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火电厂应用活性焦烟气脱硫技术分析

根据一个2×330 MW火电工程模拟设计方案和计算数据,对活性焦烟气脱硫技术在火电厂的应用进行了综述和分析,并提出了几点建议。

关键词:火电厂,烟气脱硫,活性焦

0 引言

火电厂SO2排放指控指标日趋严格,烟气脱硫是控制SO2排放所使用的主要手段,目前国内外使用的工艺系统主要有:石灰石-石膏法、海水法、旋转喷雾干燥法、循环流化床以及活性焦烟气脱硫工艺。

石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺在国内已普遍应用,一般脱硫效率在95%以上,系统运行稳定。但耗水量相对较高。活性焦烟气脱硫近年受到广泛关注,脱硫效率在95%以上,尤其在资源回收和节水方面优点突出。符合干旱地区国家节水政策,尤其对于中国主要产煤区缺水严重且运力紧张的现状,火电厂烟气脱硫的节水技术尤其重要。

文中以2台330 MW机组模拟设计方案为例,对活性焦烟气脱硫技术和工程方案进行论述。

1 活性焦脱硫工艺

1.1 活性焦的吸附反应机理

当烟气中含有足量水汽和 O2 时,活性焦烟气脱硫是一个化学吸附和物理吸附同时存在的过程[1]。首先发生的是物理吸附,然后焦表面的某些含氧络合物基团是SO2吸附及催化氧化的活性中心,在有水和氧气存在的条件下将吸附到活性炭表面的SO2最终催化氧化为 H2SO4。可能的反应路径为:

SO2+H 2O → H2SO3 ,(1)

O2 +H 2 SO 3 → H 2 SO 4 ,(2)

就吸附过程而言,工业上应用较多的是固定床和移动床。其中研究和应用较多的是德国和日本。固定床吸附塔(器)吸附再生工艺存在通量小、不连续、高压降、再生切换频繁等问题,限制了其大规模应用。

1.2活性焦的解吸(再生)反应机理

活性焦的解吸和吸附相比是一个相反的过程。硫酸存在于活性焦的微孔中,吸附了SO2的活性焦被加热到400 ℃~500 ℃,蓄积在活性焦中的硫酸或硫酸盐分解脱附,产生的主要分解物是SO2、N2、CO2、H2O,其物理形态为富SO2的气体,在合适的工艺条件下,SO2体积分率可达到20%以上。可能的反应路径为:

2H2SO4+CàCO2 +2SO2 + 2H2O,(3)

活性焦的解析过程相当于再生过程,在不断地吸附与解析循环中,活性焦受到物理和化学的再生作用,恢复活性后重复使用。

1.3活性焦的工艺系统流程

烟气通过活性焦吸附脱硫装置被净化,吸附饱和的活性焦靠重力流至解吸再生装置,通过加热使活性焦再生,释放出的高浓度SO2混合气体采用现有成熟的工艺技术可用于生产商品浓硫酸、液态SO2、结晶硫磺、硫酸铵等含硫化工产品,再生后的活性焦经筛选后由活性焦输送系统送入活性焦吸附脱硫装置循环使用,筛下的少量小颗粒活性焦可作为锅炉等的燃料[2]。

1.4 技术进展和发展现状

活性焦烟气脱硫工艺开发于20世纪60年代,并于80年代开始工业应用,属于干法烟气脱硫工艺。已有数种方法在日本、德国、美国等国家得到工业应用,其代表方法有日立法、住友法、鲁奇法、BF法及Reidluft法等。目前该工艺在国外已由火电厂扩展到石油化工、硫酸和化肥工业等领域。

中国科研和专业机构多年来也在不断进行研究,并在活性炭制备与改性方面取得了很多实验成果。山西新华化工厂、宁煤集团活性炭公司等公司开始进行脱硫活性焦的生产,他们生产的活性焦已出口用于烟气净化。

在国家863计划的支持下,在贵州宏福热电厂试验完成了活性焦烟气脱硫装置,处理烟气量178 000 Nm3/h,回收的SO2全部用于生产硫酸,2004年建成。国电清新联合德国WKV公司于2008年中标神华胜利2×660 MW活性焦烟气脱硫工程,工程在设计中。

