燃煤SO2污染及其控制技术综述

燃煤SO2污染及其控制技术综述崔敬媛焦红光陈清如张春光（河南理工大学材料科学与工程学院，河南焦作454003）摘要作为世界上最大的煤炭生产国和消费国,“煤烟”型大气污染是我国当前面临的主要环境问题之一,其中由于燃煤排放SO2所引发的“酸雨”危害尤为突出。本文首先论述了我国SO2的污染状况，指出劣质燃煤是造成污染的最主要原因，在此基础上分析对比了当前燃前、燃中和燃后常用SO2污染控制技术的优缺点，认为基于我国基本国情，为有效控制当前的SO2污染，应优先发展燃前微粉煤干法脱硫技术。AbstractAsthelargestcoalproducingandconsumingcountryintheworld,airpollutionofsoottypeisoneofthemainenvironmentalproblemswhichourcountryfacesatpresent,amongthembecausethefirecoaldischargesacidrainthatSO2initiatestoitisparticularlyoutstandingtoendanger.ThistextdescribesthepollutionstateofSO2ofourcountryatfirst,pointouttheinferiorfirecoalisamainreasonforpollution,beforeanalyzingandcomparingwithfiringatpresentonthisbasis,fireanddailySO2pollutedtheplusesandminusesofthecontroltechnologyafterfiring,thinkbecauseofourcountryfundamentalrealitiesofthecountry,controlpresentSO2pollutioneffectively,shouldlittlefinecoalbelaw'sdesulphurizationtechnologyhaveprioritydevelopmentfire.关键词二氧化硫污染控制技术Keywordssulfurdioxidepollutioncontroltechnique中图分类号文献标志能源、经济、环境、可持续发展是人类面临的紧迫课题。煤炭提供了我国75％的工业燃料，76％的发电能源和80％的民用商品能源[1]，在我国一次能源消费结构中占有最主要的地位。但是煤炭在生产和加工利用过程的同时也造成了严重的环境污染，其中由于燃煤排放SO2而引发的“酸雨”污染近年来愈演愈烈，已经严重影响到我国全面建设小康社会目标的顺利实现。1燃煤SO2污染现状二氧化硫的主要污染源可归纳为三个方面：(1)硫酸厂和汽车尾气中排放的二氧化硫；(2)有色金属冶炼过程排放的二氧化硫：如铜、铅、锌、钴、镍、金、银等矿物，都含硫化物，在冶炼过程中排放出大量的二氧化硫；(3)燃煤烟气中的二氧化硫[2]：我国煤炭消费量的80％以上直接用于燃烧，燃煤是大气环境中二氧化硫最主要来源。据环境公报报道，我国2004年烟尘排放量1095万t，SO2排放量2255万t。其中燃煤产生的SO2约占总量的90％，CO占总量的7l％，CO2占总量85％，氮氧化物占总量的70％，灰尘微粒占总量的61％[3]。图1列出了不同年份我国原煤产量及SO2排放量之间的关系。从图中我们可以看到近些年来随着原煤产量的增加，二氧化硫的排放量也在不断上升。图1不同年份我国原煤产量及SO2排放量之间的关系Fig1differentyearourcountryrawcoaloutputandSO2withdrawal0102030我国各年份原煤产量与二氧化硫排放量原煤产量（亿吨）13.2512.29.79.5111.113.9316.6719.5621.9SO2排放量（百万吨）23.4620.918.5719.9519.4719.2621.5922.5525.49199719981999200020012002200320042005煤燃烧过程中排出大量的SO2，约占燃煤排放污染物的85%[4]，使我国成为三大酸雨区之首。