一種新型氨法脫硫超低排放技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用

沈亞光，郭歡歡，衛(wèi)平波，沈漢杰

（中國(guó)華電科工集團(tuán)有限公司，北京100070）

0 引言

氨法脫硫技術(shù)是一種綠色脫硫工藝，因其符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)與低碳經(jīng)濟(jì)的要求而深受化工企業(yè)自備電廠［1-3］、小型燃煤機(jī)組［4-5］及非電力行業(yè)［6-8］的喜愛。氨法脫硫技術(shù)起初在燃煤電廠煙氣脫硫領(lǐng)域發(fā)展緩慢，2005 年國(guó)家發(fā)改委氨法煙氣脫硫技術(shù)考察團(tuán)赴美國(guó)考察后，建議國(guó)家在燃用中、高硫煤的大型火電機(jī)組或化工、煤氣聯(lián)合企業(yè)的煙氣設(shè)備上建設(shè)氨法煙氣脫硫示范工程［9］。

國(guó)外擁有氨法脫硫技術(shù)的企業(yè)有美國(guó)的GE、Marsulex 公 司，德 國(guó) 的Lentjes Bischoff、Krupp Koppers 公司，日本的NKK、住友、三菱公司等［10-12］。華東理工大學(xué)肖文德教授牽頭負(fù)責(zé)的國(guó)家科技部“十五”863 計(jì)劃項(xiàng)目“可資源化煙氣脫硫技術(shù)”解決了氨法脫硫中的很多技術(shù)難題，帶動(dòng)了氨法脫硫技術(shù)的發(fā)展［13］。目前，國(guó)內(nèi)從事氨法脫硫的公司主要有江蘇新世紀(jì)江南環(huán)保股份有限公司［14］、江蘇科行環(huán)保股份有限公司［15］等。

氨法脫硫是回收型脫硫技術(shù)，可充分利用我國(guó)廣泛的氨源來生產(chǎn)硫肥，彌補(bǔ)我國(guó)大量進(jìn)口硫磺的缺口，既治理了SO2污染，又滿足了長(zhǎng)期大量的化肥需求，可產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益［9］。氨法脫硫不產(chǎn)生溫室氣體，是一項(xiàng)適應(yīng)國(guó)情和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的環(huán)保脫硫技術(shù)。

氨法脫硫工藝較石灰石-石膏濕法脫硫工藝更為復(fù)雜，多采用塔外氧化、塔內(nèi)結(jié)晶、多區(qū)循環(huán)、分區(qū)控制的技術(shù)，其運(yùn)行控制水平要求更高，對(duì)工程設(shè)計(jì)方和運(yùn)行維護(hù)方的要求也更高，因此國(guó)內(nèi)的氨法脫硫裝置運(yùn)行呈現(xiàn)出良莠不齊的局面，氣溶膠二次污染［16-17］及硫酸銨產(chǎn)品出料難［18-19］是常見問題。

隨著國(guó)家和地方政府環(huán)保政策的日趨嚴(yán)格，距離2014 年9 月國(guó)家三部委下發(fā)的《煤炭節(jié)能減排升級(jí)與改造計(jì)劃（2016—2020 年）》中規(guī)定的完成日期越來越近，我國(guó)東部地區(qū)已基本完成燃煤機(jī)組的超低排放改造，部分省份的核心控制區(qū)提前達(dá)到了超低排放標(biāo)準(zhǔn)。

2019 年4 月底，生態(tài)環(huán)境部等五部委聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》正式出臺(tái)，一系列新標(biāo)準(zhǔn)讓保衛(wèi)藍(lán)天“戰(zhàn)略”再度升級(jí)。目前，各地焦化、水泥、冶金、玻璃等行業(yè)提標(biāo)減排工作也在積極推進(jìn)。為了配合環(huán)保改造和減排政策升級(jí)，某公司研發(fā)了一種穩(wěn)定高效的新型氨法脫硫超低排放技術(shù)，并應(yīng)用于華電能源股份有限公司富拉爾基熱電廠（以下簡(jiǎn)稱富熱電廠）的氨法脫硫超低排放改造項(xiàng)目中，取得了良好效果。

1 項(xiàng)目概況

富熱電廠#7，#8 鍋爐為2×220 t∕h 燃煤鍋爐，原有配套脫硫系統(tǒng)于2013年投運(yùn)，采用氨法塔內(nèi)飽和結(jié)晶工藝，“一爐一塔”配置，設(shè)置2座吸收塔系統(tǒng)、1套氨水供應(yīng)系統(tǒng)及硫酸銨后處理系統(tǒng)。由于其污染物排放（NOx、SO2、煙塵）質(zhì)量濃度無法滿足超低排放限值要求，于2018年進(jìn)行了氨法脫硫的超低排放改造工作。改造前、后煙氣脫硫（FGD）系統(tǒng)參數(shù)對(duì)比見表1。

