氨法濕法煙氣脫硫技術的應用

殷延星，韓 宜，賀麗巖，馬劍飛

(河南煤氣(集團)有限責任公司義馬氣化廠，河南義馬 472300)

豫西某大型化工企業(yè)1、2號鍋爐均為130 t/h燃煤鍋爐，于2001年建成投產，原來采用水膜除塵器內氨法脫硫方式，以脫除煙氣中二氧化硫。為了達到清潔生產的目的，滿足國家環(huán)保總局頒布的《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223-2011)對煙氣排放要求，該企業(yè)對1、2號鍋爐煙氣系統進行了脫硫技術改造。

1 改造方案

拆除原有水膜除塵器及內脫硫設施，采用兩臺鍋爐共用一套脫硫系統，即“兩爐一塔”方式。在鍋爐引風機后增加了脫硫吸收塔，利用企業(yè)自產的8%～10%的氨水作為脫硫劑進行煙氣二氧化硫脫除，脫硫后生產的亞硫酸銨溶液送至硫酸銨工段，經過預處理、氧化、蒸發(fā)、結晶、干燥等步驟，生產出合格的硫酸銨產品。改造增加煙氣旁路系統、煙氣擋板門，以滿足對脫硫系統的隔離檢修。經脫硫后的合格煙氣，通過煙囪達標排放。

2 改造工藝

改造工藝主要由以下各系統組成:煙氣脫硫、亞硫酸銨氧化、硫酸銨回收等，具體如圖1所示。

圖1 氨法脫硫工藝示意圖

2.1 煙氣脫硫

鍋爐煙氣進入脫硫塔后直接與脫硫劑進行反應，脫硫塔底的亞硫酸銨經脫硫循環(huán)泵，到塔上部的兩層噴淋層，經高效噴嘴霧化后形成高度疊加的噴淋區(qū)與煙氣中的SO2等酸性氣體進行吸收反應。生成的亞硫酸氫銨落入脫硫塔下部和氨水重新生成亞硫酸銨。如此循環(huán)往復，SO2氣體被大量吸收，使煙氣得到凈化。根據pH值，把合格的亞硫酸銨液送入亞硫酸銨罐儲存。

凈化后煙氣再經升氣帽進入清洗段，由循環(huán)噴淋的清水對煙氣中所含的殘余二氧化硫、逃逸氨及氣溶膠進行吸收，同時對霧沫進行洗滌。

清洗后的煙氣經脫硫塔頂部除霧/沫器除去煙氣中殘余的霧沫后，經煙道進入煙囪排放。煙氣中的水霧及液滴均被阻擋沿塔壁流至升氣帽，此時脫硫、除霧過程完成。脫硫過程主要化學反應如下:

2.2 亞硫酸銨氧化

亞硫酸銨罐中儲存的一定濃度的亞硫酸銨溶液經亞硫酸銨泵打出，進入硫酸銨工段的氧化器，與氧化循環(huán)泵自吸的空氣進行兩級射流強制氧化，生成硫酸銨溶液。該過程發(fā)生的化學反應如下:

2.3 硫酸銨回收

氧化后生成的硫酸銨溶液送入蒸發(fā)器進行濃縮，再經過結晶、干燥等程序生產出硫酸銨產品。

3 選擇工藝的特殊性

根據實際情況，脫硫系統采用了有針對性的工藝設計，以滿足脫硫的需要。

3.1 獨特設計保證高脫硫效率

脫硫塔采用獨特的二級脫硫工藝:一級脫硫采用多層噴淋設計，循環(huán)脫硫液經高效噴嘴霧化后形成高度疊加的噴淋區(qū)與煙氣中的SO2等酸性氣體進行吸收反應;二級脫硫利用清水對煙氣進行洗滌，將殘留的氨及亞銨洗掉，確保了總脫硫效率可以達到97%以上。

脫硫塔內部采用了加大循環(huán)脫硫液噴淋密度的設計，而并非單純增加循環(huán)量和液氣比，避免循環(huán)泵選型過大，造成電量過度消耗等現象。同時噴淋層噴嘴采用交叉錯位設置，使煙氣無死角的在脫硫塔內通過，保證SO2完全和循環(huán)液(亞硫酸銨)接觸反應。循環(huán)脫硫液pH值控制為弱堿性，利于酸性SO2循環(huán)吸收。酸性SO2氣體與堿性循環(huán)液接觸，反應迅速，循環(huán)往復，SO2脫除效率極高。

