石灰石－石膏法脫硫工藝中存在的問題探析
摘要:石灰石-石膏脫硫工藝是目前世界上應用最多、最成熟的脫硫技術，但近年來的運行也暴露了諸多問題，如CO2的排放、廢石膏的處置、水耗等問題。本文就濕式石灰石-石膏脫硫工藝在實際運行中存在的這些問題進行了分析討論。
關鍵詞:火電廠煙氣脫硫,濕式石灰石-石膏脫硫法,石膏,CO2
煙氣脫硫是火電廠控制SO2排放的主要技術手段，目前已達到工業應用水平的煙氣脫硫技術有10余種，大致可分為干法和濕法，但能在200MW以上大容量機組使用的成熟脫硫工藝并不多。根據國內、外目前的實際應用推廣情況來看，各大脫硫公司已投運的200MW級機組煙氣脫硫裝置85%以上為濕式石灰石-石膏工藝。在煙氣脫硫產業快速發展的同時，經過十多年的運行也暴露出一些問題。本文就現階段出現的部分問題進行了分析討論。
1 國內火電廠脫硫現狀
當前國內火電廠實用的脫硫技術主要有三種：濕式石灰石-石膏法（濕法）、噴霧干燥脫硫法（半干法）、循環流化床法（干法）。濕式石灰石-石膏脫硫技術是目前世界上技術最為成熟、應用最多的脫硫工藝，應用該工藝的機組容量約占電站脫硫裝機總容量的85％以上，應用單機容量已達1000MW。其脫硫副產物石膏一般有拋棄和回收兩種處理方法，主要取決于市場對脫硫石膏的需求、石膏質量以及是否有足夠的堆放場地等因素。國家相關職能部門在組織國內專家充分調研的基礎上，提出指導性意見：在新、擴、改300MW機組FGD上或要求有較高脫硫率時，采用濕式石灰石-石膏技術。在火電廠設計技術規程中，也作了同樣的規定。因此可以
說，石灰石-石膏法是目前國內脫硫市場上應用最廣的脫硫技術。
2 存在的問題
2.1 CO2問題
石灰石-石膏法在脫硫過程中，在脫除SO2氣體同時排放出CO2氣體，理論上每脫除1tSO2則排放出0.72tCO2。
CO2是典型的溫室氣體，占所有溫室氣體總體積的50%。大氣中CO2的含量直接影響到全球氣候的變化。一百多年來，全球氣候趨于變暖，與大氣中CO2的含量不斷增加呈正相關，從已有記錄的資料來看：全球大氣中的CO2濃度在不斷增加，平均濃度已從1850年前后的約280ppm增加到了2000年的375ppm。CO2濃度增加了30%。據估計，大氣中CO2濃度年遞增率為0.4%，與此相對應的是全球溫度平均上升了0.6℃。
全球氣候變暖，將是一場全球性的生態災難，它將會導致南、北極冰川融化；海平面上升，氣候帶北移，物種及其種群減少，病蟲害加重，人類未知疾病增加，給社會濟經帶來不可估量的損失，切不可等閑視之。
目前美國CO2排放量最多，約占各國CO2排放總量的22%，其次是我國，約占12%。雖然礦物燃料燃燒是大氣中CO2濃度增加的主要因素，但也不能忽略越來越多石灰石-石膏法脫硫設施的貢獻。
2.2 脫硫石膏處置問題
脫硫石膏是燃煤企業為了去除煙氣中的SO2而產生的另一種工業副產品，理論上每脫除1tSO2，生成約2.2t脫硫石膏，如果按石灰石的純度90%、惰性物質含量4%、碳酸鎂含量6%、含水率10%、Ca/S為1.05計，再加上鍋爐飛灰，則每脫除1噸SO2約生成2.7t的石膏混合物。
脫硫過程的最終產物主要是石膏，其中CaSO4·2H2O含量一般在90%左右，呈灰（黑）色粉未狀，其主要雜質為CaCO3、MgCO3、惰性物質和粉煤灰等，故石膏的綜合利用存在著多方面的制約。
