PAFP煙氣脫硫技術(shù)和工程應(yīng)用

1、PAFP煙氣脫硫技術(shù)及工程應(yīng)用王幸銳 崔蓮溪（四川省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院 成都610041）內(nèi)容摘要 PAFP煙氣脫硫技術(shù)是以減少二氧化硫排放，凈化大氣環(huán)境，回收硫資源為目標(biāo)而開發(fā)的活性炭吸附脫硫技術(shù)。利用活性炭的吸附催化能力將煙氣中的二氧化硫吸收并制成硫酸，在消除二氧化硫污染的同時，回收了寶貴的硫資源。目前已成功的開發(fā)出了利用脫硫稀酸直接生產(chǎn)磷銨復(fù)合肥料的工藝技術(shù)及生產(chǎn)硫酸亞鐵的工藝技術(shù)。理論上講，利用脫硫稀酸還可生產(chǎn)許多硫酸鹽制品，因此該技術(shù)具有廣泛靈活的實用性。與傳統(tǒng)的煙氣脫硫方法不同，該技術(shù)不需隨時投加脫硫吸收劑、沒有脫硫劑原料的現(xiàn)場制備和運輸，沒有脫硫廢渣，無二次污染影響。年在豆壩電廠

2、建成了處理煙氣量為10×104Nm/h的工業(yè)性試驗裝置，其主要技術(shù)性能指標(biāo)為： 脫硫率：8%，硫酸濃度：30%一、概 述（一）PAFP煙氣脫硫工藝技術(shù)開發(fā)過程磷銨肥法(Phosphate Ammoniate Fertilizer Process,以下簡稱PAFP)煙氣脫硫技術(shù)是我國自行探索開發(fā)的一項新工藝技術(shù)，到目前已完成了建設(shè)示范裝置與工程應(yīng)用的全部技術(shù)準(zhǔn)備。此項技術(shù)在“七·五”期間被列為國家重點科技攻關(guān)項目，完成了處理量為 5000Nm3/h的電廠煙氣脫硫的中間試驗，1991年通過了國家組織的鑒定和驗收，1994年該項目列為四川省重點工業(yè)性試驗項目，在四川豆壩電廠建成了

3、處理量為10×104Nm3/h的工業(yè)性試驗裝置，并于1998年7月通過了四川省科委主持的技術(shù)鑒定。國家發(fā)展計劃委員會和國家科學(xué)技術(shù)部在制定的1999年度“優(yōu)先發(fā)展的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重點領(lǐng)域指南”中，已將PAFP煙氣脫硫技術(shù)列入逐步實現(xiàn)成套化、大型化的目標(biāo)。（二）PAFP煙氣脫硫的工藝原理磷銨肥法（PAFP）煙氣脫硫技術(shù)是利用活性炭催化氧化制酸的機(jī)理，將煙氣中的SO 吸附脫除制成HSO,通過與之配套的綜合利用工藝，最終可生產(chǎn)出磷銨復(fù)合肥料或硫酸亞鐵等綜合利用產(chǎn)品。PAFP煙氣脫硫技術(shù)是由煙氣脫硫和脫硫副產(chǎn)物的綜合利用二部分組合而成。其工藝原理是煙氣中的SO2在通過活性炭時被吸附，吸附在活性

4、炭表面的SO2被催化氧化成SO3，與煙氣中H2O接觸，以硫酸的形態(tài)吸附在活性炭內(nèi)，當(dāng)活性炭吸附飽和后進(jìn)行洗滌再生，最終以稀硫酸的產(chǎn)品形式產(chǎn)出。本項技術(shù)因在活性炭的選擇和洗滌方式上具有獨特強(qiáng)化的工藝，可以使回收的SO2生產(chǎn)出濃度為30%左右的稀硫酸。 活性炭脫硫制酸的反應(yīng)機(jī)理可用下式表述：在PAFP煙氣脫硫技術(shù)中，脫硫副產(chǎn)品的綜合利用是一項可因地制宜進(jìn)行開發(fā)制取硫酸鹽系列產(chǎn)品的回收工藝，目前已開發(fā)出用稀硫酸生產(chǎn)(NPO)品位35%的磷銨復(fù)合肥料工藝，以及生產(chǎn)純度達(dá)96%以上的硫酸亞鐵(FeSO7HO)產(chǎn)品工藝。在工業(yè)性試驗中，脫硫副產(chǎn)品是硫酸亞鐵，即利用電廠鍋爐所排的液態(tài)爐渣中富含鐵顆粒并將鐵顆

