煙氣氨法脫硫技術應用探討

魯博穎

(陜西興化集團有限責任公司，陜西 興平 713100)

我國是以煤炭為主要能源的國家，煤炭產量居世界第一位，而高硫煤的儲量占煤炭總儲量的20%～25%，因此，在日常生產和生活中會排放大量硫化物，且以二氧化硫為主。二氧化硫是酸雨的主要成因，酸雨不但能直接影響植物、建筑物，還可能隨著雨水的沉積下滲到土壤和水源中，從而造成二次污染。因此，在利用煤炭能源時，應盡可能采用低硫煤，同時做好廢氣減排和限排工作。

DB61/941—2014《關中地區重點行業大氣污染物排放限值》要求，煙氣排放應滿足如下要求：煙塵≤20 mg/Nm3、SO2≤50 mg/Nm3。

1 現有的煙氣脫硫技術

煙氣脫硫工藝路線較多，大體分為濕法、干法、半干法，其中濕法占多數。目前，在工業上廣泛應用并占據主導地位的有氨法脫硫、鈣法脫硫及石灰石/石膏法脫硫。

1.1 濕法—氨法脫硫

煙氣與氨水在吸收塔進行氣液反應，脫除煙道氣中的SO2，生成亞硫酸銨。亞硫酸銨溶液被空氣氧化成為硫酸銨，硫酸銨溶液經蒸發濃縮，離心分離得到固體硫酸銨，再經干燥、包裝得到硫酸銨產品。煙氣經分離除霧除塵后直接排放。

(1)氨法脫硫的優點如下：①反應速度快，可在瞬間完成；②吸收劑利用率高，能達到95～97%；③脫硫效率高，能達到95%～99%；④適用范圍廣，操作彈性大。氨法脫硫適合于中、高、低硫煤，且機組負荷在30%～110%之間波動時，脫硫裝置也能正常運行；⑤脫硫劑來源廣泛，氨法脫硫以氨為原料，其形式可以是液氨、氨水和廢氨水，特別是化工廠自有氨源，采用氨法脫硫更是方便；⑥副產品具有商業價值。氨法脫硫的SO2可資源化，可將污染物SO2變為附加值較高的氮肥，可以變廢為寶；⑦無二次污染。該法不產生任何廢水、廢液和廢渣，沒有二次污染。更值得注意的是，氨水對NOx有一定吸收作用，可達20%～30%以上，脫硫脫硝一舉兩得。

(2)氨法脫硫的缺點如下：脫硫劑氨水屬于?；?，對運輸、存儲及使用的操作要求較高，且在脫硫時容易造成氨逃逸。

1.2 干法—鈣法脫硫

爐內噴鈣法脫硫技術，其反應原理如下：

CaCO3=CaO+CO2

S+O2=SO2

CaO+SO2+1/2O2=CaSO4

反應區域溫度為850～950 ℃。以陜西興化集團有限責任公司(以下簡稱興化公司)130t/h流化床熱電鍋爐為例，實際運行中鍋爐負荷為90t/h，耗煤量為150kg/t蒸汽。煤硫含量為0.6%左右時，出口煙氣中SO2含量可控制在10mg/m3以內，脫硫效率可以達到95%以上。但興化公司的脫硫效果是靠加大鈣硫摩爾比來實現的，正常情況下反應所需要的鈣硫摩爾比為2.5∶1，而興化公司鈣硫摩爾比最高達到了4∶1。鈣法脫硫降低了鍋爐的熱效率，并加大了鍋爐爐膛內部沖刷磨損，而且為使反應充分，要求石灰石粒度更精細，這也提高了運行成本，且反應過程中生成的二氧化碳會造成溫室效應。反應產物隨爐灰一起排出，無法二次利用，容易堵塞。

1.3 半干法—石灰石/石膏法脫硫

石灰石/石膏法煙氣脫硫技術采用石灰或石灰石乳濁液吸收煙氣中的SO2，從而生成半水亞硫酸鈣或石膏。其優點是脫硫效率一般大于90%；吸收劑利用率可達90%；設備運轉率可達90%以上。缺點是在吸收SO2反應過程中，置換出CO2，每脫除1t SO2生成0.7t CO2，造成新的污染；吸收劑活性弱，循環泵等選型大、耗電高；成本較高、副產石膏可利用率低，建筑行業摻混不高于5%，產生二次污染；受氯離子濃度影響，需要排放一定量廢水。目前，大約90%電廠采用石灰石-石膏法進行煙氣脫硫。

