燃煤烟气的脱硫脱氮技术和经济分析.pdf

燃 2 。 1 燃煤烟气的脱硫脱氮技术和经济分析 前言 战余英林 彦奇 德荣 宋刚 辽宁省环境保护科学研究所 S O 和 NOx是形成 “ 酸雨 ”污染大气 的 主要成份 ， 严重危 及人类生存和生态环境 。 对 动物 、植 物、土壤 、水域 、建筑物 、金属 等 造成浸蚀 和损害 。 NOx还是生成光化 学烟雾 的条件， 参与地面臭氧的生成。 是温室效应 ， 使地球大气温度增 高和臭氧层破坏的有关的 气体。全国每年 由此产生的直接经济损失超 过 3 3亿 美元 。 I 9 9 1年我国排放到大 气中的 S O 1 6 2 0 万吨，比上半年增加 8 ． 6 ，1 9 9 3 年排放到 大气中 1 7 9 5 万吨，比上一年增加 6 ． 5 ，如 此看出随着工业的发展逐年上升。这些 S O z 来 自煤燃烧排放的占 9 0 ， 火电厂燃煤排放 的 S O 占总量的 1 ／ 4左右 。 中国有巨大的煤炭资源， 贮量达 6 0 0 0亿 吨， 每年产煤量超过 I 1 亿吨。 中国燃煤获得 的能量 占能诹 总量 的 7 5 以上 ， 因此 脱硫 脱 氮和 除尘是中国治理燃 煤污染改善大气 环境 的最主要 目标。 1 、典型的脱硫脱氮技术 为了控制从烟气 中排放的 s O 和 N O x ． 近年来各国相继开发了许多同时脱硫脱氮的 方法 ，这些方法中引人注 目的是电子柬法和 z ， 活性 焦吸附法 。本文从 技术和经济上对这两 种方法进行分折，并以在发达国家广泛采用 的组合法 F G C F G DS C R作 基础进行技 术和经济上 的比较 。 I ． 1 组合法 F GC 这 种 方法 是 由石灰 石一石 膏 法 湿 式 脱 S O F G D和选择性 催化还原 法 S C R脱 NO 组合的技术。 。据资料介绍，西德、日 本、美国等国家 ，多数采用这种系统。该组 合技术中湿法脱硫效率高 9 一9 8 ， 吸收 塔自身紧凑。但该法的问题是耗水量大，而 且 必须进行排水的深度 处理 。生成的大量 副 产品石膏应用也有限，烟气在进人烟囱前需 要加热提高温度。该组合技术中的氨选择性 催化还原法的缺点是，脱氨的催化剂寿命维 护比较麻烦，工艺中生成的氨化合物有堵塞 系统的弊病等。 ，因此使该组合法的推广应 用 受到影响 。 I ． 2 电子束法 E B A 为了克服以上方法的缺点 ，国际上开发 了许多同时脱硫脱氮的技术，电子束法即是 属于同时脱硫脱氨的典型方法之一。电子柬 法是利用电子加速器产生的高能粒子照射烟 气 ，使其 S O 和 N O x 氧化生成硫酸和硝酸， 再与添加的氨反 应生成硫酸铵和硝酸铵 。该 技术首先是 日本茬原制作所 i 9 7 0年着手研 7 9 维普资讯 究 ，又经过 与原 子能研 究所 合作研 究 ，1 9 7 4 年进行了 1 千 N r a ／ h T 、l 万 N m’ ／ h r 规模不 同的气 体 试验 ．从 而肯 定 了这 种干法 技 术 1 9 8 3年一 1 9 8 7年 在美 国 印第安纳 州煤 炭火 力发 电 厂 进 行 了 2 ． 4万 Nm ／ h r的 工 业 试 验 受美国能源部委托 ，在堪萨斯州又进行 了 1 ． 4万 Nm t h r的 改进试验 ，在西德进行 了 2 ． 0万 Nv a ／ h r 规 摸的试验 ．都取得 了很 好的 结果 ．其它 有些 国家 也在研究 。该 电子 束法也引起了我国的重视 ，被列为国家 “ 七 五”科研计划 ，进行了小型试验研究。 