5、粒選出與脫硫副產(chǎn)的稀硫酸按比例計量送入專用反應(yīng)槽中進(jìn)行加熱反應(yīng)，反應(yīng)生成物經(jīng)過濃縮、冷卻、結(jié)晶、分離，可獲得純度為94%以上的硫酸亞鐵(FeSO4·7H2O)產(chǎn)品。此外，近期采用稀硫酸和鐵為原料，已成功生產(chǎn)出附加值更高的鐵紅產(chǎn)品。 含F(xiàn)eSO4母液 H2SO4處理后煙氣固體硫酸亞鐵FeSO4.7H2O Fe（鐵顆粒）（來自液態(tài)渣中的析出鐵）電廠SO2煙氣煙氣預(yù)處理(除塵調(diào)溫調(diào)濕)活性炭脫硫(吸附)混合反應(yīng)(加熱)冷卻結(jié)晶脫水分離PAFP制備FeSO4.7H2O系統(tǒng) PAFP脫硫系統(tǒng) PAFP工業(yè)性試驗工藝流程圖 在PAFP煙氣脫硫技術(shù)中脫硫副產(chǎn)品的綜合利用是一項可因地制宜進(jìn)行開發(fā)制取

6、硫酸鹽系列產(chǎn)品的回收工藝，今后也可采取稀酸直接濃縮為成品酸，從而使PAFP脫硫技術(shù)在完成煙氣脫硫的過程中對脫除的硫作為資源通過綜合利用途徑，取得環(huán)境效益和直接經(jīng)濟(jì)收益。二、技術(shù)先進(jìn)性及同類產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的比較(一)PAFP技術(shù)先進(jìn)性 PAFP煙氣脫硫技術(shù)的開發(fā)，主要是為了解決大中型燃煤鍋爐二氧化硫污染問題。PAFP煙氣脫硫技術(shù)既解決SO2污染保護(hù)大氣環(huán)境，又通過回收硫資源并加以綜合利用，使之在工程投資和運行成本、技術(shù)先進(jìn)性方面優(yōu)于傳統(tǒng)的煙氣脫硫技術(shù)，其特點如下： 、 采用活性炭吸附氧化脫硫技術(shù)，不需隨時投加石灰石、石灰和氨等脫硫吸收劑、沒有脫硫劑原料的現(xiàn)場制備和運輸，沒有脫硫廢渣，無二次污染影響

7、。運行管理甚為簡便，并可快速啟動。 、開發(fā)的脫硫?qū)Ｓ没钚蕴浚浔砻嫣烊淮嬖诘姆有土u基和醌型羰基等活性基團(tuán)能起到增加氧分子傳遞速率的作用，其吸附催化氧化過程比常規(guī)活性炭具有更大的吸附容量。該活性炭表面具有的活性基團(tuán)不是依靠補(bǔ)充的碘、氨等添加劑來改性獲得，沒有流失問題，因而具有長效催化氧化的作用，PAFP裝置的脫硫活性炭催化劑一次性投入可使用四年以上。 、研究開發(fā)的分步推進(jìn)強(qiáng)化洗滌再生技術(shù)，在保證脫硫效率的前提下可提高產(chǎn)酸濃度，使得PAFP技術(shù)具有較高的脫硫率和較高的產(chǎn)酸濃度。試驗表明，PAFP技術(shù)在保證產(chǎn)酸濃度30%的情況下，脫硫率可穩(wěn)定在85%。在要求產(chǎn)酸濃度不高時（15%），脫硫率可達(dá)95%

