高硫煤鍋爐煙氣氨法脫硫系統(tǒng)工藝設(shè)計及運(yùn)行小結(jié)

龍 勇

（黔西縣黔希煤化工投資有限責(zé)任公司，貴州黔西 551500）

0 引 言

黔西縣黔希煤化工投資有限責(zé)任公司（簡稱黔希煤化）300kt／a乙二醇裝置配套3×220 t／h高壓流化床鍋爐，鍋爐系統(tǒng)采用貴州當(dāng)?shù)孛?，原配套有煙氣脫硫系統(tǒng)1套，采用“氨－硫酸銨濕法煙氣脫硫”工藝，實(shí)際運(yùn)行中，正常生產(chǎn)負(fù)荷下，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)口煙氣中的SO2含量超過4000mg／m3時，出口尾氣中的SO2和顆粒物含量無法滿足貴州當(dāng)?shù)氐某Ｒ?guī)排放要求，超低排放更是無從談起，目前該套煙氣氨法脫硫系統(tǒng)已停運(yùn)，處于待升級改造階段。分析原煙氣氨法脫硫系統(tǒng)存在的問題，主要原因在于：①吸收液循環(huán)量不足，液氣比偏小；②因未設(shè)計水洗凈化段，凈煙氣霧滴中的硫酸鹽含量偏高，引起出口總塵超標(biāo)，繼而煙氣拖尾嚴(yán)重，排煙視覺效果差；③采用噴射器氧化方式，溶液氧化率低下；④工藝設(shè)計不合理，煙氣氨逃逸、氣溶膠現(xiàn)象嚴(yán)重；⑤除霧器選型及配置不合理，除霧效果差，凈煙氣霧滴夾帶量大。

按照2014年9月12日國家發(fā)改委、環(huán)境保護(hù)部、國家能源局聯(lián)合印發(fā)的《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014—2020年）》的要求，以及國務(wù)院、貴州省政府等的最新要求，煙氣脫硫系統(tǒng)出口污染物含量須執(zhí)行超低排放標(biāo)準(zhǔn)，即煙塵濃度≤5mg／m3、SO2濃度≤35mg／m3、氮氧化物濃度≤50mg／m3。由于貴州地質(zhì)特殊，所產(chǎn)煤以高硫煤居多，為實(shí)現(xiàn)鍋爐煙氣脫硫尾氣的超低排放，黔希煤化決定按照鍋爐煙氣超低排放標(biāo)準(zhǔn)新建1套氨法脫硫系統(tǒng)，秉承“多級分區(qū)、梯次吸收”的理念進(jìn)行設(shè)計，本項(xiàng)目建成投運(yùn)后系統(tǒng)出口污染物濃度完全達(dá)到了超低排放標(biāo)準(zhǔn)要求。以下對黔希煤化新建鍋爐煙氣氨法脫硫系統(tǒng)的工藝設(shè)計及應(yīng)用情況作一介紹，以供業(yè)內(nèi)參考。

1 鍋爐煙氣氨法脫硫系統(tǒng)概況

1.1 工藝流程

煙氣脫硫系統(tǒng)采用單塔多循環(huán)工藝（如圖1）。鍋爐煙氣進(jìn)入脫硫塔濃縮段，經(jīng)噴淋液降低煙氣溫度后進(jìn)入脫硫一段（即吸收段），脫除大部分SO2后進(jìn)入脫硫二段（即二次凈化段），將煙氣中的SO2完全脫除后經(jīng)二級屋脊式除霧器進(jìn)入水洗段，以去除煙氣中夾帶的可溶性銨鹽；水洗噴淋層上方還設(shè)置有1層除霧器，以分離收集煙氣中夾帶的絕大部分機(jī)械霧滴，再經(jīng)2層絲網(wǎng)除霧器確保除霧器出口霧滴含量≤50mg／m3。脫硫島內(nèi)設(shè)置脫硫塔、氧化槽、加氨槽、水洗槽，副產(chǎn)物硫酸銨經(jīng)循環(huán)濃縮結(jié)晶后送入后處理系統(tǒng)，依次經(jīng)旋流器、離心機(jī)分離至水分低于4%，再經(jīng)干燥流化至水分低于1%后進(jìn)入包裝工序，得到符合《硫酸銨》（GB535—1995）的硫酸銨產(chǎn)品。

圖1 單塔多循環(huán)煙氣脫硫系統(tǒng)工藝流程簡圖

1.2 脫硫島主要設(shè)備配置（表1）

表1 脫硫島主要設(shè)備配置及其性能參數(shù)

