捕要：活性炭煙氣脫硫技術(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(shí)�；厥樟藢氋F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(shí)用性。
一、概述
1.1 活性炭煙氣脫硫的工藝原理
活性炭煙氣脫硫技術(shù)是利用活性炭催化氧化制酸的機(jī)理，將煙氣中的SO2吸附脫除制成H2SO4，通過與之配套的綜合利用工藝，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。活性炭煙氣脫硫技術(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(shí)被吸附，吸附在活性炭表面的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?jī)?nèi)，當(dāng)活性炭吸附飽和后進(jìn)行洗滌再生，以稀硫酸的產(chǎn)品形式產(chǎn)出。本項(xiàng)技術(shù)因在活性炭的選擇和洗滌方式上具有獨(dú)特強(qiáng)化的工藝，可以使回收的SO2生產(chǎn)出濃度為30%左右的稀疏酸。
活性炭脫硫制酸的反應(yīng)機(jī)理可用下式表述：
SO2催化劑/(活性炭)SO2
O2催化劑/(活性炭)O2
2SO2+O2→2SO3
SO2+H2O→H2SO4
在活性炭煙氣脫硫技木中，脫硫副六品的綜合利用是一項(xiàng)可因地制宜進(jìn)行開發(fā)制取硫酸盆系列廣品的回收工藝，目前已開發(fā)出用稀硫酸生產(chǎn)（N十P2O5)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（FeSO47H2O）產(chǎn)品工藝。在工業(yè)性試驗(yàn)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粒選出與脫硫副產(chǎn)的稀硫酸按比例計(jì)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。
Fe+H2SO4+7H2O=FeSO4·7H2O+H2
在活性炭煙氣脫硫技術(shù)中脫硫副產(chǎn)品的綜合利用，是一項(xiàng)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，今后也可采取稀酸直接濃縮為成品酸，從而使活性炭脫硫技術(shù)在完成煙氣脫硫的過程中對(duì)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。
1.2 活性炭煙氣脫硫工藝技術(shù)開發(fā)過程
活性炭煙氣脫硫技術(shù)是我國(guó)自行探索開發(fā)的一項(xiàng)新工藝技術(shù)，到目前以完成了建設(shè)示范裝與工程應(yīng)用的全部技術(shù)準(zhǔn)備。此項(xiàng)技術(shù)在“七五”期間被列為國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目，完成了處理為5000Nm3/h的電廠煙氣脫硫的中間試驗(yàn)，1991年通過了國(guó)家組織的鑒定和驗(yàn)收，1994年該項(xiàng)目列為四川省重點(diǎn)工業(yè)性試驗(yàn)項(xiàng)目，在四川豆壩電廠建成了處理量為10×104Nm3/h的工業(yè)性試驗(yàn)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(guó)家發(fā)展計(jì)劃委員會(huì)和國(guó)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(diǎn)領(lǐng)域指南”中，已將活性炭煙氣脫硫技術(shù)列入逐步實(shí)現(xiàn)成套化、大型化的目標(biāo)。
二、活性炭煙氣脫硫工藝技術(shù)特點(diǎn)
2.1 活性炭煙氣脫硫技術(shù)的特點(diǎn)
活性炭煙氣脫硫技術(shù)的開發(fā)，主要是為了解決大中型燃煤鍋爐二氧化硫圬染問題�；钚蕴繜煔饷摿蚣夹g(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(yùn)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(diǎn)如下：
a、采用活性炭吸附氧化脫硫技術(shù)，不需隨時(shí)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(chǎng)制備和運(yùn)輸，沒有脫硫廢渣，無二次污染影響。運(yùn)行管理甚為簡(jiǎn)便，并可快速啟動(dòng)。
b、開發(fā)的脫硫?qū)Ｓ没钚蕴�，其表面天然存在的酚型羥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(zhǎng)效催化氧化的作用，活性炭裝置的脫硫活性炭催化劑一次性投入可使用四年以上。
c、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，使得活性炭技術(shù)具有較高的脫硫率和較高的產(chǎn)酸濃度。試驗(yàn)表明，活性炭技術(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(shí)（<15%），脫硫率可達(dá)95%以上。
d、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(shí)，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。
e、吸附催化反應(yīng)脫硫塔是活性炭煙氣脫硫的關(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/m2時(shí)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。
2.2 主要技術(shù)性能指標(biāo)與國(guó)內(nèi)、國(guó)外同類技術(shù)的比較
