活性焦煙氣聯(lián)合脫硫脫硝擋板門技術的工程應用及研究現(xiàn)狀
 
摘要:概述了活性焦煙氣聯(lián)合脫硫脫硝擋板門技術的工程應用及研究現(xiàn)狀, 介紹了該技術的工藝特點及化學過程, 同時對其發(fā)展方向提出了幾點建議。
關鍵詞: 活性焦, 脫硫, 脫硝, 煙氣
1 活性焦
活性焦是以煤炭為原料生產的一種新型吸附材料。目前, 工業(yè)適用的活性焦為直徑5 mm 或 9 mm的柱狀活性焦, 其生產工藝如圖1 所示。與常規(guī)活性炭不同, 活性焦是一種綜合強度(耐壓、耐磨損、耐沖擊) 比活性炭高、比表面積比活性炭小的吸附材料。與活性炭相比, 活性焦具有更好的脫硫、脫硝性能, 且在使用過程中, 加熱再生相當于對活性焦進行再次活化, 其脫硫、脫硝性能還會有所增加。
提高活性焦的硫容和強度, 降低活性焦的生產成本是各國研究的重點和難點。目前, 國內外活性焦研究方向大致可歸納為以下幾點:
(1) 對現(xiàn)有活性焦造粒技術的改進, 如生產球型顆粒狀活性焦, 提高其機械強度, 降低其運行過程中的磨損和吸附床層的阻力。
(2) 用低成本原料制備活性焦, 如采用煙煤或褐煤為原料生產活性焦, 基本上不需要添加焦油, 煙煤或褐煤價格也較低, 同時還可以克服活性焦生產的地域限制, 降低運輸費用。
(3) 研制高性能活性焦, 如通過優(yōu)化活性焦生產工藝, 提高活性焦的硫容和穿透特性, 減少活性焦循環(huán)解吸次數和吸附反應器尺寸, 同時提高活性焦的催化脫硝性能, 使一套裝置具有多重凈化功能。
2001 年底, 煤炭科學研究總院北京煤化工分院與南京電力自動化設備總廠聯(lián)合承擔863 項目, 研制出高性能、低生產成本的活性焦產品, 其性能: 碘值 400～500 mg /g , SO2 吸附量40～180 mg /g , 堆密度016～017 g /mL , 燃點高于400 ℃, 強度9910 %。該產品用于貴州某公司的工業(yè)示范裝置, 運行效果良好。
2 活性焦煙氣聯(lián)合脫硫脫硝擋板門技術的工程應用及研究現(xiàn)狀
活性焦吸附法是西德BF 公司在1976 年開發(fā)的, 后經日本三井礦山公司改進建立了試驗裝置。該法是以物理- 化學吸附原理為基礎的干法脫硫- 脫硝技術。煙氣中的SO2 在活性焦微孔的吸附催化作用下生成硫酸, 再加熱后又生成濃度很高的SO2 氣體, 根據需要轉化成硫磺、液態(tài)SO2 等產品; 煙氣中的NOx 在加氨條件下經活性焦催化還原, 生成水和氮氣。1981 年日本對Mitsui-BF 工藝進行了示范試驗(其煙氣處理量為1 000 m3 /h) 。1987 年在Arzbe rg 燃煤電廠的107 MW (45 萬m3 /h) 和 130 MW (66 萬m3 /h) 2 臺機組上安裝了該工藝。 1989 年在德國的Hoechs t 燃煤電廠的77 MW (32.3 萬m3 /h) 機組上也安裝了該工藝。
日本電力能源公司( EPDC) 的350 MW 空氣流化床燃燒(AFBC) 鍋爐中安裝了活性焦脫除 NOx 工藝, 并于1995 年開始運行。該工藝僅采用了一個移動床吸附塔, 處理的煙氣量為116.3 萬m3 /h , 在140 ℃的煙氣操作溫度下, 活性焦循環(huán)速率為 14 600 kg /h 。通過穩(wěn)定運行2 200 h 以上的結果來看, 在NH3 /NOx 摩爾比為0.85 時, NOx 脫除率可達到80 %。由于從AFBC 鍋爐出來的SO2 排放濃度很低, 所以在SO2 被活性焦吸附的同時, 在第一吸附塔中NOx 也能得到有效的脫除。
最早的用于處理煙氣量為3 萬m3 /h 燃煤鍋爐的活性焦聯(lián)合脫硫脫硝擋板門裝置, 于1984 年在日本的 Omuta 開始運行, SO2 和NOx 脫除率可分別達到 98 %和80 %左右, 活性焦的損失為活性焦流量的 2 %或8～9 kg /h , 電耗量為142 kW ·h /h 。
3 活性焦煙氣聯(lián)合脫硫脫硝擋板門技術的工藝
活性焦聯(lián)合脫硫脫硝擋板門工藝主要由吸附、解吸和硫回收三部分組成, 其工藝流程如圖2 所示。
煙氣經過空氣預熱器后溫度達到120～160 ℃, 溫度范圍正好處在該工藝的最佳溫度范圍。吸附塔由Ⅰ、Ⅱ兩段組成, 活性焦在立式吸附塔內靠重力從第Ⅱ段下降至第Ⅰ段的底部。煙氣先水平通過吸附塔的第Ⅰ段, SO2 在此被脫除, 然后進入第Ⅱ 段, 在此NOx 與噴入的氨反應被脫除。
5 活性焦煙氣聯(lián)合脫硫脫硝擋板門技術的工藝特點
活性焦聯(lián)合脫硫脫硝擋板門工藝具有多方面的優(yōu)點:
