陳文華,鄭俊杰,徐承亮
(浙江天地環(huán)??萍脊煞萦邢薰?,杭州 310013)
近年來,國家環(huán)保要求日益嚴(yán)格。2014 年9月,國家發(fā)改委、環(huán)保部、能源局聯(lián)合頒發(fā)的《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014-2020)》要求新建燃煤發(fā)電機(jī)組大氣污染物排放濃度基本實(shí)現(xiàn)超低排放(即在基準(zhǔn)氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%條件下,煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放的質(zhì)量濃度分別不高于10、35、50 mg/m3)[1]。此后超低排放相繼在全國推廣。
在火電廠煙氣治理中,氨法脫硫因其工藝成熟、占地面積小、脫硫效率高等優(yōu)點(diǎn),在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用,然而,其工藝的特殊性,使脫硫過程中不可避免的產(chǎn)生硫酸銨氣溶膠和硫酸銨細(xì)微顆粒,導(dǎo)致吸收塔出口顆粒物含量增加,煙塵排放含量難以滿足超低排放標(biāo)準(zhǔn)。因此,氨法脫硫超低排放的關(guān)鍵在于控制顆粒物排放含量。
所述顆粒物指煙氣中未脫除的煙塵、煙氣所攜帶液滴中的溶解鹽(硫銨)以及氨法脫硫過程中所產(chǎn)生的氣溶膠等物質(zhì)的總和,即通常所稱的總塵。針對(duì)氨法脫硫工藝中的顆粒物排放問題,已有大量實(shí)踐研究,控制氨法脫硫顆粒物含量的措施主要包括3方面:選擇合適的工藝參數(shù)、優(yōu)化吸收塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)和增加濕式電除塵設(shè)備。
在氨法脫硫工藝中,氣溶膠的生成主要是由于氣相中的NH3與SO2或SO3反應(yīng)生成亞硫酸氨和硫酸銨,因而如何降低氨逃逸是控制氣溶膠形成的關(guān)鍵[2]。
根據(jù)氨水的氣液平衡數(shù)據(jù)可知,吸收液含量和溫度越高時(shí),氨氣逃逸量越大,而液氣比是影響吸收液含量和溫度的關(guān)鍵,因而選擇合適的液氣比可以在源頭減少氣溶膠的生成。在實(shí)際應(yīng)用中,相同條件下,液氣比越大,氨逃逸量越小。但液氣比的增加,會(huì)導(dǎo)致能耗增加,所以應(yīng)該綜合考慮,選擇合適的液氣比[3]。
氨法脫硫中生成的亞硫酸銨和亞硫酸氫銨都是不穩(wěn)定化合物,容易發(fā)生逆反應(yīng),再次生成二氧化硫和氨,導(dǎo)致氨逃逸增加。因此采取合適的氧化方式,使?jié){液充分氧化,可以在一定程度上降低氨逃逸量。在保證充分的氧化風(fēng)量前提下,精確計(jì)算風(fēng)機(jī)壓頭,實(shí)現(xiàn)亞硫酸鈉和亞硫酸氫銨的充分氧化[4]。
選擇合理的加氨位置,可以減少游離氨含量,降低氨逃逸量。相比于直接向脫硫塔加氨,在循環(huán)泵入口加氨具有2點(diǎn)優(yōu)勢(shì):一是保證溶液均勻性,同時(shí)使亞硫酸氫銨提前轉(zhuǎn)化為亞硫酸銨,提高脫硫效率;二是有利于降低漿液的pH[3]。
在脫硫塔內(nèi)部設(shè)置多級(jí)吸收段、水洗段、除霧器,可以有效捕集逃逸氨和氣溶膠,降低出口顆粒物含量[5]。最上層吸收段采用不加氨噴淋液,進(jìn)行剩余SO2的吸收,同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)逃逸氨的捕集;水洗段,采用清水噴淋,實(shí)現(xiàn)對(duì)吸收段出口液滴中硫酸銨可溶鹽洗滌和對(duì)逃逸氨的進(jìn)一步捕集;除霧器,可以減少吸收段出口凈煙氣中液滴攜帶量,降低可溶解性銨鹽、硫酸鹽和氣溶膠的排放。
煙氣溫度和脫硫塔入口SO3的含量也會(huì)大大影響脫硫塔出口顆粒物含量[6]。可以通過在脫硫塔入口設(shè)計(jì)噴淋層來降低煙氣溫度并吸收SO3,從而避免硫酸銨和氣溶膠的生成。肖育軍等發(fā)明了1種氨法脫硫工藝與系統(tǒng),在脫硫塔入口設(shè)立噴淋層,表明吸收塔漿液蒸發(fā)是脫硫塔出口硫酸銨含量增加的主導(dǎo)因素,通過對(duì)煙氣預(yù)降溫可以有效控制生成的硫酸銨含量,并且隨著漿液含固量的增加,入口噴淋對(duì)減少脫硫出口硫酸銨含量的效果呈快速上升趨勢(shì)[7]。
濕式電除塵器是利用高壓直流電使煙氣顆粒物荷電,并在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下使其加速沉降于沉降極(陽極)表面以除去煙氣中塵霧的設(shè)備。濕式電除塵器具有除塵效率高、操作簡(jiǎn)單、能耗小、無二次揚(yáng)塵、可工作于煙氣露點(diǎn)溫度以下、結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)形式多樣化等優(yōu)點(diǎn)[8-9]。
