第一篇 火电厂烟气脱硫技术
第一章 脱硫工艺技术概述
第一节 绪论
近二十几年，随着我国经济的快速发展，对能源的需求也不断增加，作为一次能源的煤炭，在相当长的时期内仍然是我国能源的主要来源。目前，中国电力能源结构中，煤电约占3/4，而且在今后相当长的时期不会有很大的变化。燃煤火电厂在将一次能源煤炭转换为二次能源电力的过程中，会产生废气、废水、灰渣及噪声等污染物，其废气中的二氧化硫（SO2）是大气的主要污染物之一，SO2的大量排放既严重污染环境又造成硫资源的巨大浪费。部分城市SO2污染严重，南方地区酸雨污染较重，酸雨控制区内90%以上的城市出现了酸雨。为进一步贯彻环境保护基本国策，实施可持续发展战略，中国政府近年来出台了《中华人民共和国环境保护法》、《中华人民共和国大气污染防治法》等一系列法规标准。为了治理大量燃煤造成的严重酸雨危害，国家不断加大SO2排放的治理力度，并确定将排放收费标准提高。
根据《排污费征收使用管理条例》，SO2排放收费政策发生重大变化，火电企业二氧化硫总缴费量大幅度提高，已实行的环保排放总量控制指标也在逐年减少，火电企业实施烟气脱硫的时间紧迫显而易见。同时，国家已经出台了有关“脱硫电价”的相关政策，给予配套脱硫装置的发电机组在电价上进行一定的调整，以弥补因脱硫增加的发电成本。国家还对使用脱硫石膏的厂家在税收上给予一定的优惠。这都说明了我国政府对火电脱硫在政策上的引导与鼓励。因此，脱硫工程的建设属于当前国家重点鼓励和发展的项目，项目的建设是符合国家产业政策的。
根据国家有关政策要求，新建电厂须配套建设脱硫、脱硝装置。现役运行机组限期改造，加装脱硫装置。2005年4月1日正式实施的《火力发电厂烟气脱硫设计技术规程》（DL/T
5196—2004）中建议，200MW及以上燃煤发电机组采用石灰
石—石膏湿法烟气脱硫工艺。
为贯彻《中华人民共和国环境保护法》、《中华人民共和国大气污染防治法》、《国务院关于落实科学发展观加强环境保护的决定》等法律法规，保护环境，改善环境质量，促进火力发电行业的技术进步和可持续发展，对火电厂排污提出更高要求，2011年制定了《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223—2011）。该标准对重点地区燃煤锅炉烟气排放规定了特
别限值，烟尘为 20mg/m3，SO2为 50mg/m3，氮氧化物
100mg/m3，这就对脱硫脱硝工艺提出了更高要求。
石灰石—石膏湿法烟气脱硫工艺简称FGD，是英文Flue
GasDesulphurizationSystems的缩写。该工艺最早由英国皇家
化工工业公司研制出来，经过欧美等国家几十年来的生产实践和不断完善，各项经济技术指标基本成熟，是目前世界上应用最广的脱硫技术，市场占有率达80%以上。
第二节 主要脱硫工艺简介
目前，世界上燃煤电站所采用的脱硫工艺多种多样，达数百种之多。按脱硫在生产中所处的位置不同可分为：燃烧前脱
硫、燃烧脱硫和燃烧后脱硫（即烟气脱硫）。在这些脱硫工艺中，有的技术较为成熟，已经达到工业应用的水平，有的尚处于试验研究阶段。经过初步筛选，对目前技术较为成熟、在火电厂有一定应用业绩的烟气脱硫工艺进行简单介绍。
一、石灰石—石膏湿法烟气脱硫工艺
石灰石—石膏湿法脱硫工艺采用石灰石或石灰作为脱硫吸收剂，石灰石破碎与水混合，磨细成粉状，制成吸收浆液。在吸收塔内，烟气中的SO2与浆液中的CaCO3以及鼓入的氧化空气进行化学反应生成石膏，SO2被脱除。脱硫后的烟气经除雾器去水、换热器加热升温后进入烟囱排向大气。脱硫石膏浆经脱水装置脱水后回收，脱硫废水经处理后达标排放。
