火力发电厂常规脱硫与生物脱硫技术

石伟　广东省电力设计研究院　５１０６６３

摘　　要分析了多种国内火力发电厂常见的脱硫技术与新型生物脱硫技术，从脱硫效果、使用经济性、环保性等角度进行比较，生物脱硫技术可实现废弃物资源化、无害化、高值化，并比常规脱硫技术进一步减少脱硫的二次污染。关键词常规脱硫；生物脱硫；二氧化硫；硫化氢；二次污染物排放标准》（GB13223－1996），出台了一系列促进火电厂二氧化硫控制的法律、法规和，并采用多种措施加快二氧化硫治理。脱硫技术种类繁多，国内外工业应用较为广泛的只有十几种，对脱硫技术的全面了解是选择脱硫技术的关键所在。本文挑选6种典型的、具有代表性的烟气脱硫技术，对其做比较深入的分析，为业主选择适合自己条件的脱硫技提供参考。

１、常规脱硫技术

1.1 石灰石/石灰—石膏湿法

石灰石/石灰—石膏湿法是当今世界最成熟、使用最为广泛的烟气脱硫技术。

除尘后的锅炉烟气经增压风机增压，通过气－气热交换器交换热量降温后从底部进入脱硫塔，与石灰石浆液发生反应，除去烟气中的SO2。净化后的烟气经除雾器除去烟气中携带的液滴，通过气－气热交换器升温后从烟囱排出。反应生成物CaSO3进入脱硫塔底部的浆液池，被通过增氧风机鼓入的空气强制氧化，生成CaSO4，继而生成石膏。为了使生成的石膏不断排出，新鲜的石灰石/石灰浆液需连续补充，才能得到纯度较高的石膏。

1.2 旋转喷雾干燥法

此方法也是一种应用较多的烟气脱硫方法。

经破碎后石灰在消化池中经消化后，与再循环脱硫副产物和部分煤灰混合，制成混合浆液，经浆液泵升压送入旋转喷雾器，经雾化后在塔内均匀分散。一般雾粒直径要求小于100μm。热烟气从塔顶切向进入烟气分配器，同时与雾滴顺流而下。雾滴在蒸发干燥的同时发生化学反应吸收烟气中的SO2。净化后的烟气经除尘器除尘后从烟囱排出，脱硫后固体产物大部分从脱硫塔底部排出。为了提高脱硫剂利用率，脱硫塔底部排出的灰渣和除尘器收集的飞灰一部分再循环使用，一部分抛弃。

塔内吸收剂雾滴经恒速干燥阶段和降速干燥阶段。在反应开始阶段，吸收浆液

我国是一个能源生产、消费大国，特别是对电力需求增长更快。巨大的电力需求带来大量动力煤的消耗，燃煤发电厂烟气中大量废气排入大气，形成酸雨等有害物质，对环境产生严重影响。根据环境状况评估报告，我国煤炭排放的二氧化硫已经连续多年超过2000万吨，居世界首位。二氧化硫使我国的酸雨污染逐年加重，酸雨面积不断扩大，每年酸雨和二氧化硫污染造成农作物、森林和人体健康等方面的经济损失约为1100多亿元，已接近当年国民生产总值的2％，成为制约社会、经济进一步发展的重大问题。

燃煤火电厂的二氧化硫排放量约占全国总排放量的40％，为遏制酸雨污染的进一步发展，国家颁发了《火电厂大气污染

雾滴存在较大的自由液体表面，液滴内部分子处于自由运动状态，水分由液滴内部很容易移到液滴表面，补充表面失去的水分，以保持表面饱和，蒸发速度仅受热量传递到液体表面的速度控制，单位面积的液滴蒸发速度大且恒定。随着蒸发继续进行，雾滴表面的自由水分减少，内部粒子间的距离减小。当液滴表面出现固体时，蒸发受到水分，开始降速干燥阶段。在脱硫剂液滴蒸发完成后，液相反应停止，气固反应继续进行，但反应速度减慢。因此要求液滴干燥不能太快，否则液相反应时间缩短，降低脱硫效率；但干燥时间过长会导致液滴撞到塔壁即粘壁沉积，降低脱硫剂的利用率。

