随着工业的发展和人们生活水平的提高,对能源的消耗也在不断增加,燃煤锅炉烟气中的SO2已经成为大气污染的主要原因。减少SO2污染已成为当今大气环境治理的当务之急。不少锅炉烟气脱硫工艺已经在工业生产中得到了广泛应用,其对各类锅炉和焚烧炉尾气的治理也具有重要的现实意义。
锅炉烟气脱硫(FGD)是工业行业大规模应用的、有效的脱硫方法。按照硫化物吸收剂及副产品的形态,脱硫技术可分为干法、半干法和湿法三种。干法烟气脱硫工艺主要是利用固体吸收剂去除烟气中的SO2,一般把石灰石细粉喷入炉膛中,使其受热分解成CaO,吸收烟气中的SO2,生成CaSO3,与飞灰一起在除尘器收集或经烟囱排出。湿法烟气脱硫是采用液体吸收剂在离子条件下的气液反应,进而去除烟气中的SO2,系统所用设备简单,运行稳定可靠,脱硫效率高。干法脱硫的最大优点是治理中无废水、废酸的排出,减少了二次污染;缺点是脱硫效率低,设备庞大。湿法脱硫采用液体吸收剂洗涤烟气以除去SO2,所用设备比较简单,操作容易,脱硫效率高;但脱硫后烟气温度较低,设备的腐蚀较干法严重。
1. 石灰石(石灰)-石膏湿法烟气脱硫工艺
石灰石(石灰)湿法脱硫技术由于吸收剂价廉易得,在湿法FGD领域得到广泛的应用。
以石灰石为吸收剂反应机理为:
吸收:SO2(g)→ SO2(L)+ H2O → H+ + HSO3- → H+ + SO32-
溶解:CaCO3(s)+ H+→ Ca2++HCO3-
中和:HCO3- + H+ → CO2(g)+ H2O
氧化:HSO3- + 1/2O2 → SO32- + H+
SO32- + 1/2O2 → SO42-
结晶:Ca2+ + SO42- + 1/2HO2 → CaSO4·1/2H2O(s)
该工艺的特点是脱硫效率高(>95%)、吸收剂利用率高(>90%)、能适应高浓度SO2烟气条件、钙硫比低(一般<1.05) 、脱硫石膏可以综合利用等。缺点是基建投资费用高、水消耗大、脱硫废水具有腐蚀性等。
2. 钠钙双碱法脱硫工艺
钠钙双碱法是以碳酸钠或氢氧化钠溶液为第一碱吸收烟气中的SO2,然后再用石灰或熟石灰作为第二碱进行再生处理吸收液,再生后的吸收液送回吸收塔循环使用。由于采用钠碱液作为吸收液,不存在结垢和浆料堵塞问题,且钠碱吸收速率比钙碱速率快,所需要的液气比低很多,可以节省动力消耗。
脱硫工艺反应原理:
脱硫工程(氢氧化钠):2NaOH + SO2 → Na2SO3 + H2O
Na2SO3 + SO2 + H2O → 2NaHSO3
再生过程(用生石灰):CaO + H2O → Ca(OH)2
2 NaHSO3 + Ca(OH)2 → Na2SO3 + CaSO3 + 2 H2O
Na2SO3 + Ca(OH)2 → 2NaOH + CaSO3
结晶过程(若有氧或曝气后):2CaSO3 + O2 → CaSO4·1/2H2O
该工艺的特点是脱硫效率高、吸收剂利用率高、适应高浓度SO2烟气条件、液气比低、水消耗大、脱硫废水具有腐蚀性等,但优点是工艺流程简单、总投资费用低。
3.烟气循环流化床锅炉干法脱硫工艺(CFB-FGD)
此工艺是为循环流化床锅炉炉内烟气专用的一种干法脱硫工艺(CFB-FGD)。这种工艺以循环流化床原理为基础,通过吸收剂的多次再循环,使吸收剂与烟气接触的时间长达半小时以上,大大提高了吸收剂的利用率,其不但具有干法工艺的许多优点,如流程简单,占地少,投资小以及副产品可以综合利用等,而且能在很低的钙硫比情况下(Ca/S=1.1~1.2)达到甚至超过湿法工艺的脱硫效率(95%以上)。
CFB工艺流程由吸收剂制备、吸收塔、吸收剂再循环、除尘器以及控制系统等部分组成,未经处理的锅炉烟气从流化床的底部进入。流化床的底部接有文丘里装置,烟气经文丘里管后速度加快,并与很细的吸收剂粉末互相结合。颗粒之间,气体与颗粒之间产生剧烈的摩擦。吸收剂与SO2反应,生成亚硫酸钙和硫酸钙。
经脱硫后带有大量固体颗粒的烟气由吸收塔的顶部排出,进入吸收剂再循环除尘器中,该除尘器可以是机械式,也可以是电气除尘器前的机械式预除尘器。烟气中的大部分固体颗粒都分离出来,经过一个中间灰仓返回吸收塔。由于大部分颗粒都循环许多次,因此吸收剂的滞留时间很长,一般可达30分钟以上。中间灰仓的一部分灰根据吸收剂的供给量以及除尘效率,按比例排出固体再循环回路,送到灰仓待外运。
从再循环除尘器排出的烟气如不能满足排放标准的要求,则需要再安装一个除尘器。经除尘后的洁净的烟气通过引风机、烟囱排入大气。
吸收剂一般为Ca(OH)2干粉,颗粒很细,在10μm以下。脱硫时,吸收剂输入硫化床吸收塔,同时还要喷入一定量的水以提高脱硫效率。这样可以使喷水后的烟气温度与水露点十分接近,在多种运行条件下达到很高的脱硫效率。
CFB工艺的副产品呈干粉状,其化学组分与喷雾干燥工艺的副产品相似,主要由飞灰、CaCO3、CaSO4以及未反应的Ca(OH)2等构成。其处置方法也与喷雾干燥工艺的副产品基本相同。CFB工艺的副产品加水后会固化, 屈服强度可达15~18N/mm2,渗透率与粘土类似,约为3×10-11 ,压实密度为1.28g/cm3,如能进一步加以开发, 可成为良好的建材工业原料。
典型的脱硫灰飞的成分为:飞灰约60%~70%;CaCO3为7%~12%;Ca(OH)2为2%~4%;CaSO3为12%~18%;CaSO4为2%~5%;水<1%。
CFB-FGD工艺以区别于传统脱硫工艺的特点在脱硫行业中具有良好的应用前景。CFB-FGD工艺系统简单, 可靠性高;脱硫效率高;烟气负荷变化时,系统仍可能正常工作;脱硫副产品呈干粉状,没有大量废水,利于综合利用;基本上不存在像湿法吸收塔中出现的严重腐蚀、结垢与堵塞等问题;可以脱除部分重金属,特别是可以脱除一部分汞,对烟气的进一步治理很有意义。