二氧化硫的大量排放，造成我国南方地区大面积的酸雨，且每年以1亿m2的面积增加。酸雨区域已由西南发展到长江流域，且有向北发展的趋势，严重威胁京津地区。酸雨造成农田减产面积达9.9×1010,森林受害面积达1.28万hm2;大气中S02浓度每增加l0mg/cm3，呼吸系统病亡人数增加5%;S02对建筑物、文物的侵蚀也十分严重,据统计S02污染造成全国每年经济损失达1100多亿元[5]。由于煤炭资源相对充足并能够稳定可靠地获得，因此，在世界范围内，煤炭是可靠的能源。世界能源研究机构预测，由于资源条件的变化，21世纪世界能源消费结构将是石油比重下降，天然气上升，煤炭持平，三者呈均势各占27％-28％。继而将出现一个以天然气为主的短暂时期，然后再转向以煤炭为主。中国化石能源资源探明的可采储量中煤炭占92.94％.中国是当今世界上最大的煤炭生产和消费国，据有关专家预测：煤炭在中国能源结构中的主导地位近50年不会改变[4]。因此防治燃煤二氧化硫污染是当前一项重要和迫切的工作。2燃煤SO2控制技术燃煤S02污染控制技术总体来说可以分为燃烧前、燃烧中及燃烧后等三大类型．所谓燃烧前脱硫主要是指在煤炭的加工转化等煤基燃料制备过程中脱出其中的有害成分；燃烧中脱硫的方式主要是通过洁净煤技术、型煤和流化床燃烧等项技术来实现；而燃烧后脱硫则主要指烟气脱硫技术.2.1燃烧前脱硫燃前脱硫是指煤炭的洗选加工，主要是通过重选、浮选、磁选及氧化、微生物脱硫等技术减少原煤中的硫分和灰分，以降低S02的排放量，根据脱硫机理，燃烧前脱硫又分为物理法、化学法和生物法三种。原煤的燃烧前脱硫是洁净煤的源头技术，既能脱硫又能除灰，同时还可以提高热能利用效率，减少无效运输，并且脱硫的费用较低，无二次污染。表1主要的燃前脱硫方法Table1Mainfrontburnsthedesulphurizationmethods物理脱硫法[5]跳汰分选重介质分选摇床分选电选化学脱硫法[5]浮选脱硫碱法脱硫Meyers法加氢热解脱硫生物脱硫法[6]生物浸出法生物表面处理法2.2燃烧中固硫燃烧中脱硫的原理是向燃煤炉膛内喷撒碱性物质，与燃烧产生的SO2发生中和反应，生成中性物质．减少烟气中的SO2含量。主要的燃烧中固硫方法见表2表2主要的燃中固硫方法Table2mainburnsthesolidsulfurmethod炉内喷钙技术将钙基吸着剂粉料，由气流携带，沿炉膛合适的温度区域喷入，使钙基吸着剂粉料在炉内热解、固硫。流化床燃烧技术它是把燃料和物料(石灰石)一同加入燃烧室的床层中，从炉底鼓风使床料在炉室内沿高度方向上形成有规律的悬浮分布，呈流态化燃烧[7]型煤加工技术用煤粉或低品味煤制成具有一定强度和形状的煤制品的技术[8]2.3燃烧后脱硫燃烧后脱硫就是指烟气脱硫。这是目前世界上惟一的大规模商业化应用的脱硫方式。由于烟气脱硫的主要困难是SO2浓度和总量大、要处理的烟气体积大，因此，虽然烟气脱硫的方法多达十几种。但仍需要合理地选择烟气脱硫工艺，同时还要考虑环境、经济和社会等多方面的因素。根据脱硫产物的干湿形态。烟气脱硫可分为湿法、半干法和干法工艺技术。表3主要的燃后脱硫方法Table3Mainafterburnsthedesulphurizationmethods湿法[9；10]石灰石(石灰)-石膏法简易石灰石(石灰)-石膏法海水脱硫技术稀硫酸吸收法磷铵复合肥法双碱法氨吸收法半干法[11]旋转喷雾干燥法烟气循环流化床脱硫干法[11]吸着剂喷射法电子束辐照法接触氧化法荷电干式吸收制喷射脱法(CDSI)2.4常用脱硫方法比较表4常用脱硫方法比较Table4Commonlyuseddesulphurizationmethodcomparison脱硫方法优点缺点煤炭洗选跳汰分选工艺流程简单，处理能力大脱硫效果欠佳，分选精度低，即便处理易选煤，矸石中精煤损失也高于2％(全国平均约5％)，损失于中煤中的精煤则更高(全国平均约30％)[12]。