燃煤电厂离子液循环吸收法烟气脱硫工艺及其技术经济分析汪然 李东林 郎治（成都华西化工研究所股份有限公司）摘要：本文简要介绍离子液循环吸收法烟气脱硫新工艺（ILCA工艺），对其在燃煤电厂中的使用做出技术经济分析，并将其与目前燃煤电厂普遍采用的石灰石石膏法烟气脱硫工艺进行了技术经济对比。结果表明，ILCA工艺完全适用于燃煤电厂，并可因回收SO2副产硫酸和高低硫煤价差为电厂所带来的巨大经济效益，使以高硫煤做动力煤成为可能，故其也尤为适合使用高硫煤的电厂。关键词：燃煤电厂烟气脱硫石灰石石膏法离子液循环吸收法技术经济对比1. 概述近年来，随着我国国民经济的高速发展，对电力、能源的需求与日俱增，伴随经济高速发展的同时，废气中二氧化硫排放量也越来越大，2010年全国SO2排放量2,268万吨；2011年全国SO2排放量2,229万吨；而燃煤电厂排放的SO2占到总排放量的50%，无疑是最大的SO2排放源，SO2排放造成的经济损失十分惊人，每排放一吨SO2造成的经济损失约两万元人民币，其经济损失约占GDP的23%，近年来我国在烟气脱硫领域取得了举世瞩目的成就，国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要提出，“十二五”期间国家对二氧化硫等四种主要污染物实施排放总量控制。到2015年，全国二氧化硫排放总量需控制在2,086.4万吨，比2010年的2,268万吨下降8%。石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺技术是我国的主流烟气脱硫工艺技术，据统计，投运、在建和已经签订合同的火电厂烟气脱硫工艺技术中，石灰石-石膏湿法技术占85%以上。该技术存在如下缺点：1) 脱硫装置为“净消耗”型，不但装置投资无法回收，且发电成本还需增加0.0150.025元/kW.h，以600MW机组年运行5500小时计算，电厂每年将为脱硫支出5,0008,000万元；2) 我国是石膏矿藏大国，石膏产量大，质量好，而电厂脱硫副产品石膏因含灰分等杂质，产品成色较差，品味低，故售价极低，甚至只能抛弃处理，产生了新的脱硫石膏污染；3) 每处理1吨二氧化硫要排放0.7吨二氧化碳，治理了烟气中的二氧化硫污染，又新增了温室效应气体二氧化碳的排放。成都华西化工研究所股份有限公司开发的离子液循环吸收法（ILCAIonic Liquid Circulating Absorption）在脱除烟气中SO2的同时，副产高纯SO2，回收了宝贵的硫资源，高纯二氧化硫可作为生产液体二氧化硫、硫酸、硫磺和其它化工产品的优良原料。该技术实现了烟气脱硫装置的高效化、资源化，符合国家循环经济的发展目标，ILCA法目前已经在钢铁（攀钢）、有色冶金行业（铜冶炼、锌冶炼）推广使用十余套装置，最大烟气处理量120万Nm3/h（与300MW机组烟气处理量相当），积累了丰富的大装置工程经验。本文将通过技术和经济对比，对其在燃煤电厂中良好的应用前景进行分析。2. 离子液循环吸收法烟道气脱硫技术(1) 技术原理抛弃法即是将脱硫过程中形成的液体、固体产物废弃，并需要连续不断地加入新鲜化学吸收剂的烟气脱硫方法。相对于再生循环吸收工艺的ILCA法，抛弃法的优势在于一次性投资低，装置流程简单可靠，SO2吨处理成本及能耗均较低，主要缺点是二次污染量较大。ILCA法的特点是与SO2反应的吸收剂可连续地在一个闭环系统中进行再生，再生后的吸收剂循环使用。再生循环吸收的最大优势在于可将SO2进行回收和资源化利用，同时可大大减少液体、固体废弃物的排放量。相对于抛弃法，为了不污染吸收剂，烟气的冷却除尘和溶剂脱硫一般要分开进行，同时还要考虑脱除溶剂中累积的热稳定盐，并且由于多了再生系统，可再生循环吸收法一次性投资要高，同时装置流程也更为复杂，装置的能耗也相对较高。