循环硫化床烟气脱硫技术及工艺设计

循环流化床法烧结烟气脱硫系统一、引言SO2主要来自燃料的燃烧，燃料中的硫化铁硫和有机硫，在750℃温度下，90%受热分解并氧化释放。全世界每年消耗数百亿吨化石燃料，通过燃烧提供电能和热源，同时将其中的硫分90%转化为SO2排入大气。在我国，能源结构中煤占3/4。我国煤产量的4/5用于直接燃烧。根据环境年鉴资料，我国2000年SO2排放总量已达到1995万t，为世界之冠。SO2排放是构成我国酸雨污染的主要因素。以1995年为例，我国酸雨面积覆盖40%的国土，局部地区的污染程度相当于发达国家上世纪五六十年代水平。据分析测算，全国由此造成的年社会经济损失达950亿元，约占GDP的1.6%。一般来说，在人为中排放的SO2总量中，火电厂约占一半，工业企业占1/3，其余属于交通运输工具移动源和广泛分散的商用民用炉灶。近10几年来，由于国家推行清洁生产，加大环保投入，强化环境管理的结果，SO2污染势头有所遏制，但尚未发生根本变化。未来10年将是我国经济持续高速发展时期，如不采取有效措施，SO2污染可能制约发展的速度。SO2控制的办法很多，除了采用无污染或少污染的原燃料和清洁生产工艺外，还有高烟囱扩散稀释和烟气脱硫。高烟囱扩散稀释和烟气脱硫作为“末端控制”有着不影响前端工业生产工艺与成本低的特点，所以被广泛采用。采用高烟囱排放是将含SO2的烟气通过高烟囱排入高空，利-1-用自然扩散稀释，使任何地点的SO2落地浓度低于最高允许浓度，但该方法并没有从根本上解决对大气环境的污染。烟气脱硫作为“末端控制”措施是当前应用最广的有效技术，在SO2减排技术中占有重要地位。对于火电厂和烧结厂来说，在今后相当长的时期内，烟气脱硫仍然是首选的SO2减排技术。我国目前正面临广泛开展烟气脱硫的形势。从上世纪70年代开始，开展了大量的前驱性试验研究，为实施烟气脱硫奠定了基础。近10年，为加速突破技术经济关，导向性地引进和建成若干示范工程，为推动烟气脱硫工作铺平了道路。改革开放以来，社会经济蓬勃发展，国家综合实力大大增强，为大规模实施SO2减排和开展烟气脱硫提供了必要的条件。现在，国外烟气脱硫技术已臻于成熟，在进一步改进和完善的基础上，所追求的主要目标是：大幅度降低投资和运行费用，提高运转可靠性和自动化水平，扩大副产物资源化途径。目前，我国已在燃煤电厂推广实施烟气脱硫工程，以循环流化床为代表的干法脱硫工艺和以石灰石/石膏法为代表的湿法脱硫工艺得到广泛应用。国家环保局于2005年10月1日正式发布实施了《火电厂烟气脱硫工程技术规范—烟气循环流化床法》和《火电厂烟气脱硫工程技术规范—石灰石/石膏法》两部环境标准，可见该两种脱硫工艺技术已经得到国内业界一致认可。-2-二、烧结烟气脱硫状况、技术和工艺推荐2．1国内外烧结烟气脱硫现状2．1．1国外烟气脱硫现状国外烧结烟气脱硫的总体状况和技术水平，以日本、美国和德国为代表。由于日本环保法规严厉，烧结废气含硫较高的各类生产厂几乎都设有废气脱硫装置，因此其烧结烟气脱硫工艺的应用程度高于美国和德国。日本烧结厂比较重视环境保护，针对生产过程中产生和散发的灰尘、有害气体、污水、噪音等污染源，采取了各种防范措施。一方面是为了达到国家规定的环境标准；另一方面也是为了创造良好的生产环境，有利于生产操作和人身健康。自20世纪70年代以来，日本烧结厂对含硫高的废气采用了各种脱硫装置，有的还采用了废气脱氮装置，并采取了回收利用除尘系统收集的风尘以及噪音防治等措施。日本烧结行业环保技术有很多在世界上属于一流，在废气脱硫方面，日本在20世纪70年代就已开发了各种烧结废气脱硫技术，详请见表1。表1日本部分烧结厂脱硫装置的情况厂名机号烧结机面积烧结机投产年份处理烟气量（M2/h）进口SO2ppm脱硫率%脱硫装置启动时间住友鹿岛1号机223M2197188000065095~971975住友鹿岛3号机600M219772000000450951976住友和歌山5号机122M2196937000065095~971975住友小仓222M21976720000400931976神钢加古川262M21972800000-3-20世纪80年代中后期以来，日本烧结的环保技术仍在继续发展。