超低排放技術(shù)在循環(huán)流化床鍋爐氨法煙氣脫硫中的應(yīng)用

李碧云，蔡遠(yuǎn)飛

(西安航天源動(dòng)力工程有限公司 陜西西安 710100)

0 前言

根據(jù)河北省即將執(zhí)行的《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(征求意見(jiàn)稿)》要求，河北省范圍內(nèi)工業(yè)燃煤鍋爐自2019年11月1日起執(zhí)行超低排放限值，顆粒物、SO2以及NOx限值分別為10 mg/m3、35 mg/m3和50 mg/m3。

河北某企業(yè)動(dòng)力站現(xiàn)有150 t/h循環(huán)流化床鍋爐4臺(tái)及配套調(diào)壓用25 MW可調(diào)抽汽凝汽式汽輪機(jī)組1臺(tái)，為使現(xiàn)有4臺(tái)燃煤鍋爐煙氣排放指標(biāo)滿足環(huán)保要求，該企業(yè)采用某環(huán)保公司濃度分區(qū)單塔多循環(huán)的新型氨法煙氣脫硫工藝對(duì)原空塔噴淋脫硫裝置進(jìn)行技術(shù)改造，改造后系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，鍋爐煙氣排放指標(biāo)滿足超低排放要求。

1 鍋爐基本情況

該企業(yè)4臺(tái)150 t/h循環(huán)流化床鍋爐采用3開(kāi)1備的運(yùn)行方式，正常情況下單臺(tái)鍋爐運(yùn)行負(fù)荷為100～115 t/h；使用長(zhǎng)協(xié)燃煤正常工況下煙氣中SO2質(zhì)量濃度約為1 500 mg/m3(標(biāo)態(tài))，滿負(fù)荷工況下SO2質(zhì)量濃度約為2 000 mg/m3(標(biāo)態(tài))；每臺(tái)鍋爐設(shè)有布袋除塵器1套，每套除塵器后配有2臺(tái)引風(fēng)機(jī)，引風(fēng)機(jī)余壓3 000 Pa。鍋爐基本參數(shù)以及改造后的煙氣排放指標(biāo)如表1所示。

表1 鍋爐基本參數(shù)以及改造后的煙氣排放指標(biāo)

項(xiàng)目參數(shù)鍋爐型號(hào)CG-150/9.81-MX鍋爐額定蒸發(fā)量/(t·h-1)150鍋爐滿負(fù)荷出口煙氣量/(m3·h-1)175 000鍋爐出口煙氣 溫度/℃120 w(SO2)/(mg·m-3,標(biāo)態(tài))2 000布袋除塵器出口煙氣 w(微塵)/(mg·m-3,標(biāo)態(tài))38脫硫塔出口煙氣1) w(SO2)/(mg·m-3,標(biāo)態(tài))≤35 w(微塵)/(mg·m-3,標(biāo)態(tài))≤10 w(霧滴)/(mg·m-3,標(biāo)態(tài))≤10 w(逃逸氨)/(mg·m-3,標(biāo)態(tài))≤3注:1)干基,φ(O2)為6%[1]

2 系統(tǒng)工藝流程

4×150 t/h循環(huán)流化床鍋爐煙氣脫硫裝置采用四爐雙塔塔內(nèi)飽和結(jié)晶工藝，每座塔按照3臺(tái)鍋爐滿負(fù)荷工況下的煙氣量(525 000 m3/h，標(biāo)態(tài))進(jìn)行設(shè)計(jì)。在正常情況下，2套脫硫裝置互為備用，設(shè)置1套硫酸銨后處理系統(tǒng)，2座脫硫塔共用，脫硫后煙氣由塔頂直排煙囪排放。脫硫裝置不設(shè)煙氣旁路和煙氣-煙氣再熱器。脫硫裝置工藝流程如圖1所示[2]。

