濕法脫硫煙氣中霾的分析及解決途徑

摘要:我國燃煤煙氣90%以上采用濕法脫硫技術,分析表明其排放水汽含鹽排放很可能是霧霾大面積發生的一個主要原因。討論了避免煙氣水汽及所含無機鹽排放的方法,提出了燃煤煙氣污染物干式脫除技術,該技術具有固定投資少、運行費用低、能耗水耗少,脫硫脫硝效率高等優勢,具有顯著的環境效益和經濟效益。

關鍵詞:霧霾  濕法脫硫  煙氣水汽  干式高效脫除  脫硫脫硝

1 、課題背景

我國大范圍霧霾天氣的頻繁發生,極大地影響了社會經濟的發展和人們的身體健康,已成民生之患、民心之痛。

2018年大氣污染防治攻堅一年,權威部門公布的消息是:取得了突出成績。公眾的感覺是:今年的霧霾似乎比2017年來得更早些。原因何在?

表1-1 大氣污染物排放標準

大氣污染物超低排放標準

燃煤鍋爐(重點地區)

燃煤機組(重點地區)

煙塵:20mg/m3

煙塵:5mg/m3

SO2:250mg/m3

SO2:35mg/m3

NOX(以NO2計):100mg/m3

NOX(以NO2計):50mg/m3

汞及其化合物:0.03mg/m3

大氣污染物排放標準制定的初衷并非是治理霧霾,而是治理環境空氣質量標準中限定的三種常規污染物——煙塵、二氧化硫和氮氧化物,它們是霧霾污染物的主要成分,與霧霾關系密切。從總體來看,燃煤電廠三種常規污染物的排放已不是影響環境質量和霧霾形成的主要原因。通過對濕法脫硫過程的分析,我們認為濕法脫硫煙氣中水汽及所含水溶性鹽很可能是霧霾發生一個主要原因。

2、 濕法脫硫煙氣中霾的分析

2.1現有濕法脫硫技術的應用

國內正在實施的超低排放工藝流程圖如下:

圖2-1國內正在實施的超低排放工藝流程示意圖

據統計,目前全球燃煤電廠已有數千臺煙氣脫硫裝置,總裝機容量超過240GW。目前國內濕法脫硫工藝主要采用石灰石/石膏法,這種技術工藝成熟,脫硫效率較高,但固定投資大,能耗高,水耗量大。2×300 MW機組石灰石-石膏法脫硫數據如表2-1所示:

表2-1 石灰石-石膏法脫硫運行結果數據表

年運行量/h

耗水量/Kt·年-1

耗電量/MW·h·年-1

CO2排放量/SO2

石膏堆砌量/SO2

目前認識到的濕法脫硫問題主要如下:

(1)石灰石石膏法濕法脫硫裝置固定投資較大。

(2)濕法脫硫運行費用高, 2×300 MW的機組的年耗電量高達37500 MW/h,相當于燃燒4614 t標準煤。

(3)耗水量大,按年運行6000 h計則年水耗近82.5萬噸水,每小時消耗137.5 t水。

(4)每脫除一噸SO2就會排放0.72噸CO2。

(5)脫硫產物難以有效利用 與礦石膏相比,脫硫石膏質地松散,堆砌量越來越大。

(6)濕法脫硫裝置設備及煙囪腐蝕嚴重。

濕法脫硫之后加裝的濕式電除塵或高效除霧器雖然能夠除去煙氣中的部分固體顆粒,但對PM1.0以下的顆粒及水溶性物質無效。濕式電除塵也存在下述問題:

(1)增加了濕煙氣中的水霧含量,使煙囪冒“白煙”的現象更加嚴重;

(2)設備運行能耗(含阻力能耗)增大約1000-1200kw;

(3)相比減排效果,濕電除塵器的運行成本過高(超過1500元/h)。在實際運行過程中,受鍋爐灰分、煙氣流速等影響,除霧效率會有所下降,有的公司數據是25mg/Nm3。

濕法脫硫煙氣中的較大顆粒在燃煤電廠附近降落形成石膏雨;水汽在煙囪附近凝結產生“白煙”或“白羽”;加裝GGH只能降低“石膏雨”和“白煙”,不能消除更微小顆?;蛩苄晕镔|。

綜上所述,濕法脫硫煙氣中不可避免帶有大量的水汽及含有水溶性鹽。我國大氣平均濕度為9g/Nm3,濕法脫硫排煙濕度為大氣平均濕度的10倍以上。含有的水溶性鹽在空氣中發生一系列變化就可以形成霧霾細顆粒,它在大氣中的停留時間長,具有極強的遷移能力,控制和治理難度很大。

2.2濕法脫硫液分析及實驗

因為我們沒有分析煙囪排放煙氣成分的條件,只能對脫硫漿液進行分析。三種類型機組濕法脫硫排放煙氣的含水量如下表:

表2-4三種類型機組中煙氣含水量

300MW煙氣含水量

600MW煙氣含水量

1000MW煙氣含水量

濕法脫硫

總量上看,按燃燒1噸煤,濕法脫硫煙氣帶出1噸水汽估算,我國燃煤鍋爐煙氣濕法脫硫每年向大氣排放近40億噸的水汽。

在濕法脫硫過程中,由于進入脫硫塔內的煙氣溫度較高,在氣液接觸時漿液中的一部分水會氣化形成飽和水汽,在大量煙氣以3米/秒的速度在脫硫液中的流動下,可以認為脫硫漿液的氣液是平衡的,也就是氣液的組成基本相同。

我們取電廠脫硫漿液,過濾去固體物得到上清液,測其含有1.4%可溶性物質。(水汽中的水溶性鹽含量與石粉來源、脫硫液溫度及pH值、脫硫液循環次數、工藝條件等因素有關,但應該在一定的范圍,建議有關部門做詳細分析)這樣不考慮夾帶的亞微米粒子,計算如下:

300MW機組每小時水汽排放量按160噸計,水汽中可溶性鹽的排放量為:160×1.4% =2.24(噸/小時)。

如果全國濕法脫硫水汽排放量按40億噸計算(有文獻數據),那么水汽中可溶性鹽的每年排放量為:40×106×1.4%=5600(萬噸)

這樣的排放量可能超過三種常規污染物的總和,這很可能是我國霧霾大面積、高強度發生的一個主要原因。

2.2.1 實驗樣品及儀器設備

實驗所用樣品分別在石灰石膏法脫硫系統的不同位置取樣,4個取樣點如下:

1號樣品是煙氣與石灰石漿液在吸收塔中反應后排出的漿液;2號樣品是流出的1號漿液在澄清池中澄清后的上清液;3號樣品是流出的2號上清液和鍋爐污水;4號是在三聯箱中經過綜合處理,沉降,絮凝,澄清處理后的水。

實驗儀器及設備如表1-2所示:

表2-2 實驗儀器及設備

德爾瑪DEM-F525 加濕器

廣東佛山德爾瑪電器有限公司

多功能PM2.5檢測儀KN-A/B

北京中瑞科諾科技有限公司

SHZ-D(Ⅲ)循環水真空泵

鞏義市英峪高科儀器廠

2.2.2 實驗步驟

將取得的4個水樣分別過濾一遍,得上清液。

將加濕器放到密閉的通風廚中,取過濾后的上清液3L加入加濕器,開關設定在一定的速度,運行一定時間,待溫度和濕度不再浮動,每隔30s分別記錄PM1、PM2.5、PM10的值,每組記錄25組數據,最后得平均值。

每個水樣重復以上操作步驟。

同時取日常生活中的礦泉水、蒸餾水、自來水做實驗,結果如下表(均已減去空白實驗值)μg/m3。

表2-3脫硫液霧霾實驗

圖2-2.霧霾實驗對比

自來水、礦泉水和蒸餾水的霧霾實驗對比可以看出:蒸餾水PM值較小,自來水PM值已達到重度霧霾標準,在加濕器使用過程中盡量使用蒸餾水。四個脫硫液樣品的PM2.5值均達到重度污染的情況,處理后的循環水PM10值也接近2000。

燃煤煙氣濕法脫硫過程與使用加濕器相似,脫硫后的凈煙氣雖然經除霧器除去部分較大顆粒,但由于除霧器對于小粒徑的霧滴和水溶性物質難以捕集,就可能造成大量細顆粒物的排放。濕法脫硫排放煙氣中的水汽大約是SO2排放濃度的4000倍,水汽中的無機物排放量大約是SO2排放濃度的40倍。因此,燃煤煙氣排放指標應該綜合考慮:現有排放指標(SO2、NOx和煙塵);二氧化碳排放量(能效);水汽排放量及雜質含量等;

2.4水汽及細顆粒脫除

表2-5 煙氣中水汽的各種技術方法特點

操作方法

冷凍/冷凝法

分離原理

除濕后露點/℃

設備占地面積

操作維修

生產規模

主要設備

冷凍機、冷劑

吸收塔、換熱器、泵

吸附塔、換熱器、切換閥

膜分離器、換熱器

目前唯一可以實現商業化的技術為煙氣冷凝,它通過應用氟塑料換熱器達到減少水汽排放的效果,但它存在以下缺點:

(1)冷凝水汽的水質不高,具有腐蝕性;

(2)需要價格較高、換熱面積較大的氟氟塑料換熱器;

(3)水汽排放降低有限,最低降低25%,仍然有至少75%的水汽排放;

(4)電廠冷源缺乏,或增加大量成本。

傳統除塵技術難以高效捕集PM2.5以下的顆粒物及水溶性物質;利用聲、光、電、磁、熱等各種超細顆粒物凝聚技術過程原理復雜,目前還處于研究階段。

為什么國外也采用濕法脫硫技術沒有發生大范圍霧霾,我們認為這與我國燃煤量過大有關。

表2-6  2014年全球煤炭消費量前十名國家排序

2014年消費量(百萬噸油當量)

