電廠脫硫脫硝除塵一體化的創新之路

一.前言 我國是一個以煤炭為主要能源的發展中國家，隨著社會經濟的發展，每年直接用于燃燒的煤炭達12億噸以上，煤炭燃燒后排放出大量的污染物，已在局部地區造成了酸雨，嚴重的危害著生態環境。1992年在2省9市試行了SO2排放收費管理，1998年2月國務院召開“二氧化碳排放控制區和酸雨控制區發布會”，明確宣布酸雨區范圍和治理策略。繼1995年修訂后，1999年再度修訂“大氣污染防治法”，對SO2排放做了明確的規定。為了控制污染，還子孫以碧水藍天，在國家科委和國家環保局領導下，開展了一系列防治SO2污染技術的攻關研究。 目前，國內外應用于工業生產和正在進行中間試驗的煙氣脫硫方法比較多,總體上可以分為三類：即以吸收劑水溶液洗滌煙氣的濕法煙氣脫硫；吸收劑漿液吸收硫及干燥的半干法；以及直接噴射鈣基吸著劑粉料的干法煙氣脫硫。 濕法煙氣脫硫的脫硫效率比較高，適用范圍廣，但系統復雜，設備投資和運行費用高，要求的運行管理水平高，即使在發達國家推廣應用也存在著一定困難。噴霧干燥半干法煙氣脫硫投資及運行費用與濕法比較有所降低，但旋轉霧化噴頭等關鍵設備技術要求高，灰漿系統比較復雜，推廣應用也不容易。與上述兩種脫硫方法相比，噴鈣脫硫成套技術具有投資低，運行成本低，系統簡單，操作容易等優點，在中國被認為有廣闊發展前景的脫硫技術。 連續實施了十多年的強化電力脫硫除塵一體化急待應用示范建設政策使我國電力行業得到迅速發展，進入2000年后，電力總裝機容量超過了3億千瓦。從目前的情況看，新增電源的增長速度基本上能夠實現與國民經濟較高增速之間的動態平衡。 與此同時，較多依賴火力發電的電源結構仍未得到有效改善，目前燃煤發電仍占電力總消耗量的75％以上。由其引發的環境污染問題也隨之趨于嚴重，1998年和1999年我國因煤炭燃燒而排放出的二氧化硫總量分別高達2087萬噸和1857萬噸，居世界第一位，北方地區則接連發生大規模煙塵污染和酸雨現象，火電廠已經成為我國主要的大氣污染源之一。除了二氧化硫外，火電生產過程中還會形成一定的污水，構成了電力污染的一個部分，各個省市已紛紛響應，出臺各種燃煤電廠脫硫的配套優惠政策，這一系列措施使火電廠安裝環保裝置的積極性有所加強，尤其是電力脫硫設備，未來兩三年電力脫硫裝置市場將會達到一個峰值。 根據中國環境科學研究院的研究表明　火電廠是中國排放大氣污染物大戶，2003 年全國排放二氧化硫約為2150 萬噸，火電廠的排放量就達到1100 萬噸， 占到了全國二氧化硫排放總量的50%以上，按照目前的排放控制水平，到2020 年，中國火電廠排放的二氧化硫將達到2100 萬噸以上。從長遠來看，我國二氧化硫的排放量要削減一半，控制在1200 萬噸/年，其中電力行業排放的二氧化硫應控制在550 萬噸/年以下，這是一項艱巨的工程。 　 電力污染早已引起政府有關部門的高度關注，國家環保總局、國家經貿委等先后頒布《火電廠大氣污染物排放標準》、《火電廠煙氣脫硫關鍵技術與設備國產化規劃要點》等行政法規，并采用政策規制和經濟杠桿來促使火電企業實施環保措施，以期實現電力產業向環保化發展的政策，同時也提出了電廠脫硫脫硝除塵一體化國產化的目標。 二.電力脫硫脫硝除塵存在問題 1.技術方法成舊裝置造價高昂 　　電力環保裝置遲遲未能安裝運行主要是由于裝置造價高昂，比如，一個裝機容量60 萬千瓦左右的中型電廠，以250 元/千瓦的造價，脫硫設備投資大約需要1.5 億元；一年需脫硫1.25 萬噸,以1000 元/噸的脫硫運行成本計算，脫硫裝置的年運行成本也在1000 萬以上，在煤炭價格日漸高漲的情況下，發電企業面對高昂的脫硫成本，并且發電成本的提高又不能在電價上同步，國家提出每度電加價0.02元的脫硫費用，更不適應國家提倡循環經濟的發展方針。 電力脫硫設備市場容量主要來自于兩個方面，一是增量市場新建電廠上脫硫項目，二是存量市場---已建電廠的脫硫改建。2004 年新建成的機組一半左右沒有脫硫裝置，這是因為電站項目建設的周期大約在三四年，而這些機組大都是2002 年以前立項的，當時還未要求新建機組全面脫硫。