表1 改造前、后FGD系統(tǒng)參數(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison of FGD system parameters before and after the reconstruction

2 新型氨法脫硫超低排放技術(shù)原理及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

煙氣經(jīng)除塵后通過吸收塔入口區(qū)從漿液池上部進(jìn)入塔體4 個(gè)獨(dú)立區(qū)域，分別為濃縮區(qū)、吸收區(qū)、水洗區(qū)及除塵除霧區(qū)，然后由煙囪排入大氣。氨法脫硫超低排放系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

針對(duì)氨法脫硫超低排放工藝的難點(diǎn)——?dú)馊苣z和氨逃逸造成的粉塵排放超標(biāo)問題，該項(xiàng)目改造基于塔外氧化、塔內(nèi)結(jié)晶的設(shè)計(jì)理念，對(duì)吸收塔和塔外氧化槽分別進(jìn)行改造。

2.1 濃縮噴淋區(qū)

濃縮噴淋區(qū)布置在吸收塔的最下層，高溫?zé)煔膺M(jìn)入吸收塔后與循環(huán)漿液逆流接觸，利用高溫?zé)煔鈱{液中的水分蒸發(fā)掉，使?jié){液中固體物的體積分?jǐn)?shù)為5%～10%。經(jīng)過漿液清洗后，煙氣的溫度降到65 ℃左右，然后通過吸收集液盤向上進(jìn)入吸收段。蒸發(fā)濃縮段漿液pH 值為3.5～5.0，呈酸性。在酸性條件下，漿液中的氨含量非常少，與高溫?zé)煔饨佑|的過程中也不會(huì)出現(xiàn)氨的揮發(fā)。因?yàn)闈{液的含固量比較高，硫酸銨晶體會(huì)在支承梁上和吸收集液盤的底部結(jié)晶，所以需要在濃縮噴淋層處設(shè)置沖洗裝置。當(dāng)漿液中固體物的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到5%～10%時(shí)，用排出泵輸送到脫水系統(tǒng)進(jìn)行脫水干燥處理。

2.2 吸收區(qū)

從蒸發(fā)濃縮段上來的煙氣在吸收段進(jìn)行SO2的吸收。吸收段的循環(huán)漿液是不飽和溶液，pH值也比較高，在5.0～6.5 之間。吸收區(qū)設(shè)置3 層噴淋層，3層噴淋層下部設(shè)置吸收集液盤。

根據(jù)亞鹽吸收機(jī)理和氨分壓特性，選擇較低的空塔氣速（小于3.1 m∕s）和合理的噴淋空間（噴淋層間距為2 m），有利于控制液滴夾帶；吸收液選擇較大的液氣比（6.0 L∕m3），能降低吸收液的pH 值（小于6.0），既保證了較高的脫硫效率，又可防止氨逃逸。

2.3 水洗區(qū)

圖1 氨法脫硫超低排放系統(tǒng)工藝流程Fig.1 Process flow of ammonia desulfurization ultra-low emission technology

由于硫酸銨極易溶于水，該區(qū)設(shè)計(jì)2 級(jí)不同質(zhì)量濃度梯度的高噴淋強(qiáng)度（液氣比為3.0 L∕m3）、大氣液接觸比表面積水洗層，通過填料和水噴淋的雙重作用對(duì)煙氣帶出的氨進(jìn)行不間斷洗滌，防止微量氣相氨與煙氣中的SO2接觸而產(chǎn)生氣溶膠，回收微量氨和可溶硫酸鹽。每級(jí)水洗噴淋層下方均有水洗集液盤，將水洗水收集至塔外的水洗槽內(nèi)，回收的液體返回脫硫系統(tǒng)循環(huán)利用，單個(gè)水洗槽停留時(shí)間為40 min。

水洗噴淋層的覆蓋率為300%，噴淋管材質(zhì)為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP），布置于水洗填料層的上方；填料材質(zhì)為聚丙烯（PP），其比表面積約為350 m2∕m3，空隙率約為0.97，堆積密度約為90 kg∕m3。脫硫系統(tǒng)整體氨回收率大于98.5%，其中第1 級(jí)水洗層可去除約56.0%的氨及銨鹽，第2 級(jí)水洗層可去除約43.0%的氨及銨鹽。水洗層填料及安裝如圖2、圖3所示。

