第 1 章 绪 论
1.1 课题研究的背景及研究的目的和意义。
1.1.1 课题研究的背景。
煤炭行业经过多年的发展面临着提质增效的要求，自身对节能环保的需求越来越高，吨煤节能减排指标逐年降低，自身节能、排放总量也得到了有效的控制，在单位节能减排量和总减排量都控制的情况下，煤炭企业行动踊跃，经过“十二五”的发展，煤炭企业各项工作都有了很好的发展，煤炭企业资源消耗越来越少，能源利用方式越来越多，生态文明越来越好，节能降耗减排有了新进展，能源管理体系越来越完善，环保监测体系逐渐完成。锅炉脱硫工艺取得长足进步，在各行业利用也有了长足的进步。
根据《国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》、《能源发展战略行动计划(2014-2020)》、《煤炭清洁高效利用行动计划(2015-2020)》、《国务院关于煤炭行业化解过剩产能实现脱困发展的意见》和《中华人民共和国大气污染防治法》等要求。力争到 2020 年，基本建立起煤炭工业绿色低碳发展体系，矿区生态文明建设取得阶段性成果，资源综合利用产业化初具规模，低碳发展水平显着提升，普遍建成开采方式科学化、矿山生态化、生产工艺清洁化、资源利用高效化、企业管理规范化的现代化煤矿，降低大气污染扩散对气象的影响[1]。“十三五”开局这几年煤炭行业坚持“创新、协调、绿色、开放、共享”的理念，坚持绿色发展、循环发展、低碳发展，从一开始就实现煤炭的清洁高效利用，降低污染物排放，环保工艺也在不断改进[2]。
节能环保前景广阔，在我国节能环保最早是在电厂得到充分的利用, 燃煤电厂产生的二氧化硫是空气污染和 PM2.5（空气动力学直径小于或等于 2.5μm）的主要来源，可能导致多种短期和长期健康影响[3]，二氧化硫（SO2）排放导致酸化和人类健康问题[4]，空气污染与中国的死亡风险有关，但证据仍然限于发病率[5]。在这个过程当中积累了丰富的经验,很多技术都趋于成熟,得到了很好的应用,也积累了很多运行经验。截止目前为止，大部分的电力企业都已经改造完成，在改造过程中电力行业积累了宝贵的经验，环保设施从电力行业转向非电行业，很多经验是可以利用的。迎接技术和模式的转移，煤炭行业大有可为。
1.1.2 研究的目的和意义。
随着煤矿节能减排和资源综合利用工作的深入开展，从节能减排和改善矿区形象出发，深入研究煤矿适用的环保工艺就变的越来越紧迫，煤矿锅炉地处西北，脱硫是矿井锅炉环保设施的主要部分，选择合适的脱硫工艺尤为重要。本课题从矿井燃煤锅炉的实际出发，根据各地特点分别采用了氧化钙法、双碱法、氧化镁法、氨法，根据各矿井相关工艺的实际运行数据发现氧化镁法及氨法在矿井燃煤锅炉脱硫应用上有比较好的优势。
本课题以某煤矿氧化镁脱硫工艺和某煤矿氨法脱硫为研究对象，从氧化镁法和氨法工艺在设计、安装、调试、运行等诸多方面存在的问题入手，在各方面进行应用研究，优化各个环节，以期达到更好的效果，并对后续矿井燃煤锅炉采用氧化镁以及氨法脱硫工艺给予指导和借鉴。
1.2 国内外在脱硫工艺上的研究现状及分析。
1.2.1 国外在脱硫工艺上的研究现状及分析。
到七十年代的时候，世界上很多发达国家和地区开始重视大气污染物防治，开始制定和颁布了一些有关大气污染物防治的法律法令和实施条例，而且开始强制采用大气污染物防治技术来控制大气中的污染物排放，来加强大家对于大气污染物治理技术的应用和研究，到现在为止世界上的很多地方开始设置处理烟气的脱硫设施，日本可能是这个世界上设置处理烟气的脱硫设施最早的地区，所采取的烟气脱硫方式最多的是石灰石-石膏法，日本是世界上公认的自然资源比较少的国家，所以脱硫产生的废物大多都被日本企业自己回收了，日本全国使用的石膏产品大部分都源自烟气脱硫后被回收的废物，日本国内在二氧化硫得到有效的控制之后，进行了在烟气上既进行脱硫又进行脱硝的钻研和设计上，并把这些成果应用到工业项目上。