单纯从经济角度而不考虑二次污染所带来的环保压力时，一般认为烟气中SO2浓度较低时，采用抛弃法较为经济。但当烟气中SO2浓度较高时，由于可以回收大量SO2以硫化工产品的形式大幅冲减运行费用，因而采用ILCA法长期运行成本更低，且有可能实现脱硫装置的自盈利。脱硫用离子吸收液的主要特点：（1）蒸汽压极低，逃逸损失极小；（2）具有优良的可设计性，即可通过采用不同的阴、阳离子组合来调节离子液体的物理和化学性质。离子液在气体净化、萃取分离和催化反应等领域有着广泛的应用前景。成都华西化工研究所股份有限公司经多年研究，自主成功开发出离子液SO2吸收剂，并对其吸收、解吸性能、溶液腐蚀性、热稳定性、盐积累等性能进行了深入优化，十余套工业化装置运行结果表明：该吸收剂具有性能稳定、蒸汽压力低、选择吸收二氧化硫能力强、脱硫效率高、易解吸再生等优点。该离子液SO2吸收剂以有机阳离子、无机阴离子为主要成分，并添加少量活化剂、抗氧化剂所组成，其脱硫机理如下：SO2 + H2O H+ + HSO3-(1)R + H + RH+(2)总反应式：SO2 + H2O + R RH+ + HSO3(3)上式中R代表离子液SO2吸收剂，（3）式是可逆反应，低温下反应（3）从左向右进行，高温下反应（3）从右向左进行。离子液循环吸收法(ILCA)正是利用此原理，在常温下吸收二氧化硫，高温下将吸收剂中二氧化硫解吸，从而达到脱除和回收烟气中SO2的目的。成都华西化工研究所股份有限公司开发的“离子液循环吸收法脱除和回收烟气中二氧化硫技术”，克服了传统离子液体的缺点，是一种新颖的离子液体技术与传统的“吸收再生”气体净化工艺的完美相合。吸收剂再生时产生高纯SO2气体，可作为液体SO2、硫酸、硫磺和其它硫化工产品的优良原料。离子吸收液经国家权威部门检测，无毒、无害、不燃、不爆，符合环保业的要求。(2) ILCA技术路线（节能型热泵流程）针对燃煤电厂烟气特点，采用热泵流程ILCA工艺脱除烟气中的SO2，并利用解吸出的浓度99.5%的SO2气体制备98%的浓硫酸。脱硫装置工艺流程如下：图一 脱硫装置工艺流程图从锅炉出来的烟气，经增压风机升压后，分别进入吸收塔下部，在吸收塔下部经三层喷淋水洗除尘、降温后，进入吸收塔中部，与从吸收塔上部进入的脱硫贫液逆流接触，吸收塔内设不锈钢填料，气体中的SO2与离子液反应被吸收，脱除了SO2的净烟气从吸收塔顶烟囱放空。从水洗塔出来的洗涤水经洗涤泵增压后，经洗涤水冷却器降温，送到水洗塔上部，重新冷却烟气。吸收SO2后的溶液称为富液，从吸收塔底流至富液槽，经富液泵加压后，进入各自的贫富液换热器，与热贫液换热后，合并进入再生塔再生。来自吸收塔的富液经冷却器被来自再生塔塔顶的高温再生气预热，再经贫富液换热器与来自再生塔塔釜的贫液换热后，被加热至90100后进入再生塔，在塔内填料上与塔釜上升蒸气进行逆流接触，以解吸出其中所含SO2，解吸后的贫液自塔釜出料，经贫富液换热器与富液换热后进贫液冷却器，降至40后进入吸收塔循环吸收烟气中的SO2。塔顶上升蒸气（020 kPaG，100）经液滴分离器除去液滴后，进入高温高压蒸汽驱动的透平压缩机，被压缩机升压至0.30.4MPaG，温度升至250300，压缩机出口的高温高压过热蒸气在塔釜再沸器中冷却至露点140左右开始冷凝，蒸气冷凝放出大量潜热，将再沸器中的釜液加热至105110，产生富液再生所需上升蒸气，由于过热蒸气中的少量SO2气体无法在再沸器中冷凝，因此出再沸器的气液混合物进气液分离器进行分离，因再生气经压缩机压缩后压力较高，因此气液分离器底部的冷凝液可直接经节流阀节流降压后送塔顶做回流液，顶部含水蒸气的SO2气体经冷却器被吸收塔来的富液冷却至45，节流降压后做为原料气送制酸机组，冷凝器中冷凝下来的凝液回气液分离器，送塔顶做回流液。该再生流程系开式热泵流程，即制热工质本身即为工艺介质，且可完全取消再生系统蒸汽消耗。