8、以上。 、開發(fā)的稀硫酸綜合利用技術(shù)，使得脫硫后產(chǎn)出的硫酸可直接利用來生產(chǎn)副產(chǎn)品，在脫除SO2的同時，有效的回收利用了硫資源。其脫硫副產(chǎn)品可使煙氣脫硫具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。、 吸附催化反應(yīng)脫硫塔是PAFP煙氣脫硫的關(guān)鍵設(shè)備，集除塵脫硫于一體，可適用于高塵、高溫、大流量煙氣的脫硫。脫硫塔使活性炭脫硫系統(tǒng)在煙氣含塵量400mg/m3時仍可連續(xù)可靠的工作。在保證較高脫硫效率的條件下，可獲取30%濃度的稀硫酸。(二)主要技術(shù)性能指標(biāo)與國內(nèi)、國外同類產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的比較PAFP技術(shù)是針對燃煤電廠煙氣而開發(fā)的活性炭脫硫技術(shù)，既可消除二氧化硫的污染，又可回收硫資源。以往國內(nèi)外的活性炭脫硫技術(shù)產(chǎn)生的硫酸濃度太低，一

9、般僅有515%，對于這樣的稀酸只能加熱濃縮或加石灰中和生成石膏，不能直接加以利用，因此影響了該技術(shù)的發(fā)展，而PAFP煙氣脫硫技術(shù)可將脫硫酸濃度提高到30%左右，這為脫硫稀酸的直接利用提供了可能。同時PAFP脫硫技術(shù)可適應(yīng)高含塵量（400mg/m3）和大范圍的SO2濃度（5003500ppm）。PAFP脫硫技術(shù)與國外采用活性炭脫硫制酸的日本日立公司、德國魯奇公司技術(shù)的比較見表一。表一PAFP脫硫技術(shù)與國外活性炭脫硫制酸技術(shù)的比較PAFP技術(shù)日立-東電法德國魯奇處理煙氣量 Nm3/h10×10442×1044.5×104入口SO2濃度 ppm3000500300500

10、脫硫空速 h-1500未報導(dǎo)未報導(dǎo)脫硫塔阻力 Pa20004000未報導(dǎo)脫硫效率 %85808090脫硫產(chǎn)稀硫酸濃度 %30201020煙氣性質(zhì)燃煤鍋爐含塵煙氣燃重油鍋爐煙氣硫酸廠尾氣三、應(yīng)用范圍與市場前景(一）PAFP煙氣脫硫技術(shù)適用范圍 PAFP煙氣脫硫技術(shù)適用范圍很廣，對于燃煤電廠煙氣，工業(yè)燃煤鍋爐煙氣，冶煉廠、化工廠等含SO2 尾氣,都可以使用PAFP脫硫技術(shù)。該技術(shù)對煙氣的塵含量和SO2 濃度及氣量有一定的要求。一般的含塵煙氣需要經(jīng)過除塵器將其含塵濃度降至400mg/Nm3 以下方可進(jìn)入脫硫系統(tǒng)。煙氣中的SO2 濃度應(yīng)不高于4000ppm為宜。處理煙氣量一般應(yīng)在10×104

11、Nm3/h以上，（二）PAFP煙氣脫硫技術(shù)市場前景 我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費國，煤炭占總能源的73，是世界上少數(shù)幾個以煤為主要能源的國家之一。由于我國能源以燃煤為主并且部分地區(qū)燃用高硫煤，燃煤設(shè)備未能采取脫硫措施，致使二氧化硫排放量不斷增加，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。燃煤煙氣S02排放是酸雨污染發(fā)展的主要因素，全國酸雨的損失在1998年超過了1100億元，相當(dāng)于每噸S02的損失為5000元，已成為制約我國經(jīng)濟(jì)、社會可持續(xù)發(fā)展的重要因素。 我國是一個人口大國，也是農(nóng)業(yè)大國，更是化肥大國。2005年，磷肥需求量1000萬噸。硫酸是生產(chǎn)磷肥的主要原料，目前我國硫酸的年產(chǎn)量超過2300萬噸，等同于S

