氨法脫硫系統(tǒng)中氧化槽和濕式電除塵作用分析

袁平華

(陽煤豐喜臨猗分公司， 山西運城 044100)

鍋爐煙氣治理氨法脫硫在陽煤豐喜臨猗分公司(簡稱臨猗分公司)已經(jīng)運行了3套裝置，從剛開始的簡易氨法脫硫(塔內(nèi)氧化和濃縮)到現(xiàn)在的復(fù)合氨法脫硫(塔外氧化、塔內(nèi)濃縮結(jié)晶、塔頂濕式電除塵)，整個工藝和裝置發(fā)生了很大的變化。鍋爐除塵技術(shù)經(jīng)歷了靜電除塵、布袋除塵、電袋復(fù)合除塵等階段，除塵效果有了很大的改變，已實現(xiàn)除塵器出口粉塵質(zhì)量濃度≤20 mg/m3。脫硫塔進(jìn)口粉塵減少，給亞硫酸銨的氧化創(chuàng)造了良好的條件，硫酸銨晶體的成長也越來越快速。臨猗分公司新建成的280 t/h循環(huán)流化床鍋爐，采用復(fù)合氨法脫硫工藝，在進(jìn)塔SO2質(zhì)量濃度為2 500 mg/m3、鍋爐負(fù)荷60%左右的情況下，日產(chǎn)硫酸銨在25～45 t，硫酸銨品質(zhì)為一級，并且達(dá)到了超低排放的標(biāo)準(zhǔn)。

新建成的復(fù)合氨法脫硫裝置，采用塔外氧化、塔內(nèi)濃縮和結(jié)晶，塔內(nèi)從下至上布置有文丘里分布器，兩層集液器加兩層托盤，兩段水洗，兩層屋脊式除霧器，塔頂布置有濕式電除塵器外加煙囪直排。塔外布置有氧化槽、稀氨水槽、水洗槽、各式泵類及硫酸銨回收裝置。其中的關(guān)鍵裝置就是氧化槽和濕式電除塵器，分別對產(chǎn)品硫酸銨的形成和出口粉塵的含量起著重要作用。保證著整個系統(tǒng)的順利運轉(zhuǎn)。

1 氧化槽

1.1 氧化槽是脫硫系統(tǒng)的中轉(zhuǎn)站

氧化槽為非標(biāo)容器，一般的氧化槽都是篩板槽，槽里面有兩層篩板，篩板上密布著氣孔，篩板有兩個作用，一是增大氣液接觸面積，空氣通過篩板孔會使液面產(chǎn)生鼓泡，使脫硫液充分氧化；二是減緩空氣流速，增加空氣在槽內(nèi)的停留時間，不致于使30 kPa左右的空氣快速流經(jīng)氧化槽[1]。

空氣從槽底鼓入，槽頂與脫硫塔有氣相和液相連接，氣相是從羅茨風(fēng)機(jī)鼓入的空氣，沒有反應(yīng)完全的氣體(主要是氮氣)進(jìn)塔與脫硫煙氣混合從脫硫塔頂排出；液相是脫硫吸收液經(jīng)噴嘴與煙氣接觸后，經(jīng)集液器自流入氧化槽，保證氧化槽和脫硫塔建立起循環(huán)系統(tǒng)。脫硫循環(huán)泵出口與脫硫塔噴淋層連接，一臺循環(huán)泵對應(yīng)一層噴淋，吸收液用集液器回收。吸收液經(jīng)集液器自流入氧化槽，循環(huán)往復(fù)，所以也有廠家稱之為“循環(huán)槽”。

