摘 要:概述了我国烟气脱硫技术应用和研究开发进展,对发展中国式烟气脱硫道路提出了建议。
关键词:烟气脱硫 研究 开发 应用 进展
1、引言
我国大气污染以煤烟型为主,首要污染物是二氧化硫。我国二氧化硫年排放量2000万吨以上,居世界首位。主要由二氧化硫排放所致的硫酸型酸雨污染危害面积达国土面积30 % ,全国因此每年损失上千亿元。二氧化硫污染已成为制约我国经济、社会可持续发展的重要因素,控制二氧化硫污染势在必行。
烟气脱硫( Flue Gas Desulfurization ,FGD) 是目前世界上唯一大规模商业化应用的脱硫方式,是控制二氧化硫污染的主要技术手段。国外烟气脱硫技术研究始于19世纪50年代。本世纪60年代以来,美国、德国、日本等国开始了对烟气脱硫技术的大规模研究开发与应用,目前已有数百种烟气脱硫技术问世,有数千套烟气脱硫装置投入运行。在成功地控制了二氧化硫污染的同时,各发达国家已形成烟气脱硫相关环保产业,正进军亚洲和全球的巨大市场。我国烟气脱硫技术的发展正面临大好机遇与严峻挑战。本文在概述我国烟气脱硫技术研究、开发和应用现状基础上抛砖引玉,探讨发展我国烟气脱硫的道路。
2、我国烟气脱硫技术应用现状
2.1高浓度二氧化硫烟气脱硫技术大规模工业化应用,在脱硫同时回收大量硫资源
SO2 含量高于3 %的烟气,通常称为高浓度二氧化硫烟气。此类烟气可采用钒催化剂接触催化制硫酸等方法脱硫回收利用硫资源。50年代我国有色金属冶炼等生产过程，这类烟气的脱硫制酸研究即有初步成果。1953年,葫芦岛锌厂首次在国内建成冶炼烟气脱硫制酸装置。此后,沈阳冶炼厂、富春江冶炼厂、铜陵有色金属公司、贵溪冶炼厂等企业实现了冶炼烟气脱硫制酸的工业化。目前,我国有色金属冶炼行业的高浓度二氧化硫烟气基本上都已采用催化转化法脱硫制酸,不仅有效地控制了二氧化硫污染,而且使冶炼烟气二氧化硫成为重要的硫资源,补充了我国缺乏的硫资源,企业也取得较大经济效益。每年冶炼烟气脱硫制得的硫酸占全国硫酸年产量10～15% ,如1997年冶炼烟气制酸量即达2178Mt 。
2.2 低浓度二氧化硫烟气脱硫技术工业化应用尚处于起步阶段
SO2 含量低于3%的烟气,通常称为低浓度二氧化硫烟气。我国2亿千瓦机组火电厂锅炉烟气及钢铁、有色、建材等部门50万台工业锅炉、18万台工业窑炉排放的主要是这类烟气。由于烟气中的二氧化硫浓度低(一般仅为011%～015%) ,采用传统的接触法脱硫制酸等方法,技术经济上难度大。目前我国这类烟气的脱硫技术工业化应用程度还很低,已应用的主要是引进的国外烟气脱硫装置和中小锅炉简易除尘脱硫装置。
2.2.1 国外烟气脱硫装置的引进
我国从70 年代后期开始从国外引进烟气脱硫装置,已投入运行的有:1978年, 南化公司从日本引进的2×160t锅炉烟气的“氨—硫铵法”烟气脱硫装置,设备投资530 万美元。1981年,南京钢铁厂从日本引进的处理烧结烟气5×104Nm3/ h 的“碱式硫酸铝法”烟气脱硫装置,总投资280 万美元。1993年,重庆珞璜电厂从日本引进的处理2×360MW机组锅炉烟气的“湿式石灰石—石膏法”烟气脱硫装置,设备投资3660万美元。1994 年,山东黄岛电厂从日本引进的处理100MW 电厂锅炉烟气的“旋转喷雾干燥法”脱硫装置,日本投资3615 亿日元,中方提供115亿元配套。1996年山西太原第一发电厂从日本引进的简易石灰石—石膏法脱硫装置。