而從2003 年開始， 國家環保總局要求新建的燃煤機組必須上脫硫裝置，所以，今后新投產機組中脫硫機組所占比例將逐年增大。“十一五”中后期投產的新機組基本都要配套脫硫裝置。老機組的脫硫改造目前仍存在一定問題，比如資金、電價、預留場地等，由于電力緊張，機組停不下來也是個問題。 表 1 脫硫設備市場容量預測 - 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 脫硫設備造價（元 /千瓦） 240 230 225 210 200 190 190 新增裝機容量（萬千瓦） 5,100 6,800 7,200 5,400 5,000 4,500 4,200 新建燃煤機組裝機容量比例 65% 65% 65% 63% 63% 61% 61% 新建燃煤機組安裝脫硫設備比例 60% 75% 80% 80% 90% 90% 90% 新建機組安裝脫硫設備裝機容量（萬千瓦） 1,989 3,315 3,744 2,722 2,835 2,471 2,306 新建機組安裝脫硫設備（億元） 48 76 84 57 57 47 44 已建機組安裝脫硫設備裝機容量（萬千瓦） 2,000 3,000 3,000 3,000 2,500 2,500 2,000 已建機組安裝脫硫設備（億元） 48 69 68 63 50 48 38 總脫硫設備市場容量（億元） 96 130 141 113 94 89 77 電力環保設備行業一方面受新增裝機容量的增加， 另一方面受環保產業政策趨緊的影響，行業面臨巨大發展機會。但目前這個市場存在著技術性的問題，一些環保公司只考慮石灰石—石膏法，采用噴淋塔技術不尖端相互競爭激烈打價格戰，廠商利潤率逐步降低。 2. 電力環保石灰石—石膏法可靠性值得研究 現在從事電力環保設備生產的公司主要有以下三類公司：1、發電集團和電力公司下屬的脫硫公司，如國電龍源環保，中電投的遠達環保，大唐電力的大唐環境科技工程有限公司，華電的博奇科技環保，蘇源電力的蘇源環保等等，這類企業與客戶同屬一個集團，具有十分明顯的客戶資源優勢。2、火電發電設備公司，如東方鍋爐哈動力和華光股份等企業也介入了新建電廠煙氣脫硫工程，這些企業擁有強大的客戶資源和完善的銷售體系，具有較強的競爭優勢。3、沒有電力系統股東背景的從事煙氣脫硫業務的公司，如凱迪電力，浙大網新，龍源環保，菲達環保，清華同方等，這些企業一般入行較早，技術與人才儲備比較豐富。另外，由于煙氣脫硫設備的核心技術仍然從國外引進的石灰石—石膏法，裝置就是噴淋塔，工藝簡單造成此行業的進入壁壘較低，從2003 年脫硫市場的爆發性增長開始，市場上就出現了很多家只有很少核心技術人員、僅憑一些社會關系就投標攬活的小公司，這些公司為了擠進市場，競相殺價，使脫硫行業毛利率水平急劇下降，已經形成惡性競爭，導致工程中標價格不斷下降，目前煙氣脫硫工程總承包中標價格已經降低到250 元/ 千瓦左右。國內電力環保無序競爭加劇，再加上鋼材等原材料漲價，所以不少環保公司目前的訂單飽滿，而目前國內專門做電力環保的企業已經多數滿負荷運作，同時做十幾個項目的調試，難度與危險系數都比較大。即使在發達國家推廣應用也存在著一定困難石灰石—石膏法，在我國電力環保上成了香脖子。另外電力環保上市公司武漢凱迪電力環保公司是最早從事脫硫設備生產的廠家之一；浙江菲達環保主營業務收入組成主要是在穩固發展比較成熟的電除塵器、氣力輸送設備業務的基礎上，大力發展新興煙氣脫硫業務，其發展前景取決于煙氣脫硫業務的拓展；菲達環保主要產品的原材料絕大部分都是各種不同類型的鋼材，鋼材占其成本的60% 以上；福建龍源環保主營業務和菲達環保相似，電除塵器占主營業務收入的90% 以上，公司介入脫硫市場較晚，從德國LLB 公司引進干法 脫硫技術并進行國產化。以上所有這些脫硫公司都采用掛靠外國公司石灰石—石膏法技術，弊端是裝置造價高，脫硫運行成本大。發電企業對脫硫設運行難和費用高感到頭疼。