隨著燃煤電廠超低排放全面推廣,濕式電除塵器在顆粒物控制方面體現(xiàn)出良好的優(yōu)勢(shì)。杜振等通過對(duì)26 臺(tái)超低排放機(jī)組濕式電除塵器進(jìn)出口顆粒物排放情況進(jìn)行測(cè)試,得到當(dāng)濕式電除塵器入口顆粒物的質(zhì)量濃度為20~90 mg/m3時(shí),顆粒物脫除效率為85%~90%,出口顆粒物的質(zhì)量濃度均在10 mg/m3以下[10]。趙磊等采用DPI細(xì)顆粒采樣儀對(duì)某300 MW燃煤機(jī)組濕式電除塵器的進(jìn)出口煙塵進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果發(fā)現(xiàn),煙塵出口質(zhì)量濃度為1.8 mg/m3,脫除效率達(dá)到88%以上,其中PM2.5 的脫除效率穩(wěn)定在75%以上[11]。
新疆某煤化工公司2×103m3/a煤制天然氣項(xiàng)目熱電裝置1#~4#機(jī)組4臺(tái)4×480 t/h鍋爐煙氣脫硫采用氨-硫酸銨法脫硫工藝,按一爐一塔方案設(shè)計(jì)。因化工區(qū)酸性氣體入爐摻燒后,脫硫塔入口煙氣中SO2含量高于原設(shè)計(jì)量,故擬對(duì)現(xiàn)有4臺(tái)鍋爐進(jìn)行脫硫、除塵超低排放增容改造。要求增容改造完成后,在設(shè)計(jì)工況下全煙量、全時(shí)段的保證脫硫效率不低于99.4%,脫硫后煙氣中SO2的質(zhì)量濃度≤30 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài),干基,氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%)、總塵(包括硫銨鹽等)的質(zhì)量濃度不高于5 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài),干基,氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%)。氨逃逸的質(zhì)量濃度小時(shí)平均應(yīng)低于3 mg/m3,氨回收率大于98%。
按照熱電鍋爐實(shí)際燃燒煤種及考慮到燃煤波動(dòng)較大,增容改造工程按校核煤種設(shè)計(jì)。入口煙氣參數(shù)如表1所示。
表1 脫硫塔入口煙氣設(shè)計(jì)參數(shù)Tab 1 Design parameters of flue gas at inlet of thionizer
1#、4#機(jī)組采用一爐一塔的方案,新建2 座吸收塔,每座吸收塔處理的煙氣量為每臺(tái)鍋爐煙氣量的100%煙氣量(包括1/3 化工區(qū)酸性氣入爐摻燒量)。
2#、3#機(jī)組采用一爐兩塔的方案,利舊改造原有4座吸收塔,每座吸收塔處理的煙氣量為每臺(tái)鍋爐煙氣量的50%(包括1/6化工區(qū)酸性氣入爐摻燒量)。原4座吸收塔進(jìn)行局部改造。
重點(diǎn)討論1#、4#機(jī)組新建吸收塔脫硫系統(tǒng)對(duì)顆粒物的脫除情況。
新建吸收塔脫硫系統(tǒng)的工藝流程如圖1所示。
圖1 新建吸收塔脫硫系統(tǒng)的工藝流程Fig 1 Process flow of new absorption tower desulfurization system
從1#、4#機(jī)組引風(fēng)機(jī)出來的煙氣分別進(jìn)入對(duì)應(yīng)的新建5#、6#吸收塔。吸收塔采用逆流式,碳鋼結(jié)構(gòu),鱗片防腐,每座吸收塔內(nèi)部自下而上布置分別為濃縮結(jié)晶段,硫銨副線噴淋層,一級(jí)吸收段,三級(jí)吸收段,吸收段除霧器層,水洗段,水洗段除霧器層,在塔內(nèi)脫除SO2后進(jìn)入1#、4#濕式靜電除塵器,最終進(jìn)入煙囪排放。
該工程投運(yùn)后煙塵排放含量部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖2所示。
圖2 改造前后濕式電除塵器煙塵的排放含量Fig 2 The dust emission content of wet electrostatic precipitator before and after modification
從圖2可以看出,改造之前煙塵含量排放達(dá)標(biāo)率較低,只有20%測(cè)試數(shù)據(jù)在標(biāo)準(zhǔn)排放含量之下。改造后,排放煙塵的質(zhì)量濃度均在5 mg/m3之下,說明優(yōu)化吸收塔操作參數(shù)和內(nèi)部結(jié)構(gòu),和增加濕式電除塵器的耦合措施,對(duì)顆粒物的含量控制具有良好的效果。
對(duì)4 臺(tái)4×480 t/h 鍋爐的煙氣氨-硫酸銨法脫硫工藝,通過優(yōu)化加氨方式,增大液氣比、降低吸收塔pH,在吸收塔增設(shè)水洗段、水洗段除霧器層以及在吸收塔出口增設(shè)濕式電除塵器,進(jìn)行脫硫、除塵超低排放增容改造,有效降低了煙塵排放含量。改造之后排放煙塵的質(zhì)量濃度均在5 mg/m3之下,滿足超低排放標(biāo)準(zhǔn)。
隨著超低排放技術(shù)的全面推廣和氨法脫硫技術(shù)的發(fā)展,顆粒物排放問題正在得到有效的解決。無論從工藝系統(tǒng)還是設(shè)備結(jié)構(gòu),或增加新設(shè)備角度,都有行之有效的措施可以減少顆粒物排放含量,但這些控制措施都會(huì)在一定程度上增加能耗和設(shè)備投資,如何降低顆粒物控制成本,仍然是氨法脫硫工藝亟需解決的問題。