綜上所述，現將3種方法的優缺點列于表1中，以便于對比。

表1 脫硫技術優缺點一覽表

2 氨法脫硫技術在興化公司的應用

興化公司4×160t/h鍋爐煙氣脫硫采用的是江蘇和億昌公司的氨法脫硫技術——塔外蒸發結晶副產硫酸銨。吸收系統采用漿液循環吸收，塔內強制氧化工藝，4爐合用1套預洗塔及脫硫塔，后系統采用雙效蒸發結晶工藝。裝置主要吸收劑為液氨(20%的氨水)，副產品為硫酸銨。鍋爐煙氣首先經過布袋除塵器除塵后，通過引風機增壓，煙氣進入脫硫系統。煙氣進入預洗滌塔，在預洗滌塔內，煙氣與循環噴淋的硫酸銨漿液進行熱交換，煙氣溫度下降至60℃左右后進入吸收塔。同時，硫酸銨溶液吸熱、蒸發，進而達到濃縮的目的，原煙氣經過預洗滌塔，在吸收塔內與循環漿液逆流充分接觸反應，脫除SO2，脫硫后的凈煙氣經除霧器除霧后，通過脫硫塔塔頂煙囪高空排放。工藝水不斷從塔頂補入，保持系統的水平衡。

該環保工程鍋爐負荷按照4×160t/h、煤硫含量0.55%，煙氣量840 000Nm3/h、脫硫效率>95%、年運行時間8 000h進行設計，硫酸銨后處理工序設計生產能力為1.96t/h(該設計后處理能力偏小，實際生產能力只能達到1.3t/h，更顯不足)，脫硫后排放的凈煙氣φ(SO2)≤50mg/Nm3、粉塵含量≤20 mg/Nm3。鍋爐實際運行情況為3開1備，單臺鍋爐負荷為140t/h左右，耗煤量150kg/t蒸汽，煤硫含量平均值在0.7%～0.8%左右，耗電量在900～1 200kW·h/h之間，用水量在20t/h左右，每小時消耗濃度為20%氨水約2.5～3.0t/h左右，排放φ(SO2)一般能控制在10mg/Nm3以內，可達標排放。

3 氨法脫硫裝置運行注意事項

3.1 氨硫比如何控制

4臺鍋爐滿負荷總煙氣量為840 000Nm3/h，工況煙氣量為1 329 136m3/h(140℃、96.92kPa，原煙氣φ(SO2)1 295mg/Nm3計算，相當于SO2為816kg/h)。脫硫塔本身保證的脫硫效率為95%，因此，脫硫量為775kg/h?？偟陌彼牧繛? 725kg/h(含量以20%計算)。

在吸收段，NH3/SO2的比例需要控制，過高將引起尾氣中的氨逃逸過高，過低則脫硫效率會降低。因此，要控制吸收段的氨加入量，一般將φ(SO2)控制在20～35mg/Nm3之間，若φ(SO2)低于20mg/Nm3，需降低氨的加入量；若φ(SO2)高于30mg/Nm3，需增加氨的加入量。但是僅依據SO2濃度調整加氨量存在滯后性，在實際操作過程中需兼顧吸收塔pH值的變化趨勢，低于5.2時增加氨水投加量，高于6.0時降低氨投加量。同時，pH值的變化對蒸發結晶系統存在影響，過低或過高的pH值均不利于晶體顆粒的長大，在離心分離工序會出現出料困難的問題，經過實際運行比較，發現pH值維持在5.2～6.0之間較為經濟可行。

3.2 氧化風量大小如何選擇

氧化風機鼓風量直接影響亞硫酸銨漿液的氧化效率。正常運行期間，氧化效率需大于98%，才能保證后處理結晶良好，通常采取取樣分析脫硫塔漿池中的液相組成，測定SO42-與HSO3-、SO32-濃度的比值，即為氧化效率，簡稱氧化率，當氧化率>98.5%時，表示氧化效果良好。

興化公司原氧化系統設計采用2臺羅茨風機，1開1備，單臺風量為3 400m3/h。但實際運行時，即使2臺風機同時工作，氧化風量也難以滿足需求，特別是當進口煙氣φ(SO2)長時間大于800mg/m3時更顯不足，主要原因是羅茨風機效率不足。為此，興化公司引進了1臺磁懸浮鼓風機替代羅茨風機，該風機最大風量為7 200 Nm3/h，通常開啟80%的負荷即可滿足實際生產需求。

3.3 影響硫酸銨結晶的因素

首先，氨水中攜帶鐵、鋁、銅、鉛、氯等離子，這些離子會覆蓋硫酸銨晶體表面的活性區域，使晶體生長緩慢、晶核多，晶體體積過小。其中以鐵離子的影響最大。而離心機無法對細小的晶體顆粒進行分離，造成溶液過飽和度升高。所以一定要控制氨水質量。

