高 磊，折鵬飛，劉 忠，吳振山

(1.內(nèi)蒙古伊泰煤制油有限責(zé)任公司 內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300；2.合肥中科聚能工程科技有限公司 安徽合肥 230601)

1 項(xiàng)目背景

某企業(yè)(以下簡稱建設(shè)方)在2010年新建3臺140 t/h的燃煤鍋爐。鑒于設(shè)計煤種中硫含量高的特征，采用可資源化的氨法脫硫技術(shù)，設(shè)計年副產(chǎn)硫酸銨67 kt，硫酸銨作為農(nóng)用化肥直接出售。方案中3臺燃煤鍋爐共用1套煙氣脫硫裝置，脫硫島內(nèi)設(shè)置濃縮塔、吸收塔等SO2吸收設(shè)備，脫硫漿液經(jīng)過氧化中和、液固分離、離心分離、烘干、包裝，可實(shí)現(xiàn)對硫資源的回收。

在工程建設(shè)中，建設(shè)方曾先后委托多家企業(yè)對該項(xiàng)目實(shí)施工程建設(shè)、工藝系統(tǒng)升級改造，截至2014年4月23日，脫硫塔煙囪“拖尾”現(xiàn)象持續(xù)存在，SO2排放質(zhì)量濃度為150～280 mg/m3(標(biāo)態(tài))，高于地方標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的SO2允許排放質(zhì)量濃度100 mg/m3(標(biāo)態(tài))[1]，建設(shè)方的環(huán)保壓力大。筆者受邀至建設(shè)方項(xiàng)目現(xiàn)場對煙氣脫硫系統(tǒng)進(jìn)行技改指導(dǎo)，煙氣SO2的排放達(dá)到了超低標(biāo)準(zhǔn)，為建設(shè)方解決了存在的環(huán)保問題，并帶來了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

2 脫硫機(jī)理

2.1 反應(yīng)原理

相對于石灰石-石膏法脫硫，氨法煙氣脫硫過程機(jī)理更復(fù)雜，已有文獻(xiàn)[2-6]對氨法脫硫工藝機(jī)理的闡述多與工程脫節(jié)?；诠I(yè)化的氨法脫硫工藝機(jī)理研究分析后認(rèn)為，在正常脫硫期間主脫硫劑為亞硫酸銨，而非相關(guān)文獻(xiàn)中報道的NH3(g)或NH3·H2O(aq)，脫硫過程貫穿濃縮塔、吸收塔及氧化槽，脫硫機(jī)理主要涉及式(1)～(9)等化學(xué)反應(yīng)過程，物化過程機(jī)理見式(1)～(10)。其中吸收塔是吸收SO2的主要場所，式(1)、(3)、(7)等主要發(fā)生在吸收塔內(nèi)；式(4)、(5)、(8)、(9)、(10)等主要發(fā)生在濃縮塔內(nèi)；式(2)、(6)在濃縮塔和氧化槽中的反應(yīng)程度基本相當(dāng)。

2NH4HSO3(aq)+O2(g)→2NH4HSO4(aq)

(1)

2(NH4)2SO3(aq)+O2(g)→2(NH4)2SO4(aq)

(2)

NH3(g)+H2O(l)→NH3·H2O(aq)

(3)

NH3·H2O(aq)+NH4HSO3(aq)→(NH4)2SO3(aq)+H2O(l)

(4)

NH3·H2O(aq)+NH4HSO4(aq)→(NH4)2SO4(aq)+H2O(l)

(5)

(NH4)2SO4(aq)(NH4)2SO4(s)

(6)

(NH4)2SO3(aq)+SO2(g)+H2O(l)→2NH4HSO3(aq)

(7)

2NH3(g)+SO2(g)+H2O(g)→(NH4)2SO3(s)

(8)

(NH4)2SO3(s)→(NH4)2SO3(aq)

(9)

H2O(l)→H2O(g)

(10)

2.2 過程熱效應(yīng)

