顆粒物控制技術(shù)在氨法脫硫超低排放中的應(yīng)用

陳文華，鄭俊杰，徐承亮

（浙江天地環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，杭州 310013）

近年來，國家環(huán)保要求日益嚴(yán)格。2014 年9月，國家發(fā)改委、環(huán)保部、能源局聯(lián)合頒發(fā)的《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014－2020）》要求新建燃煤發(fā)電機(jī)組大氣污染物排放濃度基本實(shí)現(xiàn)超低排放（即在基準(zhǔn)氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%條件下，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放的質(zhì)量濃度分別不高于10、35、50 mg/m3）[1]。此后超低排放相繼在全國推廣。

在火電廠煙氣治理中，氨法脫硫因其工藝成熟、占地面積小、脫硫效率高等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用，然而，其工藝的特殊性，使脫硫過程中不可避免的產(chǎn)生硫酸銨氣溶膠和硫酸銨細(xì)微顆粒，導(dǎo)致吸收塔出口顆粒物含量增加，煙塵排放含量難以滿足超低排放標(biāo)準(zhǔn)。因此，氨法脫硫超低排放的關(guān)鍵在于控制顆粒物排放含量。

1 顆粒物控制技術(shù)

所述顆粒物指煙氣中未脫除的煙塵、煙氣所攜帶液滴中的溶解鹽（硫銨）以及氨法脫硫過程中所產(chǎn)生的氣溶膠等物質(zhì)的總和，即通常所稱的總塵。針對(duì)氨法脫硫工藝中的顆粒物排放問題，已有大量實(shí)踐研究，控制氨法脫硫顆粒物含量的措施主要包括3方面：選擇合適的工藝參數(shù)、優(yōu)化吸收塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)和增加濕式電除塵設(shè)備。

1.1 選擇合適的工藝參數(shù)

在氨法脫硫工藝中，氣溶膠的生成主要是由于氣相中的NH3與SO2或SO3反應(yīng)生成亞硫酸氨和硫酸銨，因而如何降低氨逃逸是控制氣溶膠形成的關(guān)鍵[2]。

根據(jù)氨水的氣液平衡數(shù)據(jù)可知，吸收液含量和溫度越高時(shí)，氨氣逃逸量越大，而液氣比是影響吸收液含量和溫度的關(guān)鍵，因而選擇合適的液氣比可以在源頭減少氣溶膠的生成。在實(shí)際應(yīng)用中，相同條件下，液氣比越大，氨逃逸量越小。但液氣比的增加，會(huì)導(dǎo)致能耗增加，所以應(yīng)該綜合考慮，選擇合適的液氣比[3]。

氨法脫硫中生成的亞硫酸銨和亞硫酸氫銨都是不穩(wěn)定化合物，容易發(fā)生逆反應(yīng)，再次生成二氧化硫和氨，導(dǎo)致氨逃逸增加。因此采取合適的氧化方式，使?jié){液充分氧化，可以在一定程度上降低氨逃逸量。在保證充分的氧化風(fēng)量前提下，精確計(jì)算風(fēng)機(jī)壓頭，實(shí)現(xiàn)亞硫酸鈉和亞硫酸氫銨的充分氧化[4]。

選擇合理的加氨位置，可以減少游離氨含量，降低氨逃逸量。相比于直接向脫硫塔加氨，在循環(huán)泵入口加氨具有2點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：一是保證溶液均勻性，同時(shí)使亞硫酸氫銨提前轉(zhuǎn)化為亞硫酸銨，提高脫硫效率；二是有利于降低漿液的pH[3]。

1.2 優(yōu)化吸收塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在脫硫塔內(nèi)部設(shè)置多級(jí)吸收段、水洗段、除霧器，可以有效捕集逃逸氨和氣溶膠，降低出口顆粒物含量[5]。最上層吸收段采用不加氨噴淋液，進(jìn)行剩余SO2的吸收，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)逃逸氨的捕集；水洗段，采用清水噴淋，實(shí)現(xiàn)對(duì)吸收段出口液滴中硫酸銨可溶鹽洗滌和對(duì)逃逸氨的進(jìn)一步捕集；除霧器，可以減少吸收段出口凈煙氣中液滴攜帶量，降低可溶解性銨鹽、硫酸鹽和氣溶膠的排放。

煙氣溫度和脫硫塔入口SO3的含量也會(huì)大大影響脫硫塔出口顆粒物含量[6]。可以通過在脫硫塔入口設(shè)計(jì)噴淋層來降低煙氣溫度并吸收SO3，從而避免硫酸銨和氣溶膠的生成。肖育軍等發(fā)明了1種氨法脫硫工藝與系統(tǒng)，在脫硫塔入口設(shè)立噴淋層，表明吸收塔漿液蒸發(fā)是脫硫塔出口硫酸銨含量增加的主導(dǎo)因素，通過對(duì)煙氣預(yù)降溫可以有效控制生成的硫酸銨含量，并且隨著漿液含固量的增加，入口噴淋對(duì)減少脫硫出口硫酸銨含量的效果呈快速上升趨勢(shì)[7]。

1.3 增加濕式電除塵設(shè)備

濕式電除塵器是利用高壓直流電使煙氣顆粒物荷電，并在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下使其加速沉降于沉降極（陽極）表面以除去煙氣中塵霧的設(shè)備。濕式電除塵器具有除塵效率高、操作簡(jiǎn)單、能耗小、無二次揚(yáng)塵、可工作于煙氣露點(diǎn)溫度以下、結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)形式多樣化等優(yōu)點(diǎn)[8-9]。

