燃煤鍋爐煙氣氨法脫硫工藝模擬及氨逃逸分析研究

徐 威 劉 豐 高李璟 肖國民

(江蘇省(中圣)工業(yè)節(jié)能技術(shù)研究院，江蘇中圣高科技產(chǎn)業(yè)有限公司，江蘇 南京 211112；*東南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 211189)

燃煤鍋爐煙氣氨法脫硫工藝模擬及氨逃逸分析研究

徐 威 劉 豐 高李璟*肖國民*

(江蘇省(中圣)工業(yè)節(jié)能技術(shù)研究院，江蘇中圣高科技產(chǎn)業(yè)有限公司，江蘇 南京 211112；*東南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 211189)

以某熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目220 t/h燃煤鍋爐煙氣氨法脫硫系統(tǒng)為模擬對(duì)象，基于Aspen-Plus軟件建立化學(xué)吸收系統(tǒng)模型，分析研究了加氨工藝、工藝水噴淋對(duì)脫硫效果和氨逃逸的影響，模擬計(jì)算結(jié)果與工程設(shè)計(jì)運(yùn)行數(shù)據(jù)基本吻合。

氨法脫硫 燃煤煙氣 模擬 Aspen-Plus

我國貧油、少氣、富煤的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了大多數(shù)企業(yè)仍以煤為主要燃料。煤燃燒過程所產(chǎn)生煙氣中含有大量的 SO2、NOx、CO2等有害物質(zhì)。其中，SO2是各行業(yè)企業(yè)及國家嚴(yán)格控制的污染物之一。SO2的大量排放會(huì)造成如酸雨、空氣污染等嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。煙氣脫硫作為“末端控制”措施，是當(dāng)今應(yīng)用最有效的SO2減排技術(shù)。對(duì)于火電廠來說，在燃煤鍋爐煙氣排放治理和控制方法中，氨法脫硫工藝因脫硫效率高、副產(chǎn)品可利用、還能脫除氮氧化物及初期投資低等優(yōu)點(diǎn)，將得到廣泛應(yīng)用。[1]

氨法脫硫效率高且較容易控制，凈煙氣中SO2含量達(dá)標(biāo)比較容易。但氨容易揮發(fā)，系統(tǒng)的氨逃逸不易控制，在實(shí)際生產(chǎn)中往往超標(biāo)。如何提高脫硫效率和消除氨逃逸將成為煙氣氨法脫硫系統(tǒng)高效、環(huán)保、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

本文以某熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目220 t/h燃煤鍋爐煙氣氨法脫硫系統(tǒng)為模擬對(duì)象，基于Aspen-Plus軟件建立化學(xué)吸收系統(tǒng)模型，重點(diǎn)研究加氨工藝與工藝水噴淋對(duì)脫硫效果和氨逃逸的影響，從理論上考察、分析控制氨逃逸的手段，以便對(duì)實(shí)際工程項(xiàng)目的操作和優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

1脫硫工藝及原理

1.1 氨法脫硫工藝流程

燃煤鍋爐煙氣氨法脫硫工藝流程如圖1所示，從除塵器出來的熱煙氣經(jīng)洗滌、增濕降溫處理后進(jìn)入脫硫塔上部吸收段，煙氣與噴淋而下的吸收液逆流接觸，煙氣中的SO2被吸收，凈煙氣除去霧滴后從吸收塔頂部排空。SO2吸收反應(yīng)生成的亞硫酸銨達(dá)到一定濃度后，吸收液定量排入氧化槽，亞硫酸銨被加壓鼓入的空氣氧化為穩(wěn)定的硫酸銨。為了保持吸收塔內(nèi)吸收液濃度在所要求的范圍，持液槽中的漿液不斷被取出送至回收系統(tǒng)，依次進(jìn)入蒸發(fā)結(jié)晶器、冷卻結(jié)晶器、離心機(jī)、干燥機(jī)進(jìn)行結(jié)晶、脫水處理，最終得到副產(chǎn)物硫酸銨。氨水通過泵直接加入到加氨室，因此工藝中一級(jí)噴淋液的pH值隨塔高增加而降低。[2]