电子束 法处 理烟 气的优点 1 用一个过程能 同时脱硫脱氮 ，且去 除效率较高 。 2 能 够生成硫酸铵和硝酸铵副 产品作 化肥用，没有废弃物。 3 是干法过程，没有废水及其处理设 施 。 4 因为不 用催化剂 ，所 以不存在 催化 剂中毒 、影响使用寿命的问题． 5 设备结构简单 ，对烟气条件变化适 应性强 ，容易控制。 。 电子束处理法存在的问题 1 该法耗 电量大，由此占的运行费用 很高 。 2 烟气 辐射 装置还不适合用于大 型实 用锅炉 系统 3 处理后的烟气仍然存在排放氮、硫 酸和一氧化二氮的可能性“ 。 1 ． 3 活性 焦 吸附法 该法 是用活性焦炭进行烟气的同时脱 硫 和脱氮，s O 是通过活性焦的微孔催化吸附 作用，生成硫酸贮存于焦炭微孔内，通过热 再生，生成总量虽， p 但含 S O 浓度很高的气 体，根据需要再去转换成各种有价值的副产 品， 如高纯硫磺、 液态 S O 、 浓硫酸、 化肥等 N O 是在加氨的条件下， 经活性焦的催化作 喟生成水和氮 气再排人大气 。该过程 的主要 一 8O 一 譬 r ／ 设备是脱硫脱氮塔 ，活性焦在塔 内 由上 往下 移动，烟气横向交叉通过活性焦炭层，因此 烟 气中的尘也被除掉，不甩专 门设置除尘 器 。 活性焦 和活性 炭是不同的两种炭质吸附 材 料 ．活性炭的综合强度 耐 压 、 耐 磨损 、 耐 冲击 低 ． 而比表面积大， 若用于移动床， 因 吸附 再生 往返使用 损耗大 ，存在着经 济性 问题 。 因此人们研究出比活性炭比表面积小 ． 但 强度 高 的成型活性 焦炭 ， 具有更好 的脱硫 、 脱氮性 能 ，用于烟气 的同时脱硫脱氮 活 性 焦 吸 附 法 是 西 德 B F B e r g b a u F o r s c h u n g 公 司在 1 9 6 7年开 发的 。 日本的 三井矿 山 株公 司，根据 日本的环境标准 对其 进行 了改 进 ，吸 收 了西德 B F公司的成 功 经 验 ，于 1 9 8 1年 到 1 9 8 3年 进 行 了 1千 N m ／ h r 规模的试验。在此基础上又于 1 9 8 4 年 1 O月在 自家的燃煤电厂建立了处理烟气 能力 3万 Nm ／ h r的工业试验装 置 ，经过改 进和 调整 ， 达到 了长期 、稳定 连 续地运 转 。 脱硫率几乎为 1 0 0 ， 脱氨率在 8 O 以上 ， 被 日本通商产业省认定为第_号 商品化装置。 根 据设备运转结果 ，获得了各种 资料 ，肯定 了该干脱的技术 ， 并定 名为三 井～B F法 。同 时建立了 3千吨／ 年成型活性焦炭的商品化 制 造工 厂 1 9 8 5 年 2月，三井矿山 株公司又与 西 德 B F公司签订 了新 的许可 ，将 三井技术 返转让给 B F公司。日本在 1 9 8 7 年 4 月作为 正式的商品化设备，纳入日本出光兴产株式 会社的残渣重油分解装置， 进行脱硫脱氨 ， 处 理排气量 2 O万 Nm ／ h r 该技术 由 日本转 让 给西 德 后 ． 在 其 巴 伐利亚州 E V O公司阿鲁斯贝尔左发电站建 立了 ] l O 万 Nm ／ h r 规模的燃煤锅炉烟气处 理装 置，在赫 开斯都公 司又建立 了 3 2万 N m ／ h r的处理装置，制取浓硫酸副产品。 三井一BF法脱硫脱氮的优 点 维普资讯 1 具有很高 的脱硫 效率 9 8 。 2 能除去湿法难 以除去的 S O， 。 3 能除 去废气 中的 HCI 、HF、 砷 、硒 、 汞 ，是深度处理 的技术 。 4 在低温下 1 O 0 --2 g 0 能得 到高 的脱 氮率 8 0 ， 因而不需要废气升温装置 。 