活性炭技術(shù)是針對(duì)燃煤電廠煙氣而開發(fā)的活性炭脫硫技術(shù)，既可消除二氧化磁的污染，又可回收硫資源。以往國(guó)內(nèi)外的活性炭脫硫技術(shù)產(chǎn)生的硫酸濃度太低，一般僅有5~15%，對(duì)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，而活性炭煙氣脫硫技術(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(shí)活性炭脫硫技術(shù)可適應(yīng)高含塵量（~400mg/m3）和大范圍的SO2濃度（500~3500ppm）�；钚蕴棵摿蚣夹g(shù)與國(guó)外采用活性炭脫硫制酸的日本日立公司、德國(guó)魯奇公司技術(shù)的比較見表一。
表一 活性炭脫硫技術(shù)與國(guó)外活性炭脫硫制酸技術(shù)的比較
| 活性炭技術(shù) | 日立-東電法 | 德國(guó)魯奇 | |
| 處理煙氣量Nm3/h | 10×104 | 42×104 | 4.5×104 |
| 入口SO2濃度ppm | ~3000 | ~500 | 300~500 |
| 脫硫空速h-1 | ≥500 | 未報(bào)導(dǎo) | 未報(bào)導(dǎo) |
| 脫硫塔阻力Pa | ~2000 | ~4000 | 未報(bào)導(dǎo) |
| 脫硫效率% | ≥85 | 80 | 80~90 |
| 脫硫產(chǎn)稀硫酸濃度% | ~30 | ~20 | 10~20 |
| 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(chǎng)前景
3.1 活性炭煙氣脫硫技術(shù)適用范圍
活性炭煙氣脫硫技術(shù)適用范圍很廣，對(duì)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，都可以使用活性炭脫硫技術(shù)。該技術(shù)對(duì)煙氣的塵含量和SO2濃度及氣有一定的要求。一般的含塵煙氣需要經(jīng)過除塵器將其含塵濃度降至400mgNm3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10×104Nm3/h以上。
3.2 活性炭煙氣脫硫技術(shù)市場(chǎng)前景
我國(guó)是世界上較大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，煤炭占總能源的73%，是世界上少數(shù)幾個(gè)以煤為主要能源的國(guó)家之一。由于我國(guó)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，致使二氧化硫排放不斷增加，遭成嚴(yán)重的環(huán)境污染。燃煤煙氣SO2排放是酸雨污染發(fā)展的主要因素，全國(guó)酸雨的損失在1998年超過了1100億元，相當(dāng)于每噸SO2的損失為5000元；已成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。
我國(guó)是一個(gè)人口大國(guó)，也是農(nóng)業(yè)大國(guó)，更是化肥大國(guó)。2005年，磷肥需求1000萬噸。硫酸是生產(chǎn)磷肥的主要原料，目前我國(guó)硫酸的年產(chǎn)超過2300萬噸，等同SO21500萬噸。近年來，由于我國(guó)的硫資源相對(duì)缺乏，為滿足磷肥增長(zhǎng)的需求，己進(jìn)口大硫磺。據(jù)估計(jì)，我國(guó)年進(jìn)口硫磺總將突破250萬噸，相當(dāng)于SO2500萬噸，占用外匯10億元以。此外，年磷肥進(jìn)口此為500萬噸，相當(dāng)于進(jìn)口硫酸600萬噸，折合SO2400萬噸。所以，按照這個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，到2005年，我國(guó)進(jìn)口的硫資源折合SO2將超過1000萬噸。加上國(guó)內(nèi)自產(chǎn)的SO2，到時(shí)候我國(guó)化肥行業(yè)需要的SO2將超過2000萬噸/年。一方面排放大于2000萬噸/年，白白浪費(fèi)，還遭成很大的、超過1100億元的酸雨損失；另一方面需求2000萬噸/年，還花費(fèi)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(shí)，有效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(guó)國(guó)情的煙氣脫硫技術(shù)開發(fā)研究的發(fā)展方向。
活性炭是針對(duì)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(shí)，回收了寶貴的硫資源。由于本項(xiàng)技術(shù)在投資與傳統(tǒng)的拋棄法脫硫費(fèi)用相近甚至略低，而在運(yùn)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(jìng)爭(zhēng)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(shí)例
4.1 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(diǎn)在四川省宜賓縣。豆壩電廠有兩個(gè)50MW發(fā)電機(jī)組和兩個(gè)100MW發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容t為300MW。機(jī)組配備兩臺(tái)230t/h燃煤鍋爐和兩臺(tái)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10×104Nm3/h，相當(dāng)于120t/h鍋爐的煙氣量，既對(duì)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(shí)也供應(yīng)部分小煤窯的煤。豆壩電廠的燃煤含硫量通常為3~4%，屬高硫煤。鍋爐在正常燃燒時(shí)，排出煙氣中SO2濃度可達(dá)3000ppm以上。