根據(jù)文獻(xiàn)[7]計算、整理得出氨法脫硫工藝中主要化學(xué)反應(yīng)或物相轉(zhuǎn)化過程的熱效應(yīng)數(shù)據(jù)，見表1。

表1 氨法脫硫工藝中主要化學(xué)反應(yīng)或物相轉(zhuǎn)化過程的熱效應(yīng)數(shù)據(jù)匯總表 kJ/mol

由表1可知，氨法脫硫中涉及的主要化學(xué)反應(yīng)均為放熱反應(yīng)，系統(tǒng)熱平衡主要通過水的汽化實(shí)現(xiàn)，沖洗水用量及氨水濃度是維持系統(tǒng)液相平衡的關(guān)鍵。

3 脫硫工藝

3.1 工藝流程描述

鍋爐煙氣氨法脫硫主工藝流程見圖1。

1.濃縮塔 2.濃縮泵 3.吸收塔 4.吸收循環(huán)泵 5.水洗循環(huán)槽 6.水洗循環(huán)泵 7.漿液泵 8.氧化槽 9.硫酸銨泵 21.母液 22.氨水 23.待脫硫煙氣 24.氧化風(fēng) 25.硫酸銨漿液 26.沖洗水圖1 鍋爐煙氣氨法脫硫主工藝流程

鍋爐煙氣經(jīng)預(yù)處理后進(jìn)入脫硫系統(tǒng)煙道，在引風(fēng)機(jī)的作用下與來自濃縮泵的硫酸銨漿液混合后在文氏管內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈的物質(zhì)遷移和熱量轉(zhuǎn)移，然后氣流進(jìn)入濃縮塔被來自于另一臺濃縮泵逆流噴淋的硫酸銨漿液進(jìn)一步吸收，隨后進(jìn)入吸收塔。在吸收塔內(nèi)，煙氣中的SO2被堿性吸收劑充分吸收，完成SO2的脫除，脫除SO2的煙氣再經(jīng)水洗除霧后從塔頂煙囪排入大氣。吸收塔內(nèi)設(shè)置3層噴淋吸收層和1層水洗吸收層(水洗吸收層為改造后新增)，水洗吸收層位于噴淋吸收層的正上部；噴淋吸收層的吸收漿液分別來自3臺吸收循環(huán)泵，并通過外加氨水或經(jīng)離心機(jī)分離后的硫酸銨母液、沖洗水等，調(diào)節(jié)吸收塔底部的漿液酸堿度、漿液濃度、漿液含固量等參數(shù)；吸收飽和的漿液通過溢流管轉(zhuǎn)移至濃縮塔。

在濃縮塔內(nèi)，漿液被待處理煙氣冷卻，漿液中水分汽化，水蒸氣隨待處理煙氣經(jīng)吸收塔擴(kuò)散至外部大氣。同時，位于濃縮塔底部的氧化風(fēng)在漿液中鼓泡并將S4+氧化成S6+，再用氨水調(diào)節(jié)漿液pH至5.6～6.5，待漿液含固質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10%～15%時，由漿液泵轉(zhuǎn)移至氧化槽。

在氧化槽內(nèi)，漿液經(jīng)氧化風(fēng)和氨水的共同作用生成硫酸銨熟料，硫酸銨熟料由硫酸銨泵送至離心機(jī)分離出濕硫酸銨和硫酸銨母液。濕硫酸銨送至干燥包裝系統(tǒng)制得目標(biāo)產(chǎn)品硫酸銨，母液返回吸收塔重復(fù)利用。

3.2 系統(tǒng)配置

氨法脫硫系統(tǒng)中的固液分離、濕料干燥、產(chǎn)品包裝及氨水制備等環(huán)節(jié)均為常規(guī)單元操作，技術(shù)成熟度高，各企業(yè)采用的技術(shù)大同小異，但核心的吸收反應(yīng)系統(tǒng)差異性較大。本工程中吸收反應(yīng)系統(tǒng)的主要設(shè)備配置見表2。

