氨法脫硫工程技改案例解析

高 磊，折鵬飛，劉 忠，吳振山

(1.內(nèi)蒙古伊泰煤制油有限責(zé)任公司 內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300；2.合肥中科聚能工程科技有限公司 安徽合肥 230601)

1 項目背景

某企業(yè)(以下簡稱建設(shè)方)在2010年新建3臺140 t/h的燃煤鍋爐。鑒于設(shè)計煤種中硫含量高的特征，采用可資源化的氨法脫硫技術(shù)，設(shè)計年副產(chǎn)硫酸銨67 kt，硫酸銨作為農(nóng)用化肥直接出售。方案中3臺燃煤鍋爐共用1套煙氣脫硫裝置，脫硫島內(nèi)設(shè)置濃縮塔、吸收塔等SO2吸收設(shè)備，脫硫漿液經(jīng)過氧化中和、液固分離、離心分離、烘干、包裝，可實現(xiàn)對硫資源的回收。

在工程建設(shè)中，建設(shè)方曾先后委托多家企業(yè)對該項目實施工程建設(shè)、工藝系統(tǒng)升級改造，截至2014年4月23日，脫硫塔煙囪“拖尾”現(xiàn)象持續(xù)存在，SO2排放質(zhì)量濃度為150～280 mg/m3(標(biāo)態(tài))，高于地方標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的SO2允許排放質(zhì)量濃度100 mg/m3(標(biāo)態(tài))[1]，建設(shè)方的環(huán)保壓力大。筆者受邀至建設(shè)方項目現(xiàn)場對煙氣脫硫系統(tǒng)進行技改指導(dǎo)，煙氣SO2的排放達(dá)到了超低標(biāo)準(zhǔn)，為建設(shè)方解決了存在的環(huán)保問題，并帶來了一定的經(jīng)濟效益。

2 脫硫機理

2.1 反應(yīng)原理

相對于石灰石-石膏法脫硫，氨法煙氣脫硫過程機理更復(fù)雜，已有文獻(xiàn)[2-6]對氨法脫硫工藝機理的闡述多與工程脫節(jié)?；诠I(yè)化的氨法脫硫工藝機理研究分析后認(rèn)為，在正常脫硫期間主脫硫劑為亞硫酸銨，而非相關(guān)文獻(xiàn)中報道的NH3(g)或NH3·H2O(aq)，脫硫過程貫穿濃縮塔、吸收塔及氧化槽，脫硫機理主要涉及式(1)～(9)等化學(xué)反應(yīng)過程，物化過程機理見式(1)～(10)。其中吸收塔是吸收SO2的主要場所，式(1)、(3)、(7)等主要發(fā)生在吸收塔內(nèi)；式(4)、(5)、(8)、(9)、(10)等主要發(fā)生在濃縮塔內(nèi)；式(2)、(6)在濃縮塔和氧化槽中的反應(yīng)程度基本相當(dāng)。

2NH4HSO3(aq)+O2(g)→2NH4HSO4(aq)

(1)

2(NH4)2SO3(aq)+O2(g)→2(NH4)2SO4(aq)

(2)

NH3(g)+H2O(l)→NH3·H2O(aq)

(3)

NH3·H2O(aq)+NH4HSO3(aq)→(NH4)2SO3(aq)+H2O(l)

(4)

NH3·H2O(aq)+NH4HSO4(aq)→(NH4)2SO4(aq)+H2O(l)

(5)

(NH4)2SO4(aq)(NH4)2SO4(s)

(6)

(NH4)2SO3(aq)+SO2(g)+H2O(l)→2NH4HSO3(aq)

(7)

2NH3(g)+SO2(g)+H2O(g)→(NH4)2SO3(s)

(8)

(NH4)2SO3(s)→(NH4)2SO3(aq)

(9)

H2O(l)→H2O(g)

(10)

2.2 過程熱效應(yīng)

根據(jù)文獻(xiàn)[7]計算、整理得出氨法脫硫工藝中主要化學(xué)反應(yīng)或物相轉(zhuǎn)化過程的熱效應(yīng)數(shù)據(jù)，見表1。

表1 氨法脫硫工藝中主要化學(xué)反應(yīng)或物相轉(zhuǎn)化過程的熱效應(yīng)數(shù)據(jù)匯總表 kJ/mol

由表1可知，氨法脫硫中涉及的主要化學(xué)反應(yīng)均為放熱反應(yīng)，系統(tǒng)熱平衡主要通過水的汽化實現(xiàn)，沖洗水用量及氨水濃度是維持系統(tǒng)液相平衡的關(guān)鍵。

3 脫硫工藝

3.1 工藝流程描述

鍋爐煙氣氨法脫硫主工藝流程見圖1。

1.濃縮塔 2.濃縮泵 3.吸收塔 4.吸收循環(huán)泵 5.水洗循環(huán)槽 6.水洗循環(huán)泵 7.漿液泵 8.氧化槽 9.硫酸銨泵 21.母液 22.氨水 23.待脫硫煙氣 24.氧化風(fēng) 25.硫酸銨漿液 26.沖洗水圖1 鍋爐煙氣氨法脫硫主工藝流程

