发展低碳经济,实现烟气污染物利用与治理一体化

中国环境学会  2011年 06月22日

  王极绍 (陕西康宝能源环保公司 13891996589)


  摘要:本文介绍了我国电厂烟气治理上从除尘、脱硫、脱硝、温室气体减排几步走的发展模式,阐述了烟气治理给发电企业造成了不堪重负的原因,形成的亡羊补牢的环保理念。提出CO循环还原法除尘、脱硫、脱硝、温室气体开发利用为一体的发展技术。
     关键词:除尘、脱硫、脱硝   温室气体减排  几走的模式   一体化


  Abstract :This article introduced Our country Power plant haze governs from the dust removal, the desulphurization, the denitrate, the room temperature gas reduces the development model which the platoon several steps walks, elaborated the haze government has created the reason which for the electricity generation enterprise is unable to withstand the load, forms environmental protection idea which is better late than never. Proposed that the CO circulation reducing process dust removal, the desulphurization, the denitrate, the room temperature gas reduce the platoon are a body's development technology.
  Key word :Dust removal, desulphurization, denitrate The room temperature gas reduces the pattern which the row several walk Integration
   
  一、背景


  环境与健康发展是人们的期待,大气污染问题一直是人们头疼的问题,国外发达国家在解决大气污染动手早。我国是能源消耗大国,因能源消耗带来大量环境污染,目前燃煤发电仍占电力总消耗量的75%以上。由其引发的环境污染问题也随之趋于严重,火电厂已经成为主要的大气污染源之一。除了二氧化硫,氮氧化物外,火电生产过程中还会形成大量的温室气体,构成了电力污染的大户。根据中国环境科学研究院的研究表明;2003 年全国排放二氧化硫约为2150 万吨,火电厂的排放量就达到1100 万吨, 占到了全国二氧化硫排放总量的50%以上,按照目前的排放控制水平,到2020 年,中国火电厂排放的二氧化硫将达到2100 万吨以上。从长远来看,我国二氧化硫的排放量要削减一半,控制在1200 万吨/年,其中电力行业排放的二氧化硫应控制在550 万吨/年以下,这是一项艰巨的工程。虽然各个省市已纷纷响应,出台各种燃煤电厂脱硫的配套优惠政策,这一系列措施使火电厂安装环保装置的积极性有所加强,尤其是电力脱硫设备,我国已完成50%的装机脱硫装置,而我国是发展中的国家,因此没有经验只是盲目引进。这样以来,虽然SO2有所减排,可是大大增加了室温气体的排放,足以形成亡羊补牢的效应,迫使了发电企业在环保治理上从除尘、脱硫、脱硝、温室气体减排四步走的模式。
   中国电力环保遭受投资大运行费用高的煎熬。是导致着发电企业对石灰石-石膏法脱硫装置不能安全运行主要原因,是由于装置造价高昂,石灰石-石膏法运行费用高,比如,一个装机容量60 万千瓦左右的中型电厂,以250 元/千瓦的造价,脱硫设备投资大约需要1、2亿元;一年需脱硫2 万多吨,以1000 元/吨的脱硫运行成本计算;1台30万千瓦机组一年的运行费在2000万左右,60万千瓦机组则需4000万元,所以,发电企业面对高昂的脱硫成本,并且石灰石-石膏法脱硫带来的发电功率要削减10%,煤耗增加3-8克/kw.h,我国有2.7亿kw机组安装了脱硫装置,污染减排老百姓没有感受到。依据我国国情和人民消费承受能力,国家早在几年前就提出发展烟气脱硫、脱硝、室温减排一体国产化,现今国家又提出循环经济与清洁发展千年目标。为此,就大气污染治理、保护环境与人类健康谈点发展思路与大家共勉。