2 模拟工程烟气脱硫方案

2.1 活性焦烟气脱硫工艺

本工程烟气脱硫工艺采用1炉配置1套脱硫装置,包括:烟气系统、SO2吸附系统、解析再生系统、活性焦输送系统、电加热系统和副产品加工系统。

烟气自除尘器出口引出,进入FGD系统吸附塔,脱硫净化后的烟气经引风机通过烟囱排入大气。吸附SO2的活性焦通过输送系统进入再生塔,用电将其加热到400 ℃左右再生。再生塔排出的活性焦经筛分后,由斗式提升机提升回吸附塔,脱硫获得的高浓度SO2的气体由高温离心风机抽出,送入工业硫酸生产装置。

2.2 活性焦脱硫工艺布置

2台机组的脱硫装置对称布置,形成炉后标准长方形脱硫布置区域。顺烟气流向依次布置增压风机、吸附塔、解析塔,其间布置输送系统、热风和冷却风机,两侧布置制酸车间。

2.3 副产品加工系统

脱硫系统解析出的高浓度SO2气体经过制酸车间处理,采用成熟的制酸工艺,生产出纯度为98%的工业硫酸,生产的硫酸符合GB534-2002中一等品的指标。

2.4 主要技术数据

模拟工程的主要技术参数简要计算结果如表1:

3 技术特点分析

3.1 活性焦吸附作用广泛

活性焦表面的大量微孔隙和表面官能团,使得活性焦可以同时高效地进行脱硫、脱硝、除尘和脱除微量的重金属及有机化合物,脱硫率达95%以上,脱氮率达80%以上。可用于净化燃煤、燃油、垃圾焚烧、重油分解和烧结机等烟气。

有研究表明,活性焦脱硫脱硝性能与活性焦的孔隙结构和表面化学特性密切相关,孔容是决定污染物初期脱除率的主要因素,表面官能团则在污染物的化学吸附上发挥着重要作用,是吸附、催化的活化中心。SO2较NO优先吸附在活性焦上,烟气中O2或水蒸汽的单独存在对脱硫脱硝均不会有明显的影响,当烟气中同时存在O2和水蒸汽时,活性焦的脱硫脱硝效果可明显改善,氨的存在既可将NO还原为N2,又能增强活性焦脱除SO2的效果。

3.2 设备腐蚀程度轻

烟气脱硫反应在120 °C~140 °C进行,出口烟气温度在酸露点以上,对出口烟道和烟囱的腐蚀属于轻度腐蚀,不需要进行重度防腐[3]。

但是在吸附和解析过程,产生亚硫酸、硫酸,吸附塔和解析塔设备防腐还需要考虑,尤其注意在低温区域的酸腐蚀。

3.3 高度节水

脱硫过程不用水,属于高度节水的烟气脱硫工艺。适用于水资源缺乏地区,尤其适合中国北方主要产煤区山西、陕北、新疆等地区严重缺水的国情。

3.4 原料来源广泛

活性焦生产以煤为原料,来源广泛,价格低廉。活性焦可循环使用直至全部消耗为止,运行过程产生的焦粉可作为燃料燃烧,不会对环境造成二次污染。

烟气同时应用于脱硫脱硝,不会产生SCR脱硝工艺废弃的催化剂后处理的二次污染问题。

3.5 资源利用

脱硫副产品转化途径广,可根据用户和市场需求,采用成熟技术生产硫酸、硫磺或液体SO2等,做到资源充分利用。

4 结语

针对北方主要产煤区资源多,水资源缺乏的国情,寻求节水、脱硫效率高的烟气脱硫工艺势在必行。活性焦法烟气脱硫工艺脱硫过程基本不用水,特别适合于水资源缺乏地区,适合中国贫水国情及建设节约型社会发展政策。

该工艺在国外已应用到600 MW机组,并有多台火电机组应用业绩,国外运行电厂有日本的Isogo电厂和德国的阿茨博格电厂,脱硫效率分别达到95%和98%,特别是阿茨博格电厂活性焦烟气脱硫装置1987年投产,现已运行近20年,运行情况稳定,在大机组采用活性焦烟气脱硫工艺是可行的。

该工艺具有工艺系统简单、工艺设备要求不高,不产生二次污染,活性焦生产原料易得,副产品用途广泛等特点。该工艺可以实现脱硫脱硝一体化,可以同时脱除SO2、NOX和重金属,可以满足进一步严格的环保要求,值得推广。

由于国内活性焦烟气脱硫工艺起步较晚,国内专业环保公司对主要系统和设备的设计能力还有待提高。建议与国外公司合作,引进成熟的技术,推广活性焦烟气脱硫工艺技术。

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