脫硫用氨水也是從氧化槽加入。氨水是氨法脫硫的脫硫劑，是脫硫的主要原料。而在此工藝條件下，脫硫塔已經(jīng)被分隔成三段，從下往上分別為濃縮段、吸收段和水洗段。吸收段是氨與二氧化硫發(fā)生反應(yīng)的主要區(qū)域，氧化槽與吸引段之間是互相循環(huán)的關(guān)系，兩者是一體的。氧化槽在和脫硫塔建立起循環(huán)的同時，也給脫硫塔濃縮段補(bǔ)液，保證濃縮段液位在一定的位置，濃縮段自身也能建立起循環(huán)系統(tǒng)，給煙氣降溫的同時不斷濃縮，高溫?zé)煔獠荒苤苯舆M(jìn)入吸收段，硫酸銨晶體可不斷長大，直至能夠從離心機(jī)中分離出來[2-3]。

氧化槽在整個氨法脫硫中占有重要的地位，從吸收二氧化硫到亞硫銨的氧化，濃縮段的補(bǔ)液，都離不開氧化槽。

復(fù)合氨法脫硫裝置氧化槽和脫硫塔之間的流程圖見圖1。

圖1 復(fù)合氨法脫硫裝置氧化槽和脫硫塔之間的流程圖

1.2 氧化槽與pH

pH是脫硫系統(tǒng)需要控制的重要參數(shù)，其決定著二氧化硫的吸收反應(yīng)，系統(tǒng)中氨的加入量與硫酸銨晶體形成的快慢有關(guān)，pH的控制是脫硫系統(tǒng)正常運行的基礎(chǔ)。脫硫系統(tǒng)的pH主要由氨水的量來定，而氨水是從氧化槽中加入的。為了保證氨水在氧化槽內(nèi)混合均勻，使進(jìn)入脫硫塔的脫硫液pH和氧化槽顯示的pH不會偏差太大，在氧化槽內(nèi)加一隔板，使加氨區(qū)和脫硫液分開，隔板高度通常比氧化槽內(nèi)的控制液位要低，一般為2 m左右，以保證加入的氨水能夠溢流到脫硫液中并且混合均勻。因為循環(huán)泵的進(jìn)口在氧化槽底，新鮮的氨水有足夠的時間和脫硫液進(jìn)行混合。

氨法脫硫中氨水的加入位置對系統(tǒng)運行有較大的影響。在氨法脫硫第一套裝置上，安裝氧化槽之前首先從脫硫塔底部加入，當(dāng)時只設(shè)計了一個加入點，運行后發(fā)現(xiàn)漿系統(tǒng)的pH非常不穩(wěn)，經(jīng)過反復(fù)分析，發(fā)現(xiàn)加氨水的位置不是最好，因為整個系統(tǒng)添加氨水是根據(jù)漿液pH來操作的，而pH計離加氨水的位置比較近，稍微加點氨水，漿液pH數(shù)值就變大，而實際上系統(tǒng)的pH并不高，導(dǎo)致溶液中亞硫酸氫銨過多，反應(yīng)方程式為：NH3+SO2+H2O=NH4HSO3。

亞硫酸氫銨易溶于水，只有在溶液中才穩(wěn)定，雖然漿液密度已達(dá)到要求，但仍分離不出來產(chǎn)品。同時出口煙氣中SO2時常超標(biāo)，除霧器堵塞，煙氣拖尾現(xiàn)象嚴(yán)重。系統(tǒng)停車檢查，發(fā)現(xiàn)有大塊的鹽類物附著在塔壁上，掉落的大塊鹽類物有時可將塔下部的擾動管和氧化風(fēng)管砸斷。經(jīng)過化驗分析,結(jié)晶物大部分為亞硫酸氫銨和硫酸氫銨，銨鹽會堵塞漿液噴嘴和除霧器，甚至出口煙道，造成煙氣拖尾。因為帶出物太多，煙氣比重大，無法擴(kuò)散，只有往下沉。特別是在冬天,煙氣抬升高度不夠,整個廠區(qū)彌漫著一股濃濃的臭雞蛋的味道。出現(xiàn)這些狀況的原因就是漿液的pH未控制好,氨水加入不均勻,或是氨水加入太少,沒有生成硫酸銨,而是生成了硫酸氫銨和亞硫酸氫銨,這些鹽比硫酸銨在水中的溶解度大,即使飽和了也形成不了晶體,無法從離心機(jī)中分離出來。在達(dá)到過飽和的狀態(tài)下，它們才從溶液中析出，經(jīng)噴嘴噴出后附著在塔壁和梁上，長時間形成大塊物，但離心機(jī)依然分離不出產(chǎn)品。硫酸銨在水中會長成一個個小晶體，固液比達(dá)到一定濃度就能從離心機(jī)中分離出來。