其次，pH值對結晶的影響。其主要表現在兩個方面:一是對結晶形狀的影響，二是破壞晶體的正常生長條件。在一定條件下，隨著溶液pH值的升高，溶液的介穩區減小，硫酸銨晶形由多面體顆粒變成細長的六角棱柱形，甚至針形。同時，母液黏度增大，硫酸銨分子擴散阻力增加，阻礙晶體的正常生長。當pH值為5.0～6.0時，硫酸銨晶體可生長為較大的圓形晶體。當溶液的pH值突然降低時，溶液中的細小晶體消失，破壞了晶體正常的生長條件。

最后，隨著蒸發結晶系統操作溫度升高、真空度增大，蒸發器的蒸發量則越大，造成溶液過飽和度增加，提高了成核速率，但要注意避免溶液中過早出現大顆晶體結晶，造成管道、泵葉輪堵塞。但是當溫度和真空度較低、蒸發量較少時，溶液過飽和度增加慢，生產效率低。經過實際經驗總結發現，硫酸銨結晶的最佳溫度為72～75℃，故應嚴格控制蒸汽用量、結晶溫度和真空度。

4 氨法脫硫裝置的優化改造

4.1 兩效蒸發結晶改為單效蒸發結晶

原脫硫后處理工藝為兩效串聯蒸發，外加一級水力旋流工藝，若出現故障時，必須停車方可處理，無法滿足連續生產要求。興化公司將原來的兩效蒸發由串聯變為并聯，出現故障時可以切出一路進行檢修，此時裝置仍可以50%負荷運行。改造后，實現了脫硫后處理不停車檢修，保障了環保裝置長期穩定運行，也為全廠生產提供了穩定的動力保障。脫硫后處理兩效串聯蒸發變并聯蒸發工藝管路改造示意見圖1。

4.2 臥螺排污端增設沖洗水

運行中發現臥式螺旋沉降離心機磨損嚴重，興化公司在臥螺后軸易磨損部位增設了循環沖洗水，進行定期沖洗，使設備磨損周期由原來2個月提高到5～7個月，極大地減少了設備磨損及檢修強度，延長了運行周期。正常檢修維護費用8萬/次，改造后每年節約檢修費用約4×8萬=32萬。

4.3 硫銨槽增設壓縮空氣系統

由于硫銨槽頂部攪拌器臂長槳葉大、晃動大、電機損壞頻繁，經常發生物料沉積情況。興化公司在硫銨槽增設壓縮空氣管線，對該設備內硫酸銨介質進行強制擾動，消除了槽內物料沉積現象，保證了后處理的穩定運行。

4.4 廢氨水的利用

脫硫裝置原設計用液氨配制稀氨水，既增加了消耗，也增加了裝置運行，費用較高、經濟性較差。興化公司將化工園區廢氨水引至氨水配制區域直接使用，使液氨耗量從0.5～0.6t/h降低到0.25～0.35 t/h。全年節約液氨消耗量為8 000×0.25t=2 000t，液氨市場價按2 800元/t，年節約吸收劑消耗可達560萬元。

4.5 脫硫塔區側式攪拌器改造

運行中發現6臺側式攪拌器傳動軸使用周期短、易斷裂，嚴重破壞了塔內氧化工藝。興化公司將該設備材質更換為鈦合金，改造后側攪傳動軸的備件更換費用由超10萬元/臺降低到5萬～6萬元/臺，并使設備使用周期由1～2個月提高到6個月以上，全年塔區側攪可降低設備檢修費用約240余萬元。

4.6 漿液管道膨脹節改造

原脫硫裝置漿液管道補償器為內襯氟不銹鋼伸縮膨脹節，但在運行過程中頻繁泄漏，無法保證裝置正常運行，興化公司將其更改為橡膠膨脹節。原內襯氟不銹鋼伸縮膨脹節使用周期為1～2月，備件費用約為0.6萬～0.7萬元/個，改造后橡膠膨脹節的使用周期為6個月以上，備件費用約為0.25萬元/個，脫硫界區內軟連接部位約20余處，改造后大大降低了檢修強度，并可節約檢修資金26萬～30萬元。

4.7 消防水并入工藝水管網

脫硫界區供水設備因腐蝕故障率高，興化公司將消防水并入工藝水管網，保證了生產上的二路供水，避免了因工藝水泵故障造成整套裝置被迫停車的情況。

5 結語

興化公司氨法脫硫裝置按照設計條件可減排二氧化硫超6 700t/h，消耗液氨2 500t/a，實際副產硫酸銨約8 000t/a。

環保裝置的正常、穩定投運與企業的生存息息相關，鍋爐煙氣脫硫裝置作為興化公司環保項目之一，其穩定運行、達標排放為公司環保目標的順利實現奠定了堅實基礎。