隨著燃煤電廠超低排放全面推廣，濕式電除塵器在顆粒物控制方面體現(xiàn)出良好的優(yōu)勢(shì)。杜振等通過對(duì)26 臺(tái)超低排放機(jī)組濕式電除塵器進(jìn)出口顆粒物排放情況進(jìn)行測(cè)試，得到當(dāng)濕式電除塵器入口顆粒物的質(zhì)量濃度為20～90 mg/m3時(shí)，顆粒物脫除效率為85%～90%，出口顆粒物的質(zhì)量濃度均在10 mg/m3以下[10]。趙磊等采用DPI細(xì)顆粒采樣儀對(duì)某300 MW燃煤機(jī)組濕式電除塵器的進(jìn)出口煙塵進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，煙塵出口質(zhì)量濃度為1.8 mg/m3，脫除效率達(dá)到88%以上，其中PM2.5 的脫除效率穩(wěn)定在75%以上[11]。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

新疆某煤化工公司2×103m3/a煤制天然氣項(xiàng)目熱電裝置1#～4#機(jī)組4臺(tái)4×480 t/h鍋爐煙氣脫硫采用氨-硫酸銨法脫硫工藝，按一爐一塔方案設(shè)計(jì)。因化工區(qū)酸性氣體入爐摻燒后，脫硫塔入口煙氣中SO2含量高于原設(shè)計(jì)量，故擬對(duì)現(xiàn)有4臺(tái)鍋爐進(jìn)行脫硫、除塵超低排放增容改造。要求增容改造完成后，在設(shè)計(jì)工況下全煙量、全時(shí)段的保證脫硫效率不低于99.4%，脫硫后煙氣中SO2的質(zhì)量濃度≤30 mg/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，干基，氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%）、總塵（包括硫銨鹽等）的質(zhì)量濃度不高于5 mg/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，干基，氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%）。氨逃逸的質(zhì)量濃度小時(shí)平均應(yīng)低于3 mg/m3，氨回收率大于98%。

按照熱電鍋爐實(shí)際燃燒煤種及考慮到燃煤波動(dòng)較大，增容改造工程按校核煤種設(shè)計(jì)。入口煙氣參數(shù)如表1所示。

表1 脫硫塔入口煙氣設(shè)計(jì)參數(shù)Tab 1 Design parameters of flue gas at inlet of thionizer

2.2 工程設(shè)計(jì)

1#、4#機(jī)組采用一爐一塔的方案，新建2 座吸收塔，每座吸收塔處理的煙氣量為每臺(tái)鍋爐煙氣量的100%煙氣量（包括1/3 化工區(qū)酸性氣入爐摻燒量）。

2#、3#機(jī)組采用一爐兩塔的方案，利舊改造原有4座吸收塔，每座吸收塔處理的煙氣量為每臺(tái)鍋爐煙氣量的50%（包括1/6化工區(qū)酸性氣入爐摻燒量）。原4座吸收塔進(jìn)行局部改造。

重點(diǎn)討論1#、4#機(jī)組新建吸收塔脫硫系統(tǒng)對(duì)顆粒物的脫除情況。

2.3 工藝流程

新建吸收塔脫硫系統(tǒng)的工藝流程如圖1所示。

圖1 新建吸收塔脫硫系統(tǒng)的工藝流程Fig 1 Process flow of new absorption tower desulfurization system

從1#、4#機(jī)組引風(fēng)機(jī)出來的煙氣分別進(jìn)入對(duì)應(yīng)的新建5#、6#吸收塔。吸收塔采用逆流式，碳鋼結(jié)構(gòu)，鱗片防腐，每座吸收塔內(nèi)部自下而上布置分別為濃縮結(jié)晶段，硫銨副線噴淋層，一級(jí)吸收段，三級(jí)吸收段，吸收段除霧器層，水洗段，水洗段除霧器層，在塔內(nèi)脫除SO2后進(jìn)入1#、4#濕式靜電除塵器，最終進(jìn)入煙囪排放。

2.4 運(yùn)行效果

該工程投運(yùn)后煙塵排放含量部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 改造前后濕式電除塵器煙塵的排放含量Fig 2 The dust emission content of wet electrostatic precipitator before and after modification

從圖2可以看出，改造之前煙塵含量排放達(dá)標(biāo)率較低，只有20%測(cè)試數(shù)據(jù)在標(biāo)準(zhǔn)排放含量之下。改造后，排放煙塵的質(zhì)量濃度均在5 mg/m3之下，說明優(yōu)化吸收塔操作參數(shù)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，和增加濕式電除塵器的耦合措施，對(duì)顆粒物的含量控制具有良好的效果。

3 結(jié) 語

對(duì)4 臺(tái)4×480 t/h 鍋爐的煙氣氨-硫酸銨法脫硫工藝，通過優(yōu)化加氨方式，增大液氣比、降低吸收塔pH，在吸收塔增設(shè)水洗段、水洗段除霧器層以及在吸收塔出口增設(shè)濕式電除塵器，進(jìn)行脫硫、除塵超低排放增容改造，有效降低了煙塵排放含量。改造之后排放煙塵的質(zhì)量濃度均在5 mg/m3之下，滿足超低排放標(biāo)準(zhǔn)。

隨著超低排放技術(shù)的全面推廣和氨法脫硫技術(shù)的發(fā)展，顆粒物排放問題正在得到有效的解決。無論從工藝系統(tǒng)還是設(shè)備結(jié)構(gòu)，或增加新設(shè)備角度，都有行之有效的措施可以減少顆粒物排放含量，但這些控制措施都會(huì)在一定程度上增加能耗和設(shè)備投資，如何降低顆粒物控制成本，仍然是氨法脫硫工藝亟需解決的問題。