氨法脫硫系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化的研究

趙紅濤，冷健，祁曉輝，陳艷艷，呂文豪(西安航天源動力工程有限公司，陜西 西安 710100)

0 引言

近年來，國家對煙氣脫硫行業(yè)“節(jié)能減排”的要求不斷提高，這意味著不僅要實現(xiàn)SO2排放量的“減排”，而且要實現(xiàn)煙氣脫硫過程的“節(jié)能”。在這種政策的驅(qū)動下，各科研機構(gòu)、環(huán)保公司競相研究和開發(fā)各種環(huán)境友好的煙氣脫硫工藝。其中，氨法脫硫工藝作為佼佼者應(yīng)運而生，其被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)鍋爐、硫酸、燒結(jié)、焦化、有色冶煉等行業(yè)的煙氣治理。氨法脫硫工藝是利用液氨、氨水等氨基吸收劑，脫除煙氣中的SO2，其主要優(yōu)點是最大限度地將煙氣中的SO2資源化回收利用，同時達到廢水、廢渣零排放，真正實現(xiàn)了變廢為寶，無二次污染[1]。

然而，氨法脫硫系統(tǒng)是一個龐大的系統(tǒng)，所涉及的用電設(shè)備數(shù)量眾多，裝置配置復(fù)雜，水耗、汽耗、氨耗等較高，這些導(dǎo)致整套系統(tǒng)的投資費用和運行費用居高不下。因此，很有必要對氨法脫硫系統(tǒng)進行節(jié)能優(yōu)化研究，以實現(xiàn)環(huán)境效益和經(jīng)濟效益的最大化。

1 氨法脫硫的主要工藝

1.1 塔內(nèi)飽和結(jié)晶與塔外蒸發(fā)結(jié)晶的對比

塔外蒸發(fā)結(jié)晶工藝，將硫酸銨溶液送入塔外蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)，利用蒸汽等熱源在蒸發(fā)器中將硫酸銨溶液蒸發(fā)得到含有硫酸銨晶體的漿液。塔內(nèi)飽和結(jié)晶工藝，利用原煙氣(≤140 ℃)的熱量帶走濃縮噴淋漿液的多余水分，將硫酸銨溶液濃縮。硫酸銨溶液過飽和后在塔內(nèi)漿液池中直接結(jié)晶析出硫酸銨晶體，含固量達到5%～15%時，將漿液送入后處理系統(tǒng)進行分離、干燥、包裝等工序，最終得到硫酸銨產(chǎn)品。與前者相比，塔內(nèi)飽和結(jié)晶在結(jié)晶過程中無需消耗蒸汽等其他額外能量，所采用的用電設(shè)備少，實現(xiàn)了節(jié)能操作。

1.2 氧化內(nèi)置與氧化外置的對比

氧化外置工藝中，在塔外的氧化罐內(nèi)通入空氣，將亞硫酸銨轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的硫酸銨，再通過具有一定坡度的管道自流返回吸收塔的漿液池，返回過程中無需設(shè)置泵，節(jié)約能耗。與傳統(tǒng)的氧化內(nèi)置工藝相比，采用氧化外置工藝后，一方面便于在吸收塔內(nèi)實現(xiàn)多段分區(qū)，精細化調(diào)控，有利于SO2的吸收及亞硫酸銨的氧化。此外，采用此工藝后可降低50%以上的氨逃逸且操作方便[2]，有利于脫除凈化后煙氣中的粉塵和氣溶膠，使煙氣達標(biāo)排放。因此，采用“吸收塔內(nèi)飽和結(jié)晶+氧化外置”工藝的氨法脫硫系統(tǒng)，日益受到各環(huán)保公司及業(yè)主的重視。

2 氨法脫硫系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化的措施

2.1 深挖氧化機理，探索風(fēng)機節(jié)能

從塔內(nèi)吸收段返回的漿液進入氧化罐內(nèi)，(NH4)2SO3和NH4HSO3與氧化空氣反應(yīng)轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的(NH4)2SO4。在該環(huán)節(jié)中，空氣加入量的多少以及空氣在氧化罐內(nèi)的分布狀況對于SO32-和HSO3-的轉(zhuǎn)化至關(guān)重要。