2 鍋爐煙氣氨法脫硫系統(tǒng)的工藝設(shè)計

流化床鍋爐一次風(fēng)機(jī)風(fēng)量為180000m3／h、二次風(fēng)機(jī)風(fēng)量為120000m3／h，則鍋爐系統(tǒng)（3臺鍋爐）總煙氣量＝（180000＋120000）×3＝900000m3／h。

3×220t／h高壓流化床鍋爐系統(tǒng)采用貴州當(dāng)?shù)孛海吡蛎壕佣?，硫含量多?% ～4%，取硫含量為3.5%作為設(shè)計依據(jù)。燃煤鍋爐的煙氣進(jìn)入脫硫系統(tǒng)，由煙氣脫硫系統(tǒng)進(jìn)口SO2濃度＝（2×煤的硫含量×煤耗×硫的轉(zhuǎn)換率）／煙氣量，計算可得脫硫系統(tǒng)進(jìn)口SO2濃度＝（2×3.5%×106.2×109×100%）÷900000＝8260mg／m3（注：2是指SO2的分子量與S的原子量之比為2；3臺220t／h鍋爐的煤耗為106.2t／h；硫的轉(zhuǎn)換率可根據(jù)鍋爐燃燒情況在95% ～100%之間取值，設(shè)計計算時取100%），則煙氣脫硫系統(tǒng)進(jìn)口SO2濃度取8300mg／m3。

2.1 脫硫塔塔徑的確定

第二代氨法脫硫工藝設(shè)計時，認(rèn)為煙氣流速越大，氣液兩相接觸面碰撞越強(qiáng)，吸收效果越好，反之吸收效果越差，因而煙氣流速一般設(shè)計為3.0～4.5m／s。但實(shí)際生產(chǎn)表明，上述認(rèn)識存在誤區(qū)。煙氣脫硫系統(tǒng)出口污染物執(zhí)行超低排放標(biāo)準(zhǔn)后，氨法脫硫工藝煙氣流速設(shè)計一般選擇在2.5～2.8m／s。黔希煤化鍋爐煙氣氨法脫硫系統(tǒng)煙氣流速選取為2.6m／s。

由前述可知，標(biāo)態(tài)下鍋爐系統(tǒng)總煙氣量為900000m3／h，由理想氣體狀態(tài)方程可得工況（溫度150℃、壓力3kPa）下鍋爐系統(tǒng)總煙氣量為1350000m3／h，則由流量計算公式qv＝Sv（式中：qv為體積流量；S為脫硫塔的截面積；v為煙氣的流速）可計算得出脫硫塔的直徑為13.6m。

2.2 脫硫塔塔高的確定

脫硫塔各區(qū)段設(shè)計高度為：濃縮段底部至進(jìn)口煙道中心7350mm，進(jìn)口煙道中心至濃縮噴淋層5250mm，濃縮噴淋層至脫硫段集液盤3500mm，脫硫段集液盤至第一層吸收噴淋層3500mm，第一層吸收噴淋層至水洗段集液盤11360mm，水洗段集液盤至脫硫塔筒體頂部14340mm，脫硫塔筒體頂部至其頂部水平段5000mm。脫硫塔總高度等于各區(qū)段高度之和，考慮外置氧化罐的話脫硫塔高度為50500mm。

2.3 脫硫系統(tǒng)各區(qū)域材質(zhì)的確定

脫硫塔（各槽罐）采用碳鋼襯玻璃鱗片；進(jìn)出口煙道采用碳鋼襯玻璃鱗片；進(jìn)口煙道干濕交界處（5m）采用1.4529不銹鋼；離心泵采用2507不銹鋼；管徑200mm以下管道采用碳化硅；管徑200mm以上管道采用內(nèi)襯3mm碳化硅。

2.4 濃縮段噴淋液量的確定

濃縮段的作用主要有降溫、蒸發(fā)、濃縮、結(jié)晶。在濃縮段，硫酸銨噴淋液與煙氣（900000 m3／h）逆流接觸，降低煙氣溫度的同時自身水分得到蒸發(fā)，至硫酸銨濃度＞40% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、密度＞1250kg／m3時，開始慢慢析出硫酸銨晶體。