4 實(shí)施過程

4.1 改造方案

鑒于現(xiàn)有設(shè)備及尾氣排放情況，對吸收塔進(jìn)行改造，具體方案如下。

(1)從吸收塔的24 m處水平切斷，植入直徑8.0 m、高6.8 m的碳鋼筒體，原24 m以上塔體段隨之抬高6.8 m。植入的碳鋼筒體采用玻璃鱗片防腐，內(nèi)部設(shè)置集液盤、填料、噴淋層等組件，并增設(shè)水洗循環(huán)槽、水洗循環(huán)泵等工藝設(shè)備。改造后的吸收塔被分割成吸收段和水洗段，吸收段采用原設(shè)計參數(shù)，水洗段利用水洗循環(huán)泵和除霧器沖洗水的噴淋，完成對逃逸氨、逃逸硫酸銨液滴、硫酸銨粉塵等可溶性鹽的二次吸收。

表2 吸收反應(yīng)系統(tǒng)的主要設(shè)備配置

(2)沿塔體周邊增加16根200#槽鋼，材質(zhì)為Q235-B，螺栓連接固定在原塔體環(huán)形鋼板上。

(3)將吸收塔補(bǔ)氨管線調(diào)整至第3級吸收循環(huán)泵進(jìn)口，將濃縮塔補(bǔ)氨管線調(diào)整至濃縮泵進(jìn)口，工藝調(diào)整點(diǎn)見圖1(b)中2(濃縮泵)入口處22(氨水)。

(4)將出氧化槽的氧化風(fēng)從濃縮塔噴淋段調(diào)整至原煙氣管道進(jìn)濃縮塔前3 m位置的正上方，工藝調(diào)整點(diǎn)見圖1(b)中8(氧化槽)頂部的出氣管線。

(5)將濃縮塔的操作液位提高30～50 cm。

4.2 改造效果

(1)環(huán)保成效。改造后煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)上傳數(shù)據(jù)顯示，出脫硫塔尾氣中SO2、粉塵、氨逃逸等參數(shù)較改造前均呈現(xiàn)降低趨勢，現(xiàn)場觀察脫硫塔煙囪“拖尾”現(xiàn)象消失?；谏蟼鞯腃EMS數(shù)據(jù)計算，SO2排放量減少860～1 270 t/a，粉塵排放量減少10～50 t/a，氨排放量減少60～176 t/a。改造前后主要性能參數(shù)對比見表3。

(2)經(jīng)濟(jì)效益。參照地方排污標(biāo)準(zhǔn)[8]，改造后僅以污染物減排量及能耗節(jié)省量的加權(quán)值進(jìn)行理論計算，每年可為建設(shè)方節(jié)省支出391.62～764.34萬元。經(jīng)濟(jì)效益分項(xiàng)匯總見表4。

5 結(jié)語

經(jīng)分析，本項(xiàng)目脫硫塔煙囪出現(xiàn)“拖尾”的主要原因：①建設(shè)方初期選定的設(shè)備供應(yīng)商沒有完全掌握該工藝技術(shù)；②建設(shè)方?jīng)]有委派專業(yè)的技術(shù)負(fù)責(zé)人來主持項(xiàng)目；③首次改造過程中建設(shè)方與施工單位的技術(shù)負(fù)責(zé)人均沒有項(xiàng)目決策權(quán)。筆者結(jié)合多年的從業(yè)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，氨法脫硫工藝是一種理論權(quán)重遠(yuǎn)大于工程業(yè)績的技術(shù)，有些擁有專利產(chǎn)品的供應(yīng)商不一定完全掌握該套工藝及工藝機(jī)理，企業(yè)在遴選供應(yīng)商時，應(yīng)多與專業(yè)技術(shù)人員交流，最好與供應(yīng)商協(xié)商指派特定設(shè)計經(jīng)理負(fù)責(zé)項(xiàng)目的實(shí)施。

表3 改造前后主要性能參數(shù)對比

表4 經(jīng)濟(jì)效益分項(xiàng)匯總