脫硫石膏相對于天然石膏而言不具備競爭的優勢，主要原因在于：
（1）脫硫石膏不能在運輸、儲存等方面與天然石膏進行成本競爭；
（2）脫硫石膏作墻板生產所需的石膏純度不能保持恒定，尤其是飛灰和氯離子的含量；
（3）天然石膏已為生產廠家所接受，成為習慣，也難以改變。
我國是一個石膏礦產資源豐富的國家（已探明的石膏儲藏量大約570億噸，居世界第一位），且分布均勻（除浙江、福建、黑龍江三省外，其它地區都有非常豐富的天然石膏資源），因此其市場價格不高。而脫硫回收的石膏由于燃煤煤質不穩定，造成回收的石膏質量不穩定，很難回收利用。
目前，脫硫石膏主要應用于水泥緩沖劑，但水泥生產中僅能摻入約5%，且脫硫石膏中尚含有10%的附著水分。由于水泥廠以往都采用塊狀天然石膏作緩沖劑，其生產設備如料倉、輸送設備及計量設備等都是為適應塊狀物料而設計的，當使用含10%水分的脫硫石膏時，會出現膨料、下料不暢等問題而造成設備堵塞。據統計目前我國脫硫石膏的利用率不超過10%，脫硫石膏越積越多，處理已成難題。
2000年，全國裝機容量約為22,000萬kW，在建脫硫機組總容量約18,000萬kW，2010年全國脫硫火電機組總量約5000萬kW，以85%的機組采用石灰石-石膏法脫硫、年運行8000小時、燃煤含硫率2%、平均脫硫率90%計，則年產脫硫石膏近千萬噸。因此脫硫石膏的產量十分巨大，其所需要的堆放場地也是十分巨大的，以目前電廠的占地面積來看是難以滿足的。
石灰石－石膏法雖然對減輕SO2污染起到了一定作用，但所產生的副產品脫硫石膏含有大量雜質，抗壓強度、抗拉強度等都無法與天然石膏相比，再利用的價值不大。最終不得不作拋棄處理，占用大量土地，而這些被拋棄的脫硫石膏經長時間風吹日曬后會散發出陣陣硫酸味，揮發后的酸性物質又重新回到大氣中，加重了酸雨的威脅。而且堆積的石膏“山”隨時都會坍塌，對附近的建筑物造成嚴重威脅，在經過雨水的沖刷后又會滲入到農田、地下，對地表水及地下水造成污染，經生物富集后進入人類食物鏈中。因此，脫硫石膏本身也成為一種新的污染物。如不采用積極、有效的措施，它將對人類及其生存環境帶來極大的威脅。
2.3 影響FGD系統用水量的主要原因
脫硫過程水耗主要是蒸發和煙氣攜帶水及排放的廢水。其中以蒸發和煙氣攜帶水為主要水耗。
大機組燃用不同煤質采用石灰石-石膏濕法FGD裝置的耗水量是不同的，影響其用水量的最主要因素是煙氣量、燃煤硫分以及FGD裝置進出煙氣溫差。但實際上設計院對其耗水量的研究是依據石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統的主要特點給出的。當煙氣量增加時，經過吸收塔的煙氣中攜帶汽態水分的體積流量增加，煙氣攜帶汽態水的能力增加，則煙氣中的汽態水（吸收塔內蒸發水）隨煙氣排入大氣。當燃煤硫分增加時，則SO2質量濃度增加，需要的石灰石漿液量增加，參與反應的物料增加，整個脫硫系統各用水點的耗水量也增加，故整個脫硫工藝系統耗水量增加。下表為不同煙氣參數機組FGD裝置（均帶有GGH）耗水量比較表。
 |
