降低氨法脫硫氣溶膠的研究

楊備戰(zhàn)

（神華榆林能源化工有限公司，陜西榆林 719302）

1 氨法脫硫運(yùn)行現(xiàn)狀

1.1 鍋爐概況

某公司現(xiàn)用3臺(tái)鍋爐為四川川鍋鍋爐有限責(zé)任公司生產(chǎn)的高溫、高壓循環(huán)流化床鍋爐，該鍋爐采用單鍋筒橫置式自然循環(huán)、“水冷旋風(fēng)分離器”、膜式壁爐膛前吊后支、全鋼架Π型結(jié)構(gòu)，室外布置。正常生產(chǎn)時(shí)，三臺(tái)鍋爐2開1備。單臺(tái)鍋爐主要工藝參數(shù)如下：

鍋爐型號(hào)：CG180-9.80/540-MX 180t/h

額定蒸發(fā)量：180t/h（單臺(tái)）

額定蒸汽壓力：9.81MPa

額定蒸汽溫度：540℃

額定蒸發(fā)量下的耗煤量：25t/h

給水溫度：210℃

空預(yù)器進(jìn)風(fēng)溫度：20℃

排煙溫度：134℃

鍋爐負(fù)荷性質(zhì)：帶基本負(fù)荷并可調(diào)峰

1.2 脫硫裝置現(xiàn)有工藝

每臺(tái)爐配套煙氣氨法脫硫裝置，來(lái)自鍋爐引風(fēng)機(jī)的煙氣進(jìn)入吸收塔，在吸收塔內(nèi)經(jīng)過(guò)三層漿液噴淋層，煙氣溫度從120℃降溫到55℃，被漿液洗滌吸收SO2后，通過(guò)兩層屋脊式除霧器分離霧滴，最后干凈的煙氣排出塔外，進(jìn)入?yún)R總煙道送到180m高混凝土煙囪。20%濃度的氨水在最下面兩段噴淋漿液泵入口管道加入，控制漿液pH在5.5左右。

來(lái)自硫回收裝置焚燒爐的尾氣并入脫硫塔入口煙道，在脫硫塔內(nèi)一同被處理。

在每層除霧器的前后分別布置了清洗噴嘴，清洗噴淋水將帶走除霧器順流面和逆流面上的固體顆粒，防止除霧器結(jié)垢，同時(shí)補(bǔ)充原煙氣增濕帶走的水分，以維持液池的液位。

經(jīng)脫硫吸收后的漿液落入塔底的持液槽中，通過(guò)吸收塔循環(huán)泵將持液槽中的漿液送至塔上部的噴嘴層再噴淋脫硫。噴嘴采用碳化硅同心螺旋型霧化噴嘴。液-氣比維持在2.5L/m3左右。

在吸收塔底部布置有氧化曝氣器，將來(lái)自氧化風(fēng)機(jī)的大量氧化空氣細(xì)化成為比表面積極大的氣泡，對(duì)循環(huán)液中的亞硫酸銨進(jìn)行強(qiáng)制氧化，生成硫酸銨。

根據(jù)溶液中硫酸銨的濃度，達(dá)到一定值（約35%）后通過(guò)取出液泵排入濃縮進(jìn)料槽。為防止固體沉降，吸收塔漿液池底部安裝脈沖懸浮攪拌裝置。

單臺(tái)吸收塔的煙氣處理量設(shè)計(jì)值為 257 159m3（標(biāo)）/h，正常生產(chǎn)兩臺(tái)鍋爐運(yùn)行，兩用一備。在設(shè)計(jì)工況下，脫硫塔入口煙氣SO2小于2 000mg/m3，保證煙氣出口SO2小于50mg/m3。

1.3 脫硫裝置存在問(wèn)題

目前脫硫塔入口煙氣SO2在900mg/m3左右，塵含量在25mg/m3，脫硫塔出口煙氣SO2在20～35mg/m3，滿足脫硫超低排放要求，但脫硫塔出口煙氣氣溶膠含量在300～450mg/m3。經(jīng)過(guò)分析，脫硫系統(tǒng)存在以下問(wèn)題：

