適用于不同含硫煤煙氣的氨法脫硫技術(shù)

梁興舉，徐長香，傅國光

（1.廣西麻石電廠，廣西 融安 545400；2.江蘇新世紀(jì)江南環(huán)保股份有限公司，南京 211100）

目前已工業(yè)應(yīng)用的煙氣脫硫技術(shù)主要有氨法、石灰石-石膏法、循環(huán)流化床、NID工藝、海水脫硫工藝等方法。石灰石-石膏法是現(xiàn)在世界上應(yīng)用較廣泛的工藝，其特點(diǎn)是工藝成熟、吸收劑來源廣泛，但該工藝對煤種適應(yīng)性不強(qiáng)，同時(shí)存在副產(chǎn)物處置較為困難、運(yùn)行成本偏高、系統(tǒng)復(fù)雜、投資大、設(shè)備占地多等缺點(diǎn)；循環(huán)流化床和NID工藝通常適用于中小機(jī)組和老機(jī)組改造，目前單機(jī)最大容量為300MW，但需要使用高活性的石灰，吸收劑不易獲得，且在SO2濃度較高時(shí)，其脫硫效率不能保證；海水脫硫工藝僅適用于沿海地區(qū)燃用中低硫煤的電廠[1]。

許多脫硫技術(shù)對煤種適應(yīng)性不強(qiáng)，特別是燃用高硫煤鍋爐煙氣的SO2脫除無法保證高效率，難以滿足國家對SO2排放的環(huán)保要求。

氨法脫硫技術(shù)因具有脫硫效率高、無二次污染、回收二氧化硫得到的副產(chǎn)品可資源化利用等獨(dú)特優(yōu)勢而備受關(guān)注[2]。本文旨在從氨法脫硫機(jī)理分析及氨法工程實(shí)踐應(yīng)用等方面，闡述和論證氨法脫硫?qū)Ω咧械土蛎悍N的煙氣脫硫適應(yīng)性，以供廣大用戶選擇脫硫技術(shù)時(shí)參考。

1 氨法脫硫理論分析

1.1 SO2吸收動力學(xué)

氨法脫硫是以液氨或氨水為吸收劑，與煙氣中的SO2進(jìn)行氣液接觸發(fā)生反應(yīng)：

該法是典型的氣-液兩相過程，在水溶液中，SO2的吸收反應(yīng)按如下離子反應(yīng)進(jìn)行：

根據(jù)氣體吸收的雙膜理論模型可知，氨法脫硫反應(yīng)中由于SO2吸收屬于氣膜傳質(zhì)控制，因此在反應(yīng)式①至⑤中，反應(yīng)式⑤是整個(gè)吸收反應(yīng)速率的控制步驟。

反應(yīng)式①至⑤的離解平衡常數(shù)可表述為：

式⑥中，A1～ A4均為常數(shù)值，其值如表1所列。

由表1分析，在500K以下的溫度范圍內(nèi)，SO2在水溶液中離解平衡常數(shù)能保持一個(gè)較高的數(shù)值，且都大于氨的離解平衡常數(shù)，屬易溶氣體。因此氨法在吸收二氧化硫過程中，特別是在煙氣中含有二氧化硫的條件下，容易保證SO2在吸收液中有較高的溶解度。

表1 SO2和NH3在水溶液中的離解平衡常數(shù)值

1.2 吸收過程熱力學(xué)研究

陳梅倩等人進(jìn)行了氨法脫硫的動力學(xué)和熱力學(xué)分析，其結(jié)果表明溫度是氨法脫硫反應(yīng)平衡常數(shù)的主要影響因素，并決定脫硫效率；在60℃以下脫硫效率都在98.5%以上；氨法脫硫反應(yīng)的活化能為46kJ/mol；一般來說，大多數(shù)反應(yīng)的活化能在40k～400kJ/mol范圍內(nèi)，而氨法脫硫反應(yīng)的活化能僅為46kJ/mol，其反應(yīng)發(fā)生所需的活化能低，表明氨法脫硫反應(yīng)是非常容易進(jìn)行的[3]。

Shade等指出噴入氨的量與SO2的摩爾比小于2時(shí)，完全脫除SO2是可能的[4]。

氨脫硫劑無論是以液態(tài)還是以氣態(tài)參與反應(yīng)，同硫氧化物之間都呈均相反應(yīng)；而鈣質(zhì)脫硫劑無論是以粉狀還是以漿狀投入，同反應(yīng)物之間均是異相反應(yīng)，反應(yīng)僅在其表面進(jìn)行，反應(yīng)產(chǎn)物封閉表面后，顆粒內(nèi)部成分很難得到利用，即使延長反應(yīng)時(shí)間，也僅能獲得在擾動中顆粒破碎的好處。這種情況也不能用催化劑加以改善。從反應(yīng)動力學(xué)上看，二者在反應(yīng)速率、反應(yīng)進(jìn)行完全程度上相差數(shù)個(gè)數(shù)量級[5]。

