 , 江苏中兴化工设备有限公司与韩国WI A公司以 及CFT e ch 未来环境发展有限公司合作 , 共同参与现代制铁唐津工厂烧结炉烟气脱硫制酸工程 。 三 、 经济性评价 无论是针对 电厂锅炉烟气还是钢铁厂烧结烟气 , 活性焦烟气脱硫 / 脱硝工艺的经济性评价主 要取决于脱硫烟气的特性 , 包括烟气量 、 烟气成分以及工况稳定性等 。 以某钢铁厂一台13 2扩 的烧结机运行参数为例 , 拟采用活性焦烟气脱硫/脱硝工艺的经济性评价如表2所示 。 第八章 环境污染防治技术研究与开发 3333 表2活性焦脱硫脱硝工艺在电厂中应用的经济性评价 项项目目 单位位 脱硫/脱硝硝硫酸制造造备注注 烧烧结机面积积 m 2 2 2 132 2 2 2 2 2 2 年年运行小时数 数 h h h 79 20 0 0 0 0 0 0 F F FCD人口烟气量 量扩/ h h h 8 3 1以洲 ) ) ) ) ) ) ) 工工程总投资费用用万元元 11叉 叉 叉 ) ) ) ) ) ) ) 小小计计万元元 6350 0 0 36 50 0 0 0 0 工工程年折旧费费万元/ a a a 4 23 . 3 3 3 2 4 3 . 3 3 3 3 3 初初期活性焦充填量量 t t t 1732 2 2 0 0 0 0 0 初初期活性焦折算 算 万元/ a a a 57 . 7 7 70 0 0 活性焦价格50以)元/ t t t 活活性焦年补充量量 口a a a10 80 0 0 0 0 0 0 0 活活性焦年补充费用用万元/ a a a 54 0 0 00 0 0 0 0 年年耗电费用用万元/ a a a 361 . 2 2 2 2 0 2 . 8 8 8 电价0 . 4元 元 年年用水费用用万元/ a a a 0 0 05 . 1 1 1 水费按0 . 8元/t t t 液液氨年费用用万元/ a a a 39 2 . 8 8 80 0 0 液氨价格按3 10 0元八 八 轻轻柴油费用用万元/ a a a 0 0 0 0 . 86 6 6 轻柴油价格按535 0元/ t t t 钒钒催化剂剂万元/ a a a 0 0 08 . 5 5 5 钒催化剂价格2 . 5 9万元/ t t t 人人工费用用万元/ a a a 2 5 5 5 50 0 0 脱硫5名 、 硫酸制造1 0名名 大大修费费万元/ a a a 111 . 1 1 1 63 . 9 9 9 固定资产成形率为7 0 % 年年运营费小计计万元/ a a a 1911 . 2 2 2 574 . 4 4 4 4 4 5 5 50 : 浓度度 m 岁矿矿 140 (】 钢铁厂提供 供 氮氮氧化物浓度 度 m 岁 m , , 650 0 0 0 0 钢铁厂提供 供 粉粉尘浓度度 m 岁m 3 3 3 14 2 2 2 2 2 钢铁厂提供供 5 5 50 : 量量 口a a a 9 2 2 0 . 78 8 8 8 8 8 8 N N NO : 量量 口a a a428 1 . 08 8 8 8 8 8 8 粉粉尘量量 口a a a9 35 . 2 5 5 5 5 5 5 5 脱脱硫效率 率 %95 5 5 5 5 设计值值 脱脱硝率率 %70 0 0 0 0 设计值 值 除除尘率 率 %70 0 0 0 0 设计值值 除除S仇量量 k了a a a875 97 41 . 8 8 8 8 8 8 8 5 5 50 : 当量数数 娜 a a a 9 220 780 . 8 8 8 8 85 0 : 当量值(kg) 为0 . 95 5 5 脱脱硝量量 k扩a a a29 96753 . 8 8 8 8 8 8 8 N N NO 二 当量值值 k岁a a a3 15科77 . 6 6 6 6 6 6 6 可可减少气体排放费费万元/ a a a 86 6 . 2 7 7 7 7 7排污收费按0 . 7元/kg g g 除除尘量量 k岁a a a654 675 . 4 4 4 4 4 4 4 可可减少粉尘排放费费万元/ a a a 1 . 96 6 6 6 6 排污收费按3 0 元/ t 3334 中国环境科学学会学术年会论文集 (2 0 10 ) 项项目目 单位位脱硫/脱硝硝 硫酸制造造 备 注注 减减排费用用万元/ a a a 86 8 . 2 2 2 2 2 2 2 硫硫酸年产量量 以a a a a a14la 7 . 8 8 8 8 8 硫硫酸效益益万j口 a a a a a 836 . 4 4 4 硫酸市场价 1X幻元/t t t 脱脱硫/脱硝及硫酸制造运行成本 本 万元/ a a a 10 42 . 9 9 9 一262 . 0 0 0 0 0 年年脱硫/脱硝运行成本本万元/ a a a 78 0 . 9 9 9 9 9 9 9 虽然采用活性焦脱硫工艺初投资相对较高 , 但若将初投资折算到运行费用中 , 可以看出 , 年 运营总费用主要包括工程折旧费 、 物料费 (包括活性焦 、 液氨 、 催化剂 、 轻柴油等) 、 水电费 、 维修费以及人工费等 , 除去由于减排节约的费用和硫酸收益的费用 , 活性焦烟气脱命脱硝工艺 年运行成本反而降低了 。 预算表明 , 对于火电厂锅炉烟气脱硫而言 , 活性焦烟气脱硫/脱硝年运 行成本在 1 一4 元/ M矶之间 , 而对于钢铁厂烧结烟气脱硫 , 活性焦脱硫/脱硝年运行成本在7 - 1 3元/ t钢之间 。 四 、 总结 活性焦烟气脱硫/脱硝工艺具有以下几点优势 : 不需要水资源 , 适宜于工业用水困难或缺乏 地区 , 如我国的东北 、 华北和西北区域;我国煤质资源丰富 , 活性焦的制取工艺成熟 , 为活性焦 烟气脱硫/脱硝工艺的推广提供了保证 ; 基于活性焦的吸附特性 , 在脱硫/脱硝同时可以有效脱除 烟气中的二恶英 、 重金属及粉尘等有害