正常生產(chǎn)情況下鍋爐運(yùn)行負(fù)荷在75%，由于鍋爐尾部煙道漏風(fēng)嚴(yán)重，進(jìn)入脫硫塔的煙氣氧含量平均在9%左右，脫硫塔煙氣量達(dá)到34萬(wàn)m3/h，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值，從而導(dǎo)致空塔氣速也比2.9m/s設(shè)計(jì)值高，達(dá)到了4m/s，由此帶來(lái)的問(wèn)題是煙氣漿液攜帶量增大，尤其是小于15μm的漿液顆粒，直接通過(guò)除霧器帶到煙囪而排空。

脫硫塔設(shè)3層噴淋，2層除霧器，塔內(nèi)不分區(qū)，三段吸收液均來(lái)自塔底持液槽經(jīng)過(guò)氧化后的濃漿液，經(jīng)檢測(cè)，漿液亞硫酸鹽不存在，只有硫酸鹽，吸收能力僅僅依賴補(bǔ)充的游離氨提供。從而需要更大的噴淋量來(lái)滿足吸收需求。上端噴淋漿液中吸收產(chǎn)生的亞硫酸（氫）銨與入口高溫?zé)煔饨佑|后分解，產(chǎn)生的SO2及NH3進(jìn)入氣相中，加劇了上段噴淋層吸收負(fù)荷，造成部分SO2及NH3逃逸，在煙道中形成氣溶膠（10μm以下的亞硫酸氫銨細(xì)微顆粒）的排放。

正常生產(chǎn)狀態(tài)下，鍋爐煙囪排煙因?yàn)闅馊苣z濃度很高，拖尾特別嚴(yán)重，尤其是在低溫天氣條件下較為明顯，需要研究解決。

2 降低凈煙氣氣溶膠的措施

2.1 降低氣溶膠常規(guī)工藝路線分析

氣溶膠是液體或固體的小質(zhì)點(diǎn)分散并懸浮天空大氣中形成的膠體分散體系。氨法脫硫形成的氣溶膠組分為亞硫酸氫銨、硫酸銨[2]。從外觀看，氨法脫硫中的氨逃逸、氣溶膠，造成了鍋爐煙囪的“氣拖尾”現(xiàn)象，氣溶膠顆粒的形成主要有兩種途徑：

（1）氣態(tài)NH3從煙氣夾帶的脫硫液中揮發(fā)，與煙氣中未脫除的SO2通過(guò)氣相反應(yīng)，生成亞硫酸氫銨、硫酸銨等[3]。

（2）吸收SO2后的脫硫液滴被煙氣攜帶出，由于蒸發(fā)、煙氣氣體流速過(guò)快等作用，析出亞硫酸氫銨、硫酸銨等固體顆粒。

在工業(yè)實(shí)際運(yùn)行中，影響煙氣氣溶膠的主要因素包括：

（1）煙氣中SO2濃度與NH3濃度。SO2與NH3濃度越高越易反應(yīng)生成亞硫酸氫銨、硫酸銨顆粒。

（2）空塔氣速。氣速過(guò)高易造成氣體帶液形成氨逃逸。

（3）吸收段煙氣溫度。溫度大于70℃時(shí)脫硫液中的亞硫酸氫銨分解為NH3與SO2，同時(shí)在堿性環(huán)境中亞硫酸氫銨會(huì)加速分解。

（4）排出凈煙氣溫度。當(dāng)溫度＜30℃時(shí)極易生成0.07-0.7μm的亞硫酸銨，溫度大于45℃時(shí)，可以有效地控制氣溶膠的產(chǎn)生。所以氨法脫硫工藝要求排煙溫度要控制在45～50℃進(jìn)行操作。

（5）脫硫液pH。脫硫凈煙氣中氣溶膠濃度隨脫硫液 pH升高而增大，特別是當(dāng)pH高于6.5時(shí)尤為顯著。脫硫液 pH較高時(shí)，易揮發(fā)逸出NH3。