濃縮段噴淋液量的確定實(shí)際就是確定濃縮段的液氣比。液氣比選取過小，濃縮段噴淋液量不足，濃縮段塔壁溫度升高，進(jìn)入脫硫段的煙氣溫度高于60℃，使脫硫段的亞硫酸銨分解成SO2和氨氣，影響脫硫效率，且氣氨還會與煙氣中的高濃度SO2和水反應(yīng)生成亞硫酸氫銨氣相顆粒，即氣溶膠顆粒，因此要通過選取適宜的液氣比控制進(jìn)入脫硫段的煙氣溫度在55～60℃；但盲目地增大濃縮段的液氣比，又會導(dǎo)致投資成本增加、硫酸銨晶體沖刷磨損增大、進(jìn)入脫硫段的煙氣溫度降至絕熱飽和溫度。為此，通過調(diào)研業(yè)內(nèi)大量的實(shí)際數(shù)據(jù)，黔希煤化脫硫塔濃縮段工藝設(shè)計時液氣比取值1.5L／m3，由此得到濃縮段循環(huán)噴淋液量＝1.5×900000÷1000＝1350m3／h。

2.5 吸收循環(huán)液總量的確定

氨法脫硫?qū)儆诨瘜W(xué)吸收，液氣比是系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，要確保吸收效率和循環(huán)液中的游離氨含量滿足要求，即吸收段氣相中的氨含量應(yīng)不超過3mg／m3，以避免氣溶膠的生成。吸收段的液氣比取決于最終的吸收率、塔內(nèi)結(jié)構(gòu)等多種因素，據(jù)業(yè)內(nèi)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，較高的液氣比對吸收是有利的，這里的“有利”指的是能將循環(huán)液中的游離氨含量降到最低水平以免氣溶膠的生成。通過調(diào)研業(yè)內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)，確定吸收段的液氣比不小于9L／m3，由此可計算得出吸收循環(huán)液總量＝9×900000÷1000＝8100m3／h，脫硫塔吸收段為4層噴淋布置，則每層的吸收循環(huán)液量＝8100÷4＝2025m3／h，考慮一定的余量，每層吸收循環(huán)液量取整后為2100m3／h，即吸收循環(huán)液總量為8400m3／h。

2.6 氧化風(fēng)量的確定

亞硫酸銨的氧化是氨法脫硫的一大技術(shù)難點(diǎn)，氧化率控制不好，將帶來脫硫效率低、氨逃逸嚴(yán)重、氣溶膠多、硫酸銨結(jié)晶困難、硫酸銨成品顏色發(fā)黃、硫酸銨干燥系統(tǒng)異味刺鼻等諸多問題。目前脫硫塔吸收段采用氧化液分段氧化、分層吸收、分層加氨的工藝技術(shù)：吸收段下部噴淋層氧化率控制在90%左右（氧化液pH為5.5～6.5），亞硫酸銨濃度高、pH高有利于煙氣中SO2的吸收；上部噴淋層氧化率控制在99%以上（氧化液pH為3.0～4.5），用已經(jīng)完全氧化好的低pH硫酸銨溶液來捕捉下層由煙氣帶出的逃逸氨和亞硫酸銨霧滴，以進(jìn)一步吸收SO2。

黔希煤化煙氣氨法脫硫系統(tǒng)氧化槽尺寸為φ14700mm×12800mm，有效容積為2100m3，4層篩板結(jié)構(gòu)，篩孔孔徑為8～12mm，開孔率為30%～35%，可保證足夠的氧化風(fēng)量和氧化空氣停留時間；氧化槽底部為氧化風(fēng)管分布器，可保證低濃度亞硫酸銨在氧化槽內(nèi)的氧化率在99%以上，在避免亞硫酸銨分解形成SO2和氣氨的同時可提高氨的利用率。

一般的加氨氧化一體化裝置，常見的是加氨小室安裝在氧化槽的頂部，加氨小室隔板局部開孔以與氧化液接觸，控制氧化率在70% ～80%，用不完全氧化的亞硫酸銨進(jìn)行下層噴淋吸收SO2，用吸收段下部完全氧化好的氧化液捕捉逃逸氨和吸收SO2，但由于加氨小室容積偏小，有可能會出現(xiàn)吸收氧化液pH、氧化率分層不明顯和不徹底的問題。黔希煤化煙氣氨法脫硫系統(tǒng)加氨氧化采用分層分段的方式，吸收液加氨和氧化液是徹底分開的，吸收噴淋層自下而上共4層（A／B／C／D），設(shè)置有1臺加氨槽，A／B／C噴淋層的吸收液回流到加氨槽，D噴淋層的氧化液回流到氧化槽，氧化液可保證99.5%以上的氧化率，而對吸收液的氧化率進(jìn)行合理控制，在保證脫硫效率的前提下降低吸收液的pH，實(shí)現(xiàn)分層吸收、分段氧化，從源頭上杜絕氨的逃逸。