12、02 1500萬噸。近年來，由于我國的硫資源相對缺乏，為滿足磷肥增長的需求，己進(jìn)口大量硫磺。據(jù)估計，我國年進(jìn)口硫磺總量將突破250萬噸，相當(dāng)于S02 500萬噸，占用外匯10億元以。此外，年磷肥進(jìn)口量為500萬噸，相當(dāng)于進(jìn)口硫酸600萬噸，折合S02 400萬噸。所以，按照這個發(fā)展趨勢，到2005年，我國進(jìn)口的硫資源折合S02將超過1000萬噸。加上國內(nèi)自產(chǎn)的S02，到時候我國化肥行業(yè)需要的S02將超過2000萬噸年。一方面排放大于2000萬噸年，白白浪費，還造成極大的、超過1100億元的酸雨損失；另一方面需求2000萬噸年，還花費巨額外匯去引進(jìn)。因此在控制二氧化硫排放保護(hù)大氣環(huán)境的同時，有效

13、地回收排煙中的二氧化硫作為硫資源加以利用，化害為利，變廢為寶，是適合中國國情的煙氣脫硫技術(shù)開發(fā)研究的發(fā)展方向。 PAFP是針對燃煤煙氣而開發(fā)的活性炭脫硫技術(shù)，利用活性炭的吸附催化能力將煙氣中的二氧化硫吸收并制成硫酸，在消除二氧化硫污染的同時，回收了寶貴的硫資源。由于本項技術(shù)在投資與傳統(tǒng)的拋棄法脫硫費用相近甚至略低，而在運行過程其綜合利用有副產(chǎn)品可得，因此除解決環(huán)境污染外在經(jīng)濟(jì)上將獲得利益，就比傳統(tǒng)的拋棄法具有明顯的競爭能力。在西南、華南和其它一些燃用高硫煤地區(qū)的電廠具有很好的推廣應(yīng)用前景。 四、工業(yè)性應(yīng)用實例（一） 工程基本情況本工程建在宜賓發(fā)電總廠所屬的豆壩發(fā)電廠內(nèi)，地點在四川省宜賓縣。豆壩

14、電廠有兩個50MW發(fā)電機(jī)組和兩個100MW發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為300MW。機(jī)組配備兩臺230t/h燃煤鍋爐和兩臺410t/h燃煤鍋爐。脫硫工程處理該廠4#鍋爐的部分煙氣量，約為10x104Nm3/h，相當(dāng)于120t/h鍋爐的煙氣量，既對應(yīng)于25MW發(fā)電機(jī)組。豆壩電廠使用的燃煤主要為宜賓地區(qū)芙蓉煤礦的無煙煤，同時也供應(yīng)部分小煤窯的煤。煤質(zhì)分析見下表：表二煤質(zhì)分析資料CYHYNYOYSYWYAYVYQY60.552.380.941.443.746.5024.4513.28551151.462.120.661.273.279.5031.529.33457048.902.240.911.353.50

15、9.0034.109.00450056.382.380.701.724.359.0634.479.065053從煤質(zhì)分析資料可見，豆壩電廠的燃煤含硫量通常為34%，屬高硫煤。鍋爐在正常燃燒時，排出煙氣中SO2濃度可達(dá)3000ppm以上。兩臺410t/h燃煤鍋爐都配有電除塵器。除塵器為三電場，正常工作時，除塵器出口煙氣含塵量在200mg/Nm3左右。但由于除塵器工作不正常，電除塵器出口煙氣含塵量常在400mg/Nm3左右。脫硫所產(chǎn)生的副產(chǎn)品稀硫酸，部分用于生產(chǎn)硫酸亞鐵，部分用于中和電廠沖灰水的pH。所生產(chǎn)的硫酸亞鐵部分直接出售，部分繼續(xù)加工成鐵紅后出售。生產(chǎn)硫酸亞鐵的原料鐵顆粒，全部是從電廠鍋爐