從化學(xué)機理上分析，SO32-和HSO3-與O2反應(yīng)生成SO42-屬于氧化還原反應(yīng)，在此過程中保持較低的pH值，較高的反應(yīng)溫度，對提高氧化速率有利，便于將S(+4)氧化成為 S(+6)[3]。從物理機理上分析，SO32-和HSO3-與氧氣的反應(yīng)屬于氣-液反應(yīng)，空氣中的O2以擴散的方式由氣相進入漿液，在一定范圍內(nèi)增加空氣量，較多的小氣泡進入漿液中，增大了氣液兩相接觸的有效面積，有助于提高氧化速率；然而，超過一定范圍后，氣泡之間碰撞更加劇烈，導(dǎo)致大量氣泡聚合，小氣泡聚合形成大氣泡而逸出漿液表面，氣液兩相接觸的有效面積降低，不利于SO32-和HSO3-與O2的氧化還原反應(yīng)。

實踐中，為了保證(NH4)2SO3和NH4HSO3的充分氧化，普遍設(shè)計的氧化空氣都是過量的，這導(dǎo)致所選風(fēng)機的風(fēng)量過大，電機負荷增大，造成不必要的電能浪費，脫硫系統(tǒng)的運行成本增大。為了降低運行電耗，(1)應(yīng)采取合理的氧化空氣量；(2)優(yōu)化氧化風(fēng)管的布置形式及噴嘴數(shù)量，以增大氣液兩相接觸有效面積；(3)優(yōu)化氧化罐內(nèi)件，以延長氧化空氣在漿液中的停留時間，有利于亞硫酸銨的充分氧化。此外，還可以根據(jù)鍋爐煙氣中的氧含量和SO2含量，采取變頻風(fēng)機、調(diào)整風(fēng)機運行臺數(shù)或間歇性運行風(fēng)機等措施[4-5]，以達到節(jié)能的目的。

2.2 優(yōu)化循環(huán)泵運行方式，節(jié)約電耗

氨法脫硫塔的吸收段通常設(shè)計為3～4層噴淋，一臺循環(huán)泵對應(yīng)一個噴淋層，當(dāng)鍋爐煙氣中含硫量較低或鍋爐處于較低負荷運行時，可以選擇關(guān)閉1臺循環(huán)泵，只運行2～3臺循環(huán)泵，便可以使煙氣的排放指標(biāo)達到環(huán)保要求，從而實現(xiàn)節(jié)約電耗的目的。此外，定期應(yīng)當(dāng)清理循環(huán)泵入口管道上的過濾器，以降低管道系統(tǒng)的阻力，降低能耗。

2.3 優(yōu)化系統(tǒng)工藝配置，節(jié)水降耗

氨法脫硫系統(tǒng)中，濃縮段噴淋漿液中的水分吸收高溫?zé)煔獾臒崃慷鴼饣@部分水不可避免地被蒸發(fā)帶走，這一方面將原煙氣本身降溫冷卻，避免高溫?zé)煔鈱λ?nèi)構(gòu)件如防腐鱗片、非金屬塔盤等造成損壞。另一方面，將漿液池中硫酸銨溶液濃縮，促進硫酸銨晶體的析出。在該過程中，干煙氣轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡蜐駸煔猓瑪y帶大量氣態(tài)水。因此，很有必要采取措施將煙氣帶走的氣態(tài)水分進行回收利用。

(1)吸收塔內(nèi)設(shè)置節(jié)水設(shè)施。吸收塔入口設(shè)置低溫省煤器[6]，將進入塔內(nèi)的煙氣溫度降低至80 ℃左右，從而減少煙氣的蒸發(fā)耗水量。吸收塔上部或出口設(shè)置相變凝聚器[7]，利用循環(huán)冷卻水將濕煙氣降溫至露點溫度以下，煙氣中的水蒸氣由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，并凝聚為液滴析出，從而回收煙氣中的水資源，同時回收汽化潛熱。

(2)煙囪內(nèi)設(shè)置節(jié)水設(shè)施。吸收塔出口排出的濕煙氣進入(直排或側(cè)排)煙囪排放，濕煙氣在上升過程中溫度降低，煙氣中所攜帶的少量水蒸氣冷凝為液滴并沿?zé)焽鑳?nèi)設(shè)置的排水管排到地面回收。然而，大部分水蒸氣仍然隨煙氣從煙囪的頂部排出，煙氣遇冷空氣迅速降溫，大量的水蒸氣冷凝，在煙囪出口附近形成“白煙拖尾”現(xiàn)象。因此，很有必要對這部分水分進行回收利用。文獻[8]公開了一種除霧輔助系統(tǒng)和旋流板除霧器，將其安裝在煙囪內(nèi)，煙氣通過旋流板除霧器時在離心力的作用下，將煙氣中的蒸汽液滴甩到煙囪內(nèi)壁，通過除霧輔助系統(tǒng)有效收集這部分水。實踐中，煙囪冷凝排水宜直接通過管道引至吸收塔內(nèi)回收利用，以減少吸收塔內(nèi)補水量，同時避免進入集水坑后又需啟動集水坑泵輸送，從而節(jié)約電耗。