3.2 獨立完全強制氧化保證硫酸銨產品質量

本工藝技術采取脫硫塔外獨立氧化系統，獨特氧化器設計保證亞硫酸銨氧化成硫酸銨的氧化率接近100%。氧化器為二級射流及噴射再生強制循環(huán)氧化，采用二級氧化的方法:一級預氧化、二級循環(huán)氧化，均使氣—液強制混合，氣液接觸充分，順逆流接觸;特殊工藝使氧氣以獨特的氣溶膠形式存在，與漿液充分接觸，氧化率近100%;后級回收的硫酸銨產品中幾乎不含有亞硫酸銨成分，使得回收的硫酸銨產品回收率高且品質純正。

3.3 先進節(jié)能理念降低運行成本

首先是節(jié)省動力。煙氣脫硫系統主要動力消耗設備為脫硫循環(huán)泵。本工藝技術脫硫塔內環(huán)境為低液氣比、弱堿性(pH值＞7)、非飽和狀態(tài)，利于酸性SO2的循環(huán)吸收，沒有無謂的空循環(huán)存在;高效霧化噴嘴布置增大循環(huán)液噴淋密度。以上設計均大大節(jié)約循環(huán)泵的動力消耗，與同類的濕式氨—硫酸銨回收法脫硫技術相比，本工藝脫硫循環(huán)泵的動力消耗可以節(jié)約40%～60%。

采用二級射流及噴射再生強制循環(huán)氧化法，利用噴射器自身帶入的空氣氧化亞硫酸銨。此種氧化工藝較普通氧化風機氧化工藝電耗直接降低了近30%，同時大大降低了設備運行產生的噪聲。

3.4 排煙溫度以及氣溶膠問題的解決

脫硫系統的排煙溫度控制不容忽視。排煙溫度過低會造成煙囪酸性腐蝕;排煙溫度過高容易造成氨以氣態(tài)形式和亞硫酸銨以氣溶膠形態(tài)逃逸。氣溶膠的產生不僅會大大降低亞硫酸銨的回收率，而且嚴重影響煙氣的粉塵排放濃度。

脫硫塔內的氣溶膠問題主要由脫硫后的亞硫酸銨夾帶在煙氣中所引起，對此主要的解決辦法為控制脫硫循環(huán)液為低密度、非飽和狀態(tài)，加大循環(huán)量吸收煙氣中的亞硫酸銨。

采用較低的液氣比，加大循環(huán)液中亞硫酸銨溶液的量，系統設計排煙溫度可以實現調節(jié)，確保煙氣在工藝所需溫度范圍內排放。

4 工藝要點

氨法脫硫技術的核心理念就是如何提高氨的利用率，降低氨的逃逸;提高脫硫副產物硫酸銨產品的回收率。在滿足脫硫效率的前提下，提高脫硫劑的利用率;控制適宜的排煙溫度;解決氣溶膠問題;保證硫酸銨的回收率以及硫酸銨的品質;做好設備防腐和防堵塞措施。

4.1 脫硫劑利用率

該套氨法脫硫工藝采用“欠氨法”控制理念，以提高氨的利用率和防止脫硫劑的逃逸。

4.1.1 通過氨水加入方式，減少氨揮發(fā)

氨水分子結構不穩(wěn)定、易揮發(fā)，如與煙氣接觸后極易隨著凈煙氣排放，造成新的污染。本工藝采用獨特的氨水補入方式，氨水僅作為啟動脫硫劑，不與煙氣直接接觸，亞硫酸銨為脫硫塔內主要脫硫劑。

氨水直接加入至亞硫酸銨罐內(補充氨水的總量嚴格按照氨水與SO2物質的量比2∶1控制)，與脫硫生成的亞硫酸氫銨反應，形成亞硫酸銨，進入噴淋系統的脫硫液的主要成分為亞硫酸銨溶液，而不是氨水。避免氨水進入霧化噴淋系統，減少其與煙氣直接接觸的機會，此舉能夠大大減少脫硫劑氨的損耗，提高脫硫劑的利用率。

4.1.2 通過脫硫塔內環(huán)境控制，避免亞硫酸銨以氣溶膠逃逸

通過控制脫硫系統pH值，確保循環(huán)液為弱堿性亞硫酸銨溶液;通過密度控制儀，保證控制集液池內亞硫酸銨溶液為低密度、非飽和狀態(tài)，避免亞硫酸銨晶體以氣溶膠的形態(tài)逃逸。