5 在处理 装置后 的排气中可以回收热 量，转换为热水 ，提高了经济效果 6 具有除尘功能 ，不需另设除 尘器 。 7 过程 中不 用水 ， 无需废水处理装置 ， 没有 二次污 染问题 。 8 碱 、盐类对 活性 焦炭投有 影响 ，不 存 在 吸附剂 中毒 问题 。 9 建设费用低，使用动力小则运行费 用低 。 1 0 厂地面积 小也可 以建设。 1 1 可 以 回 收 副 产 品 高 纯 硫 磺 9 9 ． 9 5 或浓硫酸 9 8 ， 或高纯液态 S O 其中任 一副产 品。 1 2 烟气在烟 囱排放前不需要再 加热提 高浮 力。 三井一B F法脱硫脱氮的主要问题 1 固态的热吸 附剂循 环使用，是机械 的方式 ，操作较复杂 。 2 蹶 附剂在运行中有磨和消耗 ，是成 本的主要部分。 3 烟气通过吸附床有较大的压力降。 由于以上特点 ，因此在美 国政府调查 报 告中认为，该技术是最先进的烟气脱硫脱氮 技术 。 2 、 经 济 分 析 根 据 美 国 能源 部 DoE报 告 ，一 个 5 0 0 MW 的火 力发 电厂 ，用湿法脱硫 F GD 其 设 备 费 用 为 1 7 5／ KW ，运 行 费 用 1 8 mi l l e ／ k wh， 在其后组 合进 S C R 法脱氮 ， 设 备费为 1 2 5 ／ KW ，运行费为 6 ． 2 mi l l e ／ k wh 催化剂 使用寿命按六年计算 ， 若按四年寿命 则为 6 mi l l e ／ k wh “ ，因此 合计起 来 该组 合法脱硫脱氮的设备 费用为 3 0 0／ KW ，运 行费为 2 4 ． 2 mi l l e ／ k wh。 活性焦吸附法按 3 0 0 MW 规模的火电厂 烟气同时脱硫脱氮， 其设备费用为 1 7 5 2 2 5 ／ KW ，运行费用为 1 0 ． 8 mi l l e ／ k wh 。 电子束法 1 0 0 MW 规模 的 火 电 厂 ， 烟 气同时 脱 硫 脱 氮 ， 根 据 美 国 能 源 部 报 告 的数据 ，设备费用 是 2 4 7 ／ KW ，运行 费是 2 1 ． 6 mi l l e ／ k w h 。 根据 日本资料报导 ， 电子束 法用于 5 0 0 MW 规模的 电厂 ，设备费是组合 法的 7 O 一 8 0 ，运行 费是组合法 的 9 O ％，由 此计算， 5 0 0 MW 规 模 火 电 厂 ， 电子 束 法 的设 备 费是 2 1 0 2 4 0 ／ K w ， 运 行 费 是 2 1 ． 8 7 mi l le ／ k w h ，这个数值与美国能源部报 告的数值是一致的。 通过以上分析这三种方法的经济比较结 果 见表 1 。 表 1 三种脱硫脱氮方法的经济比较 项 目 组 合处理 法 电子束法 活性焦 吸附法 设备占的空间比例 1 0 0 4 0 较小 设备费 ／ KW 3 0 0 2 l 0 2 4 0 l 7 5 2 2 5 占的比例 1 0 0 7 O 一8 0 6 5 7 5 运行 费 mi l l e ／ k wh 2 4 ． 2 2 1 ． 7 1 0 ． 8 占 的比例 i 0 0 9 0 4 5 电厂规模 Mw 5 O 0 5 0 0 3 0 O 8 1 维普资讯 活性 焦吸 附法 是按 3 0 0 MW 计 算的 ， 若 按 5 0 0 MW 同样规模 比较 经济 效益会更好 。 根 据上述 经 济分析 结 果表 明 ． 活性 焦 吸 附法的设备费用和运行 费用都 比较低． 