圖2 水洗層填料Fig.2 Packing of the water scrubbing layer

圖3 水洗層安裝Fig.3 Installation of the water scrubbing layer

2.4 除塵除霧區(qū)

設(shè)置高效除塵除霧器和霧沫精除器，用于分離煙氣中夾帶的霧滴、煙塵等，將煙氣中粉塵的質(zhì)量濃度控制在5 mg∕m3以內(nèi)。除去霧滴后的凈煙氣經(jīng)煙道和煙囪排入大氣。采用先去除大粒徑霧滴再去除小粒徑霧滴的分級(jí)處理技術(shù)，在不采用濕式電除塵、超聲波除霧器和電除霧器的條件下，穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)了顆粒物質(zhì)量濃度低于5 mg∕m3的超低排放要求，最大限度降低了運(yùn)行成本和工程建設(shè)成本。

（1）設(shè)置3 級(jí)不同結(jié)構(gòu)的高效除塵除霧器和1級(jí)列管式除霧器，采用小間隙和單、雙攔液鉤設(shè)計(jì)，通過慣性撞擊和壁面吸附去除煙氣中的霧滴，可以控制殘余液滴質(zhì)量濃度不超過20 mg∕m3。其主要特點(diǎn)為：通過列管式除霧器均勻進(jìn)入高效除霧除塵裝置的煙氣流場(chǎng)，預(yù)捕集煙氣中攜帶的固體顆粒物；采用單鉤和雙鉤葉片設(shè)計(jì)形式，優(yōu)化葉片間距，加強(qiáng)細(xì)微顆粒的團(tuán)并；葉片中的離心力及折板，使得煙氣在葉片中產(chǎn)生渦街作用，在特定的流動(dòng)條件下，一部分流體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為流體振動(dòng)，分離煙氣中的液滴，渦街作用同時(shí)還加強(qiáng)了煙氣流場(chǎng)的擾度，提高了顆粒物及液滴的團(tuán)聚，促進(jìn)細(xì)顆粒物或液滴長(zhǎng)大，從而提高高效除霧除塵裝置的捕集能力；通過高效除霧除塵裝置模塊差異化布置，保證了高效除霧除塵裝置葉片中的煙氣流場(chǎng)更合理。通過高效除塵除霧器后的煙塵指標(biāo)已接近超低排放的要求。

（2）將2 級(jí)霧沫精除器布置在高效除塵除霧器上方，通過慣性撞擊、直接攔截和擴(kuò)散攔截，脫除微細(xì)液滴和微細(xì)顆粒物。單臺(tái)吸收塔內(nèi)的霧沫精除器質(zhì)量約為3 000 kg，材質(zhì)為316L。霧沫精除器對(duì)粒徑≥5 μm 的霧沫的捕集效率達(dá)98.0%～99.5%，而氣體通過除沫器的壓降很小，是非常適合氨法脫硫煙塵控制的技術(shù)手段。其主要工作原理是：當(dāng)帶有霧沫的氣體以一定速度上升通過絲網(wǎng)時(shí)，由于霧沫上升的慣性作用，霧沫與絲網(wǎng)相碰撞而附著在細(xì)絲表面；細(xì)絲表面的霧沫擴(kuò)散及重力沉降后形成較大的液滴，沿著細(xì)絲流至2根絲的交接點(diǎn)；細(xì)絲的可潤(rùn)濕性、液體的表面張力及細(xì)絲的毛細(xì)管作用使得液滴越來越大，直到其重力超過氣體的上升力與液體表面張力的合力時(shí)，液滴就從細(xì)絲上分離下落。氣體通過絲網(wǎng)除沫器后基本不含霧沫，去除霧滴的同時(shí)也進(jìn)一步控制了可溶性鹽的含量。霧沫精除器及安裝如圖4、圖5所示。

圖4 霧沫精除器Fig.4 Photo of the mist eliminator

2 級(jí)霧沫精除器總厚度為（200+250）mm，對(duì)不同粒徑霧滴的脫除效率見表2。

表2 2級(jí)霧沫精除器的脫除效率Tab.2 Removal rate of the two-stage mist eliminator

圖5 霧沫精除器安裝Fig.5 Installation of the mist eliminator

2.5 采用外置氧化槽

吸收液和洗滌液完全分開，可獨(dú)立調(diào)節(jié)和控制漿液質(zhì)量濃度、pH 值等，有利于實(shí)現(xiàn)高效脫硫和降低氨逃逸，氧化率可達(dá)99%以上。氧硫比與氧化槽結(jié)構(gòu)形式、塔內(nèi)塔外氧化分布管布置密切相關(guān)，一般控制在2.8～5.8。氧化槽設(shè)計(jì)停留時(shí)間約為20 h。