4.1.3 控制排煙溫度，降低脫硫劑的逃逸幾率

過高的排煙溫度不僅容易造成亞硫酸銨分解為NH3·H2O和SO2，還會使氨以氣態(tài)形式及亞硫酸銨以氣溶膠形態(tài)的逃逸，降低亞硫酸銨的回收率。適宜的排煙溫度能夠有效破壞氣溶膠的形成條件，降低脫硫劑逃逸幾率。

4.1.4 控制脫硫塔內低上升氣速

煙氣在脫硫塔內以低氣速上升，減少煙氣霧沫夾帶情況的發(fā)生，同時破壞了氣溶膠形成的條件。

4.1.5 煙氣中殘余氨的清洗

選擇合適的液氣比，加大循環(huán)液的噴淋密度，而并非單純的提高液氣比、增大循環(huán)量，將煙氣中可能帶出的殘余的氨洗掉，流入塔底集液池內，繼續(xù)循環(huán)噴淋利用。

4.1.6 除霧/除沫器和塔頂除霧板層層阻擋氨及氣溶膠逃逸

凈化后的煙氣中氨含量≤10×10-6(即8 mg/Nm3，干態(tài))，硫酸銨回收率達到95%以上。

4.2 硫酸銨品質

利用蒸發(fā)器控制來保證晶形。硫酸銨溶液用蒸發(fā)器來結晶濃縮，可使硫酸銨晶體更加均勻、潔白，無雜質硫酸銨的品質可以達到更高，自身價值也得到提升。利用高氧化率保證硫酸銨有效含氮量。硫酸銨中含有氧化不完全的亞硫酸銨，使產品測定含氮量遠超出國家范圍，實際則不達標。亞硫酸銨不是化肥，且危害農作物生長!本工藝采用硫酸銨獨立、完全、強制氧化工藝，保證了化肥品質。

4.3 脫硫系統設備防腐蝕措施

4.3.1 弱堿性脫硫環(huán)境

脫硫塔底部積液池利用pH值控制儀，將其pH值控制在弱堿性(pH值＞7)，克服了其他氨回收法控制脫硫塔內酸性(pH值＜6)條件對脫硫塔本體和管網的酸性腐蝕。

4.3.2 脫硫系統設備材質選擇

4.3.2.1 塔體及液體容器

脫硫塔及液體容器選材具有抗磨損、耐酸堿、耐腐蝕、耐高溫、防滲漏、使用壽命長等特點的材質，能承受煙氣飛灰和脫硫工藝固體懸浮物的磨損及腐蝕，有效滿足了脫硫工藝的工藝特點。

4.3.2.2 泵的選取

系統選用的各類泵均按其接觸介質的性質選用2205雙相不銹鋼，有效滿足了系統耐腐蝕、耐磨損的要求。

5 主要設備配置及選型

5.1 煙氣系統

煙氣系統由煙道、煙氣擋板、膨脹節(jié)等組成。煙氣系統將未脫硫的煙氣引入脫硫裝置，脫硫后的潔凈煙氣經煙囪排放。進入脫硫裝置的煙氣通過脫硫裝置入口的擋板門實現流量控制。煙氣系統的壓降通過引風機的余壓克服。

煙道根據可能發(fā)生的最差運行條件(例如:溫度、壓力、流量、濕度等)進行設計。煙道用鋼板制成，能承受所有荷重條件，并且采用氣密性的焊接結構。煙道壁預留腐蝕余量，總體上最小壁厚為6 mm，內部尺寸精度在±0.5%的公差之內。煙道的走向滿足冷凝液的排放，不產生積水。煙道設低點位排水設施和防止積水的措施。膨脹節(jié)和擋板不布置在低位點。采用雙擋板氣密隔離風門，在裝置停運期間避免上游腐蝕氣體對煙道的腐蝕，煙道頂部覆蓋頂板。頂板能支撐人的行走荷重和至少150 kg的局部荷重，頂板有2°左右的坡度，以便排水。煙道外部充分加固和支撐，以防止顫動和振動，并且滿足在各種煙氣溫度和壓力下能穩(wěn)定的運行。煙氣系統的設計保證灰塵在煙道的沉積不會對運行產生影響，在煙道低位設置清灰裝置。脫硫裝置煙道接口推力和力矩不傳遞到水平總煙道和煙囪上，熱膨脹通過膨脹節(jié)進行調節(jié)。