该工艺适用于任何含硫量煤种的烟气脱硫，脱硫效率可达到95%以上。经多年工程应用及不断完善，已成为大型烟气脱硫主流工艺，所以，本书脱硫部分主要介绍该工艺。
二、海水脱硫工艺
海水脱硫工艺是利用海水的碱度脱除烟气中SO2的一种脱硫方法，其工艺流程示意图如图1121所示。在吸收塔内，大量海水逆流洗涤烟气，烟气中的SO2被吸收除去，净化后的烟气经除雾器除雾、烟气换热器加热升温后排放。脱硫后的海水与大量未脱硫的海水混合，经曝气池曝气处理，使
SO23-被氧化成稳定的SO24-，并使pH值及COD调整达到排
放标准后排入大海。
海水脱硫工艺要求靠近海边、海水扩散条件好、电厂燃用低硫煤等条件，因此，在临海燃煤电厂应用较多。该工艺最大问题是烟气脱硫后可能产生重金属沉积和对海洋环境的影响，这需要我们长时间的检测、观察，以期得出科学的结论。
图1121 海水脱硫工艺流程示意图
三、喷雾干燥法脱硫工艺
喷雾干燥法脱硫工艺（为半干法）以石灰为脱硫吸收剂，石灰经消化并加水制成消石灰乳，消石灰乳由泵打入位于吸收塔内的雾化装置，在吸收塔内，被雾化成细小液滴的吸收剂与烟气混合接触，与烟气中的二氧化硫（SO2）发生化学反应生
成亚硫酸钙（CaSO3）和硫酸钙（CaSO4），烟气中的SO2被
脱除。与此同时，吸收剂带入的水分迅速被蒸发而干燥，烟气温度随之降低。脱硫反应产物及未被利用的吸收剂以干燥的颗
粒物形式随烟气带出吸收塔，进入除尘器被收集下来。脱硫后的烟气经除尘器除尘后排放。其工艺流程图如图1122所示。为了提高脱硫吸收剂的利用率，一般将部分脱硫灰加入制浆系统进行循环利用。
图1122 喷雾干燥法脱硫工艺流程示意图
该工艺有两种不同的雾化形式可供选择，一种为旋转喷雾轮雾化，另一种为气液两相流雾化。
喷雾干燥法脱硫工艺具有技术成熟、工艺流程较为简单、系统可靠性高等特点，脱硫率可达到80%以上。该工艺在美国及西欧一些国家应用较为广泛，在125MW以下机组上有一定的应用业绩。
1984年我国在四川内江白马电厂建成了第一套旋转喷雾干燥法烟气脱硫小型试验装置，处理烟气量为3400Nm3/h。于1990年1月在白马电厂建成了一套中型试验装置，该脱硫
装置处理烟气量70000Nm3/h，进口SO2浓度3000ppm。经连
续运转考核，当钙硫比为1.4时，脱硫率可达到80%以上。
1994年在山东黄岛电厂建成一套旋转喷雾干燥法脱硫试验装置，为中日合作项目，处理烟气量3×105Nm3/h，进口
SO2浓度2000ppm，脱硫率可达到70%。
四、烟气循环流化床脱硫工艺
烟气循环流化床脱硫工艺（为半干法）主要由石灰消化输送系统、脱硫反应塔、烟气系统、脱硫灰循环系统、喷粉增湿系统、塔底渣处理系统等组成，其工艺流程示意图如图11 23所示。锅炉预热器出口烟气从反应塔底部进入，与水、石灰浆及部分循环干燥利用的副产品混合，高速进入反应塔喉部后扩散，石灰浆雾滴与烟气中的酸性成分充分接触，被吸收，从而达到脱除SO2的效果。
化学反应过程为：
SO2+Ca（OH）2+H2O—→CaSO3+2H2O 2HCI+Ca（OH）2—→CaCl2+2H2O
2HF+Ca（OH）2—→CaF2+2H2O CaSO3+1/2O2—→CaSO4
脱硫后的烟气通过旋风分离器到电除尘，除去粉尘及灰粒，净烟气由烟囱排入大气。飞灰固体物与残留的石灰在旋风分离器被分离出来，循环至反应器内，使未反应的Ca（OH）2与烟气中的SO2等酸性物质再反应，提高石灰利用率。
石灰Ca（OH）2浆液量受反应塔入口SO2浓度及烟气量控制，水量由反应塔出口温度（一般保持80℃）控制。喷嘴
是一种压缩空气雾化喷嘴，坚固耐磨，不易堵塞。该工艺脱硫