第一套氨法脫硫裝置運行不正常，采取塔外氧化、塔內(nèi)濃縮結(jié)晶工藝，對其進(jìn)行了改造。兩個脫硫塔共用一座氧化槽，氧化槽設(shè)計一個氨水加入點，即用隔板給氨水設(shè)置一個小空間，然后氨水經(jīng)過溢流與氧化槽中的吸收液慢慢混合均勻。pH計設(shè)計為兩個，分布在兩個脫硫塔濃縮段，運行后發(fā)現(xiàn)兩個塔的pH顯示不一樣，且偏差較大。經(jīng)反復(fù)研究得出氨水加入點設(shè)計不理想，氨水和氧化槽里面的吸收液混合不均勻，導(dǎo)致兩個塔漿液pH顯示不一樣，無法為操作提供可靠的依據(jù)。

針對上述問題，重新設(shè)計了氨水加入點，即從氧化槽頂部加入氨水，因為整個氧化槽高8 m，液位控制在4 m左右，新加入的氨水從氧化槽頂部落下，有足夠的時間與氧化槽內(nèi)的吸收液充分混合，而且循環(huán)泵安裝在氧化槽底部，把氧化槽的液體打入到脫硫塔，可進(jìn)行吸收二氧化硫的操作。為了保證吸收液pH的真實性，新上的280 t/h鍋爐煙氣脫硫?qū)H計安裝在了循環(huán)泵出口(即脫硫塔進(jìn)口)，不是在氧化槽上。在泵出口安裝了一個小容器，用支管將各泵出口吸收液匯集到一起，pH計則安裝在小容器里，保證進(jìn)塔溶液的pH真實可靠。

采用技術(shù)手段，將氨水泵的變頻調(diào)節(jié)與pH進(jìn)行聯(lián)鎖，一旦pH偏低，氨水泵自動加快轉(zhuǎn)速，給系統(tǒng)補(bǔ)氨；如果pH在設(shè)定值附近，氨水泵轉(zhuǎn)速自動調(diào)低，這樣就保證了吸收液和漿液pH的穩(wěn)定。在保證pH穩(wěn)定的前提下，亞硫酸銨的形成、氧化、結(jié)晶都能順利進(jìn)行，形成穩(wěn)定的、在溶液中溶解度低的硫酸銨，而且在此pH條件下，硫酸銨晶體能夠順利長大到足以從離心機(jī)分離出來，而不是生成硫酸氫銨，造成脫硫液過飽和堵塞噴嘴及除霧器，并隨煙氣帶出導(dǎo)致煙氣拖尾，使脫硫系統(tǒng)工藝狀況惡化，直至無法運轉(zhuǎn)下去。

經(jīng)過一系列的技術(shù)調(diào)整，目前280 t/h鍋爐煙氣脫硫系統(tǒng)運行穩(wěn)定，硫酸銨產(chǎn)出量及煙氣排放都達(dá)到預(yù)期效果。

2 濕式電除塵

2.1 濕式電除塵產(chǎn)生的原因

對于氨法脫硫工藝，雖然二氧化硫和氨能快速結(jié)合，但除了生成硫酸銨外，還生成亞硫酸氫銨、硫酸氫銨和碳酸氫銨等，這些鹽類不穩(wěn)定，易溶解或分解，經(jīng)集液器氣帽進(jìn)入除霧器系統(tǒng)，并經(jīng)除霧器隨煙氣進(jìn)入到煙囪，即通常所說的“氣溶膠”，在氨法脫硫系統(tǒng)中這種現(xiàn)象是不可避免的。