圖1 氨法脫硫工藝流程示意Fig 1 Schematic diagram of ammonia flue gas desulphurization process

1.2 反應(yīng)吸收過程分析

氨法脫硫是典型的氣液兩相接觸過程，既存在化學(xué)吸收，又存在物理吸收，并在液相中伴隨發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng)。其中吸收過程主要發(fā)生下列化學(xué)反應(yīng)：

氧化過程主要發(fā)生下列反應(yīng)：

由吸收過程發(fā)生的反應(yīng)可知，實(shí)際對(duì)SO2起吸收作用的是( NH4)2SO3，NH4HSO3不吸收SO2，而NH3主要是調(diào)節(jié)吸收液的pH值，將NH4HSO3轉(zhuǎn)化為( NH4)2SO3，為吸收SO2提供吸收劑。[3, 4]

2模擬工況及輸入條件

輸入條件：當(dāng)?shù)卮髿鈮?01.3 kPa，溫度25 ℃；吸收劑為20 wt.%的氨水，工藝水為25 ℃的純水。

煙氣工況：入口煙氣流量423 500 m3/h，溫度136 ℃，入口煙氣壓力103.5 kPa，煙氣組成見表1，該工況下對(duì)應(yīng)煙氣SO2含量為3 500 mg/Nm3。

表1 煙氣組成(體積分?jǐn)?shù))Table 1 Composition of the flue gas

3模擬流程的建立

根據(jù)工藝流程，用Aspen-Plus軟件建立如圖2所示的模擬流程，采用RadFrac模塊模擬吸收段，采用Rstoic模塊模擬氧化段，采用Flash模塊模擬氣液分離過程，模擬不考慮煙塵的影響，在吸收段只考慮吸收過程。物性選用Elecnrtl模型，綜合考慮固體、鹽析、離子平衡過程。

圖2 氨法脫硫工藝流程Aspen-Plus模擬Fig 2 Simulation schematic diagram of ammonia flue gas desulphurization process in Aspen-Plus software

4模擬計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述的模擬流程和煙氣條件，模擬計(jì)算結(jié)果如表2所示，計(jì)算液氣比為1.16 L/m3，從表2可以看出系統(tǒng)消耗20%氨水2.7 t，系統(tǒng)脫硫效率達(dá)到99.5%，氨利用率為99.4%。

表2 模擬計(jì)算結(jié)果Table 2 Aspen-Plus simulation results

*固體

模擬工藝需對(duì)出口煙氣中SO2和NH3的含量進(jìn)行綜合考慮，其中加氨的位置和比例對(duì)出口煙氣組成影響顯著。流程中加氨分別在B2(模擬氧化循環(huán)槽)和B4(模擬加氨室及相應(yīng)循環(huán)泵)模塊，在總加氨量一定的前提下，改變兩處位置的加氨比例，凈煙氣中SO2和NH3的含量如圖3所示。從圖3中可以看出B4處加氨比例對(duì)煙氣排放影響顯著，當(dāng)加氨比例高于0.37時(shí)，凈煙氣SO2符合超凈排放標(biāo)準(zhǔn)；凈煙氣中NH3含量隨加氨比例的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)，當(dāng)加氨比例在0.26～0.55之間時(shí)，氨逃逸量符合國家標(biāo)準(zhǔn)(HJ 2001-2010)。因此，在工程設(shè)計(jì)和實(shí)際生產(chǎn)中要嚴(yán)格控制加氨室中氨水的循環(huán)量，以滿足達(dá)標(biāo)排放的要求。

圖3 B4處加氨比例對(duì)煙氣排放影響Fig 3 The effect of ammonia ratioadded in B4 on the flue gas emission

圖4 工藝水量對(duì)煙氣排放影響Fig 4 The effect of process wateramount on the flue gas emission