曝氣裝置采用分布板技術(shù)，通過3 層不同孔徑的分布板對(duì)氧化槽進(jìn)行分區(qū)，氣泡小、氣液接觸比表面積大，是保證氧化率的又一重要措施。在保證氧化率達(dá)到99%的同時(shí)，分區(qū)控制使得不同氧化率和pH值的漿液實(shí)現(xiàn)了差異化控制。

2.6 采用系統(tǒng)逐級(jí)補(bǔ)水技術(shù)

吸收塔在水洗區(qū)和吸收噴淋區(qū)均設(shè)有吸收塔集液盤，可以更好地控制整套系統(tǒng)內(nèi)的水平衡。2層水洗層下方均設(shè)有集液盤，水洗液通過集液盤收集后分別流入各自的水洗槽循環(huán)利用，不直接進(jìn)入吸收塔，故對(duì)吸收塔水平衡無影響。而吸收塔補(bǔ)水采用逐級(jí)補(bǔ)水方式，每級(jí)均利用上一級(jí)的循環(huán)水，保證了吸收塔的水平衡。具體流程為：將新鮮的工藝水補(bǔ)充至二級(jí)水洗槽，由二級(jí)水洗泵出口單獨(dú)設(shè)置的補(bǔ)水管補(bǔ)充至一級(jí)水洗槽，再由一級(jí)水洗泵出口單獨(dú)設(shè)置的補(bǔ)水管補(bǔ)充至塔外氧化循環(huán)槽，經(jīng)吸收循環(huán)泵出口單獨(dú)設(shè)置的補(bǔ)水管補(bǔ)充至吸收塔濃縮漿液池。

富熱電廠工藝設(shè)備關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)見表3。

3 項(xiàng)目運(yùn)行過程中存在的問題及解決措施

3.1 現(xiàn)場(chǎng)出料難問題

#7 機(jī)組脫硫系統(tǒng)自2019 年6 月15 日啟動(dòng)后，40 d吸收濃縮循環(huán)池的漿液質(zhì)量濃度始終無法達(dá)到出料設(shè)定要求，取樣發(fā)現(xiàn)漿液中絮狀結(jié)晶較多而顆粒狀結(jié)晶較少，同時(shí)在濃縮池排污口和硫酸銨排出泵入口取樣時(shí)發(fā)現(xiàn)含固量差異非常大。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘察和檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)影響漿液無法結(jié)晶或結(jié)晶顆粒過細(xì)的主要原因如下。

（1）原有氧化風(fēng)機(jī)無法達(dá)到額定出力。氧化槽達(dá)到設(shè)計(jì)液位時(shí)，氧化風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)電流明顯超過電機(jī)額定電流，風(fēng)機(jī)出口壓力不足，軸承溫度過高，無法持續(xù)運(yùn)行；排除系統(tǒng)堵塞原因后，判斷氧化風(fēng)機(jī)出力不足；在同時(shí)啟動(dòng)2臺(tái)風(fēng)機(jī)提高風(fēng)量的情況下，濃縮池漿液質(zhì)量濃度持續(xù)上升至1.28～1.29 t∕m3，系統(tǒng)出料成功［20-21］。后續(xù)將會(huì)對(duì)原有氧化風(fēng)機(jī)進(jìn)行更換。

表3 富熱電廠工藝設(shè)備關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.3 Key parameters of Fulaerji Thermal Power Plant

（2）氧化風(fēng)機(jī)壓頭不足還造成了濃縮池底部漿液的沉積，導(dǎo)致各點(diǎn)取樣值不均勻，影響了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）機(jī)組運(yùn)行過程中煤質(zhì)波動(dòng)較大，煙氣中NOx質(zhì)量濃度超標(biāo)導(dǎo)致選擇性非催化還原（SNCR）脫硝系統(tǒng)過量的氨進(jìn)入了濃縮漿液池，導(dǎo)致濃縮池的硫酸根離子與氨發(fā)生反應(yīng)，生成硫酸氫銨，造成結(jié)晶過細(xì)等問題。在恢復(fù)正常運(yùn)行一段時(shí)間后，隨著漿液的外排置換，問題得到解決。

因此，電廠運(yùn)行時(shí)需定期對(duì)亞硫酸鹽含量和漿液成分進(jìn)行分析化驗(yàn)，為系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

