殷延星，韓 宜，賀麗巖，馬劍飛

(河南煤氣(集團)有限責(zé)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(chǎn)，原來采用水膜除塵器內(nèi)氨法脫硫方式，以脫除煙氣中二氧化硫。為了達到清潔生產(chǎn)的目的，滿足國家環(huán)?？偩诸C布的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準》(GB13223-2011)對煙氣排放要求，該企業(yè)對1、2號鍋爐煙氣系統(tǒng)進行了脫硫技術(shù)改造。

1 改造方案

拆除原有水膜除塵器及內(nèi)脫硫設(shè)施，采用兩臺鍋爐共用一套脫硫系統(tǒng)，即“兩爐一塔”方式。在鍋爐引風(fēng)機后增加了脫硫吸收塔，利用企業(yè)自產(chǎn)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(chǎn)的亞硫酸銨溶液送至硫酸銨工段，經(jīng)過預(yù)處理、氧化、蒸發(fā)、結(jié)晶、干燥等步驟，生產(chǎn)出合格的硫酸銨產(chǎn)品。改造增加煙氣旁路系統(tǒng)、煙氣擋板門，以滿足對脫硫系統(tǒng)的隔離檢修。經(jīng)脫硫后的合格煙氣，通過煙囪達標(biāo)排放。

2 改造工藝

改造工藝主要由以下各系統(tǒng)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(yīng)，脫硫塔底的亞硫酸銨經(jīng)脫硫循環(huán)泵，到塔上部的兩層噴淋層，經(jīng)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(yīng)。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(fù)，SO2氣體被大量吸收，使煙氣得到凈化。根據(jù)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(jīng)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(jīng)脫硫塔頂部除霧/沫器除去煙氣中殘余的霧沫后，經(jīng)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(xué)反應(yīng)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(jīng)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(xué)反應(yīng)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(jīng)過結(jié)晶、干燥等程序生產(chǎn)出硫酸銨產(chǎn)品。

3 選擇工藝的特殊性

根據(jù)實際情況，脫硫系統(tǒng)采用了有針對性的工藝設(shè)計，以滿足脫硫的需要。

3.1 獨特設(shè)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(shè)計，循環(huán)脫硫液經(jīng)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(yīng);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(nèi)部采用了加大循環(huán)脫硫液噴淋密度的設(shè)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(xiàn)象。同時噴淋層噴嘴采用交叉錯位設(shè)置，使煙氣無死角的在脫硫塔內(nèi)通過，保證SO2完全和循環(huán)液(亞硫酸銨)接觸反應(yīng)。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(yīng)迅速，循環(huán)往復(fù)，SO2脫除效率極高。

3.2 獨立完全強制氧化保證硫酸銨產(chǎn)品質(zhì)量

本工藝技術(shù)采取脫硫塔外獨立氧化系統(tǒng)，獨特氧化器設(shè)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(yù)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(chǎn)品中幾乎不含有亞硫酸銨成分，使得回收的硫酸銨產(chǎn)品回收率高且品質(zhì)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(tǒng)主要動力消耗設(shè)備為脫硫循環(huán)泵。本工藝技術(shù)脫硫塔內(nèi)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(shè)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(shù)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(fēng)機氧化工藝電耗直接降低了近30%，同時大大降低了設(shè)備運行產(chǎn)生的噪聲。

3.4 排煙溫度以及氣溶膠問題的解決

脫硫系統(tǒng)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(chǎn)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(nèi)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(tǒng)設(shè)計排煙溫度可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)，確保煙氣在工藝所需溫度范圍內(nèi)排放。

4 工藝要點

氨法脫硫技術(shù)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(chǎn)物硫酸銨產(chǎn)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(zhì);做好設(shè)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(jié)構(gòu)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(nèi)主要脫硫劑。

氨水直接加入至亞硫酸銨罐內(nèi)(補充氨水的總量嚴格按照氨水與SO2物質(zhì)的量比2∶1控制)，與脫硫生成的亞硫酸氫銨反應(yīng)，形成亞硫酸銨，進入噴淋系統(tǒng)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(tǒng)，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(nèi)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(tǒng)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(nèi)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(nèi)低上升氣速