一方面为了防治公害，改善环境，减少烧结过程产生的废气及其粉尘排放量，日本的一些烧结厂采用了废气循环法使烧结矿冷却过程中的废气重新循环用到烧结和冷却过程中去，从而大大减少了废气及灰尘的排放量，改善了工厂周围的环境，同时废气循环也有利于烧结矿质量改善。与此同时另一方面在烟气脱硫方面也研制开发了不少新技术，在提高烟气脱硫效率、废气脱硫新方法方面又有了新的内容。欧洲各国的烟气脱硫技术的情况可以以德国为例，更准确地说是以设在杜伊斯堡的蒂森克虏伯钢厂（ThyssenKruppStahlAG）为例，因为其钢产量约占德国总产量的35%。欧洲的钢铁公司联合承担了在烧结厂限制减少废气的排放。在1992年到1995年期间的一项完成的调查显示95%的PCDF/D由烧结厂产生排放。随着初步的实验，由欧盟和德国政府赞助的设备已经研制并被安装在蒂森克虏伯钢厂的第二烧结厂。工厂每日生产产品6000吨，废气流量平均每小时360000M3。欧盟目前钢铁工业环境保护的重点仍然是维护空气质量，减少废气排放。根据环境保护水平和经验而言，各成员国和欧盟总体上较德国有很大程度的差距。一直使德国控制水平远高于其他成员国一个重要的因素很可能就是德国的环保政策和意识高于其他欧盟国家。在德国，环境保护有非常统一的水平，释放水平的平稳归功于严格的实行评估鉴定及其它相关量的限制。此外，严格的制度，一直以来由监督机构在被许可程序框架或新的要求范围内用于对现有的工厂和设备进行管理。在欧洲的其他成员国，同样的努力以试图协调环保技术水平的也正日益出现，特别是对钢铁工业-4-空气污染控制。2．1．2国内烧结厂烟气脱硫现状烧结机是钢铁生产过程的重要设备。烧结工艺将各种粉矿混合伴匀，布料于烧结带上燃烧，粉矿熔融粘结成烧结矿。混料中加有粉焦或煤粉作为燃料。燃料燃烧时，穿过料层吸入空气助燃，燃烧产生的废气中含有SO2等污染物，SO2浓度与燃料含硫量有关。从烟气脱硫角度来看，烧结烟气具有以下特征：1）废气量大；2）烟气温度高；3）SO2浓度低，总量大。我国在烧结烟气脱硫技术研究方面做了一些理论研究和实践工作，在全国一些钢铁和冶金企业如包钢烧结厂、济钢烧结厂、石钢烧结厂、广西柳钢烧结厂、江西弋阳江有色加工厂、广西龙泉锑冶炼厂等也开展了烟气脱硫工程的运行并取得了一定的效果，但钢铁企业烧结烟气脱硫在国内仍未大规模实施。按照国家《国民经济和社会发展第十一个五年计划纲要》和《国家环境保护“十一五”计划》的要求，冶金行业烟（粉）尘、二氧化硫等主要污染物排放量降低10%，所以国内钢铁企业烧结烟气脱硫已势在必行。2．2烧结烟气脱硫技术概述目前，对烧结烟气SO2排放的控制方法主要有低硫原料配入法、高烟囱扩散稀释法、烟气脱硫法等。2．2．1低硫原料配入法烧结烟气中的SO2是由烧结原料中的硫在高温烧结过程中与空气中的-5-O2化合产生的。因此，在确定烧结原料方案时，按照规定的SO2允许排放量来适当地选择、配入含硫低的原料,以实现对排放SO2量的控制。但是低含硫原料配入法由于对原料含硫要求严格，使原料来源受到了一定的限制，烧结矿的生产成本也会随着低硫原料价格的上涨而增加，因此，此法的全面推广应用，有一定的难度。2．2．2高烟囱扩散稀释法通常，烧结排放烟气的主烟囱高80~120m，为使烧结排放烟气中的SO2着地时的浓度满足环境标准要求，常采用高烟囱排放低浓度SO2烟气，但在我国，对大气污染物实行的是浓度和排放总量都必须同时达标（国家标准），因此，高烟囱排放法在我国受到限制。2．2．3烟气脱硫法烟气脱硫法是控制烧结烟气中SO2污染最有效的方法。按工艺特点分为3大类：湿法、干法、半干法。2.2.3.1湿法脱流工艺湿法脱硫是用湿态吸收剂来洗涤烟气以吸收其中的二氧化硫，脱硫产物为湿态，虽然湿法脱硫效率高、吸收利用率高，但是该方法有投资大，设备复杂的缺点。