美国在烟气脱硫方面的研究上要比日本晚一些，到现在为止，美国脱硫设施的总的规模超过了 0.95 亿 kW，已经比日本高出很多，美国现在采用的脱硫设施也是石灰石-石膏法，但副产品会被扔掉。欧洲的脱硫技术发展比较好的当属德国,德国由于二十世纪七十年代的后半段,国内森林遭到了很大的破坏，研究脱硫技术、改善生态环境被提上了议事日程，开始德国的技术发展路线也是引进，当时主要是从日本和美国引进的技术，在引进技术的基础之上，调集技术人员进行技术开发，大部分的脱硫设施也主要采用石灰石-石膏法，德国在炼铝厂的尾气处理上得到启发，研究出了新型的用于锅炉设备上的烟气脱硫设施，也就是循环流化床锅炉[6]上适用的烟气脱硫设施。除了德国之外，欧洲其它国家也进行了一些脱硫工艺的研究，比如英国、法国、意大利等国家。
综合这么多年的使用，美国一直以来石灰石-石膏法都占有很大比例，其次还采用了一些其它方法，比如：镁法、碳酸钠法、喷雾干燥法[7]等，湿法在美国占有着主导地位，尤其是二十世纪七十年代至八十年代的时候，美国在使用的脱硫设施，百分之九十用的湿式的方法，而在湿法脱硫设施中百分之九十用的石灰石-石膏法，美国在电厂采用的脱硫工艺，截止到 2012 年，湿法占到了百分之八十，而干法呢仅占百分之十九。
日本到目前为止是开发脱硫工艺最多的，但它们使用的主要还是湿式的方法和回收的方法，在湿法中石灰石-石膏法占一半，紧接着是亚铵法，在整个湿法中占百分之二十四，另外一种双碱法占百分之十六，火力发电厂都是采用的石灰石-石膏法，近些年来对于企业规模比较小的，燃煤锅炉吨位比较小的，也有采用氧化镁法的，因为氧化镁花费小、吸收好、副产品硫酸镁是很好的肥料。就脱硫设备而言，日本在这方面在世界处于领先地位，到现在为止还开发了一些花费低的技术，比如：用电子束法[8]、煤灰干法、活性炭法。德国的脱硫技术主要包括添加添加剂的方法、湿式的方法和干式的方法，其它的方法仅仅占百分之二，到了 1991 年德国建设了 159 套脱硫设施，到目前为止循环流化床脱硫技术也已经成熟，此工艺是设一个反应器，让脱硫剂、水和烟气配合好，加快反应，脱硫效率也很高，而且设备高度和占用空间都小了，也减少了用材的腐蚀，也就减少了维护费[9]。还有一种新技术就是用海水脱硫的技术[10]，也有一些应用，海水脱硫是因为海水中有一些盐类，其中有很多盐是弱酸根，它们使海水的酸碱度呈碱性，有一定的吸收二氧化硫的能力[11]。在国外烟气脱硫技术不断发展，发展趋势越来越好，越来越向脱硫效率高、设备处理能力大、前期费用低、占用空间少、运转花费少、智能化程度高、保障性好的方面发展[12-15]。
1.2.2 国内在脱硫工艺上的研究现状及分析。
中国在烟气脱硫技术方面也进行了积极的探索，也是在二十世纪七十年代就有了，和国外的起步时间差别不大，但是中国在这方面的发展还是落后于世界的平均水平的，大部分的研究都停滞不前，主要就是在实验室里进行了小试实验和中试实验，有的技术虽然在一些工业项目上也安装了一些装置，但是大部分技术只停留在很小的范围内，没得到有效的利用，到后来，随着大气污染越来越严重，加速了建筑和材料的风化，也破坏了很多植物的原本结构，使土壤酸化，水体破坏[16-17]，才得到相关领导和机构的重视，才开始重视这方面技术的研究，这方面也才开始得到进一步的发展，最近的这些年，我们国家在中型和小型以煤为燃料的锅炉烟气脱硫设施上进行了专门的研究，但是比起国外的优秀研究成果还是要差不少，但是在治理的效果上已经能够达到国内规程规范要求的各地区的最低排放标准，均适用于目前国内以煤为燃料的锅炉的烟气治理。