以上研究表明，影響氨法脫硫反應(yīng)平衡常數(shù)的主要因素是溫度，脫硫反應(yīng)屬均相反應(yīng)，具有較高的平衡常數(shù)和低活化能，反應(yīng)容易進(jìn)行，反應(yīng)速率快、脫硫效率高，可以適應(yīng)各種高、中、低硫煤種的煙氣脫硫的要求。

2 氨法脫硫工程應(yīng)用

氨法煙氣脫硫技術(shù)在燃用高、中、低硫煤種時(shí)容易達(dá)到較高的脫硫效率，但在維持高脫硫效率下易出現(xiàn)氨損較大的問題，即氨利用率低的問題。江蘇某環(huán)保公司研發(fā)的氨法煙氣脫硫技術(shù)，在確保氨利用率＞97%的條件下，又能維持95%甚至更高的脫硫效率。本文以該氨法工程實(shí)踐應(yīng)用的情況，說明氨法脫硫技術(shù)對于高、中、低硫煤種的煙氣脫硫的適用性情況。

2.1 低硫煤鍋爐煙氣脫硫

揚(yáng)子石油化工有限責(zé)任公司4×220t/h+410t/h鍋爐煙氣脫硫工程，共設(shè)置2個(gè)脫硫塔，總處理煙氣量150萬Nm3/h，燃煤含硫量約0.97%。表2為2008年8月脫硫裝置168h運(yùn)行期間考核性能指標(biāo)表。從表2可以看出，在出口氨含量小于8ppm，即氨利用率非常高的情況下，脫硫率達(dá)到96.51%，出口煙氣SO2濃度僅有52.97mg/Nm3。

表2 揚(yáng)子石油化工有限責(zé)任公司脫硫裝置性能技術(shù)指標(biāo)

2.2 高硫煤鍋爐煙氣脫硫

廣西田東電廠2×135MW機(jī)組煙氣脫硫工程，按2爐1塔設(shè)計(jì)，單塔處理煙氣量為110萬Nm3/h，燃煤含硫量約為2%。

表3為該脫硫裝置進(jìn)行測試獲得的性能指標(biāo)。表3說明，在氨利用率為98%的情況下，脫硫率可達(dá)到96%以上，所得的測試值均優(yōu)于設(shè)計(jì)保證值。

表3 田東電廠裝置性能技術(shù)指標(biāo)

2.3 超高硫煤鍋爐煙氣脫硫

重慶龍橋熱電有限公司2×130t/h鍋爐煙氣脫硫工程，按2爐1塔設(shè)計(jì)，單塔處理煙氣量為32萬Nm3/h，燃煤含硫量為5.05%。表4為該裝置性能指標(biāo)。從表4可以看出，在煙氣SO2濃度約為12,000mg/m3時(shí)，氨法脫硫的脫硫效率同樣可以保證達(dá)到97.8%。

表4 重慶龍橋熱電有限公司脫硫裝置性能技術(shù)指標(biāo)

重慶中梁山電廠2×35t/h鍋爐煙氣脫硫工程，按2爐1塔設(shè)計(jì)，單塔處理煙氣量為13萬Nm3/h，設(shè)計(jì)燃煤含硫量達(dá)8%，煙氣SO2含量為1.5萬～2萬mg/Nm3，經(jīng)氨法煙氣技術(shù)脫硫，該工程脫硫率達(dá)99.6%，同時(shí)氨利用率在97%以上。

從上述氨法煙氣脫硫工程實(shí)踐的應(yīng)用情況來看，氨法無論是對于低硫煤、高硫煤還是超高硫煤，煙氣脫硫都能達(dá)到95%甚至更高的脫硫效率，同時(shí)該氨法煙氣在保持高的脫硫效率下氨的利用率不低于97%。

3 結(jié)語

（1）氨法脫硫反應(yīng)具有較大的平衡常數(shù)和低活化能，反應(yīng)易進(jìn)行，反應(yīng)速率快，脫硫效率高，能滿足高、中、低硫煤的煙氣脫硫要求。

（2）氨法脫硫技術(shù)既能保證氨利用率＞97%，又能使高、中、低硫煤保持高的脫硫效率，可以彌補(bǔ)目前其他煙氣脫硫技術(shù)對煤種適應(yīng)性差的不足，對適應(yīng)鍋爐煤種變化有重要作用，值得廣大用戶關(guān)注。

[1]徐長香，傅國光.氨法煙氣脫硫技術(shù)綜述[J].電力環(huán)境保護(hù)，2005，21（2）：17-20.

[2]朱世勇.環(huán)境與工業(yè)氣體凈化技術(shù)[M]. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

[3]陳梅倩，何伯述，陳廣華，等. 氨法脫硫反應(yīng)特性的化學(xué)動力學(xué)分析[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，5 （7）： 886-889.

[4]何伯述.氨法聯(lián)合脫除SO2和CO2的實(shí)驗(yàn)研究及電廠的生態(tài)效率評價(jià)[R].清華大學(xué)博士后出站報(bào)告，2002.

[5]韓德剛，高執(zhí)棣，高盤良.物理化學(xué)[M].北京： 高等教育出版社，2001.