來(lái)自鍋爐引風(fēng)機(jī)出口的煙氣經(jīng)匯總煙道后，通過(guò)原煙氣擋板門(mén)進(jìn)入脫硫塔。在脫硫塔濃縮段，高溫?zé)煔馀c來(lái)自脫硫塔底部的吸收液逆向接觸，利用煙氣的余熱對(duì)漿液進(jìn)行蒸發(fā)濃縮，同時(shí)將煙氣溫度降至60 ℃左右；在脫硫塔吸收段55～65 ℃最佳吸收溫度區(qū)間內(nèi)，煙氣中的SO2與來(lái)自氧化循環(huán)槽pH為5.5～6.5的吸收液充分接觸反應(yīng)，通過(guò)選擇合理的液氣比可使煙氣中的SO2得到完全反應(yīng)，同時(shí)煙氣溫度降至53～58 ℃；在脫硫塔水洗段，煙氣與來(lái)自水洗槽中的水洗液充分接觸，逃逸氨、SO2、SO3、微塵、硫酸銨等構(gòu)成氣溶膠的主要成分得到有效脫除，同時(shí)煙氣溫度降至55 ℃以下。

圖1 脫硫裝置工藝流程

煙氣經(jīng)3段噴淋得到充分洗滌凈化后進(jìn)入除霧段。除霧段由2層屋脊式除霧器和2級(jí)超級(jí)除霧器組成，使煙氣中夾帶的液滴得到有效捕集。穿過(guò)除霧段后，煙氣含水量大幅降低，煙氣“拖尾”現(xiàn)象得到明顯改善。最終，洗滌凈化后的煙氣經(jīng)塔頂直排煙囪排入大氣。

氧化風(fēng)機(jī)分別向脫硫塔塔底漿液池和氧化循環(huán)槽注入足量的氧化空氣，使得亞硫酸銨得到充分氧化，大大降低了亞硫酸銨分解和氣溶膠產(chǎn)生的可能性。

脫硫塔塔底漿液不斷循環(huán)增濃，待漿液濃度達(dá)到設(shè)定值(飽和結(jié)晶一般設(shè)定密度為1.2 kg/m3)后，由漿液排出泵將硫酸銨漿液送至硫酸銨后處理系統(tǒng)生產(chǎn)硫酸銨肥料。經(jīng)核算，硫酸銨后處理系統(tǒng)滿足脫硫裝置改造后的處理要求，本次改造不進(jìn)行調(diào)整。

3 主要設(shè)備選型

根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，超低排放裝置脫硫塔內(nèi)的煙氣流速一般取2.2～2.4 m/s，濃縮段以及水洗段的液氣比取1.1～2.0 L/m3(標(biāo)態(tài))，吸收段的液氣比取4.0～6.0 L/m3(標(biāo)態(tài))，具體取值可根據(jù)煙氣參數(shù)適當(dāng)調(diào)整。根據(jù)該企業(yè)煙氣參數(shù)，經(jīng)計(jì)算，單套脫硫裝置主要設(shè)備選型(不含備用)如表2所示。

表2 單套脫硫裝置主要設(shè)備選型

設(shè)備名稱規(guī)格、數(shù)量脫硫塔Ф 10 000 mm×45 000 mm,1座氧化循環(huán)槽Ф 9 000 mm×10 000 mm,1臺(tái)水洗槽Ф 5 000 mm×6 000 mm,1臺(tái)濃縮循環(huán)泵Q=800 m3/h,H=20 m,1臺(tái)脫硫循環(huán)泵Q=800 m3/h,H=25/27/30 m,3臺(tái)水洗泵Q=800 m3/h,H=45 m,1臺(tái)氧化風(fēng)機(jī)Q=60 m3/min,H=85 kPa,1臺(tái)

4 改造后系統(tǒng)運(yùn)行情況

2018年4月，4×150 t/h循環(huán)流化床鍋爐煙氣脫硫裝置正式投入168 h試運(yùn)行。試運(yùn)行期間，系統(tǒng)主要設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，主要技術(shù)數(shù)據(jù)：脫硫塔塔底漿液pH維持在5.3～6.7，氧化循環(huán)槽漿液pH維持在5.5～6.5，水洗槽內(nèi)硫酸銨漿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)維持在1%以下，排煙溫度在52.6～54.1 ℃。試運(yùn)行期間，各塔、槽、罐液位均能得到有效控制，168 h累計(jì)生產(chǎn)硫酸銨24 t，產(chǎn)出的硫酸銨無(wú)明顯機(jī)械雜質(zhì)，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《硫酸銨》(GB 535— 1995)中合格品的要求。脫硫系統(tǒng)改造前后主要運(yùn)行參數(shù)對(duì)比如表3所示。