3.2 濃縮段煙溫超標(biāo)問題

濃縮段煙溫經(jīng)常達(dá)到70 ℃（設(shè)計(jì)煙溫為65 ℃），只能通過開啟備用濃縮循環(huán)泵來降溫；同時(shí)，煙氣溫度過高容易造成亞硫酸銨鹽的分解，形成氣溶膠等物質(zhì)。

結(jié)合氧化風(fēng)機(jī)出力不足的情況，初步判斷濃縮池內(nèi)氧化風(fēng)攪拌作用不足，造成飽和硫酸銨溶液的沉積，因此會(huì)出現(xiàn)取樣測(cè)量時(shí)無法得到真實(shí)值的情況。濃縮循環(huán)泵吸入了質(zhì)量濃度較高的溶液進(jìn)入濃縮噴淋層，該溶液含水率略低且噴嘴對(duì)其的霧化效果差，導(dǎo)致降溫效果下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)噴嘴、噴淋梁和吸收塔壁處漿液掛壁結(jié)晶現(xiàn)象。

解決方案。

（1）盡快更換氧化風(fēng)機(jī)，恢復(fù)其出口壓力。

（2）調(diào)整濃縮段沖洗水頻次，降低濃縮噴淋層堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。將稀疏硫酸銨副線漿液倒液后用于沖洗在此過程中掛在塔壁的硫酸銨晶體，并保持脫硫塔體系的水平衡。脫硫塔濃縮段沖洗水頻次改為每2 h 沖洗5 min（可根據(jù)實(shí)際情況縮短），并且在稀疏硫酸銨副線倒液后沖洗。

（3）控制硫酸銨固體物體積分?jǐn)?shù)為15%左右出料，降低濃縮噴淋層堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。

（4）定期清理濃縮循環(huán)泵濾網(wǎng)。

（5）合理調(diào)整稀疏硫酸銨副線漿液的倒液頻次，出料過程中減小倒液量，出料結(jié)束適當(dāng)增加倒液量，降低循環(huán)槽內(nèi)漿液的質(zhì)量濃度（不宜超過1.20 t∕m3）。質(zhì)量濃度過高容易造成分布板的堵塞。

3.3 水洗槽水平衡問題

一、二級(jí)水洗槽獨(dú)立運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致二級(jí)水洗槽不斷補(bǔ)水，而一級(jí)水洗槽不斷溢流。

一級(jí)水洗泵與二級(jí)水洗泵設(shè)計(jì)流量相同，水洗液通過每級(jí)水洗層下方的集液盤回流至各自對(duì)應(yīng)的水洗槽內(nèi)循環(huán)使用。在不補(bǔ)水的情況下，一級(jí)水洗槽液位不斷上漲而二級(jí)水洗槽液位不斷下降，原因只能是二級(jí)水洗槽集液盤粘接不牢或破損，集液盤內(nèi)的水洗液滲漏至下方一級(jí)水洗集液盤內(nèi)，導(dǎo)致2 級(jí)水洗液大部分均返回了一級(jí)水洗槽，需停爐時(shí)進(jìn)行檢修。

由于二級(jí)水洗槽集液盤破損，現(xiàn)場(chǎng)僅運(yùn)行一級(jí)水洗層，雖然粉塵排放等指標(biāo)依然達(dá)標(biāo)，但出口煙溫由54 ℃提高到約60 ℃。這固然與煤種的含水率有關(guān)，但與少開一層水洗層也有一定關(guān)系，增加了系統(tǒng)水耗及后續(xù)除霧器和除沫器的負(fù)擔(dān)，不適合長(zhǎng)期運(yùn)行。

4 結(jié)論

該新型氨法超低排放脫硫技術(shù)在富熱電廠氨法超低排放改造項(xiàng)目上實(shí)施后，能穩(wěn)定滿足國(guó)家超低排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，并通過了運(yùn)行的檢驗(yàn)。

（1）通過不同質(zhì)量濃度水洗層的控制，可以在較低的液氣比條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)煙氣氣溶膠、銨鹽等粉塵污染物的凈化處理。無需額外增加濕式電除塵、超聲波除霧器和電除霧器等設(shè)備。

（2）在塔外氧化槽設(shè)置多層分布板能起到均布和鼓泡的作用，有利于吸收液的氧化，縮短停留時(shí)間。

（3）運(yùn)行實(shí)踐表明，濃縮池、塔外氧化槽的漿液pH值和質(zhì)量濃度控制非常重要，在反應(yīng)機(jī)理上有效保證了硫酸銨的正常結(jié)晶和出料，并防止氣溶膠的生成。