隨煙氣帶出的硫酸氫銨和碳酸氫銨溫度降低后將在煙道及煙囪中析出，有時在煙囪或煙道中會發(fā)現(xiàn)白色的析出物，煙囪有時還會冒黃煙，這就是亞硫酸氫銨和硫酸氫銨分解形成的“酸霧”。所以說氨法脫硫中的“氣溶膠”危害非常大，這也是設(shè)計廠家多年來一直在研究要解決的問題。

氨法脫硫在除霧器進(jìn)口再加水洗系統(tǒng)是剛開始使用的一種去除“氣溶膠”的工藝，水洗液用的是干凈的一次水，而且這種水還需要循環(huán)，不能跟吸收液一起直排入氧化槽，否則脫硫系統(tǒng)的水平衡就無法保證，因此需要另外設(shè)計一個水洗池，使洗滌液能夠循環(huán)起來。當(dāng)氧化槽液位低而整個沖洗水系統(tǒng)無法維持氧化槽正常運轉(zhuǎn)時，可用水洗池的水補(bǔ)入氧化槽內(nèi)，然后用一次水來補(bǔ)充水洗池液位。

加入水洗系統(tǒng)僅在氨法脫硫系統(tǒng)改造中使用，水洗作用只是降低了煙氣溫度，使其中帶出的鹽類物質(zhì)及逃逸的氨重新返回系統(tǒng)，但水洗液和煙氣接觸時間極短，能夠析出的物質(zhì)有限，要達(dá)到排出的煙氣煙塵質(zhì)量濃度≤5 mg/m3，只加水洗系統(tǒng)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

濕式電除塵工藝類似于靜電除塵，用于捕捉那些極細(xì)小的濕顆粒，減少煙氣中的煙塵。每隔一段時間對陰陽極系統(tǒng)沖洗一次，沖洗水進(jìn)入到水洗池，每次沖洗都是用干凈的一次水，沖洗時間間隔一般是每天沖洗一次。

2.2 濕式電除塵結(jié)構(gòu)原理

濕式電除塵裝置由高低壓控制系統(tǒng)、沖洗系統(tǒng)、絕緣系統(tǒng)、陰極系統(tǒng)、氣體分布系統(tǒng)、陽極系統(tǒng)等組成。

高壓控制系統(tǒng)由高壓控制柜、高壓發(fā)生器和隔離開關(guān)柜等組成；高壓控制柜通過可編程序控制器(PLC)來控制；高壓發(fā)生器將高壓柜的控制輸出整流成直流電進(jìn)入濕式靜電除塵除霧器；隔離開關(guān)柜保護(hù)檢修時人員進(jìn)入濕式靜電除塵除霧器內(nèi)的安全；低壓控制系統(tǒng)由低壓控制柜通過PLC和觸摸屏來集中控制。

沖洗系統(tǒng)由管道、噴嘴、電動閥門、流量計、壓力變送器、放空閥、水泵等組成。沖洗要求采用單管單沖，沖洗裝置安裝在上氣室內(nèi)。

絕緣系統(tǒng)是比較重要的系統(tǒng)，涉及到人身安全。濕式靜電除霧除塵器共設(shè)置2個電場，每個電場4臺電絕緣箱，架設(shè)在頂部平臺上，每個絕緣箱內(nèi)裝錐形石英管1支、石英管壓蓋1個、視鏡1個、熱電偶1支，采用內(nèi)保溫。

陰極系統(tǒng)由大梁、小梁、吊桿、陰極線、重錘、高壓機(jī)組等組成。電暈電極為2205高效芒刺極線。為保證電暈線在沉淀管中心，且不受氣體流動的干擾引起位移，每根電暈線下部設(shè)置8 kg重錘，上部固定在陰極小梁上，陰極小梁鋪在陰極大梁上，大梁由4根吊桿通過石英管壓蓋，吊在絕緣箱的石英管上，絕緣采用熱風(fēng)清掃裝置。