兩臺(tái)410t/h燃煤鍋爐都配有電除塵器。除塵器為三電場(chǎng)，正常工作時(shí)，除塵器出口煙氣含塵在200mgNm3左右。但由于除塵器工作不正常，電除塵器出口煙氣含塵上常在400mgNm3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)硫酸亞鐵的原料一鐵顆粒，全部是從電廠鍋爐液態(tài)排渣的渣池中選出的，無需外購。
工程主更設(shè)計(jì)參數(shù)
活性炭煙氣脫硫系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)
| 脫硫裝置入口煙氣參數(shù) | 脫硫裝置運(yùn)行參數(shù) | ||
| SO2濃度 | 2000-4000ppm | 處理煙氣量 | ~100000Nm3/h |
| 含塵濃度 | ≤400mg/Nm3 | 脫硫率 | 84%-90% |
| 煙氣溫度 | 100-150℃ | 單塔運(yùn)行周期 | 40小時(shí) |
| 煙氣流量 | 70000-140000Nm3/h | 年運(yùn)行 時(shí)間 | 6000小時(shí) |
| 年脫硫量 | 4380噸/年 | ||
| 年產(chǎn)酸量（30%） | 22350噸/年 | ||
4.3主要設(shè)備及構(gòu)筑物
工程主要設(shè)備是活性炭脫硫塔，脫硫塔為四個(gè)，兩兩重疊簡(jiǎn)為兩座塔，運(yùn)行時(shí)三塔運(yùn)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。由于脫殘較用于煙氣脫確并生產(chǎn)稀碗酸，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、陂池等，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)的主要部位和件用耐酸不銹鋼、秦四氟塑料特材料制造。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、附壓、耐溫。
4.4 運(yùn)行情況
豆壩電廠煙氣脫硫裝置于1998年建成并投入使用，運(yùn)行情況良好，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。平均處理煙氣量為123000Nm3/h，平均脫硫率≥85%。運(yùn)行數(shù)據(jù)如下圖：
五、經(jīng)濟(jì)效益分析
活性炭煙氣脫硫工程本身是一項(xiàng)有益于社會(huì)的大氣環(huán)境治理工程，在付出一定經(jīng)濟(jì)代價(jià)的同時(shí)，也應(yīng)看到其相應(yīng)產(chǎn)生的社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。目前建成的活性炭煙氣脫硫工業(yè)性試驗(yàn)裝置，處理煙氣量10×l04Nm3/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(yùn)行時(shí)數(shù)為7000小時(shí)，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(fèi)用951.3萬元，其單位建設(shè)費(fèi)用為381元/kW，按發(fā)電量成本計(jì)算，每kWh電的脫硫成本約為0.0088元kWh，當(dāng)計(jì)入副產(chǎn)品綜合利用收益時(shí)僅為0.0071元/kWh。年脫硫量為5110噸，按計(jì)算的年運(yùn)行費(fèi)用測(cè)算，每一噸SO2脫除費(fèi)用為302元，如計(jì)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(yùn)行可削減SO2的排放量達(dá)5110噸，按0.60元/kg收取SO2排放繳費(fèi)計(jì)，每年可減少SO排放繳費(fèi)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(fèi)為5000元計(jì)，每年可減少1.6億元的損失。同時(shí)，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(gè)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(guó)保護(hù)環(huán)境、變廢為寶、綜合利用的國(guó)策，環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益兼得，社會(huì)效益顯著。
煙氣脫硫通常是一項(xiàng)耗資巨大、 技術(shù)難度較高，一般無經(jīng)濟(jì)效益，但為改善環(huán)境又需要投入的環(huán)境污染治理工程。我國(guó)現(xiàn)狀是目前僅有極少量火電廠建有引進(jìn)的煙氣脫硫裝置，其裝機(jī)容不到總?cè)莸?%。由于引進(jìn)外國(guó)成套設(shè)備的投資和運(yùn)行費(fèi)用過高，難以滿足我國(guó)獺煤鍋爐煙氣脫硫的需要。我國(guó)從事燃煤鍋爐煙氣脫硫技術(shù)研究的單位很多，但目前完成工業(yè)化的大、中型燃煤鍋爐煙氣脫硫技術(shù)很少，活性炭煙氣脫硫工業(yè)性裝置是目前國(guó)內(nèi)規(guī)模較大的全套國(guó)產(chǎn)化燃煤鍋爐煙氣脫硫裝量。它處理的煙氣相當(dāng)于130噸/鍋爐或2SMW發(fā)電機(jī)組的樣煙量，該裝置每年可減少五千多噸的二氧化硫排放量。在我國(guó)眾多的大、中型燃煤鍋爐中，100多噸/h的鍋爐為數(shù)不少，在中、小型電廠中，50MW、2SMW發(fā)電機(jī)組也占主導(dǎo)地位。因此，活性炭煙氣脫硫工業(yè)性試驗(yàn)的完成對(duì)我國(guó)防治酸雨保護(hù)大氣環(huán)境具有深遠(yuǎn)的意義，對(duì)我國(guó)的環(huán)保事業(yè)是一個(gè)很大的貢獻(xiàn)。