     二.用科学的理念设计发展规划


  1.正确认识污染物
  大家都知道,大气污染,污染源是什么物质,造成危害有那些?酸雨的形成是SO2.Nox超标排放,造成室温效应就是CO2的超标排放。中国加入了《二十一世纪议程》又签署了《京都义定书》,顾名思义,污染物它是物质,对于物质污染问题,我认为是把它放错了位置,它拥有有害的一面也有有益的一面,不能望而生畏,要用科学的发展观正确对待,首先让我们了解烟气污染物的成分中的各个含量,在这些物质用化学方法认识,我们逐一分析判断,就很好容易找出对策,做出实施方案。
  A.烟气(SO2)一般为0.8-1.5%
  B.氮氧化物,(NOx . NOX)一般为 2000---3000mg/m3
  C.二氧化碳(CO2、CO)根据发电和电能转换所需用的燃料煤得出碳强度系数:0.92 千克 CO2 /千瓦/小时,30万KW机组为例:300000kw/h×0.92kg=2760kg,根据计算:30万机组每小时产生2.76吨CO2机组年运行5500小时,产生15180吨CO2。
  D.烟气含尘量通常情况下为:20000mg/m3。
  烟 灰 成 份 含 量

  名称           

数量

百分比 %

SiO2

47.68

49.22

Ai2O3

30.85

32.19

Fe2O3

10.43

9.68

CaO

2.91

2057

MgO

1.4

1.16

SO3

1.91

1.46

K2O

1.62

1.29

TiO2

1.64

1.18

其它

1.61

1.12

  从烟灰分析表中得知;有32%左右的金属氧化物(氧化铝和氧化钙,氧化镁,氧化钾,氧化钛)等,这些碱性氧化与脱硫液亚硫酸中和产生亚硫酸盐,又有9.6%的三价铁与脱硫液中亚硫酸反应产生亚硫酸铁,亚硫酸铁易水解成氢氧化铁,它不仅是硫的吸收剂,也是的还原剂。既有这些资源就为还原法脱硫脱销除尘一体化提供了条件。


  2.科学利用变废为宝
  当人们提起脱硫.脱硝时,都说国外的技术先进,对目前国内外烟气脱硫以石灰石-石膏法为主的做法,我们总认为他们的理念存在误区,它是为纯粹脱硫而已,不考虑脱硫亚石膏再利用和二次污染问题。对于脱硫.脱硝.除尘世界各国急于寻找高科技技术。用一种介质、三种功能,同时在一个容器内完成,达到即脱硫,又脱氮还能除尘,无废渣、废水、废气排放,以废治废,变废为宝的新型装置技术,截止目前还没有新的方法和装置,特别是低浓度SO2的治理已成难题。因此我们开发的WJS系列CO循环还原法脱硫、脱硝、除尘、室温气体减排一体化技术,它是以脱硫还原硫粉回收利用做法,也是化工领域的新成果,在装置上吸收国内外工业广泛应用的化工装置技术,形成完整的集成创新;在还原介质上利用烟气中的CO2转化为CO形成还原剂,将烟气均匀注入还原剂中,将SO2、NOX分别还原为单质硫和氮气,CO与水蒸气合成水煤气供锅炉燃烧,完美的实现脱硫、脱硝、除尘、室温减排一体化。
  二氧化碳工业用量最大,利用经济价值可观,CO2不仅是大气的组成成分,在自然界中天然气油田以及碳酸盐矿物中伴生,植物生长中光和作用合成叶绿素,如果工业大量排放,就形成一种具有室温效应的酸性气体,影响全球生态环境.CO2在国民经济中有着广泛用途,对于烟气中SO2、 NO2、CO2这类物质任意排放它就是污染,有效利用它就是资源,如何将它变废为宝,这就是我们技术创新的所在。
  本项目创新在于利用烟气中30%多的CO2转化为CO,其中烟气中就含有6-8%左右的是CO,我们通过大量的试验研究成果,解决了还原剂CO的制备工艺。水煤汽制备方法,二氧化碳制煤汽关键在于转化一氧化碳,它是利用矿热炉加装改型来完成,而煤气合成塔国内早有成型设备。
  (1)通过变压吸附生产干冰用于人工降雨。(物理法)
  (2)二氧化碳在灼热碳作用下隔绝空气二次加温转化一氧化碳,用发电的余热蒸汽与一氧化碳合成水煤汽,水煤汽又供锅炉燃烧发电,循环利用。工艺过程为:CO2隔绝空气在碳的作用(加温1100)生成CO+(水蒸汽)H2O=水煤汽。水煤汽用于燃烧或制乙酸。


