欒 輝 王若堯 唐智和 鄒誠誠 鞠 峰

(1.華東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院；2.中國石油集團安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司；3.華東理工大學(xué)化工學(xué)院)

0 引 言

煤炭是我國能源結(jié)構(gòu)中的主要能源。煤炭的燃燒使用導(dǎo)致我國二氧化硫和氮氧化物排放總量居高不下[1]。為實現(xiàn)污染物達標(biāo)排放，煙氣脫硫勢在必行。氨法脫硫具有反應(yīng)速率快、吸收劑利用率高、脫硫效率高、原料來源豐富、副產(chǎn)品經(jīng)濟價值高且運行穩(wěn)定等優(yōu)點[2]，是控制二氧化硫排放的主要技術(shù)手段[3-5]，具有廣闊的應(yīng)用前景。然而煙氣氨法脫硫技術(shù)在應(yīng)用過程中普遍存在脫硫劑消耗大、氨逃逸嚴(yán)重、氣溶膠難以消除、亞硫酸銨氧化慢、硫酸銨結(jié)晶難等問題[6]。此外，大量的硫酸銨和氨逃逸直接降低了硫酸銨產(chǎn)量，影響脫硫效果及經(jīng)濟效益[7-8]，同時也制約了煙氣氨法脫硫技術(shù)的推廣應(yīng)用。

目前對于氨法脫硫工藝實際應(yīng)用過程中氨逃逸情況研究開展較少，宋桂東[9]、丁紅蕾等[10]通過實驗室模擬實驗，研究了吸收液的pH值、濃度、液氣比和進口煙氣溫度等因素與氨逃逸量的相關(guān)性，提出了抑制氨逃逸的方法。Yang等提出了在氨水中加入富里酸的方法可以有效抑制氨逃逸[11]。但對于氨法脫硫設(shè)施實際應(yīng)用過程中氨逃逸的真實情況研究報道較少，對于氨逃逸情況缺少定量評價。因此，開展煙氣氨法脫硫工藝在實際生產(chǎn)過程中的氨逃逸情況監(jiān)測與評價有重要的現(xiàn)實意義和學(xué)術(shù)價值。

1 氨法脫硫工藝

氨法脫硫是以氨為脫硫劑，通過氣液兩相之間相互傳質(zhì)傳熱，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)脫除二氧化硫的過程[12]。

主要化學(xué)反應(yīng)過程如下：

SO2+H2O+2NH3=(NH4)2SO3

(1)

(NH4)2SO3+SO2+H2O=2NH4HSO3

(2)

NH4HSO3+NH3=(NH4)2SO3

(3)

(NH4)2SO3+1/2O2=(NH4)2SO4

(4)

2(NH4)2SO3+2NO=2(NH4)2SO4+N2

(5)

氨法脫硫技術(shù)工藝流程一般可以分為煙氣吸收反應(yīng)系統(tǒng)、吸收劑供給系統(tǒng)、硫酸銨分離系統(tǒng)、循環(huán)液循環(huán)系統(tǒng)、工藝水系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)以及電氣系統(tǒng)[13]。本次開展氨逃逸監(jiān)測與評價的企業(yè)自備電廠所使用的氨法脫硫工藝流程見圖1。

圖1 氨法脫硫工藝流程

2 現(xiàn)場監(jiān)測

2.1 監(jiān)測點位

研究對象為某煉化企業(yè)自備電廠兩臺燃煤鍋爐及配套脫硫設(shè)施，編號為1#鍋爐、2#鍋爐，在兩臺鍋爐煙氣脫硫設(shè)施出口各設(shè)置一個監(jiān)測點位。