从 2000年开始我国也从国外吸收了一些先进工艺，其中就包括石灰石-石膏法，通过对引进的石灰石-石膏法技术的吸收再研究，截止至 2012 年年终的时候，我国的脱硫设施总的规模达到 6.75 亿千瓦，占到了所有火力发电机组总的规模的 90%以上，这中间的 90%采用的是石灰石-石膏法，虽然说这种方法去除硫的效率很高，能达到 95%，但是这种方法前期投入是比较大的，而且占用空间也大，脱硫剂石灰石虽然花费低一些，但是使用量会相对来说特别大，而且采掘和磨粉很破坏当地的自然环境，电能的消耗量比较高，水资源的消耗量也比较高，所以在实际的运转过程中花费比较高，这种工艺最难克服的劣势就是在脱硫之后会形成众多的副产品石膏，而这种副产品质量又比较低，和天然生产的石膏相比，在各方面都没有可比性，很难利用，只能选择一些地方堆着或埋掉，对环境又一次造成污染，除这个以外碳酸钙每消耗掉 1 吨二氧化硫对大气会释放 0.7 吨二氧化碳，加大了温室气体对环境的影响，因此虽然这项技术比较成熟，但对于目前的脱硫不是很理想，离我国保护自然环境的要求越来越远。
我国脱硫行业重点集中在火力发电、钢铁化工、玻璃水泥等重污染行业，火力发电的脱硫技术发展的最好，储备的脱硫技术也比较成熟，钢铁水泥行业最近几年也起色不少，但非电行业的脱硫进程没有预期的进展。到 2017 年末，我国电力行业的脱硫设施安装率已经达到 98%，钢铁行业的脱硫设施安装率也达到了 90%，新型玻璃水泥生产设施脱硫设施安装率也达到了很高的水准，在超低排放方面，也有了很大的进展，占到了整个火力发电项目的 60%以上，脱硫工艺以石灰石-石膏法为主。最近这些年氨法也有比较大的发展，氨法的主要问题是气溶胶和氨逃逸的问题，目前很多企业已经很好的解决了这一问题，氨法脱硫设施作为湿法脱硫设施的一类，具有效率高、无固废、能源利用率高等优点，到现在为止也得到相关部门的大力支持，得到了很广泛的应用，合同个数不断增加，合同额也在不断增加，过去的这些年每年增长速度都在 50%以上，随着脱硫设施的容量增大和氨法脱硫设施进入大型企业，氨法脱硫的发展越来越好，截止到现在，国内已经采用氨法脱硫的企业达到了一百多家，而且有增多的趋势，目前应用的行业主要有化工类企业，包括石油、石化类、焦化厂等，因为它们很多的工艺副产品就是氨，这一块约占到氨法脱硫设施的百分之七十以上，其它行业的如有色、钢铁、玻璃、水泥也在用，占到了百分之十五左右，近些年来，我国相关管理部门鼓励脱硫技术多元化，因地制宜发展适合本地、本行业的脱硫技术，预计十三五期间，氨法脱硫会得到一个大的发展。对一些地区和行业在一般的大气污染物排放标准的要求之外，国家对一些有条件的行业还提出了更高的要求，如印发了《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014-2020 年）》的公告，提出积极推动东部现在已经装机的 30 万千瓦和 30 万千瓦以上的燃煤发电设施基本达到燃气轮机的排放水平，就是在基准氧含量 6%的情况下，二氧化硫的排放量在 35 毫克/立方米，而对于 30 万千瓦以下的如果具备改造的条件，也要比照这个标准执行。目前国内研究的超低排放技术包括脱硫除尘同除系统，该技术可实现脱硫脱除 99%以上，除尘脱除 90%以上，满足在基准氧含量 6%的情况下，二氧化硫的排放量在 35 毫克/立方米的要求，此装置为集旋流耦合设施、高效喷淋设施、管束式除尘设施三个设施结合的设备，它是基于多相流混合的原理，产生气液湍流，相应增加传质速度，也就达到了增加脱硫实际效果的目的，除了这个装置，该技术还通过管束除雾、增加喷淋等措施改进了脱硫效果，该方法具有效率高、占地小、运行费用低等诸多优点。同时还研究了其它超低排放措施，如：超声波脱硫除尘一体化法、空塔喷淋加湿式电除尘器等，通过加强研究，超低排放也迎来了大发展[18-20]。到现在为止我国也加大了脱硫方面的投入，也研究出一些前期花钱少、后期效果好的烟气治理技术，为我国的大气污染物治理事业贡献了力量。