  三.用循环经济的技术方法与工艺保障实施烟气污染综合治理


  1.CO循环还原法脱硫、脱硝、除尘、室温气体减排一体化技术方法
  CO循环还原法烟气脱硫、脱硝、除尘、室温气体减排一体化技术装置,陕西康宝能源环保有限公司从1992年中国在联合国签署《二十一世纪议程》以后,奔着在全球一体化来临之际,人类从农耕时代过渡为工业化时代,又进入信息化时代时,经济的高增长、能源高消耗、环境重污染的背景下,应对国际上石灰石-石膏法脱硫技术与装置亡羊补牢的环保理念,开始自选课题预研、科技攻关、基础研究和与企业横向合作项目研究中,对循环还原法烟气脱硫、脱硝、除尘、室温气体减排一体化技术装置的基础理论和制造技术、还原剂与装置之间的化学过程反应技术等方面都进行了系统深入的研究,经过二十多年的积累形成的科研成果包括:
  1).深入研究了还原剂与装置之间的化学过程反应之间的相互作用和规律,研制成功CO循环还原法烟气脱硫、脱硝、除尘一体化技术装置,为火电厂、化工、有色金属冶炼中烟气污染治理的应用奠定了坚实的工作基础,该项研究成果于1988年至今已获国家多项专利。
  2).为寻求一套装置一种还原剂同时完成脱硫、脱销、除尘、温室气体减排目的,从污染物质性质分析中发现了物质变化规律,设定了还原法烟气污染治理方法,减少电力环保的运行费用,回收的水煤气替代了电厂调峰时所用燃油,回收的单质硫增加收益。突破了国内外烟气污染治理从脱硫、脱硝、除尘、二氧化碳减排四步走的发展模式。
  3).在市场经济下,经北京矿冶研究总院的推荐,2000——2006年四川甘子洲大渡河镍冶炼厂配套应用,得到有效验证.
  4).先后获得国家发明专利2项,实用新型1项,具有自主知识产权。
  我们所研制的CO循环还原法烟气脱硫、脱销、除尘、温室气体开发利用一体化装置是真正意义上的节能减排措施。污染物资源化的理念,是领军世界烟气污染治理一体化技术的一场革命,是刷新烟气污染治理技术领域的新纪元。我们拥有自主知识产权和完整的理念。该技术是由烟气多管布袋式脱硫还原塔和循环还原法两部分组成的系统工程, 脱硫剂来源于烟气中的CO2转化为CO,用CO在烟气中还原脱硫脱硝,过剩的CO合成水煤气供锅炉燃烧,它将烟气中的CO2转化CO,还原SO2为单质硫回收,NO2还原为氮气排放, 二氧化碳转化为一氧化碳与过热水蒸气反应产生水煤气供锅炉燃烧,为电力环保提供系统工程治理技术方案,以废治废循环利用,实现烟气污染物零排放。重点解决国内外烟气治理从脱硫、脱硝、除尘、二氧化碳减排四步走的模式,我们的目标是真正实现节能减排、废物再利用。因此,针对国内外发展中的国家在化工、电力等行业烟气污染治理具有及其广泛等应用前景,市场发展前景十分广阔。 说道脱硫脱硝除尘一体化,首当其冲的是装置,WJS系列装置就是一种创新,那么还原法是技术上的创新,其创新之处在于:采用计算机模拟设计,优化脱硫塔及塔内的烟管喷嘴等的布置,优化还原液浓度、Na/S比、还原液流量等运行指标,可以保证脱硫塔内烟气注射到还原液里均匀,以最小的消耗取得最好的脱硫效果工艺技术先进,造价低廉,容易实施,产业化前景广阔,装置型号为: WJS-X-1.2.3……型 (小型)适应烟气流量0.5-40万Nm3/h  WJS-D-1.2.3……型(大型)适应烟气流量40-120万Nm3/h.这一方法解决了烟气分布均匀,将高温烟气均匀注入还原脱硫塔中的同一界面中,已达到充分反应的目的。且采取脱硫塔两级吸、两次配气。烟气过载面积为60m2,还原剂循环过滤利用,全过程自动化操作。它的反应过程使SO2在饱和的CO气氛中失去活性,还原单质硫。
  CO循环还原法烟气脱硫、脱硝、温室气体开发利用一体化系统工程装置,是干法还原脱硫、脱硝,采用微正压循环推进技术运行,过程中随污染物的沉降而烟气量逐步减小,不用外添加脱硫剂,设备负荷小,干法脱硫设备腐蚀小,因此脱硫设备与主机配套使用寿命长。