改變脫硫塔塔頂噴淋工藝水(WATER物流)的量，出口煙氣中SO2和NH3的含量如圖4所示。一般經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為脫硫塔塔頂噴淋的工藝水量大可起到控制氨逃逸的效果，但從圖4可看出，工藝水量對(duì)氨逃逸量的影響不顯著，增大工藝水的噴淋量，煙氣中NH3的含量幾乎不變化。分析原因在于煙氣相對(duì)于工藝水的量非常少，在塔頂?shù)臏囟?～52 ℃)下，氨幾乎不會(huì)被噴淋的水吸收。根據(jù)物料平衡計(jì)算和模擬分析，氨逃逸主要受加氨量和加氨位置、方式的影響[5, 6]。

5結(jié) 論

(1)基于Aspen-Plus軟件模擬了220 t/h燃煤鍋爐煙氣氨法脫硫工藝流程，模擬得到在液氣比為1.16 L/m3，20%氨水消耗2.7 t的條件下，系統(tǒng)脫硫效率達(dá)到99.5%，氨利用率為99.4%以上，模擬計(jì)算結(jié)果與工程設(shè)計(jì)運(yùn)行數(shù)據(jù)基本吻合。

(2)工藝水量對(duì)氨逃逸量的影響不顯著，增大工藝水的噴淋量，煙氣中NH3的含量幾乎不變化。

(3)系統(tǒng)加氨工藝及加氨位置對(duì)煙氣脫硫排放指標(biāo)影響顯著，在工程設(shè)計(jì)、實(shí)際生產(chǎn)中要嚴(yán)格控制加氨室中氨水的循環(huán)量，以滿足達(dá)標(biāo)排放的要求。

[1] 高璐陽, 鄭磊, 陳宏坤,等. 鍋爐煙氣氨法脫硫聯(lián)產(chǎn)硫酸銨清潔生產(chǎn)技術(shù)[J]. 磷肥與復(fù)肥, 2015, 30(10) :35～37.

[2] 高建強(qiáng), 羅翔啟, 陳乾榮. 淺析氨法脫硫結(jié)晶存在的問題及處理措施[J]. 大氮肥, 2016, 39(2):102～105.

[3] 梁磊, 姚建紅. 單塔結(jié)晶氨法脫硫工藝研究及設(shè)計(jì)分析[J]. 東北電力技術(shù), 2013, 34(10):31～35.

[4] 周理明, 史永永, 李海洋,等. 氨法煙氣脫硫過程的工藝優(yōu)化[J]. 化學(xué)工程, 2014, 42(4):7～12.

[5] 王志雅. 氨法脫硫中的氨逃逸和硫酸銨氣溶膠現(xiàn)象[J]. 化工設(shè)計(jì)通訊, 2014(5):35～38.

[6] 崔建祥, 趙焰. 氨法煙氣脫硫工程中注氨的方式與方法[J]. 環(huán)境工程, 2009, 27(4):87～90.

SimulationandAmmoniaEscapeAnalysisofAmmoniaFlueGasDesulphurizationforCoal-firedBoiler

Xu Wei Liu Feng Gao Lijing Xiao Guomin

(Jiangsu (Sunpower) Research Institutes of Industrial Energy-saving Technology, Jiangsu Sunpower Technology Co. Ltd., Jiangsu Nanjing 21112; *School of Chemistry and Chemical Engineering, Southeast University, Jiangsu Nanjing 211189)

The result of Aspen-Plus simulation of ammonia flue gas desulphurization was presented which captured from 220 t/h coal-fired boiler in central heating project. The effects of such operation parameters on the efficiency of desulphurization were investigated. The simulated results were fitted well with the engineering design and operational data.

ammonia desulphurization flue gas simulation Aspen-Plus

10.16597/j.cnki.issn.1002-154x.2017.11.009

2017-09-21

徐威(1990～)，男，博士，工程師，主要從事煙氣處理、新能源研發(fā)相關(guān)研究工作。E-mail：xuwei01@sunpower.com.cn