16、液態(tài)排渣的渣池中選出的，無需外購。（二） 工程主要設(shè)計參數(shù)脫硫裝置入口煙氣參數(shù)：二氧化硫濃度20004000ppm 含塵濃度400mg/Nm3 煙氣溫度100150 煙氣流量70000140000Nm3/h脫硫裝置運行參數(shù)： 處理煙氣量：100000Nm3/h脫硫率80%90% 單塔運行周期40小時年運行時間600小時年脫硫量4380噸年年產(chǎn)酸量22350噸年 (30%H2SO4)硫酸亞鐵生產(chǎn)技術(shù)參數(shù)：年產(chǎn)量1000噸年年耗硫酸量(30%) 1250噸年 年鐵顆粒耗量(含F(xiàn)e85%) 240噸年反應(yīng)溫度 80 結(jié)晶溫度 20 產(chǎn)品硫酸亞鐵純度95%（三） 主要設(shè)備及構(gòu)筑物工程主要設(shè)備是活性炭脫

17、硫塔，脫硫塔為四個，兩兩重疊簡為兩座塔，運行時三塔運行一塔洗滌再生。其它輔助設(shè)備主要為風(fēng)機(jī)、煙管、酸泵、水泵、酸池、水池等，見下表：表三煙氣脫硫裝置主要設(shè)備及構(gòu)筑物表序號名稱規(guī)格及型號材料數(shù)量備注煙氣脫硫系統(tǒng)主要設(shè)備1脫硫塔14000×4000×21000炭鋼2玻鋼襯里2風(fēng)機(jī)Y4-73 NO14DQ=159410m/h H=3080Pa炭鋼13空壓機(jī)V-3/7 Q=3m3/min P=0.7MPa N=18.5kw炭鋼14酸循環(huán)泵IH100-65-250 Q=100m3/h N=37kw316L55水循環(huán)泵IS100-65-200 Q=100m3/h N=22kw炭鋼46高

18、壓水泵IS50-32-250 Q=11.25m3/h N=11kw炭鋼27酸輸送泵IH80-65-165 Q=50m3/h N=11kw316L28酸循環(huán)池10000×5000×5000鋼混1玻鋼襯里9水池4000×4000鋼混110廢酸池8000×2500鋼混1玻鋼襯里綜合利用系統(tǒng)主要設(shè)備1硫酸貯槽2500×2500玻鋼12反應(yīng)槽150×1800玻鋼53離心機(jī)SS-800 800×400 N=4kw不銹鋼14反應(yīng)液槽2500×2500PVC15濃縮釜5000L搪瓷26結(jié)晶槽1000×2000×

19、600PVC207真空泵SI-2 N=10kw Q=15m3/h 炭鋼28耐酸泵316L4由于脫硫裝置用于煙氣脫硫并生產(chǎn)稀硫酸，因此設(shè)備的防腐措施很重要。系統(tǒng)中的主要設(shè)備脫硫塔及煙氣管道、酸池等，都采用耐溫性、耐酸性較強(qiáng)的呋喃樹脂與粘接性較好的環(huán)氧樹脂復(fù)配，并加入耐熱抗老化的填料和助劑，以玻璃布為骨架，形成防腐玻璃鋼保護(hù)層。脫硫塔內(nèi)的主要部位和零件用耐酸不銹鋼、聚四氟塑料等材料制造。酸泵選用不銹鋼耐腐蝕泵。輸酸管道采用UPVC塑料管，雙面防腐，耐酸、耐壓、耐溫。（四） 運行情況豆壩電廠煙氣脫硫裝置于1998年建成并投入使用，運行情況良好，基本達(dá)到設(shè)計要求。運行數(shù)據(jù)見下表：表四豆壩電廠煙氣脫硫裝

20、置運行數(shù)據(jù)時間煙氣流量總進(jìn)口1號出口1號塔2號出口2號塔3號出口3號塔4號出口4號塔總出口總效率SO2濃度SO2濃度效率SO2濃度效率SO2濃度效率SO2濃度效率SO2濃度日時 Nm3/h ppm ppm% ppm% ppm% Ppm% ppm%21日4113941334160381.9555983.2734889.5816295.1541987.4621日8120965348280276.9765281.2840188.4818794.6351485.2421日12125876398110397.4175281.1153486.5919895.0340189.9321日16129834354