1997 年,成都热电厂从日本引进的处理100MW电厂锅炉烟气的“电子束辐照法”装置,投资1104 亿元。另外,北京第一热电厂(2 ×410t/ h) 、重庆( 2 ×200MW) 、浙江半山电厂( 2 ×125MW) 、南京下关电厂(2 ×125MW) 、重庆珞璜电厂二期(2 ×360MW) 、深圳西部电厂(300MW) 等烟气脱硫装置也正在建造中。一大批烟气脱硫装置的引进,为我国烟气脱硫吸收国外先进、成熟的技术奠定了基础。
2.2.2 中小型锅炉简易烟气脱硫技术的应用
针对中小锅炉占全国燃煤锅炉70 %的国情,我国在探索中小型燃煤锅炉二氧化硫污染控制的多种途径,如低硫燃料、型煤固硫等技术的同时,针对中小锅炉特点,开发了一批简易烟气脱硫技术。目前这类技术申请的专利已达几十种,应用数百套。简易烟气脱硫除尘技术一般是在各类除尘设备的基础上,采用石灰、冲渣水等碱性浆液为吸收剂,应用水膜除尘、文丘里除尘、旋风除尘的机理和旋流塔、筛板塔、鼓泡塔、喷雾塔吸收等机理相结合同时除尘脱硫。已形成冲激旋风除尘脱硫技术、湿式旋风除尘脱硫技术、麻石水膜除尘脱硫技术、脉冲供电除尘脱硫技术、多管喷雾除尘脱硫技术、喷射鼓泡除尘脱硫技术等在同一设备内进行除尘脱硫的烟气脱硫技术。其共同特点是设备少、流程短、操作简便,一般除尘效率70 %～ 90 % , 脱硫效率30 %～80 %。
2.3 烟气脱硫技术在我国应用的主要问题
我国从70 年代开始引进国外烟气脱硫成套装置,但迄今为止,仅有不到1 %装机容量的火力电厂和少数中小型锅炉实施烟气脱硫。为什么在国外发达国家成功地控制了二氧化硫污染的烟气脱硫技术在中国发展应用如此缓慢,是中国不需要烟气脱硫技术么?不是。那么,影响中国烟气脱硫技术应用的障碍是什么呢?
2.3.1 影响烟气脱硫技术在我国应用的主要障碍之一是脱硫成本和产物出路问题
由国外引进的烟气脱硫装置,目前存在的主要问题是装置建设和运行费用高,如我国重庆珞璜电厂2 ×360MW 机组锅炉引进日本“石灰石—石膏法”烟气脱硫装置,装置投资约4000 万美元,每年还需运行费4000万元人民币。脱硫运行成本达1100 元/tSO2 ,装置建设费用占电厂投资16 %。另一方面,国内外目前应用的主要烟气脱硫技术,无论是国外引进的“石灰石—石膏法”、“旋转喷雾干燥法”,还是国内的简易脱硫除尘一体化技术,都存在因产物无出路,不得不作为固体废弃物抛弃的问题。如重庆珞璜电厂一期工程,每年就有25 万吨固体物排放。“建不起,用不起,还有越来越重的包袱背起”,使国内许多企业在应用烟气脱硫技术时望而却步。
2.3.2 将国外烟气脱硫技术国产化是发展我国烟气脱硫技术的重要途径,但并不是唯一道路,应当避免走入“引进引进再引进”和盲目照搬国外烟气脱硫技术道路的误区
近年来,我国在发展烟气脱硫技术方面有了较快进展。提倡以“湿式石灰石—石膏法”为主引进国外烟气脱硫技术并通过国产化制造烟气脱硫装置,降低烟气脱硫装置建设投资,减小脱硫成本的呼声甚高。我们认为,通过国外先进烟气脱硫技术的国产化来加速我国烟气脱硫的进程是必要的,但不是唯一的选择。应当避免在烟气脱硫的发展道路上走入两个误区。
2.3.2.1 避免走入“引进引进再引进”的误区
国内外技术发展的经验告诉我们,发展中国家由于技术落后于发达国家,往往采取“从国外发达国家购买产品从国外购买引进生产装置将引进生产装置国产化”
的道路。这种一度被认为是提高发展中国家技术水平的正确道路,有一显著的负效应,它导致发展中国家的技术陷入“引进引进再引进”的困境,技术水平永远落后于发达国家半拍、一拍。落后就要陷入被动,就要在技术上经济上受制于人,在竞争中处于下风。我国烟气脱硫的技术发展能避免走这样的路吗?