2.2.3.2干法脱硫工艺干法脱硫是指无论加入干态或湿态吸收剂，脱硫最终产物为干态。该方法具有投资低、设备简单等优点，但存在脱硫效率低，吸收剂利用率低的缺点，因此研究发展较慢，在一定程度上制约了其推广应用。2.2.3.3半干法脱硫工艺半干法的工艺特点是：反应在气、固、液三相中进行，利用烟气显热-6-蒸发吸收液中的水份，使最终产物为于粉状，脱硫废渣一般抛弃处置。该方法既能结合湿法和干法脱硫的优点，实现脱硫效率高、吸收率高，同时投资少、设备简单。根据钢铁企业烧结烟气气量较大、SO2浓度较低等特点，比较以上脱硫工艺，我们推荐采用半干法的循环流化床工艺进行烧结烟气脱硫。半干式循环流化床烟气脱硫是以熟石灰为脱硫剂，含硫烟气从循环流化床底部进入反应塔，在反应塔内与石灰进行脱硫反应，除去烟气中的SO2气体，然后烟气携带部分脱硫剂颗粒（大部分脱硫剂颗粒在反应塔内循环）进入旋风分离器，进行气固分离。经脱硫后的纯净烟气从分离器顶部排出，经除尘后排入大气，脱硫剂颗粒由分离器下来后经返料器返回至反应塔再次参加反应，反应多余的脱硫剂颗粒从反应塔底部排出。该工艺的特点是：工艺简单、占用场地小、初期投资少、运行成本低、无废水、脱硫率较高。-7-三、循环流化床烟气脱硫系统技术方案1．系统简介我们采用的循环流化床烟气脱硫系统是在传统半干法工艺的基础上开发出的新一代半干法工艺，其特点是采用了物料再循环，从而有效利用了脱硫剂和飞灰，将生石灰的消耗量降低到最小的程度，因此具有脱硫效率较高，运行费用较低，无二次污染，技术先进成熟等特点。该工艺已于2001年9月被北京市新技术产业开发试验区评定为新技术产品，并于2007年4月被授予国家专利（专利号：ZL200620022949.2）。本系统适用于国内大小类型燃煤锅炉及烧结烟气脱硫工程，并已经得到国内许多大中型企业的认可。循环流化床烟气脱硫系统包括石灰仓、泵、雾化喷嘴、螺旋给料器、循环流化床反应器、旋风分离器、电气控制系统、在线监测系统等。2．技术原理从烧结机排出的含硫烟气被引入循环流化床反应器喉部，在这里与水、脱硫剂和还具有反应活性的循环干燥副产物相混合，石灰以较大的表面积散布，并且在烟气的作用下贯穿整个反应器。然后进入上部筒体，烟气中的飞灰和脱硫剂不断进行翻滚、掺混，一部分生石灰则在烟气的夹带下进入旋风分离器，分离捕捉下来的颗粒则通过返料器又被送回循环流化床内，生石灰通过输送装置进入反应塔中。由于接触面积非常大，石灰和烟气中的SO2能够充分接触，在反应器中的干燥过程中，SO2被吸收中和。-8-在反应器内，消除二氧化硫的化学反应如下：烟气中的SO向石灰浆扩散：SO（g）SO（l）22→2SO溶解于浆液滴中的水：SO+H2O→HSO2223形成的HSO在碱性介质中离解：HSO3232•H+HSO4H+2SO+−3→+−23SO（l）+HO+SO2HSO22−23→−3脱硫剂溶解：Ca(OH)=Ca+2OH2+2−形成脱硫产物：2Ca+2SO+HO2CaSO3·HO+2−232→22CaSO+O+4HO2CaSO·2HO322→32含有废物颗粒、残留石灰和飞灰的固体物在随后的旋风分离器内分离并循环至反应器，由于固体物的循环部分还能部分反应，即循环石灰的未反应部分还能与烟气中的SO2反应，通过循环使石灰的利用率提高到最大。脱硫剂与烟气中的SO2中和后的副产品与锅炉飞灰一起，在旋风分离器和反应主塔间循环。因此，新鲜的生石灰与含硫烟气能保持较大的反应面积。反应塔的高度提供了恰当的化学中和反应时间和水分蒸发吸热时间，同时由于高浓度的干燥循环物料的强烈紊流作用和适当的温度，反应器内表面积保持干净且没有沉积物，这也是该系统的主要特点之一。最后，多余的脱硫副产物就通过螺旋器从系统中导入灰斗排至灰场，去除了SO2后的烟气通过烟道引入布袋除尘器或静电除尘器，除去粉尘和灰粒，净化的烟气通过烟囱放入大气。3.工艺说明烟气循环流化床脱硫(CFB-FGD)