21、215995.5182176.8269580.3822193.7647686.5621日20125432364120194.489997.2873179.9238689.435690.2221日24128976333221593.5513096.181275.6343187.064008822日4130123312023192.621493.148297.3753282.9526991.3822日8129012348928491.8625492.7211296.7977677.7635889.7422日12124765355139089.0239288.9623793.3312496.5128

22、891.8922日16116531340149485.4740188.2124992.6813096.1832190.5622日2011021836825898442988.3527192.6413296.4135890.2822日24107621314279874.648184.6930190.4214695.3543286.25平均值121941347540688.1243287.663988928591.6838388.96五、經(jīng)濟(jì)效益分析 PAFP煙氣脫硫工程本身是一項有益于社會的大氣環(huán)境治理工程，在付出一定經(jīng)濟(jì)代價的同時，也應(yīng)看到其相應(yīng)產(chǎn)生的社會、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。目前建成的PAFP煙

23、氣脫硫工業(yè)性試驗裝置，處理煙氣量10×104Nm3/h(約相當(dāng)于25MW發(fā)電機(jī)組鍋爐煙氣量)，煙氣濃度為3000ppm，年運行時數(shù)為7000小時，每年可脫除SO2為5110噸，生產(chǎn)的稀硫酸折合濃硫酸年產(chǎn)達(dá)7825噸，裝置建設(shè)費用951.3萬元，其單位建設(shè)費用為381元/kW，按發(fā)電量成本計算，每kWh電的脫硫成本約為0.0088元/kWh，當(dāng)計入副產(chǎn)品綜合利用收益時僅為0.0071元/kWh。年脫硫量為5110噸，按計算的年運行費用測算，每一噸SO2脫除費用為302元，如計入副產(chǎn)品綜合利用收益，則為243元。從環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益分析，本脫硫裝置每年運行可削減SO2的排放量達(dá)5110噸

24、，按0.60元/kg收取SO2排放繳費計，每年可減少SO2排放繳費306.6萬元。脫硫裝置若推行到一套200MW發(fā)電機(jī)組配套使用，每年可減少SO2 排放為32000噸，以每噸SO2造成損失費為5000元計，每年可減少1.6億元的損失。同時，通過脫硫每年回收副產(chǎn)硫酸折合濃硫酸達(dá)49000噸，相當(dāng)于取代一個年產(chǎn)5萬噸的硫酸廠和配套的硫鐵礦的開采，這符合我國保護(hù)環(huán)境、變廢為寶、綜合利用的國策，環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益兼得，社會效益顯著。 目前燃煤電廠的規(guī)模是向高溫高壓大容量機(jī)組發(fā)展，其煙氣排放量特大，含塵及煙溫較高，煙氣中SO2濃度相對較低，但SO2排放總量很大，因此對燃煤電廠的煙氣脫硫通常是一項耗資巨大

25、、技術(shù)難度較高，一般無經(jīng)濟(jì)效益，但為改善環(huán)境又必須投入的環(huán)境污染治理工程。開發(fā)PAFP煙氣脫硫技術(shù)旨在既解決SO2污染保護(hù)大氣環(huán)境，又通過回收硫資源并加以綜合利用，使之在工程投資和運行成本、技術(shù)先進(jìn)可行和今后替代一部分進(jìn)口脫硫技術(shù)裝備等方面獲得重大進(jìn)展。進(jìn)行10×104Nm3/h規(guī)模的PAFP煙氣脫硫工業(yè)性試驗，重點是在優(yōu)化中試成果的基礎(chǔ)上，開展工程化研究，研制比中試規(guī)模擴(kuò)大20倍的工業(yè)性試驗裝置，改變國外脫硫技術(shù)裝備占領(lǐng)我國廣闊市場的格局，使PAFP技術(shù)盡快轉(zhuǎn)入工業(yè)應(yīng)用。作者簡介 王幸銳，男，1960年2月9日出生。1982年畢業(yè)于四川大學(xué)化學(xué)工程系，現(xiàn)就職于四川省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院