循环经济理论的关键在实践

循环经济理论的关键在实践

——论烟气脱硫与再利用技术研究

鲁聪达

（浙江工业大学　化工过程机械2003级博士研究生）

摘　要　本文从循环经济理论出发，介绍了采用炉渣作为原料的脱硫实践，从烟气脱硫方案、烟气脱硫工艺、烟气脱硫效益等方面对国外脱硫工艺研究进行综述、比较，指出了引进技术的一些不足，结合国内产品开发研究现状对应用结果进行分析检测。实际运行表明脱硫率达到98.9％，实现了以废治废的目的。

关键词　循环经济　环保　以废治废　脱硫　实践

一、引言

循环经济虽然没有知识经济叫得响，但却与知识经济一起，成为当今世界两个重要的发展趋势。我国是一个资源和环境容量有限的人口大国，发展循环经济具有重要的现实意义。循环经济的核心是我们原来所说的废旧物资回收和资源综合利用，但作为相对于传统经济而言的一种新经济形态，两者又不完全相同。一是出发点不同，过去我们讲废旧物资回收，主要是因为物资匮乏，通过节约和废旧物资回收利用来缓解供应短缺；现在是强调提高资源的利用效率，降低经济发展的社会成本，创造更好的生活环境。二是范围不同，过去我们强调的是生产资料，如废钢铁、废玻璃、废橡胶等的回收利用，而循环经济中要实现减量化、资源化和无害化回收的废弃物，从生产领域扩展到生活领域，回收重点是城市的生活垃圾。三是途径不同，过去我们通过计划实现废旧物资回收再生，现在则是在法规和标准的严格执行前提下，通过市场运作来发展循环经济。我国目前燃煤SO₂排放量占SO₂排放总量的90％以上，燃煤锅炉产生的SO₂造成了严重的大气污染。我国SO₂每年排放量在1995年已超过了欧洲和美国，居世界第一位。PH值低于5.6的酸雨降水已占国土面积的30％，华中酸雨中心区降水的PH值已低于4，酸雨频率达90％。根据国家环保局统计，目前我国每年排放的SO₂超过2090万吨，因酸雨造成的损失每年超过1100亿元，相当于每吨SO₂造成的损失近5000元。为实现我国国民经济的可持续发展战略，政府已将环境保护提高到日益重要的位置，在环境保护的近期奋斗目标和远期规划中都有明确要求，并相继出台了一些政策和法规，用经济手段促使企业采取措施对SO₂的排放进行治理。对此，相关机构和部门都加快了研究和开发的步伐，一些燃煤火电厂已相继安装了脱硫装置，我国的脱硫技术虽已发展了十多年，但由于经济原因，没有发展得很好。西方一些发达国家及日本、韩国等的脱硫技术已相当成熟，且种类很多，现已超过200种，归纳起来主要有4大类：①燃烧前脱硫(原煤净化主要除无机硫)；②燃烧中脱硫包括流化床燃烧(CFB)和炉内喷吸收剂等；③燃烧后脱硫(包括石灰石湿法、石灰石半干法、石灰石干法、海水法、氨碱法、电子束照射法和吸收剂再生等)；④联合脱硫(包括炉内喷吸收剂加尾部增湿活化法和煤气化联合循环等)。目前应用最多的是燃烧后脱硫，其中石灰石-石膏法占目前现有脱硫工艺技术的70％，其他工艺随技术的进步也逐渐被较多地应用。

二、烟气脱硫技术的分析

目前已在中国脱硫市场的应用公司有：德国斯坦米勒公司、日本三菱公司、芬兰的富腾公司、美国NALCO公司、美国阿兰柯公司、瑞典ABB公司等。这些著名公司的技术比较成熟，在国内有一定的应用，但实际应用状况各有不同。

（一）石灰石-石膏法

德国斯坦米勒公司石灰石-石膏法2001年在杭州半山电厂投入运行，为“九五”重点环保技改示范工程。烟气经FGD（烟气脱硫工程）增压风机至GGH(气-气加热器)，使烟气温度由155℃降至126℃，随后进入脱硫塔脱硫。脱硫剂石灰石粉以浆液的形式补充到吸收塔内与烟气接触、反应、吸收烟气中的SO₂。副产品石膏浆液从吸收塔池中泵出，经一、二级脱水后可以得到含水率小于10％的石膏。该工艺的反应式为

2SO₂+2CaCO₃+H₂O→2CaSO₃·H₂O+2CO₂

在烟气中加入空气及催化剂，可将CaSO₃进一步氧化成CaSO₄，生成石膏。日本三菱公司最早在中国重庆珞璜电厂建成一套石灰石法(湿法)脱硫装置。该工艺的设计脱硫率达95％以上，实际运行时可高达98％。其缺点是投资很高，如半山电厂的工程投资达4.9亿元，约占电厂总投资的10％以上，占地面积大，工艺复杂，操作要求严格，运行费用很高，且工作环境恶劣，粉尘污染严重，运行设备经常发生堵塞。另外，由于中国所使用的石灰杂质质量分数很高，所生成的石膏纯度太低，无利用价值，基本上作废物处理，增加了系统的排灰渣量，使环境废物总量增加。