1.3 炉内喷钙尾部增湿活化法

用空气将石灰石粉喷入锅炉炉膛850～1250℃区域，由于反应在气固两相间进行，速度较慢，脱硫剂利用率低。CaSO3、CaSO4、飞灰和未反应的脱硫剂随烟气进入活化反应器，把炉内未反应完的CaO通过雾化水活化成在低温条件下活性很高的Ca(OH)2，然后与烟气中剩余的SO2反应，净化后的烟气从塔底排出。为了防止低温腐蚀，在活化器和除尘器之间增加烟气再热装置，然后经过除尘器从烟囱排出。在活化器内大颗粒物料会落在底部，由收料机收集后加到活化器前的垂直烟道中进行再循环。除尘器收集来的脱硫副产物和飞灰的混合物由气力输送装置集中送到灰库，灰库出灰的一部分通过风机送去再循环，以提高脱硫剂的利用率，剩余的可做筑路或建筑材料。

1.4 烟气循环流化床脱硫技术

锅炉排出的未经除尘或经除尘后的烟气从脱硫塔底部进入，脱硫塔下部为一文丘利管，烟气在喉部得到加速，在渐扩段与加入的消石灰粉和喷入的雾化水剧烈混合，Ca(OH)2和烟气中的SO2、SO3、HCl和HF等发生化学反应，生成CaSO3、CaSO4、CaCl2、CaF2等。同时烟气中有CO2存在，还会消耗一部分Ca(OH)2生成CaCO3。净化后的烟气在脱硫塔出口烟

-４２-尘质量浓度高达1000g/m3，进入除尘器前先经过一个百叶窗式分离器，该百叶窗式分离器的除尘效率为50%左右。经静电除尘后的烟气温度在70～75℃，不必再热，可直接从烟囱排出。从百叶窗分离器及静电除尘器下部捕集的干灰，一部分送回循环脱硫塔的再循环灰入口，另一部分送至灰库。

在脱硫塔底部设计喉部段是为了使气流在整个容器内达到合理分布，气流首先在文丘利管喉部被加速，而再循环物料、新鲜的Ca(OH)2粉和增湿水均从渐扩段加入，和烟气充分混合后进入脱硫塔柱形段并进行热量交换和化学反应。烟气在脱硫塔内的停留时间为3s左右，通过固体物料的多次循环，脱硫剂在塔内的停留时间长达30min，极大地提高了脱硫剂的利用率和脱硫效率。

1.5 荷电干式吸收剂喷射脱硫技术荷电干式吸收剂荷电喷射脱硫系统主要包括一个吸收剂喷射单元，一个吸收剂给料单元及SO2监测器和计算机控制系统。主要设备有预除尘装置、吸收剂给料装置、高压电源、喷主体和过滤分离装置。熟石灰吸收剂以高速流过喷射单元产生的高压静电电晕充电区（电压一般为45～70kV），使吸收剂得到强大的静电荷（通常是负电荷）。由于吸收剂带同种电荷，因而相互排斥，很快在烟气中扩散，形成均匀的悬浮状态，使每个吸收剂粒子的表面都充分暴露在烟气中，与SO2的反应机会大大增加，从而提高了脱硫效率。并且荷电吸收剂粒子的活性大大提高，降低了同SO2完全反应所需的滞留时间，一般在2s中左右即可完成化学反应。脱硫反应产物、未反应完的吸收剂及烟气中的飞灰进入电除尘器净化，捕集后送往灰场，净化后的烟气由引风机引出经烟囱排出。

除提高吸收剂化学反应成效外，荷电干式吸收剂喷射系统对小颗粒（亚微米级）粉尘的清除效率也很有帮助，带电的吸收剂粒子把小颗粒吸附在自己表面，形成较大颗粒，提高了烟气中尘粒的平均粒径，这样就提高了相应除尘设备对亚微米级颗粒的去除效率。

1.6 电子束照射烟气脱硫技术

电子束照射烟气脱硫系统主要由电子束系统、冷却塔、副产品收集系统构成。设备主要有直流高压电源、电子加速器、窗箔冷却器、静电除尘器及袋式过滤器。影响脱硫效果的主要因素有热化学反应、反应器内烟气温度、烟气含水量、NH3的添加量及电子束辐照剂量。热化学反应对

SO2总脱除率贡献较大；SOX和NOX的去除率随烟气温度升高而下降；脱硫效率随NH3添加量的增加而上升；脱硫和脱氮效率随辐照剂量的增大而增加。SO2脱除效率随烟气含水量的增大而上升，这是因为烟气中的水分子受电子束激发产生的OH3和HO23自由基对SO2的氧化起着主要作用。此外，烟气含水量的增大有利于增加液相反应几率，促进气溶胶的成核、生长，也有利于烟气中SO2的脱除。