因此，所有這些電力環保公司認為石灰石—石膏法技術性不強，不象航天器和托卡馬裝置那樣尖端，只考慮企業經濟效益，不顧國情和技術創新，掛靠中外技術合作，一哄而起。 3.脫硫.除塵各行其事 電場在環保上考慮除塵的多，沒有認識煙灰富含多種金屬氧化物，它正是好的脫硫劑，由于肅虎造成資源浪費。而且靜電除塵設備投資也不小。特別是運轉費用更不能忽略不記，煙氣含塵量通常情況下為：20000mg/m3。其中有脫硫作用金屬氧化物占50%左右。這也是可觀資源，而沒有有效利用。其次考慮的是脫硫，這是因為脫硫投資大發電企業自己作不了主，所以在電力環保上打擂臺賽，先是除塵緊跟其后就是脫硫。對脫硫除塵沒有綜和考慮，形成了單打一。因此啟動火電廠煙氣脫硫國產化示范工程，濕法煙氣脫硫設備國產化的同時，選擇其它若干種煙氣脫硫工藝作為國產化的示范工程，編制出國產化實施方案，指定幾種自主知識產權的技術裝置全面推廣是直觀重要。 煙 灰 成 份 名稱 數量 百分比 % 備注 SiO2 47.68 49.22 Ai2O3 30.85 32.19 Fe2O3 10.43 9.68 煙氣含塵量 通常情況下為： 20000mg/m3 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 從上表分析煙灰中32%左右的以氧化鋁和氧化鈣，氧化鎂，氧化鉀，氧化鈦等堿性氧化與脫硫液亞硫酸中和產生亞硫酸鹽，又有9.6%的三價鐵與脫硫液中亞硫酸反應產生亞硫酸鐵，亞硫酸鐵易水解成氫氧化鐵，它不僅是硫的吸收劑，也是的還原劑。既有這些資源就為脫硫脫銷除塵一體化提供了條件。 4.科技成果轉化難極為突出 當今從事電力環保企業他們是作勢，而沒有真正作技術創新。他們的作法是掛靠外國公司，能可支付高昂技術費，也不愿意做國內的技術成果示范，甚至對國內的技術發明持歧視態度，這讓國內技術發明者滿懷激情發展社會科技事業，卻給帶來的是債臺高筑，身心疲憊。國家提出開發自主知識產權的煙氣脫硫除塵一體化裝置只不過是號召而已。中國加入世貿以來，國外對中國設置了很多貿易障礙，又在知識產權上施加壓力，而中國的技術發明又何從何為，不得不引起我們深思。 三. 還原法脫硫脫硝除塵一體化技術方法介紹 還原法脫硫脫硝除塵一體化技術主要用于解決治理有色金屬冶煉和以劣質煤燃燒的電站鍋爐燃燒產生廢氣。其創新之處在于：從自然現象中找到切入點，率先應用還原法治理煙氣污染，運用地質化學原理，按火山口固硫成因原理，在本項目工藝流程中通過兩級吸收、兩次配氣，將煙氣均勻注入脫硫塔還源液內，多元化還原反應沉積單質硫，煙氣SO2回收率達95%以上，煙塵凈申請項目的必要性化率達99%，并且還原液循環使用，無二次污染，本工藝技術裝置實現脫硫除塵一體化。工藝技術先進，造價低廉，容易實施，產業化前景廣闊 1. 還原法原理 反應式如下： 5SO2+H2O—5H2SO3 （1） 3H2SO3+3NaS→3NaSO3+H2 s （2） H2S+SO2→3S↓+H2O （3） 配氣反應式： 2H2S+3O2→2H2SO3（O2充足時） （4） 2H2S+O2→2H2O+2S↓（O2適量時） （5） Na2S+H2O=NaOH+H2S NO2+ NaOH+O2 =NaNO3+H2O 在工業技術上，“工業煙氣脫硫除塵裝置”吸取了過去吸收液高壓霧化反應不徹底的弊病，以水煙袋的機理，將煙氣按流量大小和煙道直徑分配于幾個排列組合的煙管上，在煙管上排列加裝“T”字型小直徑煙嘴插入還原液體內，這一方法解決了煙氣克服液體密封的阻力，將高溫煙氣均勻注入脫硫塔脫硫液中的同一界面中，已達到充分反應的目的。且采取脫硫塔兩級吸收、兩次配氧。每級煙氣過載面積為60m2--120 m2，還原液循環過濾利用全過程自動化操作。其流程圖如下： 還原塔 煙氣排放 煙道氣 脫硫塔 旁通煙道 過濾 石灰水、催化劑 煙灰，硫 2. 工藝流程概述 A、如圖所示，本裝置分三段區：第一段噴淋降塵區，第二段兩級還原吸收區，第三段氧化還原除霧區。 