（二）LIFAC工艺

芬兰的富腾公司研制的一种专利技术LIFAC工艺，即炉内喷钙、炉后增湿脱硫工艺。先将石灰石磨细到325目左右的粉状，喷射到锅炉炉膛上部900℃～1250℃温度区，CaCO₃受热分解

CaCO₃→CaO+CO₂

炉烟中的一部分SO₂和几乎全部的SO₃与CaO反应

2CaO+2SO₂+O₂→2CaSO₄CaO+SO₃→CaSO₄

生成的CaSO₄和未反应的CaO及SO₂随烟气流向锅炉的下游。混合烟气进入活化器后，由喷入的雾化水增湿，烟气中未反应的CaO与水反应生成活性很高的Ca(OH)₂，再与烟气中的SO₂反应，生成CaSO₃，部分被氧化成CaSO₄。

CaO+H₂O→Ca(OH)₂

Ca(OH)₂+SO₂+H₂O+O₂→CaSO₄+H₂O

该工艺在南京下关电厂实施，其特点是占地面积小，投资较少，适用于低硫煤。但为了适应该工艺，要求对锅炉结构进行改造，而且当运行时，极易在锅炉管束上产生结渣现象，对吹灰要求严格。另外，由于后部增湿，使烟温在55℃～60℃之间，为避免尾部烟气温降低于露点而产生腐蚀，需在活化器出口加设烟气再热装置。此外，石灰石粉磨系统，同样会带来粉尘污染、操作环境恶劣等问题，炉内喷钙，炉后活化形成的二次废渣作废弃排放处理，仍然增加了环境废物总量。

（三）荷电干式除硫系统工艺

美国阿兰柯公司的专利技术荷电干式除硫系统(CDSI系统)的原理是，在烟道上设置专门的Ca(OH)₂喷枪，在喷射之前，通过高压静电电晕使Ca(OH)₂粉带电(通常为静电负电荷)，将这些带电的Ca(OH)₂粉喷入烟气流中后，由于吸收剂带相同电荷，相互排斥，会很快在烟气中扩散成悬浮态，这样就增加了Ca(OH)₂与SO₂的接触机会，使反应速度加快，同时带电的吸收剂粒子表面的电晕提高了吸收剂的活性，缩短了与SO₂的反应时间，从而提高脱硫效率。该工艺的缺点是不大适合中国国情，该工艺要求吸收剂石灰为极细小的高质量粉状氧化钙，而中国的石灰纯度很低，含砂量高的石灰粉料极易堵塞喷枪，使“带电后迅速扩散为均匀悬浮态”的优势大为减弱，杂质砂粒也减小了石灰与SO₂的反应几率，如果采用进口氧化钙，满足其细、纯的要求，势必牵动脱硫运行成本提高。另外，喷枪在烟道内的布置角度、进入深度、大断面烟道截面上石灰粉粒浓度场的均匀分布等一系列问题，在工艺上并未获得较好解决。

（四）2.4SO_XOUT脱硫技术

SO_XOUT工艺分为炉内脱硫和炉后脱硫两部分，炉内脱硫是在炉内合适的温度区域喷入石灰乳，石灰乳用压缩空气进行雾化，使烟气中的SO₂与Ca(OH)₂发生反应生成CaSO₄。由于CaO在湿润条件下可加速化学反应，乳液中水分的“爆破效应”可进一步降低粒径，提高表面积，大大增加了反应截面，从而提高脱硫效率，降低了钙硫比，石灰乳液在吸收SO₂的同时，被烟气湿热干燥，形成干的固体粉末，随烟气进入炉后的除尘器收集下来。SO_XOUT的炉后脱硫部分采用增湿活化，飞灰循环利用，与布袋除尘器相配合，该工艺已经在我国首钢公司锅炉上实施，脱硫效率较高，占地面积较小，不需添置新的设备。但其缺点是脱硫的同时产生了大量的CaSO₄废渣，增加了炉后除尘器的负荷，废渣若填埋处理，需要很大的填埋场地，同时会使土壤性质发生改变，若进一步制成建筑石膏，则需投入大量资金，其成品的质量较难达到建筑石膏的要求。

国外脱硫公司的脱硫工艺有一个共同点就是使用石灰作为SO₂的吸收剂，生成CaCO₃/CaSO₄废渣，或废弃堆放，或填埋，或制成建筑用石膏。从我国的应用情况看，作为建筑石膏商品者没有成功的先例(这与我国的石灰质量有关)，一般均是作为二次废渣弃入环境，因此，实际上对环境污染物的总量不但没有减少，反而有增。况且，运行中由于石灰制粉制浆系统粉尘污染，生产环境极差，运行系统经常堵塞，不受工人欢迎。