2.3.2.2 避免走入盲目照搬国外烟气脱硫技术道路的误区
国外发达国家成功应用烟气脱硫技术解决了各国的二氧化硫污染问题。但不容否认的是,他们实行的是高投入高消耗解决二氧化硫污染的模式,烟气脱硫装置投资达150～ 280 美元/ Kw , 脱硫成本350 ～ 600美元/ t·SO2 。我国是在人均GNP 仅几百美元,只相当于加拿大1/ 40 ,美国1/ 50 ,日本1/ 65 的经济条件下面对二氧化硫污染问题的。我国的经济状况决定了我国不能照搬国外发达国家高投入高消耗的烟气脱硫模式。另外,发达国家各自也有自己国情,他们
在烟气脱硫技术道路的选择上,实际上都有自己的特色。如日本、德国主要采用“石灰石—石膏法”脱硫成功,其重要原因是两国都缺乏天然石膏资源,因此他们把“石灰石—石膏法”烟气脱硫副产石膏作为重要石膏资源,既解决了本国石膏缺乏的问题,又解决了烟气脱硫副产品出路问题,并相应降低了脱硫成本。而美国天然石膏较为丰富,烟气脱硫副产石膏无出路,由于美国地域较为宽广,故一般采取抛弃的方法,每年烟气脱硫产生固体废弃物约三千万吨。而我国人均土地资源有限,又是一个硫磺等资源缺乏,但天然石膏资源丰富的国家,因而美、日、德等发达国家脱硫副产物出路的解决方式难以在我国应用。
2.3.3 在充分利用借鉴国外烟气脱硫经验基础上,走中国自己的烟气脱硫道路
我们认为,由于我国国情,我国烟气脱硫不能走国外发达国家高投入高消耗解决问题的道路。国外先进的烟气脱硫技术可以引进,可以国产化,更重要的是我国应当加强创新,走出“引进引进再引进”的困境,探索中国自己的烟气脱硫道路。探索中国烟气脱硫道路涉及观念创新、技术创新、机制创新等多方面问题。近二十年来,为探索中国自己的烟气脱硫道路,无数科技工作者和企业、政府各界人士付出了艰辛努力,已有许多宝贵的建议、经验、成果、教训,如能认真总结,将可能使我们明确中国烟气脱硫道路的正确方向,走出自己成功的路。
3、我国烟气脱硫技术研究开发进展
3.1 我国烟气脱硫技术研究开发进展
我国从70 年代开始,经过“七·五”、“八·五”、“九·五”攻关等研究开发,对国际上现有烟气脱硫技术的主要类型都进行了研究试验,并且自主开发了一些新的技术,其中较典型的成果有:
3.1.1 旋转喷雾干燥法(LSDP)
西南电力设计院等单位经过“七·五”攻关,已建成自动化水平较高、全套设备国产化用于中高硫煤的70000Nm3/ h 中试装置,应用于四川内江白马电厂燃煤锅炉烟气处理,烟气中SO2 含量0135 % ,脱硫率80 % ,每年
减少SO2 排放量3300t。
3.1.2 电子束辐照法( EBAP)
电子束辐照法是利用电子加速器产生的电子束辐照烟气,在有氨存在的条件下将烟气中SO2 和NOx 转化成硫铵和硝铵。我国在“七·五”期间由上海原子核研究所等完成了25Nm3/ h 的小试,目前中国工程物理研究院等单位正在建设10000Nm3/ h 的试验装置。与成都热电厂引进的30 ×104Nm3/ h 示范装置的建设运行经验相结合,对我国消化吸收电子束辐照法技术,必将产生有益作用。
3.1.3 脉冲电晕等离子法(PPCP)