  2. 工艺流程概述
  (1)项目的基本原理及关键技术、技术或工艺路线等。
  A.项目的基本原理
  该技术是由CO循环还原法和脱硫、脱硝、除尘、温室气体开发利用一体化装置两部分组成的系统工程,它利用CO将烟气SO2还原单质硫回收, NO2还原为氮气排放; 二氧化碳转化为一氧化碳与过热水蒸气反应产生水煤气供锅炉燃烧,为电力环保提供系统工程治理技术。
  B.项目的基本原理及关键技术内容:
  CO循环还原法脱硫除尘脱硝一体化技术治理烟气脱硫脱硝的基础原理特性:
  1)酸性。SO2、NO2属于中等强度的酸性氧化物,可用碱性物质吸收,生成稳定的盐。
  2)与钙等碱性土族元素生成难溶物质。
  3)SO2 NO2在水中有中等溶解性,溶于水后生成H2SO3,可与其他阳离子生成稳定的盐,或氧化成不易挥发的(盐)SO4
  4)氧化性。与强氧化剂接触或有催化剂及氧存在时,可被氧化成SO3,易用吸收剂吸收。
  5)还原性。当SO2 NO2与强原剂(H2S、CH4、CO、H等)接触时,可被还原成元素硫沉淀和N2排放。
  依据SO2 NO2的特性,我们对课题进行多方面的分析,就目前国内外技术应用情况,脱硫、脱硝技术不能仅限于中和吸收法,从资源的角度考虑,那么最佳方法是循环还原法。


  2.项目技术路线描述
  本工艺烟气脱硫脱硝除尘一体化装置吸取了国内外喷淋吸收液高压雾化反应不彻底的弊病,以特定的化工机理,将烟气按流量大小和烟道直径分配于N个排列组合的烟管上,在烟管上排列加装“T”字型小直径烟嘴插入还原剂体内,同时设计塔式多管布袋除尘,这一方法解决了烟气克服了反应之间的吻合力,当将高温烟气均匀注入脱硫塔脱硫剂中的同一界面时,烟气与还原剂完全接触,已达到充分反应的目的。且采取脱硫塔多级还原反应区域。每级烟气过载面积为60~120/m²,还原剂循环过滤利用,全过程自动化操作,其流程图如下
  2)艺流程概述         
  A.如图所示,本装置分三段区:第一区段还原、降尘区,第二区段CO2转化区,第三区段水煤气合成区。
    第一区段:设计烟气进入后成“U”走向,加上装置安装风冷散热,将烟尘沉降在降尘器下部,烟尘和硫粉在布袋收尘的作用下排入卸灰器用螺旋出渣机定时卸出。
    第二区段:利用矿热炉原理,烟气通过矿热炉时CO2在炽热碳作用下转化CO,还原剂输回循环转化利用。
    第三区段:经过脱硫塔排出的烟气通过碳化加温,输送CO储罐。多余的CO与水蒸气合成水煤气送锅炉燃烧。
  B、项目技术实现依据
  1)基于CO循环还原法烟气脱硫、脱硝、除尘、室温气体减排一体化技术装置方法已有多年的研究,为成熟技术;
  2)还原法原理
  3)还原法脱硫、脱硝
  4)还原剂:CH4  H2S  CO  H2
  反应式如下:
  当SO2和还原剂H2S时;
  H2S+SO2→3S↓+H2O              
  NOx+ H2S=S↓+N2↑+H2O
  配气反应式:
  2H2S+3O2→2H2SO3(O2充足时)      
  2H2S+O2→2H2O+2S↓(O2适量时)      
   当NO2和还原剂H2S时, NO2就还原成N2排放。
  SO2+ CH4=S↓+H2O +( CS2 + H2S )+ CO
  SO2+ CO= S↓+CO2
  NO2 + CO = N↑ +CO2
  项目的创新点:以废治污,循环利用。
  WJS系列脱硫脱硝除尘装置规格及技术参数

  型号项目

WJS-1

WJS-2

WJS-3

外型尺寸

还原脱硫塔(长宽高m

8×8×28.8

10×10×28.8

12×12×28.8

CO2转化炉(直径×高m

3×12

4×12

5×12

卧式螺旋卸料离心脱水机

LW350-860-N

LW450-860-N

LWG500-1000-N

循环压缩风机

YG5-47No5C

YG5-47No5C

YG5-47No5C

水泵

40m³/h

60m³/h

120m³/h

烟气进口温度(

120

120

120

烟气进口径(m

3×4

3×5

4×6

烟气进口压力(Pa

5000

6000

7000

烟气流量(Nm³/h

40

80

120

烟气排放温度(

6080

6080

6080

占地面积(m²

150

200

250

备注

本装置配套用户,引风机用户自己提供,流量大于原设计30%,风压46007000Pa.