第一區段：設計煙氣進入后成“U”走向，加上裝置上安裝10個噴頭，高壓霧化噴淋，將煙塵沉降在除塵器下部用螺旋出渣機定時卸出，和疏水閥疏水。 第二區段：利用變徑增加壓強克服液體對氣體阻力，煙氣通過煙道分別均勻插在吸收液中，兩次吸收反應后，煙塵和亞硫酸鹽排入固液分離器，吸收液輸回重復使用。 第三區段：經過脫硫塔排出的煙氣通過氧化冷卻除水霧后排放煙 囪，此區段靠鼓風進氧和吸濕材料完成脫水。本裝置的工藝創新和科學的思維，適用性強，開發應用轉化容易。 項目的創新點 脫硫脫銷除塵的核心是裝置，目前國內外都采用噴淋塔，而本工藝方法上我是將高溫煙氣均勻的注射入還原液內充分反應新型裝置，反應徹底。工藝裝置設計構思新穎，利用壓強差將煙氣完全、均勻地吸收在還原液內，使SO2充分反應，得到的硫粉煙塵一并過濾回收吸收液輸回重復使用，技術處于國內首創。技術率先應用煙氣注射法脫硫治理煙氣污染，煙氣與還原液接吻面積大，反應時間長的特點。 裝置優點是： a. 占地面積小，本裝占地面積為150m2。 b. 運行成費用低，按原硫計噸損耗還原劑130元。 c. 自動化程度高。 d. 脫硫除塵一體化有效利用煙灰中的金屬氧化物脫硫。 e. 有效利用煙塵中的金屬氧化物吸收二氧化硫。 .f. 以廢治污，循環利用。 WJS系列脫硫除塵裝置規格及技術參數 型號 項目 WJS—1型 WJS—2型 WJS—3型 外型尺寸 脫硫塔 (長寬高) 10m×5m×6m 10m×8m×8m 10m×12m×8m 氧化還原 除霧塔(長寬高) 3m×4m×6m 4m×5m×6m 4m×6m×8m 煙氣進口溫度（℃） 120℃ 120℃ 120℃ 煙氣進口徑 3m×4m 3m×5m 4m×6m 煙氣進口壓力（Pa） 5000pa 6000pa 7000pa 煙氣流量 （Nm3/h） 40萬Nm3/h 80萬Nm3/h 120萬Nm3/h 還原液PH值 PH=3~4 PH=3~4 PH=3~4 中和液PH值 PH=8~10 PH=8~10 PH=8~10 煙氣排放溫度（℃） 60~80℃ 60~80℃ 60~80℃ 占地面積 （m2） 120m2 150m2 200m2 總 重 量 60T 80T 118T 備 注 本裝置配套用戶，引風機用戶自己提供，流量大于原設計30%，風壓4600--7000Pa。 脫硫脫硝除塵裝置技術參數表 型號 WJS- 30 WJS – 35 WJS – 40 WJS -50 WJS – 75 WJS – 120 WJS – 220 WJS – 410 WJS – 670 WJS – 1100 處理 氣量萬 m3/h 7.5 8.75 10.0 12.5 16.0 25.0 42.0 80.0 95.0 210.0 相當鍋 爐容量處理 氣量萬 m3/h 30T /H 35T /H 40T /H 50T /H 76T /H 120T /H 220T /H 410T /H 670T /H 1100T /H 適應溫 度℃ 120- 200 120- 200 120- 200 120- 200 120- 200 120- 200 120- 200 120- 200 120- 200 120- 200 耗 水 t/ ＜0.1 ＜0.12 ＜0.13 ＜0.16 ＜0.2 ＜0.32 ＜0.54 ＜1.1 ＜1.3 ＜3.0 耗 電 Kwv/h 46 54 64 75 98.6 154 259 493 586 1262 主體設 備占地 m2 12 13 13 15 20 25 50 72 100 120 系統占 地m2 120 150 160 200 250 300 400 600 700 150 主體設 備占 . . 