2.2 監(jiān)測項目、監(jiān)測時間及頻次

HJ 2001—2010《火電廠煙氣脫硫工程技術(shù)規(guī)范 氨法》中的“氨逃逸”指的是氨的逃逸。宋桂東等[9]認(rèn)為氨逃逸實際是指氨氣、亞硫酸銨和硫酸銨3種物質(zhì)的逃逸。王志雅[14]在對氨法脫硫工藝中氨逃逸情況進行分析時認(rèn)為，除氨逃逸外，硫酸銨氣溶膠問題也應(yīng)同時考慮。因此，為了全面監(jiān)測、評價氨逃逸情況，現(xiàn)場設(shè)置氨、硫酸銨、顆粒物和二氧化硫4項監(jiān)測參數(shù)，監(jiān)測項目、監(jiān)測時間及頻次見表1。

表1 監(jiān)測項目、監(jiān)測時間及頻次

2.3 監(jiān)測設(shè)備與方法

現(xiàn)場監(jiān)測使用的儀器設(shè)備主要有3012H動壓平衡顆粒物采樣儀、MRU MGA5 煙氣分析儀、嶗應(yīng)3072型煙氣分析儀。

現(xiàn)場監(jiān)測及分析方法如表2所示，均為國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中規(guī)定的方法。

表2 現(xiàn)場監(jiān)測及分析方法

2.4 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

鍋爐外排煙氣中二氧化硫、顆粒物執(zhí)行GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中二氧化硫<200 mg/m3、顆粒物<30 mg/m3的排放標(biāo)準(zhǔn)；氨執(zhí)行HJ 2001—2010《火電廠煙氣脫硫工程技術(shù)規(guī)范 氨法》中氨<10 mg/m3的排放標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)果與討論

3.1 二氧化硫監(jiān)測結(jié)果分析

煙氣脫硫設(shè)施出口二氧化硫監(jiān)測結(jié)果見表3。

由表3可看出，1#鍋爐外排煙氣中二氧化硫濃度為29.0～41.0 mg/m3，均值34.6 mg/m3，最大值41.0 mg/m3；2#鍋爐煙氣脫硫設(shè)施出口二氧化硫濃度為12.0～82.7 mg/m3，均值26.6 mg/m3，最大值82.7 mg/m3。外排煙氣中二氧化硫濃度均滿足GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中二氧化硫<200 mg/m3的限值要求。監(jiān)測時段內(nèi)，二氧化硫能夠穩(wěn)定達標(biāo)排放。

表3 煙氣脫硫設(shè)施出口二氧化硫監(jiān)測結(jié)果

3.2 氨監(jiān)測結(jié)果分析

煙氣脫硫設(shè)施出口氨監(jiān)測結(jié)果見表4。

表4 煙氣脫硫設(shè)施出口氨監(jiān)測結(jié)果

由表4可看出，1#鍋爐煙氣脫硫設(shè)施出口氨濃度為13.4～185.4 mg/m3，均值110.5 mg/m3，最大值185.4 mg/m3；2#鍋爐煙氣脫硫設(shè)施出口氨濃度為4.7～94.3 mg/m3，均值43.8 mg/m3，最大值94.3 mg/m3。外排煙氣中氨濃度大于HJ 2001—2010《火電廠煙氣脫硫工程技術(shù)規(guī)范 氨法》中氨<10 mg/m3的限值要求，氨逃逸超標(biāo)。雖然同時段二氧化硫排放濃度能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但外排煙氣中的氨濃度較高，超過了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，氨逃逸情況嚴(yán)重。

3.3 硫酸銨監(jiān)測結(jié)果分析

煙氣脫硫設(shè)施出口硫酸銨監(jiān)測結(jié)果見表5。

由表5可看出，1#鍋爐煙氣脫硫設(shè)施出口硫酸銨濃度為134.7～245.2 mg/m3，均值195.9 mg/m3，最大值245.2 mg/m3；2#鍋爐煙氣脫硫設(shè)施出口硫酸銨濃度為186.4～400.5 mg/m3，均值251.0 mg/m3，最大值400.5 mg/m3。