效率在75%～90%之间，Ca/S在2.1左右。
图1123 烟气循环流化床脱硫工艺流程示意图
五、镁法脱硫工艺
镁法脱硫工艺使用氢氧化镁[Mg（OH）2 ]或氧化镁（MgO）为吸收剂，系统主要由制浆部分、吸收塔、氧化塔、悬浮体分离机组成，来自除尘器的烟气经过升压后进入吸收塔，在吸收塔内进行喷淋脱硫，吸收剂由制浆系统制成Mg（OH）2浆液打入吸收塔，吸收塔内的浆液抽出至氧化塔进行强制氧化，充分氧化后的浆液通过悬浮体分离机分离，脱硫副产物硫酸镁（MgSO4）一般采用抛弃处理。其工艺流程示意图如图1124所示。
镁法脱硫工艺从1968年开始研究，于1982年研制成功，在日本国内已有设备的运行业绩。该工艺有较高的脱硫效率，一般在90%以上，适用用于中小容量机组；但副产物一般难以综合利用而采用抛弃处理，抛弃物为水溶液，耗水量较大。
六、电子束法脱硫工艺
本工艺流程由排烟预除尘、烟气冷却、氨的充入、电子束照射和副产品捕集等工序所组成。锅炉所排出的烟气，经过除尘器的粗滤处理之后进入冷却塔，在冷却塔内喷射冷却水，将烟气冷却到适合于脱硫、脱硝处理的温度（约70℃）。烟气的露点通常约为50℃，被喷射呈雾状的冷却水在冷却塔内完全得到蒸发，因此，不产生任何废水。通过冷却塔后的烟气进入反应器，在反应器进口处将一定的氨气、压缩空气和软水混合喷入，加入氨的量取决于SOx浓度和NOx浓度，经过电子束照射后，SOx和 NOx在自由基作用下生成中间生成物硫酸（H2SO4）和硝酸（HNO3）。然后硫酸和硝酸与共存的氨进行中和反应，生成粉状微粒[硫酸铵（NH4）2SO4与硝酸铵NH4NO3的混合粉体]。生成的粉体微粒一部分沉淀到反应器底部，通过输送机排出，其余被副产品除尘器所分离和捕集，经过造粒处理后被送到副产品仓库贮藏。净化后的烟气经过脱硫增压风机，由烟囱向大气排放。
到目前为止，电子束法脱硫仅在日本、美国进行过一些小型工业试验，尚没有在大型机组上应用的业绩。中日合作进行的电子束法脱硫工艺工业化装置试验在成都热电厂一台200MW机组的部分烟气进行，试验装置处理烟气量为30万m3N/h，该装置已投入运行。根据成都电厂的试验和运行情况，副产物硫铵和硝铵物料在电除尘器极板的黏结和防腐问题较大，需经长期运行的考验。
七、氨法脱硫工艺
该脱硫工艺以氨水为吸收剂，副产品为硫酸铵化肥。锅炉来的烟气经烟气换热器冷却至90～100℃，进入预洗涤器经洗
图1124 镁法脱硫工艺流程示意图
洗涤工艺中产生的约30%的硫酸铵溶液排出洗涤塔，可以送到化肥厂进一步处理或直接作为液体氮肥出售，也可以把这种溶液进一步加工成颗粒、晶体或块状化肥出售。
氨法脱硫属较为成熟的一种脱硫工艺，在德国的一些电厂已得到应用，如：曼海姆电厂，处理烟气量为75万 m3N/h；卡斯鲁尔电厂，处理烟气量30万m3N/h等。
图1125 氨法脱硫工艺流程示意图
八、炉内喷钙加尾部增湿活化器脱硫工艺
炉内喷钙加尾部增湿活化器脱硫工艺是在炉内喷钙脱硫工艺的基础上在锅炉尾部增设了增湿段，以提高脱硫效率。该工艺多以石灰石粉为吸收剂，石灰石粉由气力喷入炉膛850～1150℃温度区，石灰石受热分解为氧化钙（CaO）和二氧化碳
（CO2），（CaO）与烟气中的SO2反应生成亚硫酸钙（CaSO3）。
由于反应在气固两相之间进行，受到传质过程的影响，反应速度较慢，吸收剂利用率较低。在尾部增湿活化反应器内，增湿
水以雾状喷入，与未反应的 CaO接触生成氢氧化钙
[Ca（OH）2 ]，进而与烟气中的SO2反应。当钙硫比（Ca/S）