2.4 優(yōu)化硫銨脫水系統(tǒng)，降低運行費用

硫銨脫水系統(tǒng)設(shè)備用電負荷巨大，因此硫酸銨漿液宜集中出料，這樣脫水系統(tǒng)設(shè)備就可以間斷運行，以節(jié)約電耗。一般情況下，出料安排在白班，這樣有助于減輕運行人員的工作強度。水力旋流器主要用于硫酸銨漿液的一級脫水，溢流清液一般直接返回母液回流槽，再借助泵的作用返回吸收塔，然而這樣設(shè)計無形中增加了泵的電耗，不經(jīng)濟。因此，建議設(shè)置管道將旋流器溢流清液直接引至吸收塔內(nèi)。

2.5 優(yōu)化漿液管道，延長使用壽命

氨法脫硫系統(tǒng)中，塔外漿液管道通常選擇FRP材質(zhì)管道，內(nèi)襯SiC、SiO2、陶瓷粉末等耐磨材料，以提高管道的使用壽命。漿液管道應(yīng)合理選擇管徑，控制輸送漿液的流速為1.8～2.4 m/s[9],以降低漿液對管道的磨損。漿液管道布置應(yīng)盡可能的順直、短捷，避免不必要的拐彎，以減少管道系統(tǒng)的水力損失，降低泵的揚程，從而達到節(jié)約電耗的目的。

2.6 優(yōu)化吸收塔結(jié)構(gòu)，降低投資成本

吸收塔是氨法脫硫系統(tǒng)中最為核心的設(shè)備，吸收塔的節(jié)能優(yōu)化目的在于提高脫硫效率、降低投資成本和運行費用。主要從以下三個方面考慮：(1)優(yōu)化吸收塔殼體、平臺扶梯、防腐保溫等，節(jié)約材料和施工成本；(2)優(yōu)化吸收塔內(nèi)件布置，強化氣液傳質(zhì)過程，提高脫硫效率；(3)優(yōu)化液氣比參數(shù)，降低循環(huán)泵的流量及電機負荷。

2.7 采用自動控制，優(yōu)化加氨系統(tǒng)

氨法脫硫系統(tǒng)以液氨、氨水等為氨基吸收劑，氨回收率不應(yīng)小于98%[10]。因此，應(yīng)采取措施使盡可能多的氨轉(zhuǎn)化為硫酸銨產(chǎn)品得以回收，降低氨的損耗，避免氨逃逸和氣溶膠現(xiàn)象。實踐中宜采取的措施如：(1)加氨系統(tǒng)與脫硫液的PH連鎖自動控制，使脫硫液的PH值始終處于合理的范圍，避免加氨過量、不足或滯后；(2)設(shè)置氨分布裝置，促進脫硫液中氨快速、均勻分布，避免局部氨濃度過高或過低；(3)合理選擇加氨位置，以使鍋爐負荷波動時能夠迅速調(diào)節(jié)，確保煙氣排放指標(biāo)滿足要求。此外，吸收塔頂部宜設(shè)置高效除霧器或靜電除塵器或超聲波除塵器等，脫除凈化后煙氣中的氣溶膠和粉塵，避免二次污染。

3 結(jié)語

氨法脫硫系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化是一項長期而重要的工作，作為環(huán)保工作者應(yīng)當(dāng)不斷創(chuàng)新，提出技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、節(jié)約資源，同時還具有現(xiàn)實可行性的措施。當(dāng)前，我國的氨法脫硫工藝還處于快速發(fā)展中，建議有關(guān)研究和設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)從以下幾個方面做起，為實現(xiàn)脫硫系統(tǒng)的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益的最大化努力：(1)研發(fā)能夠強化氣液傳質(zhì)過程的技術(shù)，提高脫硫效率；(2)優(yōu)化脫硫系統(tǒng)配置，降低裝置的投資費用；(3)節(jié)約脫硫系統(tǒng)的電耗、水耗、汽耗、氨耗，降低裝置的運行費用；(4)采用自動化控制系統(tǒng)，節(jié)省人力，減輕運行人員的工作強度。