 

  四.目标和期盼


  循环经济的目的就是做到物尽其用,循环经济是以污染减量化排放、污染再利用、资源化为原则,以提高资源利用效率为核心,以资源节约、资源综合利用、清洁生产为重点,通过技术进步和加强管理等措施,大幅度减少资源消耗、降低废物排放、提高资源生产率,促进资源利用由“资源—产品—废物”线性模式向“资源—产品—废物—再生资源”循环模式转变,以尽可能少的资源消耗和环境成本,实现经济社会可持续发展,使社会经济系统与自然生态系统相和谐。循环经济是以低投入、低消耗、低排放、高效率为基本特征,符合可持续发展理念的经济增长模式。发展科技创新、服务社会,促进我国环保产业建设和社会可持续的发展,坚持以科技创新促进产业,以产业推动社会文明的经营理念,采用科技服务与环保产业化相结合、项目运作与资本运作相结合、科技成果转化与产业化开发相结合的运作新模式,大胆的转变科学决策思维。要有在技术难题上的新思路和真本领发现能力。温家宝总理明确指出:“在科技发展上,要想大事,办大事,尽快把中国的科技搞上去。中国应该多出让世人瞩目的科技成果。”不要以回避风险为由,随意丢失重大创新的科学机遇。拓展以烟气脱硫除尘一体化技术装置及其综合利用,实现我国循环经济长足发展。作为一个国家综合制造能力的集中体现,重大装备制造业在实现从“中国制造”到“中国创造”战略中的位置是举足轻重。大家知道我国尖端科技名列世界第三,而应用科技名列世界二十几位,大气污染治理是应用科学,脱硫脱硝除尘几为一体技术不象航天器和托卡马装置那样尖端,因此启动火电厂烟气脱硫国产化示范工程,湿法烟气脱硫设备国产化的同时,选择其它若干种烟气脱硫工艺作为国产化的示范工程,编制出国产化实施方案,指定几种自主知识产权的技术装置全面推广是直观重要。运用再加煤气合成装置,电厂在环保上不再考虑除尘、脱硫、脱硝、脱二氧化碳从三步走到四步走的模式。电力环保上不再打擂台赛。发电企业经济效益会增加,而且电场不仅销售电,还有煤气.硫原料等商品。因此,不会因脱硫带来巨大经济压力。
  综上所述,我们的目标是真正实现脱硫脱硝国产化,那么,在技术推广过程中,如何解放思想,落实科学发展观,期盼政府大力支持协调,把火电厂烟气脱硫脱硝一体化技术列为我国实施清洁能源计划的关键技术,国家重大和重点科技计划应就国内专利进行筛选列入,与发达国家科技比较。因此,我国的这项工作具有较强的政府行为。这就更需要我们做深入细致的调查,多比较相关技术的技术性能,经济指标,多结合国情考虑问题。,把科学发展观落到实处,给国内的创新成果一个示范平台,把脱硫脱硝除尘一体装置国产化推广开来,使我国能源环保科技水平一定能够引领世界新朝流,到那时中国人也感到骄傲和自豪的。
  以上是我对大气污染治理与循环利用粗浅的创新方法与大家交流,科学技术是共享资源,希望大家共同参与,把这项事业做的更完美,使全球一片蓝天再现。
 

   作者简介
  王极绍,工程师,1958年出生陕西,1982-1984年在南京林校林产化工专业进修。1994年至今从事工业烟气污染治理研究,成果是co循环还原法脱硫、脱硝、除尘、温室气体减排一体化技术与装置。


  参考文献
  1、《化工词典》燃料化学工业出版社1970年版
  2、《化学分析》化学工业出版社。
  3、《中国电力环保》2005第一期《电力环保创新之路》一文。

 
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