50 50 80 100 100 200 200 100 脫硫除塵一體化配套設備參數表 項目/型號 WJS-X-1 WJS-X-2 WJS-X-2 WJS-X-3 WJS-X-3 WJS-X-4 WJS-X-5 處理煙氣 量m3/ 3×104 6×104 7.5×104 9×104 10.5×104 12×104 15×104 配用鍋爐 t/h 10 20 25 30 35 40 50 阻力 Pa 1500Pa 入口煙氣 溫度 ℃ 120--200 ℃ 主設備占 地m2 10 20 24 28 32 25 42 選配風機 Kwv/h Y5.47No5C 45(40) Y5.47No5C 110(100) Y5.47No5C 110(100) Y5.47No5C 185(135) Y5.47No5C 220(190) Y5.47No5C 220(190) Y5.47No5C 220(190) 選配水泵 t/h ×m 10×35 20×35 25×35 30×35 30×40 35×40 40×40 附注：1、循環水消耗量5%-10%。 2、配套主要設備包括：風機、泵、配電柜、控制柜、管、鋼架、污泥分離系統、吸收劑配制系統等 3.工程線路及反應原理： （1）工藝線路： 煙氣鍋爐引風機的作用下將煙氣鼓入脫硫塔中的煙管，煙管上分別安裝煙嘴插入60m2水面的脫硫液中，SO2與脫硫液反應排入沉降，氧化還原除霧塔通過鼓風使H2S配氧還原單質硫，煙氣達標排放，煙塵. 硫粉沉淀過濾，（煙塵. 硫粉）含硫20%左右達到工業品位，還原液循環使用。 （2）.主要設備及名稱： 因考慮工程投資規模與經濟承受能力，體現科技含量高而使用操作簡單的人性化。治理工程在現有的基礎上減少脫硫投資的總量，采用還原法煙氣脫硫除塵一體化技術裝置，設備采用電腦CAD輔助設計不銹鋼非標制作，輔助設備鼓風機.引風機.水泵.螺旋加料機.螺旋除渣機。 a.脫硫塔 b.氧化還原除霧塔 c.固液分離器（臥式甩干機） d沉淀池 四. 脫硫脫硝除塵一體化應用前景 根據我們目前了解的國內外行情來看，在電站鍋爐脫硫除塵設備上，多采用石灰石法設備，耗資1.5億多元，設備磨損快，維護檢修費用大，運行費大，而“還原法煙氣脫硫除塵裝置”預計單位售價為3680萬元/臺。要想將脫硫脫銷除塵一體化技術裝置國產化項目全面推廣實施，就要廢除噴淋塔和石灰石-石膏法，這將為我國有色金額冶煉及熱電廠節約大量的投資治理廢氣費用，該裝置的投資是同類產品投資的30%，運行費用是同類裝置的20%；硫資源回收，同時項目的運行減少了我國工業生產造成的和二氧化硫污染，保護環境及生態平衡，是實現我國潔凈化工業生產和資源合理利用的有利保障。依據我國國情，電力脫硫脫銷除塵一體化技術裝置是實現以廢治廢，廢物二次利用，它不僅是投資小，更直觀的是運行費用低，三為一體設備建設周期短。 發展科技創新、服務社會，促進我國環保產業建設和社會可持續的發展，堅持以科技創新促進產業，以產業推動社會文明的經營理念，采用科技服務與環保產業化相結合、項目運作與資本運作相結合、科技成果轉化與產業化開發相結合的運作新模式，拓展以煙氣脫硫除塵一體化技術裝置及其配套服務為主，實現我國循環經濟長足發展。 一項專利技術要轉化成一項成熟的產品，有一個相當艱難而漫長的過程，這已經是歷史了，作為科學技術說的沒有做的好。迫切希望取得行業內專家和企業老總參與引人高新技術成果產業化資金的支持。給于一個平臺，讓科技發明展現出來。 環保產業是人們公認的朝陽產業，我國已成為世界上環保產業發展中潛力較大的市場，為國內許多環保生產企業所重視，在中外競爭中，關于國內環保產品如何實現國產化，在市場上立于不敗之地，將是一個技術問題。作為一個新興的高科技產業，環保產業已從單純技術向產品生產，并逐步發展成為具有資源綜合利用和自然資源保護與產品開發、技術服務多功能的產業化體系，顯現科技文化發展綜合國力，這是歷史賦予我們的重任。所以時代呼喚國內環保企業要用高科技手段，將新型脫硫脫硝除塵為一體化的整體系統工程技術裝置產業化。實現脫硫除塵一體化國產化，打破常規石灰石—石膏法脫硫技術落后，裝置造價高，運行費用大的劣勢，創造出自己特色品牌，真正成為引領中國脫硫除塵一體化新朝流。可在我國全面推廣的成套裝置工程技術，必將是我國脫硫除塵工程技術在高新技術發展中的一個亮點，也是民族工業發展之希望。