表1为国内几种烟气脱硫工程（FGD）情况。

表1　国内几种烟气脱硫工程(FGD)情况

三、以废治废的脱硫方案及实践

（一）工艺流程及系统构成

工艺流程如图1所示。

图1　以废治废脱硫流程图

该流程划分为以下结构单元：由吸收剂仓、磨机及计量系统所构成的吸收剂制备系统；由多相反应器、循环泵组成的吸收系统；由水力旋流器、袋式过滤器、真空皮带过滤机组成的脱水系统；由石灰仓、石灰消化机、中和槽组成的工艺循环水系统；由气-气换热器组成的烟气降温和再热系统。

（二）吸收剂制备系统

视吸收剂化学成分的不同，一般要求90％通过150目筛(0.109mm)。经过湿法磨机，控制料量及添加水量，制备成固体质量分数为15％～20％的吸收剂浆液。根据吸收剂来源的不同和硬度（可磨性）的不同，也可以采用干磨，然后用密闭罐车运送到吸收剂制备系统。本工艺由于对吸收剂细度要求的降低，可以大大降低吸收剂制备系统的能耗。

（三）吸收系统

主体设备多相反应器内设有特殊的构件，起到增大气液接触面积、加快反应速度的作用。内部没有一个喷头，彻底杜绝了传统吸收方法喷头易堵、易磨损的缺陷。反应器采用了高气速，根据工况条件的不同，气速控制在5～17m/s之间进行交替变化，液气比一般控制在12～18L/m³之间，液气顺流运行，这样就使得反应器的体积有可能做到最小，阻力损失降到最小。

进入反应器的浆液的PH值一般控制在6～7之间，反应后的浆液的PH值为4左右。

反应器底部有结构特殊的气液分离装置，使得净化后烟气中的残余水分水平100mg/m³。如果烟气中烟尘的亲水性好，那么烟气入反应器前就不必经过除尘器，多相反应器一举完成除尘脱硫功能，烟尘和SO₂的排放同时达标。

多相反应器可根据烟气工况条件的不同而自由组合，可以同时串联和并联使用，一般每一组的允许风量为20万m³/h（工况），单元阻力为800Pa左右，在反应器入口的SO₂浓度为10000～28000mg/m³时，每一单元平均可吸收2000～28000mg/m³左右的SO₂。

本工艺采用以废治废的方法（冶炼厂采用炉渣吸收，电厂可以用粉煤灰或者煤渣来吸收），与石灰石-石膏法相比省略了氧化工序。更重要的是根据吸收剂的不同，吸收后的产物还可以变废为宝（炉渣吸收后可以用作肥料，增产作用十分显著，用煤渣吸收后至少不影响其仍然用作建筑材料），彻底杜绝二次污染。

（四）脱水系统

脱水系统大致上和传统的方法相同，经水力旋流器增稠后采用带式过滤机脱水，之后又增加了袋式过滤器，这一设备由东方环保设备有限公司自主开发成功。经过袋式过滤器之后，所排出的水可以完全满足工艺用水的需要。

（五）循环水系统

为了实现废水零排放，本工艺采用了石灰浆液中和处理的方法构成一个闭路的循环水系统。根据吸收产物用途的不同，可以采用在脱水系统前中和的方法，也可以采用过滤液中和的方法。

（六）烟气再热系统

多相反应器入口烟气温度要求低于90℃，在多机反应器进口设气-气换热器，既可以降低入反应器的温度，又可以将吸收后的尾气升温，有利烟气更好地扩散。

四、使用效果及分析

（一）处理结果

经过上述装置除尘及脱硫，烟气参数经过浙江省环境检测中心站实测如下：SO₂浓度：2.15×10⁴mg/m³→232mg/m³，脱硫效率η=98.93％，达到国内领先水平。该技术已被国家环保局确认为国家重点环境保护实用技术，并已获国家专利。

（二）效益分析

参照电气燃煤锅炉的装机容量，根据设备选用及系统自动化控制程度高低的不同，采用本技术的整体投资仅为600元/kW左右，运行费用约为420元/吨SO₂，系统投运率达95％以上，脱硫率高达98％，耗电量小于电站装机总容量的1.5％，耗水量仅为烟气和过滤渣的挟带水，无任何废水外排。

五、结论及讨论

在废气脱硫中，应充分考虑有害物的妥善回收处理，不对环境造成二次污染，不增加环境废物总量，走可持续发展的道路。我们采用以废治废的方法（冶炼厂采用炉渣吸收，电厂可以用粉煤灰或者煤渣来吸收），并正在进一步研究泥土等作为吸收剂的技术，以达到同时实现治理盐碱地的作用。与石灰石-石膏法相比较省略了氧化工序，更重要的是根据吸收剂的不同，吸收后产物还可以变废为宝（炉渣吸收后可以用作肥料，增产作用十分显著，用煤渣吸收后至少不影响其仍然用作建筑材料），彻底杜绝二次污染。

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