（6）脫硫液濃度。脫硫劑濃度較高的脫硫液滴易蒸發(fā)析出氣溶膠微粒，且易造成逸出NH3，一般控制在4%。

（7）脫硫液溫度。脫硫凈煙氣中氣溶膠濃度隨脫硫液溫度升高而增加。脫硫液溫度升高易揮發(fā)逸出NH3；此外，較高的脫硫液溫度易造成吸收了SO2后的脫硫液滴在高溫?zé)煔庵姓舭l(fā)析出固態(tài)晶粒，生成氣溶膠。

（8）液氣比。在其他操作條件相同情況下，氣溶膠排放量隨液氣比升高而明顯增加。液氣比的增加一方面使脫硫液中揮發(fā)進(jìn)入氣相的NH3量增多；另一方面，脫硫塔內(nèi)及隨煙氣攜帶出的霧滴量均隨之增加，從而在高溫?zé)煔饧按髿猸h(huán)境中蒸發(fā)析出固態(tài)晶粒明顯增多，造成氣溶膠生成量極大提高。

（9）煙氣SO3含量。實(shí)際燃煤煙氣中不僅含SO2，還有少量SO3，主要以硫酸霧形式存在，易與脫硫液中揮發(fā)逸出的NH3反應(yīng)生成（NH4）2SO4、NH4HSO4等氣溶膠顆粒，使煙氣中細(xì)顆粒物濃度明顯增加。少量SO3即可導(dǎo)致大量氣溶膠顆粒生成，其影響程度遠(yuǎn)高于SO2。

（10）脫硫塔結(jié)構(gòu)。運(yùn)行工況參數(shù)相近時(shí)，塔內(nèi)加裝填料、篩板，氣溶膠排放濃度均低于噴淋空塔。這與以下兩方面因素有關(guān)：一是脫硫塔內(nèi)霧滴量有所減少，煙氣夾帶的霧滴量也隨之降低；二是塔內(nèi)加裝填料或篩板后氣液接觸性能改善，在達(dá)到同樣脫硫效率下可采用較低的液氣比。

要降低脫硫塔出口的氣溶膠濃度，常規(guī)做法是進(jìn)行脫硫系統(tǒng)的系統(tǒng)改造，從噴淋系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)、提高除霧器效率、增加濕式電除塵等多方面綜合考慮，可采取以下措施：

（1）對(duì)脫硫塔進(jìn)行工藝優(yōu)化，改造目前不分級(jí)吸收流程為三級(jí)吸收，各級(jí)之間漿液進(jìn)行隔離，控制不同的pH、漿液密度，控制第三級(jí)噴淋層以較低的pH，較低的漿液密度，降低煙氣離開吸收區(qū)氨的逃逸量；塔內(nèi)氧化改為塔外氧化，提高氧化率；設(shè)置煙氣預(yù)洗塔，氧化后的漿液在預(yù)洗塔中降低煙氣溫度，同時(shí)被濃縮達(dá)到結(jié)晶濃度取出。

（2）改造目前脫硫塔普通屋脊式除霧器為高效、多級(jí)除霧器，除霧器之間增設(shè)氣溶膠相變凝聚設(shè)施，增大膠體顆粒直徑，從而降低凈煙氣中的氣溶膠濃度。

（3）濕式電除塵器布置在氨法脫硫系統(tǒng)之后，作為煙氣排放末端氣溶膠和煙塵控制系統(tǒng)的最終精處理技術(shù)裝備，是能達(dá)到接近零排放的最有效的方法之一，在濕式電除塵器里，多場(chǎng)作用與相變、團(tuán)聚等機(jī)理，共同促進(jìn)PM2.5微粒高效凝并“長(zhǎng)大”，實(shí)現(xiàn)高效脫除，對(duì)PM2.5的去除效率高達(dá)90%以上。

以上方案是有效的，但存在的問(wèn)題也是明顯的，不適于現(xiàn)有裝置的改造。主要表現(xiàn)在：

（1）已建成脫硫裝置區(qū)沒(méi)有足夠空間增加氧化槽、預(yù)洗塔、配套循環(huán)泵。

（2）原有脫硫塔高度不夠，分級(jí)和改造除霧器需要增加15m左右的高度，施工難度大，工期長(zhǎng)，安全風(fēng)險(xiǎn)巨大，不能滿足生產(chǎn)需要；