表3 脫硫系統(tǒng)改造前后主要運(yùn)行參數(shù)對(duì)比

項(xiàng)目改造前改造后處理煙氣量/(m3·h-1)365 000365 000塔入口w(SO2)/(mg·m-3,標(biāo)態(tài))1 3801 380塔出口w(SO2)/(mg·m-3,標(biāo)態(tài))875～8塔出口w(微塵)/(mg·m-3,標(biāo)態(tài))351～5塔出口w(霧滴)/(mg·m-3,標(biāo)態(tài))706～7塔出口w(逃逸氨)/(mg·m-3,標(biāo)態(tài))10.00.5～1.0脫硫效率/%93.0>99.5

5 設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)

(1)采用塔、槽結(jié)合布置，有效降低了工程造價(jià)。在以往的氨法脫硫工藝設(shè)計(jì)中，為了延長(zhǎng)煙氣停留時(shí)間、提高吸收效率，往往采用高度較高的單塔或者雙塔工藝，而這無(wú)疑增加了工程造價(jià)。本系統(tǒng)采用單塔分區(qū)多循環(huán)技術(shù)，采取塔外布置氧化循環(huán)槽和水洗槽結(jié)合的方式，配合使用低阻高效升氣帽，保證煙氣在滿足設(shè)計(jì)流速和充足反應(yīng)時(shí)間的前提下降低了塔體高度和機(jī)泵揚(yáng)程，從而大幅降低了項(xiàng)目建筑安裝成本和設(shè)備采購(gòu)成本。

(2)優(yōu)化設(shè)備選型，降低工程全壽命期成本。液氣比是影響脫硫效率的重要因素之一，在一定范圍內(nèi)液氣比越大，氣液之間的接觸面積越大，傳質(zhì)比表面積越大，脫硫效率越高；但是過(guò)大的液氣比會(huì)使得脫硫循環(huán)泵流量增大，導(dǎo)致脫硫裝置的運(yùn)行成本增加。針對(duì)該企業(yè)鍋爐正常運(yùn)行負(fù)荷維持在額定負(fù)荷80%的實(shí)際情況，在脫硫循環(huán)泵改造選型時(shí)，第1級(jí)和第2級(jí)脫硫循環(huán)泵流量滿足鍋爐90%額定負(fù)荷時(shí)的脫硫要求，第3級(jí)脫硫循環(huán)泵可根據(jù)燃煤含硫量和脫硫塔出口SO2排放情況啟停備用，既可保證煙氣達(dá)標(biāo)排放，又能降低脫硫系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行能耗。

(3)合理設(shè)置加氨方式，提高氨逃逸的可控性。在氨法脫硫的吸收過(guò)程中，保持較高的pH對(duì)提高脫硫效率有利，但同時(shí)會(huì)增加系統(tǒng)氨的逃逸率。本系統(tǒng)在工藝設(shè)計(jì)中通過(guò)優(yōu)化加氨方式、增加水洗段和高效除霧器等方式來(lái)解決脫硫效率與氨逃逸之間的矛盾。將氨水噴霧器設(shè)置在氧化循環(huán)槽底部，氨水從氧化循環(huán)槽的液面下霧化加入，再通過(guò)脫硫循環(huán)泵輸送至吸收段，使得氨水能夠充分溶入吸收液中；逃逸的氨通過(guò)水洗段和除霧段進(jìn)行再吸收，使吸收液具有較高SO2吸收能力的同時(shí)又最大限度減少了氣溶膠的產(chǎn)生和氨的逃逸。

(4)集水坑泵采用氣動(dòng)隔膜泵，提高系統(tǒng)運(yùn)行安全性。氨法脫硫系統(tǒng)集水坑內(nèi)介質(zhì)成分較為復(fù)雜，事故狀態(tài)下，可能在短時(shí)間內(nèi)氨水濃度上升較快，從安全性上講屬于脫硫裝置中僅次于氨水罐區(qū)的危險(xiǎn)區(qū)域。該裝置原集水坑泵采用自吸式離心泵(防爆電機(jī))+虹吸罐形式，存在啟動(dòng)流程復(fù)雜、流量不易控制、操作彈性小、安全防爆系數(shù)低等缺陷，而且根據(jù)操作人員反饋，虹吸罐真空度調(diào)節(jié)困難、操作難度大，曾發(fā)生爆罐事故。本次改造時(shí)，將集水坑泵更換為氣動(dòng)隔膜泵。氣動(dòng)隔膜泵是一種以壓縮空氣為動(dòng)力，具有使用過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生電火花、使用時(shí)無(wú)熱量產(chǎn)生、操作簡(jiǎn)單、操作彈性大等優(yōu)點(diǎn)，且其采用廠區(qū)富余的壓縮空氣作為動(dòng)力，在提高系統(tǒng)安全性的同時(shí)降低了運(yùn)行成本。