煙氣擋板能承受各種工況下煙氣的溫度和壓力，并且不會有變形或泄漏。擋板和驅動裝置的設計能承受所有運行條件下工作介質可能產生的腐蝕。煙道擋板具有快速開啟的功能，其開啟時間不會引起鍋爐爐膛壓力的波動。煙氣擋板能夠在最大的壓差下操作，并且關閉嚴密，不會有變形或卡澀現象，而且擋板在全開和全閉位置與鎖緊裝置相匹配，煙道擋板的結構設計和布置能使擋板內的積灰減至最小。每個擋板的操作靈活方便和可靠。

膨脹節(jié)用于補償煙道熱膨脹引起的位移，膨脹節(jié)在各種條件下能吸收設備和管道的軸向和側向位移，以保護設備和管道免受損害和變形。所有膨脹節(jié)均能承受煙氣高溫，不會造成損害和泄漏。膨脹節(jié)根據系統內的最大和最小壓力設計。位于水平煙道段的接觸濕煙氣的膨脹節(jié)設排水孔。排水返回到FGD區(qū)域的集水坑，滿足環(huán)保廢水零排放的要求。

5.2 脫硫塔

脫硫塔是整個脫硫系統最主要的設備，采用空塔噴淋。為保證達到95%以上的脫硫效率，在設計上采用二級脫硫吸收工藝:一級吸收為霧化噴淋層吸收，二級為尾氣洗滌系統，確保凈化后的煙氣達標排放。脫硫塔選用的材料為碳鋼內襯防腐層，并且能承受煙氣飛灰和脫硫工藝固體懸浮物的磨損。脫硫塔設計成氣密性結構，防止液體泄漏。脫硫塔材質能有效滿足本脫硫工藝的特點，具有良好的抗磨損、耐酸堿、耐高溫、防滲漏的性能要求。

除霧器是脫硫塔的重要部件，本工藝設計采用二級除霧/沫器，第一級除去較大的液滴，第二級能夠除去剩余霧沫夾帶的小液滴。除霧/沫器安裝在脫硫塔煙氣出口處，用以分離凈煙氣夾帶的霧滴。除霧器能承受高速水流，特別是人工沖洗時高速水流的沖刷、沖擊。

5.3 脫硫塔循環(huán)泵

脫硫塔設兩套循環(huán)泵:一套脫硫循環(huán)泵將漿液送至塔內循環(huán)噴淋層噴嘴;一套洗滌循環(huán)泵用于尾氣洗滌。

6 控制系統

脫硫系統操作控制采用DCS。根據噴淋液的pH值，自動調節(jié)加入氨的量。對SO2吸收液的pH值分段控制，有利于SO2的吸收、降低凈煙氣中SO2的濃度，并可有效抑制氣相中游離氨的逃逸。

另外，煙氣系統擋板門的操作引入DCS系統，驅動擋板的電動執(zhí)行機構可進行就地配電箱(控制箱)操作和脫硫裝置DCS遠方操作，開度信號與鍋爐聯鎖，擋板位置和開、關狀態(tài)反饋進入脫硫裝置DCS系統。

7 實際應用效果

經過改造，氨法濕法脫硫系統于2011年3月底投入使用，運行狀態(tài)穩(wěn)定，對鍋爐的負荷以及燃燒調整均無任何影響。在正常連續(xù)運行半年后，對脫硫效果進行了監(jiān)測，結果見表1。

表1 煙氣二氧化硫監(jiān)測結果

由表1可見，氨法濕法脫硫技術完全可滿足排放煙氣二氧化硫含量＜200 mg/m3的環(huán)保要求。同時，采用“兩爐一塔”脫硫方式比“一爐一塔”脫硫僅設備投資可減少約500萬元。

8 結束語

實踐證明濕式氨法脫硫工藝，具有投資省，占地面積小，脫硫效率高，對于煙氣SO2排放均可按照GB13223-2003實現達標排放，該技術是一種科學、可靠、先進的技術。同時具有脫氮和除塵功能，生成物可以提取高純度硫酸銨化肥，從而實現“以廢制肥，變廢為寶”，可實現環(huán)境治理的“正效益”，具有極高的技術推廣價值和商業(yè)效益。但改造方法要因地治宜、結合實際，根據不同的工況選擇不同的改造方法。