由前述可知，吸收循環(huán)液總量8400m3／h，則脫硫溶液氧化停留時間＝氧化槽有效容積／吸收循環(huán)液總量×60＝2100／8400×60＝15min，即黔希煤化鍋爐煙氣脫硫溶液氧化停留時間應(yīng)不低于15min，以獲得99%以上的氧化率。

據(jù)亞硫酸銨氧化成硫酸銨的化學(xué)反應(yīng)方程式2（NH4）2SO3＋O2＝＝＝2（NH4）2SO4，經(jīng)計算，1t亞硫酸銨氧化成硫酸銨需要404m3的空氣；理論上1t液氨可以脫除1.88t的SO2并生成3.41t的亞硫酸銨，則當(dāng)煙氣脫硫系統(tǒng)進(jìn)口SO2濃度取8300mg／m3時，亞硫酸銨的生成量＝（8300×900000×3.41÷1.88）÷109＝13.5t／h，則所需氧化空氣量＝13.5×404＝5454m3／h，而一般氧化空氣的有效利用率僅為25% ～30%，實(shí)際氧化風(fēng)量選擇4倍的氧化空氣量，即在脫硫尾氣超低排放、脫硫塔滿負(fù)荷運(yùn)行的情況下，亞硫酸銨完全氧化成硫酸銨需要5454×4＝21816m3／h的氧化風(fēng)量。設(shè)計時黔希煤化煙氣氨法脫硫系統(tǒng)配備了3臺（兩開一備）羅茨風(fēng)機(jī)，單臺風(fēng)量為271m3／min，合計總氧化風(fēng)量為32520m3／h，即氧化風(fēng)機(jī)留有約33%的設(shè)計余量，富余風(fēng)量為10704m3／h，完全能滿足脫硫塔滿負(fù)荷工況下亞硫酸銨充分氧化的需求。

2.7 脫硫塔各段噴嘴的確定

（1）脫硫塔濃縮段選用渦流噴嘴，相較于選用螺旋噴嘴，雖然噴淋效果稍差，但渦流噴嘴口徑大，不易堵塞，適合有晶體顆粒、濃度高的漿液；渦流噴嘴材質(zhì)為碳化硅，其連接方式為采用螺栓連接及外玻璃絲布纏繞，噴淋角度內(nèi)環(huán)120°、外環(huán)90°，可有效避免沖刷塔壁（脫硫塔塔內(nèi)襯有碳化硅耐磨防沖刷板）。

（2）脫硫塔脫硫段選用螺旋噴嘴，螺旋噴嘴噴淋覆蓋效果好，缺點(diǎn)是易堵塞，適合于無晶體顆粒的脫硫吸收液使用；螺旋噴嘴材質(zhì)為碳化硅，其連接方式為采用螺紋連接及外玻璃絲布纏繞，噴淋角度為120°，噴淋層間距選擇2m左右，可保證獲得更長的吸收反應(yīng)時間且后期維護(hù)檢修方便。

（3）脫硫塔水洗段選用SMP噴嘴，噴嘴材質(zhì)為PP，其優(yōu)點(diǎn)是噴淋霧化效果好，可避免水洗液出現(xiàn)分層噴淋的現(xiàn)象，噴淋覆蓋全面而無死角，能夠?qū)⒚摿蚨螝堄嗟纳仙耗ㄌ右莅保┩耆蹲较聛怼?/p>

（4）塔壁沖洗選用K形噴嘴，噴嘴材質(zhì)為2205不銹鋼，噴淋出來的漿液呈K形布置，其特點(diǎn)是漿液能夠產(chǎn)生中等沖擊力并呈廣角扇形噴霧，更適用于呈曲面的脫硫塔內(nèi)壁的沖洗，以將濃縮段塔壁上的硫酸銨掛料完全沖洗下來；沖洗時間設(shè)計為每25min沖洗1次，沖洗1次的時間設(shè)計為50s。

（5）煙道沖洗選用扇形噴嘴，扇形噴嘴材質(zhì)為2205不銹鋼，其特點(diǎn)是漿液能夠產(chǎn)生高沖擊力并呈扇形噴霧，適用于煙道水平布置的平面沖洗，可將煙道干濕交界處硬化后的硫酸銨顆粒徹底沖洗干凈；沖洗時間設(shè)計為每25min沖洗1次，沖洗1次的時間設(shè)計為60s。