(1) 活性焦本身具有非極性、疏水性、較高的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性, 可進行活化和改性, 加上它的催化作用、負載性能和還原性能以及獨特的孔隙結構和表面化學特性, 都決定了活性焦在聯(lián)合脫硫脫硝擋板門方面具有非常好的先天條件。
(2) 可以實現(xiàn)聯(lián)合脫除SO2 、NOx 和粉塵的一體化。SO2 脫除率可達到98 %以上, NOx 脫除率可超過80 % , 同時吸收塔出口煙氣粉塵含量小于 20 mg /m3 。
(3) 能除去濕法難以除去的SO3 , SO3 的脫除率很高。
(4) 能除去廢氣中的碳氫化合物, 如二口惡英, 重金屬如汞及其它有毒物質, 是一種深度處理技術。
( 5) 副產品可以出售, 有效地實現(xiàn)了硫的資源化, 并產生一定的經濟效益, 對貧硫國家和農業(yè)大國的中國, 在治理污染的同時充分回收利用硫資源(濃硫酸、硫酸、硫磺) 有著重要的意義。
( 6) 無需工藝水, 避免了廢水處理。
( 7) 由于反應溫度在煙氣排放溫度范圍內, 因此, 凈化處理后的煙氣排放前不需要再進行冷卻或加熱, 節(jié)約能源。
( 8) 與傳統(tǒng)煙氣凈化工藝相比, 具有投資省、工藝簡單、占地面積小等特點。
( 9) 活性焦來源廣泛, 我國活性焦工業(yè)發(fā)展迅速, 平均年增長率15 % , 出口量已超過美國和日本, 居世界首位。
同時, 活性焦煙氣聯(lián)合脫硫脫硝擋板門技術也存在如下4 個問題。
( 1) 吸附法脫硫必然存在脫硫容量低, 脫硫速率慢, 再生頻繁等缺點, 阻礙了其工業(yè)推廣應用。
( 2) 水洗再生耗水量大、易造成二次污染, 而加熱再生又易造成活性焦的損耗。
( 3) 噴射氨增加了活性焦的黏附力, 造成吸附塔內氣流分布的不均勻性, 同時, 由于氨的存在而產生對管道的堵塞、腐蝕及二次污染等問題。
( 4) 由于吸附塔與解吸塔間長距離的氣力輸送, 增加了活性焦的損耗。
6 活性焦煙氣聯(lián)合脫硫脫硝擋板門技術的發(fā)展方向
活性焦煙氣聯(lián)合脫硫脫硝擋板門工藝總的趨勢是降低凈化裝置的基本建設投資及運行操作費用, 加強新材料、新設備、新工藝研究, 特別是機理研究。
(1) 加強對炭材料的研究: 廉價的活性焦制造技術, 對活性焦表面和孔結構的研究, 活化和改性方法的研究, 加快新型炭材料和新功能的研制。
(2) 簡化現(xiàn)有工藝流程, 采用多功能設備, 改進工藝條件, 在吸收劑中加入添加劑等。
(3) 真正大規(guī)模工業(yè)應用的關鍵是解決副產品應用市場和提高其脫硫性能, 在一個裝置同時進行吸附再生, 并且提高副產物硫酸的濃度。
7 結語
我國是一個燃煤大國,煤炭占一次能源的75 % , 而且短期內這種能源結構不會改變。燃煤排放的 SO2 和NOx 等對大氣產生了嚴重的污染, 我國每年因SO2 和NOx 形成酸雨造成的損失達1 100 億元, 損失約占國民經濟生產總值的7 %～8 %。另一方面, 我國是一個人口大國, 也是農業(yè)大國, 更是化肥大國, 硫酸是磷肥生產的重要基本原料。但我國硫資源相對匱乏, 且絕大部分隱含在燃煤中。近幾年, 中國硫磺進口量增長迅猛, 1997 年, 中國進口硫磺僅74 萬t , 到2003 年進口量劇增到499.3 萬t , 平均累計年增長率達37.4 %。因此, 妥善解決能源與環(huán)境的矛盾是我國實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要課題。
活性焦煙氣聯(lián)合脫硫脫硝擋板門技術以我國龐大的化肥工業(yè)為基礎, 將火電廠清潔煙氣中的SO2 回收, 變廢為寶, 一舉多得, 同時促進我國煤炭、電力和化肥工業(yè)的協(xié)調發(fā)展, 有效地解決了能源與環(huán)境的矛盾, 具有顯著的經濟效益及社會效益, 完全符合建立節(jié)約型社會和經濟可持續(xù)發(fā)展的原則。
多年的研究表明, 活性焦煙氣聯(lián)合脫硫脫硝擋板門技術的脫硫率可達95 %以上, 并可有效回收煙氣中的SO2 , 將其用于生產硫酸、液體SO2 或硫磺等, 實現(xiàn)SO2 的資源化利用; 該工藝流程短、無廢棄物排放、排煙溫度高、占地面積小; 脫硫的同時可以有效脫除NOx 、重金屬以及二口惡英等有害物質, 適用于凈化燃煤煙氣、燃油煙氣、垃圾焚燒煙氣、重油分解廢氣和燒結機煙氣等; 與現(xiàn)有煙氣脫硫技術相比, 該技術投資較省, 運行費用也低。
可資源化活性焦煙氣聯(lián)合脫硫脫硝擋板門技術的推廣應用有助于解決我國硫資源缺乏與燃煤污染環(huán)境的矛盾, 實現(xiàn)經濟可持續(xù)發(fā)展。因此, 可以預見, 可資源化活性焦煙氣聯(lián)合脫硫脫硝擋板門技術在我國將有廣闊的應用前景。 |