（3）相變凝聚是采用管束式冷卻器對(duì)煙氣進(jìn)行降溫，增加煙氣飽和度，從而達(dá)到氣溶膠顆粒增大的目的，但凝聚程度受過(guò)飽和度控制，煙氣量巨大，即使冷卻煙氣2～3℃，所需冷卻量已經(jīng)很大，需要龐大的冷卻面積和配套循環(huán)冷卻裝置，增加了系統(tǒng)復(fù)雜程度，同時(shí)凝聚增徑貢獻(xiàn)的氣溶膠脫除率不高，最多20%左右。不能根本改變氣溶膠大量攜帶到煙氣中的情況。也有采用超聲波凝聚功能，但運(yùn)行情況并不理想，主要是除霧效率提高不明顯，額外增加電耗。

（4）目前普遍采用濕電除塵方案主要應(yīng)用于電廠石灰石石膏脫硫工藝末端，應(yīng)用于氨法脫硫末端運(yùn)行業(yè)績(jī)很少。河南心連心化肥和陜西長(zhǎng)青能源煙氣總排煙塵濃度5mg以下，但煙氣拖尾仍然較長(zhǎng)，由此可以認(rèn)為，濕電在大顆粒煙塵脫除有很高的效率，主要是石膏法脫硫后煙氣顆粒物較大，50～110μm，較易除去，而氨法脫硫煙氣顆粒物由于存在大量氣溶膠的和漿液霧滴等細(xì)小顆粒，一般直徑小于1μm，較難除去。濕電除塵煙氣流速不能過(guò)高，否則電場(chǎng)對(duì)粒子的吸附力小于顆粒隨氣流流動(dòng)動(dòng)量時(shí)，除塵能力會(huì)下降。要達(dá)到對(duì)0.1μm以下的氣溶膠顆粒較高的去除率，必定要大幅度增加電場(chǎng)面積。同時(shí)存在銨鹽結(jié)晶影響濕電運(yùn)行的問(wèn)題。

2.2 降低氣溶膠新工藝的探索

基于以上工藝分析和現(xiàn)有脫硫裝置運(yùn)行分析，對(duì)于沒(méi)有分級(jí)的氨法工藝后煙氣氣溶膠濃度高問(wèn)題，可采取在下游增加水洗塔并輔助一些必要的技術(shù)措施進(jìn)行改造，達(dá)到有效降低煙氣氣溶膠的目的。

為此，對(duì)脫硫后煙氣進(jìn)行了化驗(yàn)分析，結(jié)果表明，脫硫塔脫硫能力完全滿足超低排放標(biāo)準(zhǔn)，塵含量略高，在20mg/m3左右，銨鹽濃度在400mg/m3左右，因此確定了在脫硫塔后匯總煙道上增加水洗塔去除氣溶膠的工藝路線。

2.3 工藝方案設(shè)計(jì)

2.3.1 工藝設(shè)計(jì)基本原則的確定

不改變?cè)账δ?，僅在吸收塔后新建煙塵水洗除霧塔，水洗除霧塔采用除霧效果優(yōu)秀的填料塔。

鑒于原有脫硫塔第三級(jí)噴淋吸收層直接承擔(dān)高溫?zé)煔獾慕禍毓δ?，從而?dǎo)致漿液中氨逃逸和亞硫酸銨的分解問(wèn)題，在原三臺(tái)脫硫塔入口煙道增設(shè)降溫噴嘴，控制煙氣入塔溫度小于85℃。

在煙氣匯總煙道進(jìn)入水洗塔前煙道上設(shè)置增濕混合室，噴入適量低壓蒸汽，低壓蒸汽噴入后，煙氣達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)，過(guò)量蒸汽在氣溶膠顆粒上凝聚長(zhǎng)大，更易于被填料層水溶液吸收溶解。

水洗塔填料吸收段分為兩段，煙氣在進(jìn)入水洗塔后，在填料層與洗滌液逆流接觸，氣溶膠和煙塵被洗滌，離開填料層的煙氣經(jīng)過(guò)塔頂高效除霧器后，通過(guò)煙道進(jìn)入煙囪排放。