2013年消費量(百萬噸油當量)

比2013年增減%

占全球總消費量%

印度尼西亞

中國工程院原副院長杜祥琬指出:“中國的環境容量已經比世界平均水平低好幾倍,中國東部單位國土面積煤炭消耗是世界平均值12倍,京津冀地區煤炭消耗空間密度(單位:平方公里)是全球平均值30倍,可以想象,這些地方怎么能沒霧霾?”因此,我們必須進行煤炭利用技術的革命或者大幅度降低煤炭使用量。

3、燃煤煙氣污染物干式脫除技術

燃煤煙氣干式脫硫是比較好的解決水汽排放的方法,現有干式煙氣脫硫技術有爐內噴鈣法、活性碳(焦)吸附法、電子束輻射法、金屬氧化物脫硫法等。爐內噴鈣法脫硫效率低,一般只適合于循環流化床鍋爐,其它幾種脫硫方法雖然脫硫效率高,但工藝復雜、運行費用高、易造成二次污染等,因此,有必要開發新的煙氣干法脫硫技術。

針對煙氣濕法脫硫技術存在的缺點,我們開發了一種固定資產投資少、運行維護成本低、能耗少、水耗幾乎為零、產物可資源利用的高效氣相煙氣脫硫脫硝超低排放技術。該技術可以克服現有超低排放技術固定資產投資高、運行維護費用高、廢氣排放量大、操作復雜等問題。工藝路線如下圖所示:

圖3-1 高效氣相脫硫脫硝超低排放新技術示意圖

高效氣相煙氣脫硫技術是將脫硫劑經風力輸送系統由噴槍直接將脫硫劑噴入高溫煙道中,脫硫劑氣化,與煙氣中的SO2發生氣相反應,脫硫產物經布袋除塵器收集,可達到高效氣相脫硫的目的。

該技術已在電廠進行了現場試驗,鍋爐類型為170t/h煤粉爐,煙氣量為30×104 Nm3/h?,F場試驗結果圖2所示:

圖3-2 高效氣相煙氣脫硫技術的脫硫效果

從上述結果得出:SO2從4000mg/Nm3脫除至20 mg/Nm3,脫硫效率達99.5%,能夠滿足超低排放SO2 排放濃度不超過35mg/m3的要求。

高效氣相煙氣脫硝技術的現場實驗結果如下圖所示 :

圖3-3高效氣相煙氣脫硝技術的脫硝效果

該脫硝技術不用進行鍋爐改造,脫硝后NOX排放濃度小于50mg/Nm3,脫硝率在90%以上,達到NOX超低排放濃度小于50mg/m3的要求;

在高效氣相脫硫脫硝之后,采用干法分級除塵即可達到燃煤煙氣的超低排放的要求。該項技術的研發成功可減輕企業的煙氣處理經濟負擔,提高煙氣脫硫脫硝技術的市場競爭力,進一步激發新技術的研發能力,促進我國煙氣處理技術的發展。

高效氣相煙氣脫硫脫硝超低排放技術與現有技術相比具有以下優勢:

(1)煙氣處理設備投資大幅度減少:與國內目前應用的裝置相比,固定資產投資可降低80%以上;

(2)運行成本大為降低:該技術節省大量能耗,沒有水耗,運行成本比現有技術還低;

(3)污染物排放量大幅度減少:不僅可以達到現有超低排放的標準,SO2排放濃度小于35mg/m3、NOX小于50mg/ m3,而且不向煙氣處理系統中加水,使煙氣帶出的水汽及所含無機鹽量大為降低,形成霧霾的量也大為減少。

(4)煙氣處理系統安全性高:該技術使用的脫硫劑和脫硝劑都是固體粉末,避免使用氨水、液氨帶來的安全隱患。

高效氣相煙氣脫硫脫硝超低排放技術具有創新的理論基礎,是脫硫脫硝煙氣處理技術的一次革命。該技術可根據電廠、水泥廠及其他高溫煙氣需要處理的廠家要求,分別使用或部分使用,特別適合于電廠的脫硫脫硝改造和未預留脫硫脫硝改造空間的老電廠,是我國目前降低霧霾最行之有效的方法。

(1)濕法脫硫煙氣水汽含鹽排放很可能是我國霧霾大面積發生的一個主要原因,有關分析表明,其排放量可能超過三種常規污染物的總和。

(2)燃煤煙氣污染物干式高效脫除技術是解決濕法脫硫問題的一種可行方法,其中高效氣相脫硫脫硝低排放技術是煙氣處理技術的一大突破,具有創新的理論基礎,脫硫脫硝率分別達到99%和90%以上,達到國家環保排放的要求。

(3)建議國家在全國或全球范圍內征集霧霾治理思路和技術路線,然后組織中試和生產實驗,并進行技術推廣;優先考慮產業環?;?,認真梳理現有工業生產及消費體系的各種污染物排放,征集各種污染物源頭治理技術;開發出低能耗、低排放的工業路線是解決我國CO2、SO2、NOx及大氣霧霾的根本方法。

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