煙氣在脫硫塔內(nèi)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(nèi)，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(zhì)

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(jié)晶濃縮，可使硫酸銨晶體更加均勻、潔白，無雜質(zhì)硫酸銨的品質(zhì)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(chǎn)品測定含氮量遠超出國家范圍，實際則不達標(biāo)。亞硫酸銨不是化肥，且危害農(nóng)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(zhì)。

4.3 脫硫系統(tǒng)設(shè)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(nèi)酸性(pH值＜6)條件對脫硫塔本體和管網(wǎng)的酸性腐蝕。

4.3.2 脫硫系統(tǒng)設(shè)備材質(zhì)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(zhì)，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(tǒng)選用的各類泵均按其接觸介質(zhì)的性質(zhì)選用2205雙相不銹鋼，有效滿足了系統(tǒng)耐腐蝕、耐磨損的要求。

5 主要設(shè)備配置及選型

5.1 煙氣系統(tǒng)

煙氣系統(tǒng)由煙道、煙氣擋板、膨脹節(jié)等組成。煙氣系統(tǒng)將未脫硫的煙氣引入脫硫裝置，脫硫后的潔凈煙氣經(jīng)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(xiàn)流量控制。煙氣系統(tǒng)的壓降通過引風(fēng)機的余壓克服。

煙道根據(jù)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(shè)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(jié)構(gòu)。煙道壁預(yù)留腐蝕余量，總體上最小壁厚為6 mm，內(nèi)部尺寸精度在±0.5%的公差之內(nèi)。煙道的走向滿足冷凝液的排放，不產(chǎn)生積水。煙道設(shè)低點位排水設(shè)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(fēng)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(tǒng)的設(shè)計保證灰塵在煙道的沉積不會對運行產(chǎn)生影響，在煙道低位設(shè)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(diào)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(qū)動裝置的設(shè)計能承受所有運行條件下工作介質(zhì)可能產(chǎn)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(guān)閉嚴密，不會有變形或卡澀現(xiàn)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(jié)構(gòu)設(shè)計和布置能使擋板內(nèi)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(shè)備和管道的軸向和側(cè)向位移，以保護設(shè)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(jù)系統(tǒng)內(nèi)的最大和最小壓力設(shè)計。位于水平煙道段的接觸濕煙氣的膨脹節(jié)設(shè)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(tǒng)最主要的設(shè)備，采用空塔噴淋。為保證達到95%以上的脫硫效率，在設(shè)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(tǒng)，確保凈化后的煙氣達標(biāo)排放。脫硫塔選用的材料為碳鋼內(nèi)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(shè)計成氣密性結(jié)構(gòu)，防止液體泄漏。脫硫塔材質(zhì)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(shè)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(shè)兩套循環(huán)泵:一套脫硫循環(huán)泵將漿液送至塔內(nèi)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(tǒng)

脫硫系統(tǒng)操作控制采用DCS。根據(jù)噴淋液的pH值，自動調(diào)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(tǒng)擋板門的操作引入DCS系統(tǒng)，驅(qū)動擋板的電動執(zhí)行機構(gòu)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(lián)鎖，擋板位置和開、關(guān)狀態(tài)反饋進入脫硫裝置DCS系統(tǒng)。

7 實際應(yīng)用效果

經(jīng)過改造，氨法濕法脫硫系統(tǒng)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(diào)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(jié)果見表1。

表1 煙氣二氧化硫監(jiān)測結(jié)果

由表1可見，氨法濕法脫硫技術(shù)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(shè)備投資可減少約500萬元。

8 結(jié)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(xiàn)達標(biāo)排放，該技術(shù)是一種科學(xué)、可靠、先進的技術(shù)。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(xiàn)“以廢制肥，變廢為寶”，可實現(xiàn)環(huán)境治理的“正效益”，具有極高的技術(shù)推廣價值和商業(yè)效益。但改造方法要因地治宜、結(jié)合實際，根據(jù)不同的工況選擇不同的改造方法。