(5)優(yōu)化除霧方式，極大降低凈煙氣霧滴含量。近年來(lái)，為了達(dá)到超低排放要求，煙氣脫硫+濕式電除塵的工藝路線得到青睞，但濕式電除塵存在造價(jià)高、電耗高、占用空間大、可靠性差等缺陷，而單獨(dú)使用機(jī)械除霧器理論上僅能使煙氣通過(guò)除霧器后的霧滴質(zhì)量濃度在1個(gè)沖洗周期內(nèi)的平均值<75 mg/m3(標(biāo)態(tài))。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初通過(guò)脫硫塔內(nèi)流場(chǎng)模擬，在優(yōu)化噴淋層布置的同時(shí)，采用2段屋脊式除霧器+2層超級(jí)除霧器的除霧方式，在降低工程造價(jià)的同時(shí)，通過(guò)2段除霧器的梯級(jí)除霧，極大降低了脫硫后凈煙氣的霧滴含量及微塵含量，可保證脫硫塔出口煙氣霧滴質(zhì)量濃度<10 mg/m3(標(biāo)態(tài))。

(6)改進(jìn)液位測(cè)量方式，提高液位測(cè)量的準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)的脫硫塔液位測(cè)量均采用壓力變送器，利用P=ρ·g·h(DCS控制系統(tǒng)一般取ρ=1.1 kg/m3)轉(zhuǎn)換后計(jì)算脫硫塔的液位。在脫硫塔實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，塔底漿液的密度是動(dòng)態(tài)變化的，且漿液處于不均勻的懸浮狀態(tài)，預(yù)先設(shè)置漿液密度無(wú)法準(zhǔn)確反映出脫硫塔內(nèi)漿液密度的動(dòng)態(tài)變化情況。此外，采用設(shè)定的密度值計(jì)算塔底液位，極易造成塔內(nèi)液位失準(zhǔn)，而液位失準(zhǔn)可能導(dǎo)致脫硫塔溢流(液位過(guò)高)或者循環(huán)泵空轉(zhuǎn)(液位過(guò)低)，情況嚴(yán)重時(shí)則可能導(dǎo)致環(huán)保事故。在本次改造過(guò)程中，在脫硫塔液位測(cè)量設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)在脫硫塔的有效液位區(qū)域上、中、下3個(gè)部位分別設(shè)置3只壓力變送器，DCS控制系統(tǒng)分別計(jì)算出3個(gè)ΔP，由于3只液位計(jì)之間的ΔH是準(zhǔn)確已知的，便可以得出一個(gè)較為準(zhǔn)確的塔底漿液實(shí)時(shí)密度值ρ*，再通過(guò)H=P/(ρ*·g)計(jì)算出3個(gè)液位高度，補(bǔ)償測(cè)點(diǎn)高度后即可得出較為可靠的液位值。

(7)優(yōu)先采用廠區(qū)廢氨水作為脫硫吸收劑，降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本。該企業(yè)原脫硫系統(tǒng)采用外購(gòu)質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的氨水作為脫硫吸收劑，本次改造時(shí)，充分考慮該企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的廢氨水亟待消化，因此引入這部分廢氨水作為脫硫吸收劑，不足部分通過(guò)外購(gòu)氨水補(bǔ)充。該設(shè)計(jì)不僅可以實(shí)現(xiàn)廢氨水的資源化、減量化和再利用，達(dá)到以廢治廢的效果，而且減輕了車間污水處理裝置的生產(chǎn)壓力并降低了脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。

6 結(jié)語(yǔ)

4×150 t/h循環(huán)流化床鍋爐脫硫裝置超低排放改造完成后，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，凈煙氣排放指標(biāo)滿足國(guó)家和地區(qū)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求，各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求，消耗和產(chǎn)出指標(biāo)較優(yōu)，符合清潔生產(chǎn)的要求，有效降低了生產(chǎn)成本，達(dá)到了資源再利用的目的，提高了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。