鍋爐煙氣經(jīng)預(yù)處理后進入脫硫系統(tǒng)煙道，在引風(fēng)機的作用下與來自濃縮泵的硫酸銨漿液混合后在文氏管內(nèi)發(fā)生強烈的物質(zhì)遷移和熱量轉(zhuǎn)移，然后氣流進入濃縮塔被來自于另一臺濃縮泵逆流噴淋的硫酸銨漿液進一步吸收，隨后進入吸收塔。在吸收塔內(nèi)，煙氣中的SO2被堿性吸收劑充分吸收，完成SO2的脫除，脫除SO2的煙氣再經(jīng)水洗除霧后從塔頂煙囪排入大氣。吸收塔內(nèi)設(shè)置3層噴淋吸收層和1層水洗吸收層(水洗吸收層為改造后新增)，水洗吸收層位于噴淋吸收層的正上部；噴淋吸收層的吸收漿液分別來自3臺吸收循環(huán)泵，并通過外加氨水或經(jīng)離心機分離后的硫酸銨母液、沖洗水等，調(diào)節(jié)吸收塔底部的漿液酸堿度、漿液濃度、漿液含固量等參數(shù)；吸收飽和的漿液通過溢流管轉(zhuǎn)移至濃縮塔。

在濃縮塔內(nèi)，漿液被待處理煙氣冷卻，漿液中水分汽化，水蒸氣隨待處理煙氣經(jīng)吸收塔擴散至外部大氣。同時，位于濃縮塔底部的氧化風(fēng)在漿液中鼓泡并將S4+氧化成S6+，再用氨水調(diào)節(jié)漿液pH至5.6～6.5，待漿液含固質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10%～15%時，由漿液泵轉(zhuǎn)移至氧化槽。

在氧化槽內(nèi)，漿液經(jīng)氧化風(fēng)和氨水的共同作用生成硫酸銨熟料，硫酸銨熟料由硫酸銨泵送至離心機分離出濕硫酸銨和硫酸銨母液。濕硫酸銨送至干燥包裝系統(tǒng)制得目標(biāo)產(chǎn)品硫酸銨，母液返回吸收塔重復(fù)利用。

3.2 系統(tǒng)配置

氨法脫硫系統(tǒng)中的固液分離、濕料干燥、產(chǎn)品包裝及氨水制備等環(huán)節(jié)均為常規(guī)單元操作，技術(shù)成熟度高，各企業(yè)采用的技術(shù)大同小異，但核心的吸收反應(yīng)系統(tǒng)差異性較大。本工程中吸收反應(yīng)系統(tǒng)的主要設(shè)備配置見表2。

4 實施過程

4.1 改造方案

鑒于現(xiàn)有設(shè)備及尾氣排放情況，對吸收塔進行改造，具體方案如下。

(1)從吸收塔的24 m處水平切斷，植入直徑8.0 m、高6.8 m的碳鋼筒體，原24 m以上塔體段隨之抬高6.8 m。植入的碳鋼筒體采用玻璃鱗片防腐，內(nèi)部設(shè)置集液盤、填料、噴淋層等組件，并增設(shè)水洗循環(huán)槽、水洗循環(huán)泵等工藝設(shè)備。改造后的吸收塔被分割成吸收段和水洗段，吸收段采用原設(shè)計參數(shù)，水洗段利用水洗循環(huán)泵和除霧器沖洗水的噴淋，完成對逃逸氨、逃逸硫酸銨液滴、硫酸銨粉塵等可溶性鹽的二次吸收。

表2 吸收反應(yīng)系統(tǒng)的主要設(shè)備配置

(2)沿塔體周邊增加16根200#槽鋼，材質(zhì)為Q235-B，螺栓連接固定在原塔體環(huán)形鋼板上。

(3)將吸收塔補氨管線調(diào)整至第3級吸收循環(huán)泵進口，將濃縮塔補氨管線調(diào)整至濃縮泵進口，工藝調(diào)整點見圖1(b)中2(濃縮泵)入口處22(氨水)。

(4)將出氧化槽的氧化風(fēng)從濃縮塔噴淋段調(diào)整至原煙氣管道進濃縮塔前3 m位置的正上方，工藝調(diào)整點見圖1(b)中8(氧化槽)頂部的出氣管線。

(5)將濃縮塔的操作液位提高30～50 cm。

4.2 改造效果

(1)環(huán)保成效。改造后煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)上傳數(shù)據(jù)顯示，出脫硫塔尾氣中SO2、粉塵、氨逃逸等參數(shù)較改造前均呈現(xiàn)降低趨勢，現(xiàn)場觀察脫硫塔煙囪“拖尾”現(xiàn)象消失。基于上傳的CEMS數(shù)據(jù)計算，SO2排放量減少860～1 270 t/a，粉塵排放量減少10～50 t/a，氨排放量減少60～176 t/a。改造前后主要性能參數(shù)對比見表3。

(2)經(jīng)濟效益。參照地方排污標(biāo)準(zhǔn)[8]，改造后僅以污染物減排量及能耗節(jié)省量的加權(quán)值進行理論計算，每年可為建設(shè)方節(jié)省支出391.62～764.34萬元。經(jīng)濟效益分項匯總見表4。

5 結(jié)語

經(jīng)分析，本項目脫硫塔煙囪出現(xiàn)“拖尾”的主要原因：①建設(shè)方初期選定的設(shè)備供應(yīng)商沒有完全掌握該工藝技術(shù)；②建設(shè)方?jīng)]有委派專業(yè)的技術(shù)負(fù)責(zé)人來主持項目；③首次改造過程中建設(shè)方與施工單位的技術(shù)負(fù)責(zé)人均沒有項目決策權(quán)。筆者結(jié)合多年的從業(yè)經(jīng)驗認(rèn)為，氨法脫硫工藝是一種理論權(quán)重遠(yuǎn)大于工程業(yè)績的技術(shù)，有些擁有專利產(chǎn)品的供應(yīng)商不一定完全掌握該套工藝及工藝機理，企業(yè)在遴選供應(yīng)商時，應(yīng)多與專業(yè)技術(shù)人員交流，最好與供應(yīng)商協(xié)商指派特定設(shè)計經(jīng)理負(fù)責(zé)項目的實施。

表3 改造前后主要性能參數(shù)對比

表4 經(jīng)濟效益分項匯總