GGH是一種氣-氣換熱裝置，即采用高溫鍋爐原煙氣加熱FGD裝置排出低溫凈煙氣。采用這種換熱裝置減小了進出FGD裝置煙氣的溫差，減少了整個脫硫裝置排入大氣中的汽態水。如內蒙古某電廠，GGH使排煙溫度達到88℃以上（無GGH時排煙溫度約為49℃），這樣整個FGD裝置進出口溫差減小至39℃左右，因此省水35t/h以上。
下圖是某電廠300MW機組脫硫系統水平衡圖，其蒸發及煙氣攜帶水量約為112t/h，加上生產的廢水，則總耗水近120t/h。按年運行8000h計，則年水耗近96萬t，對干旱、缺水地區來說濕法脫硫水耗對該地區的環境生態的影響是很大的。
|
某電廠300MW機組脫硫系統水平衡圖 |
綜上所述，大機組煙氣脫硫系統用水量與鍋爐煙氣量、燃煤硫分以及FGD裝置煙氣進出溫差有著密切的關系。對于大機組而言，FGD裝置帶有GGH，脫硫塔內蒸發水量約占整套FGD裝置耗水總量的90%; FGD裝置無GGH，脫硫塔內蒸發水量比帶有GGH裝置增加約37%。對于已經選定煤質的電廠，其煙氣量和硫分就已經確定，在這2個因素基礎上考慮節水的可能性已經不大，因此，對于我國缺水地區建設（包括改造項目）燃煤電廠的FGD裝置，應該考慮設置GGH裝置，這是整套FGD裝置節水的唯一有效的途徑。
山西、內蒙是國內煤炭資源主要產地，也是火電燃煤的主要供應地。同時也是國內最干旱的地區之一，也是石灰石-石膏濕法脫硫應用較多的地區。在水資源嚴重短缺的上述地區，石灰石-石膏法是否會對當地生態環境造成影響目前尚無結論。
而且濕法脫硫在減輕大氣污染的同時，工藝過程中也產生了一定量呈弱酸性的廢水，pH值為5.0～6.0，廢水中主要污染因子是石灰石、亞硫酸鈣、石膏及煤中的鹵素和重金屬如F、Cl、Cd、Hg、Pb、Ni、As、Se、Cr等（其中部分重金屬離子是國家環保標準中要求控制的第一類污染物，對環境有很強的污染性）。煤中的重金屬元素在爐膛內高溫條件下會進行一系列的化學反應，生成多種不同的化合物。一部化合物隨爐渣排出爐膛，另外一部分隨煙氣進入脫硫裝置吸收塔，溶解于吸收漿液中。隨著漿液循環使用，雜質不斷增濃，從而使脫硫廢水中的雜質含量很高。由于脫硫廢水的水質比較特殊，處理難度較大，處理費用高，因此影響了該方法的推廣。
2.4 其它問題
石灰石-石膏法中存在的其它問題，如可靠性、設計、安裝、防腐、脫硫率、運行、管理等問題，已有很多文章作了介紹，這里就不再討論。
3 討論
（1）石灰石-石膏法的副產品石膏能否真正有效得到利用，是關系到FGD系統能否正常運行的關鍵之一，也是控制SO2排放的關鍵。我國現階段脫硫石膏只在水泥緩沖劑、粉刷石膏、石膏粉、農業、礦山填埋、路基材料等領域中有少量應用，脫硫石膏的再利用不
超過10%，脫硫石膏資源化、大規模應用在我國尚未實現。遠未形成工業規模，且廢棄的石膏堆放也成為亟待解決的問題。
（2）CO2也是酸性氣體，雖然其酸性沒有SO2強，但其帶來的溫室效應是很嚴重的。因此必須全面系統地、用更安全、環保的方法對SO2的污染進行治理，否則會落入再污染再治理的惡性循環。
（3）對于我國缺水地區建設（包括改造項目）燃煤電廠的FGD裝置，應該考慮設置GGH裝置，這是整套FGD裝置節水的唯一有效的途徑。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”