该技术利用高电压脉冲在烟气中电晕放电,使SO2 和NOx 分子同注入的NH3 反应生成硫铵和硝铵,可实现烟气脱硫脱硝,既具有电子束辐照法的全部优点,一次性投资更低,因而受到国内外广泛关注。四川大学进行了400Nm3/ h 的试验,目前中国工程物理研究院、大连理工大学等单位正在四川建设20000Nm3/ h 的试验装置。
3.1.4 磷铵肥法(PAFP)
该法是我国自主开发的一种烟气脱硫技术,其特点是利用天然磷矿石和氨为原料,在烟气脱硫过程中副产磷铵复合肥料,其工艺由四部分组成:活性炭一级脱硫制稀硫酸;稀硫酸萃取磷矿制磷酸;磷酸和氨的中和液二级脱硫;料浆浓缩干燥制磷铵复肥。四川省环科院、四川大学、西安热工所、大连化物所等单位经过“七·五”攻关,在四川豆坝电厂已完成5000Nm3/ h 中试, 系统总脱硫率>95 % ,副产(N + P2O5 ) > 35 %的磷铵复合肥料。目前, 在该技术基础上, 已建成100000Nm3/ h 装置。
3.1.5 活性炭纤维法(ACFP)
在“七·五”磷铵肥法烟气脱硫技术攻关同时,四川大学开发了活性炭纤维脱硫催化剂及烟气脱硫技术,并在“八·五”、“九·五”期间连续受国家自然科学基金资助进行了有关催化过程机理、反应动力学等方面基础研究工作。研究结果表明,与传统的粒状活性炭(GAC) 脱硫相比,该技术采用新材料、新设备、新工艺,脱硫率可达95 %以上,单位脱硫剂处理能力高于活性炭脱硫一个数量级以上(一般GAC 处理能力为102Nm3/ h·t ,而ACF可达104Nm3/ h·t ) 。由于工艺过程简单,设备少,操作容易,投资和运行成本低,且能在消除SO2 污染同时回收利用硫资源,因而可在电厂锅炉烟气、钢铁厂烧结烟气各种大中型锅炉和窑炉的烟气SO2 污染控制中采用。另外,我国还在解决“石灰石—石膏法”副产石膏的出路方面,进行了利用石膏制复合肥料的研究,在“氨法”烟气脱硫方面,进行了利用烟气脱硫副产亚硫铵生产磷铵、硫铵、硝铵等肥料的研究,并在生物法脱硫、电化学脱硫等多种技术脱硫方面做了大量研究开发工作。
3.2 高效化、资源化、综合化、经济化是我国烟气脱硫技术发展的重要方向
我国烟气污染控制技术正在加强创新,试图通过“高效化”、“资源化”、“综合化”、“经济化”走适合中国国情的道路。通过燃煤烟气污染控制工艺和装置的“高效化”以减少设备投资和原材料费用;通过污染控制过程中产物的“资源化”以减少二次污染,同时用副产品的收益冲抵部分污染控制费用;通过变对现有各种污染物分别进行单一的处理为“综合化”的脱硫、脱氮、脱碳、除尘的系统优化的处理也将使燃煤烟气污染控制装置的建造和运行费用大为降低。通过“高效化”、“资源化”、“综合化”将可能最终实现烟气脱硫低成本的“经济化”目标。这是目前世界各国烟气净化技术发展的大趋势,是烟气脱硫用高新技术取代与改造传统技术的必然选择。我们应当把握这一大趋势,力争我国烟气脱硫建立在高新技术的高起点上,充分利用国内外先进技术和方法,使我国烟气脱硫走出自己的道路。
参考文献
[ 1 ] 国家环保总局，《环境保护》,1999 (7) ,3～9
[ 2 ] 中国环境科学学会，《脱硫技术》,北京,中国环境科学出版社,1995
[ 3 ] 国家环保局，《大气污染控制技术研究》,北京,科学出版社,1992
（四川环境 1999年第18卷第4期）