２、生物脱硫技术

常规脱硫技术存在的最大问题是副产大量含重金属离子的废石膏，很容易造成二次污染；而以PDS、ADA 法为主的湿法脱除硫化氢的技术需要消耗较多的催化剂，而且脱硫深度不够。而近年很多采用的生物脱硫技术，脱除气体中的二氧化硫或硫化氢，并制备单质硫资源，可实现废弃物资源化/无害化/高值化。目前常用生物脱硫方法是浸出法、表面氧化法和气体生物脱硫法：

2.1 生物浸出脱硫

生物浸出法就是利用微生物的氧化作用将黄铁矿氧化分解成铁离子和硫酸，硫酸溶于水后将其从煤炭中排除的一种脱硫方法。

该法优点是装置简单，只需在煤堆上撒上含有微生物的水，通过水浸透，在煤中实现微生物脱硫，生成的硫酸在煤堆底部收集，从而达到脱硫的目的。为提高浸出率，开发了用于生物浸出的反应器（空气搅拌式、管道式、水平转筒式等）。该法研究历史较长，技术较成熟。由于是将煤中硫直接代谢转化，当采用合适的微生物时，还能同时处理煤中无机和有机硫，理论上有很大应用价值。其缺点是处理时间较长（数周）。原因是所用的硫杆菌属于自养型微生物，生长速度慢。

2.2 表面处理法

这是一种将微生物技术与选煤技术结合起来，开发出的一种微生物浮选脱硫技术，即微生物表面处理法。该法是把煤粉碎成微粒，与水混合，在其悬浮液下通入微细气泡，使煤和黄铁矿表面均附着气泡，在空气和浮力作用下，煤和黄铁矿会一起浮到水面。但是，如果将微生物加入悬浮液中，由于微生物附在黄铁矿表面，使黄铁矿表面由疏水性变成亲水性。与此同时微生物却难以附着在煤粒表面，所以煤表面仍保持疏水性。这样煤粒上浮，而黄铁矿则下沉，从而把煤和黄铁矿分离，达到煤炭中脱

除黄铁矿的目的。

该法优点是处理时间短，当采用对黄铁矿有很强专一性的微生物（如氧化亚铁硫杆菌）时，能在数秒钟之后就起作用，抑制黄铁矿上浮，整个过程几分钟就完成，脱硫率较高。该法与浸入法相比，煤炭回收率较低。

2.3 气体生物脱硫

气体生物脱硫的基本原理主要包括三个核心步骤：首先用水溶液将烟气中的SO2生物化学吸收到溶液中，然后利用厌氧微生物将SOx分别还原成S2－，再利用硫选择性氧化菌将S2－氧化成单质硫。

在该工艺中，SOx厌氧生物还原为硫化氢和硫化氢生物选择性氧化成单质硫最为关键，前者主要受微生物种类、电子供体种类、COD/S 比和生物反应器内部结构等影响；后者主要受微生物种类、反应器内部结构等影响。这些方面直接决定新工艺工业化的可行性。

与传统脱硫技术相比，生物脱硫技术具有如下优点：

①生物脱硫技术在吸收过程中，将有超过95％的二氧化硫被吸收到液相中，而且能够同时将烟气中绝大部分粉尘、汞等重金属离子去除，可以实现多污染一步去除；

②生物脱硫技术通过生物催化反应，直接将烟气中绝大部分二氧化硫转化成我国非常短缺的硫黄资源进行回收；

③生物法脱硫，可直接以有机废水或废渣为电子供体，既满足生物脱硫对电子供体的需求，又处理了有机废水或废渣，以废治废，因此特别适合化工和石化企业废气脱硫；

④生物脱硫技术不使用石灰作为吸收物，不仅有效避免了固体废弃物的产生，而且没有石灰粉尘污染，属于国际上优先选用的绿色技术。

３、结语

我国对绿色化学方面的研究工作，远不如国外开展的广泛和深入。国际上还建立许多与绿色化学有关的网站。而国内绿色化学方面的资料不多，特别是绿色化学在煤炭加工和资源二次回收利用方面的应用研究的论文很少。随着我国对绿色煤炭生物加工技术重视和研究工作的不断深入，建立在绿色化学基础上的绿色选煤技术也会在煤炭加工与综合利用以及煤矿环境与生态保护等方面发挥更大的作用。

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