控制在2.5及以上时，系统脱硫率可达到65%～80%。由于增湿水的加入，烟气温度下降，一般控制出口烟气温度高于露点温度10～15℃，增湿水由于吸收烟气热量而被迅速蒸发，未反应的吸收剂、反应产物呈干燥态随烟气排出，被除尘器收集下来。工艺流程示意图如图1126所示。由于脱硫过程吸收剂的利用率较低，脱硫副产物中CaSO3含量较高，其
图1126 炉内喷钙脱硫工艺流程示意图
综合利用受到一定的限制。
该脱硫工艺在芬兰、美国、加拿大、法国等国家得到应用，采用这一脱硫技术的最大单机容量已达300MW。我国在南京下关电厂的2×125MW机组已采用这一脱硫工艺。
九、简易石灰石—石膏湿式高速水平流脱硫工艺
中日合作的太原第一热电厂高速水平流简易湿式烟气脱硫装置，是由日本电源开发株式会社与原中国电力部共同进行的烟气脱硫试验项目。脱硫装置安装于太原第一热电厂12＃锅炉，于1996年1月开始通烟气试运行。设计处理烟气量为60
万Nm3/h，脱硫效率80%，入口SO2浓度2000ppm，吸收塔
入口烟气温度140℃。
该工艺原理与常规石灰石—石膏湿法相同，其主要特点是：①脱硫烟气以水平流方式通过吸收区，且烟气流速比常规湿法高近1倍；②吸收剂石灰石粉的粒径较粗（约100目），用以降低制粉系统的能耗；③吸收塔浆池容积较小，浆液停留时间较短；④控制系统采用PLC方式控制；⑤无烟气换热装置，脱硫后的低温烟气与未脱硫烟气掺混排放，以节约投资。
十、电石渣—石膏脱硫工艺原理
电石渣是工业电厂生产乙炔时产生的废渣，其主要成分是
Ca（OH）2 ，还含CaCO3、SiO2、硫化物、镁和铁等金属的氧化
物、氢氧化物等无机物以及少量有机物，利用电石渣作为脱硫剂的技术是最近几年才得到国内外的关注和认可的，国内已经有电力企业按照电石渣的形态，取其干渣、电石渣浆或电石上清液，分别应用在不同的脱硫工艺当中。
电石渣与上清液搅拌成悬浮液，或直接用电石渣浆喷入脱硫塔中进行脱硫反应，电石渣浆中的主要成分Ca（OH）2的碱性很高，是良好的SO2吸收剂，且电石渣比表面积较大，为50μm以下的粒径，这些都为脱硫效果提供了保障。
电石渣代替石灰石在脱硫系统中的反应过程：
吸收反应：SO2+H2O—→H2SO3
中和反应：H2SO3+Ca（OH）2—→CaSO3+2H2O
H2SO4+Ca（OH）2—→CaSO4+2H2O
氧化反应：CaSO3+1/202—→CaSO4
H2SO3+1/202—→H2SO4
从上述反应过程来看，SO2的吸收过程与石灰石作脱硫剂完全相同，由于电石渣中的Ca（OH）2的溶解度很大，约为石灰石溶解度的10000倍，因此，中和过程可在瞬间完成，就反应过程的基本原理而言，电石渣替代石灰，用作湿法脱硫剂是完全可行的。
国内电石渣的排出量巨大，如果自然沉降处理，占地面积较大，填埋、堆放处理必然造成环境污染，鉴于电石渣物理、化学方面的良好特性，用其替代石灰石作脱硫剂，不但可以解决了电力企业脱硫剂成本高的问题，对于石灰石资源缺乏地区也提供了一个很好的解决脱硫剂来源的办法，并真正实现了废弃物的资源化利用。
目前，该工艺已有应用业绩，本书（第四篇第一章第三节）附有2×350MW超临界机组电石渣—石膏湿法烟气脱硫工程案例。
十一、几种典型脱硫工艺方案比较
国内已建脱硫装置和可行性研究推荐的脱硫方案，绝大部分为石灰石—石膏湿法烟气脱硫工艺，其他脱硫工艺仅适用于特定条件机组或小机组。结合国内外工程的特点，对几种不同的脱硫工艺进行综合比较，见表1121。从表中可以看出，石灰石—石膏湿法烟气脱硫工艺市场占有率超过80%，是目前世界上应用最广泛、技术最成熟的工艺，所以，本书主要介绍石灰石—石膏湿法烟气脱硫工艺。
表1121
几种典型脱硫工艺方案比较表