兩端洗滌水分別進(jìn)行循環(huán)洗滌，控制不同的溶液比重，最上層控制較低的比重，確保煙氣夾帶的洗滌液中氣溶膠顆粒足夠低。

2.3.2 主要工藝技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)

增濕蒸汽采用全廠蒸汽管網(wǎng)0.7MPa低壓蒸汽經(jīng)過(guò)減溫減壓器減壓至0.2bar，通過(guò)流量計(jì)計(jì)量，加入量為0.02kg/m3煙氣。

凈化塔空塔氣流速：3m/s

填料洗滌噴淋密度：1.2L/m3

填料層：規(guī)整格柵填料，高2m

除霧器：兩層層屋脊式除霧器，一層絲網(wǎng)除霧器（0.3m高）

總壓降控制在1 200Pa

一段噴淋液比重控制小于1.05，為滿足比重控制指標(biāo)，工藝上可以采取連續(xù)取出，送入原脫硫塔二級(jí)泵出口。洗滌液排出量應(yīng)為2.4t/h，也可在脫硫塔采出后補(bǔ)液室一次性排放到脫硫塔。

2.3.3 工藝改造后的效果

經(jīng)過(guò)工藝改造后，脫硫塔入口進(jìn)行噴淋降溫約20℃，塔出口總塵含量會(huì)降低約20%，入口溫度降低到85℃，煙氣出塔總塵降低到280mg/m3；再通過(guò)填料的高效溶解和吸收，離開填料層的煙氣洗滌效率提高到95%，包括氣溶膠在內(nèi)的煙氣塵含量降低到約14mg/m3；最后經(jīng)過(guò)高效除霧器除霧，最終煙氣凈化后總塵含量小于10mg/m3。

3 存在問(wèn)題與進(jìn)一步研究方向

該方案中引入了脫硫塔入口煙氣預(yù)噴淋降溫、水洗塔入口蒸汽增濕、填料洗滌等主要工藝措施，也會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)以下問(wèn)題：

1）預(yù)降溫后，脫硫漿液的蒸發(fā)量減少，循環(huán)時(shí)間增大，漿液聚集的灰塵量大幅度增加，降低了硫酸銨品質(zhì)，容易形成灰垢堵塞管道設(shè)備，造成運(yùn)行故障，縮短運(yùn)行周期。

2）預(yù)降溫如果引入生產(chǎn)水，會(huì)造成系統(tǒng)水平衡打破，需要仔細(xì)核算水平衡。

3）煙氣蒸汽增濕，雖然具有氣溶膠增徑的效果，同樣存在打破系統(tǒng)水平衡問(wèn)題，同時(shí)存在蒸汽消耗量大的問(wèn)題。

4）水洗塔采用填料塔，氣液相互接觸充分，但煙氣阻力增加較大，需要核算引風(fēng)機(jī)壓頭余量是否滿足，設(shè)計(jì)中需要仔細(xì)控制系統(tǒng)總阻力降。

5）該工藝可以實(shí)現(xiàn)氣溶膠的超低排放，但吸收循環(huán)液腐蝕性很強(qiáng)，系統(tǒng)長(zhǎng)周期運(yùn)行對(duì)吸收塔提出了更高的要求，有待工程實(shí)踐中進(jìn)一步摸索更合適的內(nèi)件材質(zhì)。

6）目前的制約因素還是脫硫塔能否穩(wěn)定運(yùn)行，從現(xiàn)在的情況來(lái)看脫硫塔吸收能力嚴(yán)重偏低，造成進(jìn)水洗塔凈煙氣SO2濃度偏高，水洗塔不得已加氨來(lái)控制pH。

7）原設(shè)計(jì)的水洗塔為兩段洗滌，在脫硫塔工況較差時(shí)水洗塔兼顧了一部分脫硫作用，必須通過(guò)分級(jí)加氨來(lái)控制循環(huán)液的pH，其次在水洗塔出口增加氨逃逸在線監(jiān)測(cè)表，用來(lái)監(jiān)控氨的逃逸情況，保證最終的煙氣粉塵值在指標(biāo)范圍內(nèi)。