重介质分选分选效率较高，生产工艺中增加了加重质的回收再生系统；设备磨损比较严重，虽已研制出不少耐磨材料和设备，提高了使用寿命，但与其它选矿方法比较，仍是它的主要缺点[13]。摇床分选有精度高、设备简单等优点，处理能力低、占地面积大电选无须进行煤粉脱水，较湿式脱硫具有应用上的优势处理量小，受空气湿度及煤种影响较大，固硫剂脱硫钙基固硫剂原料丰富,价格便宜目前的钙基固硫剂普遍存在利用率较低的问题,降低热值、增加了炉渣量、高温情况下CaSO4不稳定，会分解重新释放SO2。烟气脱硫脱硫率高成本高3我国脱硫的技术开发及发展方向3.1二氧化硫控制的关键我国的SO2污染大部分来自燃煤，在全国煤炭的消费中，占总量约84％的煤炭被直接燃用。而火电业又是最大的煤炭消费部门，我国二氧化硫排放量的90％来自燃煤，而其中的50％左右来自火电厂。我国电煤消费从1991年的20719.8万t标煤上升到2003年的78153.02万t标量，占煤炭消费量的比重从26．2％到67.6％，火电用煤比例不断上升[14]，到2005年电煤消费约为11.09亿吨[15]。我国能源结构的特点决定了控制二氧化硫污染的关键是控制火电厂二氧化硫的排放量。削减和控制火电厂燃煤二氧化硫污染事在必行[16]。3.2我国脱硫技术发展方向我国因燃煤造成的污染是十分严重的,与其他国家相比,除煤炭消费量大这一客观事实外,另一个主要原因是全社会对使用洁净煤还未形成共识。我国原煤入选比例只有25%,而动力煤入选比重更低,仅为12%,75%以上的煤炭未经分选直接燃用。我国发电用煤平均灰分为28%(美国发电用煤灰分在8%以下),硫分为1.2%,而且,电厂烧劣质煤也成为传统习俗。所以,高灰、高硫中煤,甚至矸石最后都烧掉了。因此,从全国范围来看,等于全部烧原煤。因此,现阶段特别强调,煤炭分选加工是十分必要的[17]。据统计,电厂上脱硫设备,即烟气脱硫,其投资约占总投资的三分之一,在我国现有经济条件下,普遍推广决非易事,所以应首先抓好燃前的净化技术。如每入选1亿t原煤,脱除其中大部分的黄铁矿硫,就可减少二氧化硫的排放量100～150万t,而其成本仅为烟气脱硫的十分之一[17]。我们可以看到燃前控制技术，不仅能够提高煤炭的利用效率、减少灰渣排放量，还能大大减轻煤中的硫分对后续工序设备的腐蚀，从而延长设备使用寿命并降低生产成本，具有许多燃中和燃后控制技术不可比拟的优点。燃前控制技术包括物理、化学和生物选煤方法等，其中化学和生物选煤方法虽然可以同时脱出煤中的无机硫和有机硫，但由于生产工艺复杂、生产周期长和易产生二次污染等因素，短期内难以实现工业化。物理选煤方法包括重选、浮选等，只能脱出煤中的无机硫，目前已经得到了大规模的工业应用。表5中列出我国煤炭资源中全硫的分布情况[18]。我国煤炭中高硫煤贮量约占煤炭总贮量的20％-25％。表6我国中高硫煤中各类硫分平均含量。我国高硫煤中的硫分主要以无机硫为主，且绝大多数以黄铁矿硫为主（约占60％～70％）[19]，同时存在少量的白铁矿硫[20]，因此从理论上讲，采用物理分选方法能够大大降低煤中的硫分，但由于我国煤炭中的黄铁矿多呈细粒嵌布，煤中的硫大都被炭质污染，致使当前通用的重选和浮选方法脱硫效果不佳[21]。表5中国煤炭资源中全硫的分布Table5Chinesecoalresourcesentiresulfurdistribution各煤种所占比例（％）煤种平均硫分特低硫煤低硫煤低中硫煤中硫煤中高硫煤高硫煤全国1.1048.6014.859.305.917.868.54动力煤1.1539.3516.4616.689.487.657.05炼焦煤1.0355.1613.714.183.298.059.62华北1.0342.9914