氣體分布裝置是煙氣由進(jìn)氣口進(jìn)入濕式靜電除塵器，由于截面積突然擴(kuò)大，容易因渦流而造成整個截面積上的氣體分布不均，所以需要在下氣室內(nèi)設(shè)置氣體分布裝置。材質(zhì)采用玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯材料(FRPP)，通過開孔的大小及開孔率來達(dá)到氣體分布的均勻，氣流均布系數(shù)σr<0.2。

陽極系統(tǒng)的收塵裝置采用集束型，共分16組。管子呈蜂窩形排列，管子長度為6 000 mm，組裝并黏接好后，再糊制支撐法蘭，安裝時通過支撐法蘭懸掛在殼體內(nèi)的陽極支撐大梁上。

陽極管束布置圖見圖2。

圖2 陽極管束布置圖

每根陽極管中插入一根陰極線。陽極管為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)；內(nèi)切圓360 mm六角管，長度6 000 mm×3 mm(導(dǎo)電阻燃玻璃鋼)，表面涂滿導(dǎo)電的石墨粉，在防腐的同時又帶有導(dǎo)電的功能。陰極線為芒刺型2205耐腐蝕的合金扁鋼，整個構(gòu)架為懸吊式，用8根大梁和8根立柱把陰陽極系統(tǒng)懸掛起來。每個陽極管口上部正中心配套一根沖洗水噴嘴，沖洗水為高壓一次水，用來對濕電系統(tǒng)進(jìn)行沖洗。

2.3 濕式電除塵安裝注意事項

濕電系統(tǒng)最核心的部分是高頻電源和陰陽極系統(tǒng)。高頻電源要把濕電系統(tǒng)電壓從380 V升至60 kV，而陰陽極系統(tǒng)由于陽極管束高達(dá)10 400 m(底部塔體的直徑是8 600 mm，此處的直徑為12 160 mm)，必須保證在安裝的過程中不能有任何的傾斜，否則即使陰極線安裝是垂直的，由于陽極管是傾斜的，陰陽極間距不一，會導(dǎo)致在升壓的過程發(fā)生早早放電的情況，電壓無法升上去，降低整個濕電除塵的效果。濕電除塵在開車運行過程中發(fā)生電擊產(chǎn)生電火花，導(dǎo)致脫硫塔被燒毀的情況已經(jīng)發(fā)生過。原因是電壓升不上去卻強(qiáng)行升壓，陰陽極短路著火，陽極管的材質(zhì)為玻璃鋼，即使加了阻燃劑，但反復(fù)放電打火，引起燃燒。其中最主要的原因是陰陽極間距安裝不合格，陽極管束發(fā)生傾斜或陰極線安裝不垂直，導(dǎo)致陰陽極間距過小，在升壓的過程中產(chǎn)生電火花，從而導(dǎo)致脫硫塔著火。

氨法脫硫已經(jīng)歷多年的發(fā)展，濕電系統(tǒng)雖起步較晚,但在鈣法、鎂法、半干法等煙氣脫硫工藝中都已應(yīng)用，超低排放是大勢所趨，只依靠除霧器及水洗是無法達(dá)到超低排放指標(biāo)的。

復(fù)合氨法脫硫排放參數(shù)見圖3。

圖3 復(fù)合氨法脫硫排放參數(shù)

3 結(jié)語

臨猗分公司新建成的280 t/h循環(huán)流化床鍋爐脫硫采用復(fù)合氨法脫硫裝置，經(jīng)過近幾個月的運行，環(huán)保效果非常顯著,達(dá)到了超低排放的標(biāo)準(zhǔn)要求。并且在鍋爐負(fù)荷約60%的情況下,日產(chǎn)一級硫酸銨25～45 t。