需要 的建设 空间也 小 ， 尤其是 运 行费用 是 电子束 法的一半 所 活性 焦 吸 附法 在经 济上也 是 具有 竞争 力的 3 、 结 语 根 据电子柬法和活性 焦嗳附法的发展历 史 可以看到 ， 活性 焦法 虽然开发 历史 短 ． 但是 进 展速度非 常快 。 如 日本是在 1 9 8 1 年 进行 的 l O 0 0 Nm ／ h r烟气 脱 硫 脱 氮实 验 ， 1 9 8 4年 建 立 了 3万 Nm ／ h r规模的 工 业试验 ， 1 9 8 7年 进行了 2 O万 Nm ／ h r 规模重油分解的排气 处理 ， 同 时给 西德 建 立 了 1 1 0万 Nm ／ h r 燃 煤 电厂烟气的 处理装置 ， 1 9 8 9年在西德 又建 设 了 3 2万 Nm ／ h r电厂 燃煤烟 气 的处理 装 置等 ， 都 获得 了非常好 的结 果 。相 比之下 ， 电 子束法尽管开 发的历史 较早 1 9 7 0年 ， 在技 术上也有 许多优点 ， 并 引起 各国的注 意 ， 但是 由于实用型 大容量 的 电子 加速 器功 率 较大 ， 耗 电高 ， 价 格昂贵 ， 建设燃 煤 电厂大型的实用 规模 的处理 装置 比 困难 ， 因此实际 进展速 度并不快 。如 1 9 7 4年进行 了 1 0 0 0 Nm ／ h r 重 油燃烧废气的处理试驻 ， 直到 1 9 8 3年才在美 国进行 2 ． 4万 Nm3 ／ h r电厂烟 气处理 的工业 试验 ，研究了二十一年 ，但 是至今未 见到更 大规模的处理装置 。国外认 为电子柬法较 适 合 中小规模的处理 系统 喷雾干燥法是我国极为重视的烟气处理 技术，是我国 “ 七五”计划的重点课题，在 四川省 自马 电厂进行 了 7万 Nm ／ h r规模的 电厂烟气处理的 中试 ， 1 9 9 2年 又由 日本 资助 和设计．在山东黄岛电厂建设大规模的处理 装置 。这种方 法作 为处 理 s O。 的系统 ，建设 费用和运行费用很低，方法简单 ．适应姻气 条件变化能力强 ，可以作为我国目前的锅炉 8 2 大气污染物排放标 准柏技术支持 ，但是如 果 S O 排放 标准进一步提 高时 ， 或者对 NOx也 提 出要 求控制时 ，喷雾干 燥法就不适 应 丁 喷 雾 干 燥 法 除 S O 率 比 较 低 6 0 8 0 ， 不是属于脱氮的技术 ． 要想脱氮． 必 须添加次氯酸钠 ，而这 样 ，它的运行 费用 j 大大增加 达到 2 0 --3 0 mi l l e ／ k wh ，这就超 过了缉 合法的费用 ， 童是 无法接受的 ；喷雾 干爆洼 回收曲固体物 ，应 用 价渔不大 ，如果 要 效地应 用 ， 也需 要经过复 杂的加工过 狴． 因此还 要增 加费用 。 活性焦吸 附法脱硫脱氨有 完整的工艺 系 统， 最终 可以得到 商质量的副 产品 ， 如制 取高 纯度 的硫 磺 9 9 ． 9 5 日本 认为副产 品硫磺 应用范围广 ．贮存 、运输方 便 。丽我 硫矿 资源短缺 ，每 年需要进 口硫磺 3 o万 吨 以上 ， 所以 回收硫磺有 利 。当然 也可以根据 当地的 需要制取浓硫酸或液态 s O 、 他肥等。 这洋一 方面净化了烟气 ，另外也 获得 了化工 产品 。 参考文献 [ 1 ] C Da v i d Li v e n g o o d， US DOE Rc P， CONF一 8 9 0 8 1 4 6 1 3 4 P 1 9 8 9 [ 2 ]获须吉 洋 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