3.4 顆粒物監(jiān)測結(jié)果分析

煙氣脫硫設(shè)施出口顆粒物監(jiān)測結(jié)果見表6。

表5 煙氣脫硫設(shè)施出口硫酸銨監(jiān)測結(jié)果

表6 煙氣脫硫設(shè)施出口顆粒物監(jiān)測結(jié)果

由表6可看出，1#鍋爐煙氣脫硫設(shè)施出口顆粒物濃度為189.0～336.2 mg/m3，均值257.6 mg/m3，最大值336.2 mg/m3；2#鍋爐煙氣脫硫設(shè)施出口顆粒物濃度為273.5～443.1 mg/m3，均值332.0 mg/m3，最大值443.1 mg/m3，顆粒物濃度均超過GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中顆粒物<30 mg/m3的限值要求，超標(biāo)倍數(shù)最高達10倍。

通過對比分析硫酸銨濃度與顆粒物濃度數(shù)據(jù)，得出硫酸銨在顆粒物中所占比例，結(jié)果如表7所示。1#鍋爐煙氣脫硫設(shè)施出口硫酸銨在顆粒物中所占比例超過70%，最高為81.53%；2#鍋爐煙氣脫硫設(shè)施出口硫酸銨在顆粒物中所占比例超過60%，最高為90.37%?？梢?，顆粒物中主要成分是硫酸銨，這也與煙囪周圍有白色晶體飄落、地面有白色晶體分布一致。

表7 硫酸銨在顆粒物中所占比例

為了考察硫酸銨逃逸濃度與顆粒物濃度之間的關(guān)系，取監(jiān)測值的均值進行比較，圖2和圖3分別為1#鍋爐、2#鍋爐煙氣脫硫設(shè)施出口硫酸銨濃度和顆粒物濃度對比。

圖2 1#鍋爐煙氣脫硫設(shè)施出口硫酸銨和顆粒物濃度對比

圖3 2#鍋爐煙氣脫硫設(shè)施出口硫酸銨和顆粒物濃度對比

對比圖2和圖3，可以發(fā)現(xiàn)顆粒物濃度的變化并沒有規(guī)律，但顆粒物濃度的變化趨勢與硫酸銨濃度的變化趨勢非常一致?？梢哉J(rèn)為，硫酸銨是顆粒物中的主要組成部分,顆粒物的濃度隨著硫酸銨的逃逸量變化，而硫酸銨的大量逃逸導(dǎo)致了顆粒物濃度超標(biāo)10倍以上?？梢?，控制顆粒物的超標(biāo)排放，首要任務(wù)是控制硫酸銨的逃逸情況。

4 結(jié) 論

1)1#鍋爐、2#鍋爐煙氣脫硫設(shè)施出口二氧化硫監(jiān)測結(jié)果分別為29.0～41.0 mg/m3和12.0～82.7 mg/m3，外排煙氣中二氧化硫濃度遠低于GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中二氧化硫<200 mg/m3的限值要求，脫硫效果較好。

2)1#鍋爐、2#鍋爐煙氣脫硫設(shè)施出口氨監(jiān)測結(jié)果分別為13.4～185.4 mg/m3和4.7～94.3 mg/m3，外排煙氣中氨濃度超過HJ 2001—2010《火電廠煙氣脫硫工程技術(shù)規(guī)范 氨法》中氨<10 mg/m3的限值要求，氨逃逸情況嚴(yán)重。

3)1#鍋爐、2#鍋爐煙氣脫硫設(shè)施出口外排煙氣中顆粒物監(jiān)測結(jié)果分別為189.0～336.2 mg/m3和273.5～443.1 mg/m3，外排煙氣中顆粒物濃度遠超過GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中顆粒物<30 mg/m3的標(biāo)準(zhǔn)要求，硫酸銨的大量逃逸導(dǎo)致了顆粒物濃度超標(biāo)10倍以上。

4)1#鍋爐、2#鍋爐煙氣脫硫設(shè)施出口外排煙氣顆粒物中硫酸銨濃度分別為134.7～245.2 mg/m3和186.4～400.5 mg/m3；1#鍋爐煙氣脫硫設(shè)施出口硫酸銨在顆粒物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過70%，最高為81.53%；2#鍋爐煙氣脫硫設(shè)施出口硫酸銨在顆粒物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過60%，最高為90.37%，顆粒物中主要成分是硫酸銨。