2.8 除霧器排列方式的確定

單塔多循環(huán)煙氣氨法脫硫超低排放工藝除霧器通常采用“濃縮降溫＋分層吸收＋兩層水洗＋屋脊式除霧器”的排列布置，此種排列方式存在的問題是吸收液中的液沫、逃逸氨以及未脫除的SO2隨煙氣上升進(jìn)入水洗段，會導(dǎo)致水洗溶液中的（NH4）2SO4濃度升高至2.0% ～2.5%，無法滿足超低排放脫硫尾氣粉塵含量在5mg／m3以下的要求，即使設(shè)置兩層水洗來控制水洗溶液中的（NH4）2SO4濃度，效果仍然不佳。

黔希煤化煙氣氨法脫硫系統(tǒng)采用的是多效組合式除霧器，其排列布置方式為“濃縮降溫＋分層吸收＋兩級屋脊式除霧器＋一層水洗＋一級屋脊式除霧器＋兩層絲網(wǎng)除霧器”，即使進(jìn)口煙氣中的SO2含量在8000mg／m3以上，只要減少了吸收段的液沫夾帶，一層水洗即可滿足脫硫尾氣粉塵含量超低排放要求；為保證水洗溶液與煙氣有充分接觸反應(yīng)的時間，水洗循環(huán)液總量選取2100m3／h、液氣比取2.33L／m3；此外，設(shè)計中還應(yīng)考慮填料與水洗噴淋層之間的間距，以使煙氣在水洗段中獲得足夠的停留時間。

為防止晶體或灰分堵塞除霧器，除霧器專門設(shè)置有沖洗水：屋脊式除霧器的沖洗水采用水洗溶液，沖洗后的溶液進(jìn)入脫硫塔內(nèi)作為氧化槽的補(bǔ)水；絲網(wǎng)除霧器的沖洗水采用工藝水，沖洗后的溶液進(jìn)入水洗罐，作為水洗罐的補(bǔ)水，以稀釋水洗溶液，降低水洗溶液中的 （NH4）2SO4濃度。除霧器沖洗時間設(shè)置為每2h沖洗1次、閥門逐一開啟時間為20s。

3 運(yùn)行情況

黔希煤化鍋爐煙氣氨法脫硫系統(tǒng)出口污染物超低排放項(xiàng)目于2019年1月1日開始施工建設(shè)，2019年7月31日—8月6日進(jìn)行了“168h”試運(yùn)行性能測試，測試期間鍋爐采用接近設(shè)計值的高硫煤，入爐煤硫含量在2.5% ～4.2%之間，測試期內(nèi)鍋爐煙氣氨法脫硫系統(tǒng)主要污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2?？梢钥吹剑仩t煙氣氨法脫硫系統(tǒng)出口污染物濃度達(dá)到了超低排放要求，完全實(shí)現(xiàn)了超低排放技改的預(yù)期目的，且工藝參數(shù)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。同時，實(shí)際運(yùn)行情況表明，鍋爐煙氣氨法脫硫系統(tǒng)后續(xù)硫酸銨處理系統(tǒng)出料連續(xù)、穩(wěn)定，硫酸銨產(chǎn)品質(zhì)量合格。

表2 測試期內(nèi)煙氣氨法脫硫系統(tǒng)主要污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

黔希煤化鍋爐煙氣氨法脫硫系統(tǒng)是國內(nèi)少有的高硫煤鍋爐配套的煙氣脫硫裝置，秉承“多級分區(qū)、梯次吸收”的理念進(jìn)行設(shè)計，采用單塔多循環(huán)氨法脫硫工藝，工藝設(shè)計中采用了分層吸收、分段氧化、多效組合式除霧器布置等技術(shù)，其建設(shè)投資省，目前在系統(tǒng)進(jìn)口煙氣中的SO2含量平均約7000mg／m3的情況下，煙氣氨法脫硫系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，出口污染物濃度完全能達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)要求，有效遏制了氣溶膠的產(chǎn)生，減少了氨逃逸，且后續(xù)硫酸銨處理系統(tǒng)硫酸銨出料連續(xù)、穩(wěn)定，系統(tǒng)不產(chǎn)生廢渣、廢液等二次污染物，完全達(dá)到了新建超低排放鍋爐煙氣氨法脫硫系統(tǒng)的目的。