从再生塔底出来的贫液经贫富液换热器初步降温后，经贫液泵加压，再经贫液冷却器降温，送至两台吸收塔上部，重新吸收SO2。从再生塔内解析出的SO2随同蒸汽由再生塔塔顶引出，进入冷凝器，冷却至40，然后去分离器。分离出水分后的SO2气体送去制酸。冷凝液经回流液泵送回再生塔顶以维持系统水平衡。再生塔底部设置再沸器，保证塔底温度在105110左右，维持溶液再生。3. ILCA法技术经济难点ILCA法作为一种新型烟气脱硫工艺，我公司在具体的工程实践中不可避免地遇到诸多工艺、工程、技术、经济等问题和难点，为此我公司投入大量人力、物力、财力历经数年进行技术攻关，成功地解决了上述问题，保证了装置的长期稳定运行，概括而言主要集中在以下四个方面：(1) 粉尘颗粒物堵塞问题由于烟气中含有一定的粉尘等颗粒物，吸收液在系统中长期循环使用，脱硫系统不可避免的会遇到堵塞问题，堵塞问题也长期困扰着石灰石法、氨法等其他各种脱硫工艺。在长期的工程实践中，通过强化水洗除尘降温效果，改进再生系统操作条件，严格控制吸收液盐浓度、pH值等措施，有效地避免了粉尘在系统中的累积以及硫磺颗粒的析出等堵塞现象，极大地延长了系统除灰周期，提高了有效运行时间，有效地解决了粉尘及颗粒物堵塞的问题。(2) 腐蚀问题来自锅炉的150的高温烟气中除SO2、SO3等腐蚀性介质外，尚含有一定量的Cl、F等腐蚀性极强的卤素离子，长期在系统中累积会对设备造成严重的腐蚀。而且与石灰石法相比，由于ILCA法多出一套吸收液再生系统，再生系统采用加热的方法解吸出SO2，富液需加热到110左右，在高温下氯氟及硫酸根离子的腐蚀都会加重。而且由于烟气处理量大，装置规模大，单体设备规模也大，有的甚至是超大型化的装置，如吸收塔塔径接近16m，这些的大型设备一旦塔内件和支撑组件出现腐蚀，将很难检修。因此ILCA法的设备抗腐蚀问题是我公司工程应用研究的一个核心。针对烟气高温含尘、强腐蚀性、吸收液结垢特点，我公司已通过设备结构的优化设计、合理选则设备材质（如选用C254特殊不锈钢等）、挑选有能力和资质的制造商、提高设备制作加工工艺、建立完备的质量保证体系、优化工艺操作参数，提高操作人员水平等一系列措施，形成了一套适用于ILCA工艺的完整的装置防腐工作体系，并通过在十余套装置的使用和不断改进，已成功地解决了ILCA法的设备腐蚀问题，保证了脱硫装置长周期安全稳定运行。(3) 能耗问题ILCA法因采用加热的方法解吸出SO2，富液需加热到110左右，因此需消耗一定的蒸汽做热源，消耗指标为810蒸吨/吨SO2。以1套600MW机组计（燃料煤全硫St.d=2.5%），蒸汽消耗量100蒸吨/小时，以150元/蒸吨计，蒸汽费用1.5万元/小时，折8250万元/年（年运行时间5500小时），费用十分惊人，有鉴于此，为实现大幅节能的目的，我公司已成功开发热泵流程ILCA工艺。当采用热泵流程ILCA工艺时，运用热泵技术，将再生塔塔顶大量的低位余热蒸汽（常压，100水蒸气）以蒸汽驱动透平压缩机压缩至一定的压力，提高其冷凝温度，再送至塔釜做加热源使用，从而可节约蒸汽用量85%以上，节约循环冷却水60%以上，极大地降低了装置运行费用。与其他行业相比，在电厂采用节能流程有着先天的技术装备及人员优势，超临界、超超临界机组本身自产高温高压蒸汽可做压缩机动力，基于电厂蒸汽的可利用性好，选择性多的特点，因而透平压缩机选择全凝式、抽凝式抑或背压式会有多种方案可供选择，其他行业则无此优势，比如在有色冶金硫酸尾气和钢铁烧结烟气脱硫时，甚至只能选择电力驱动的透平压缩机，且电厂人员对蒸汽做动力驱动的汽轮机、压缩机、泵等动力设备电厂则有着其他行业所不具备的长期而丰富的使用经验。(4) 投资问题由于ILCA法工艺的特殊性，和石灰石法比，流程较长，不仅多出一整套再生、除盐系统及热泵压缩机，还需配套建设硫酸装置，再加上设备材质很多选用特殊不锈钢，因此装置造价较高，其比投资为300400 元/k