吹風(fēng)氣余熱鍋爐與三廢混燃爐煙氣氨法脫硫系統(tǒng)改造小結(jié)

許紅偉，袁平華，王穎和，王軍喜

[陽煤豐喜肥業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司臨猗分公司，山西 臨猗 044100]

0 引 言

陽煤豐喜肥業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司臨猗分公司(簡稱豐喜臨猗分公司)固定床造氣吹風(fēng)氣余熱鍋爐+三廢混燃爐煙氣氨法脫硫系統(tǒng)始建于2019年，其脫硫塔直徑8 500 mm、高65 000 mm，脫硫塔內(nèi)設(shè)置濃縮段、吸收段、水洗段、管束除塵除霧段，塔頂設(shè)置有直排煙囪，塔外配置氧化槽和水洗槽，并建有硫酸銨綜合樓1座，樓內(nèi)有泵房、配電室及硫酸銨出料系統(tǒng)。煙氣氨法脫硫系統(tǒng)設(shè)計處理煙氣量400 000 m3/h(標(biāo)態(tài)，下同)，包括固定床造氣吹風(fēng)氣余熱鍋爐煙氣量180 000 m3/h、三廢混燃爐煙氣量220 000 m3/h，設(shè)計煙氣初始SO2含量為2 000 mg/m3，設(shè)計出口煙氣SO2含量≤35 mg/m3、顆粒物含量≤5 mg/m3、氮氧化物含量≤50 mg/m3。

豐喜臨猗分公司煙氣氨法脫硫系統(tǒng)自建成投運(yùn)以來，一直運(yùn)行不太穩(wěn)定，后通過多點(diǎn)加氨技改、在塔內(nèi)管束除塵除霧器頂增設(shè)束水器、改進(jìn)擾動管材質(zhì)等，保證了脫硫系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，最終實現(xiàn)了煙氣達(dá)標(biāo)排放與硫酸銨的順利產(chǎn)出。以下對有關(guān)情況作一總結(jié)。

1 煙氣氨法脫硫系統(tǒng)運(yùn)行問題

(1)氧化槽內(nèi)溶液pH一般要求在5～6，但實際生產(chǎn)中其pH在7.0左右，一旦其pH下降，出口煙氣SO2含量短期內(nèi)就會迅速上升，有時甚至在100 mg/m3以上。

(2)脫硫塔出口煙氣顆粒物含量不穩(wěn)定，時有超標(biāo)現(xiàn)象，顆粒物含量最高達(dá)27 mg/m3。

(3)脫硫塔出口煙氣帶水嚴(yán)重，由此導(dǎo)致脫硫塔周邊地面老是濕漉漉的，人經(jīng)過時會感覺到有水滴飄落。

(4)脫硫塔濃縮段漿液擾動管采用玻璃鋼材質(zhì)及直流噴嘴模式，運(yùn)行不到3個月擾動管就會發(fā)生斷裂，造成漿液沉積、塔底堆料，導(dǎo)致硫酸銨無法正常結(jié)晶、硫酸銨產(chǎn)品無法產(chǎn)出。

2 煙氣氨法脫硫系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)

2.1 脫硫系統(tǒng)一點(diǎn)加氨改為多點(diǎn)加氨

2.1.1問題分析

豐喜臨猗分公司煙氣氨法脫硫系統(tǒng)工藝流程如圖1。脫硫系統(tǒng)運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)吸收單元溶液pH高，最高達(dá)到7.8，而且不能降下來，pH稍微下降就會出現(xiàn)脫硫塔出口煙氣SO2含量超標(biāo)，且實際運(yùn)行中脫硫塔出口煙氣顆粒物含量一直在5 mg/m3左右，這給系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行帶來很大的困難。

脫硫系統(tǒng)經(jīng)過一段時間的運(yùn)行，吸收液的pH逐漸升高，由6.2升至7.6，但脫硫塔出口煙氣SO2含量很難控制：氨水稍微少加點(diǎn)或pH稍微降低點(diǎn)，在線監(jiān)測SO2數(shù)據(jù)時不時就會超標(biāo)，系統(tǒng)不好操作控制；氨水多加點(diǎn)則又氨逃逸嚴(yán)重，在線顆粒物監(jiān)測數(shù)據(jù)也會超標(biāo)，為避免氨逃逸與顆粒物在線監(jiān)測數(shù)據(jù)超標(biāo)，實際操作中一直在壓制氨水的加入量，如此一來導(dǎo)致排放尾氣中SO2含量控制不穩(wěn)，常有超標(biāo)。

另外，脫硫塔濃縮段漿液結(jié)晶問題也困擾著操作人員。硫酸銨結(jié)晶不好，漿液中充滿白色絮狀物、晶體小、無晶核，離心機(jī)篩網(wǎng)過濾不出硫酸銨產(chǎn)品；漿液密度大，其密度達(dá)1 250 kg/m3(正常指標(biāo)為1 200 kg/m3)都出不了硫酸銨產(chǎn)品，而漿液粘稠度高會導(dǎo)致掛壁和管道堵塞現(xiàn)象發(fā)生，必須通過事故池進(jìn)行置換，但事故池容量有限，且如此操作也不是長久之計，因此，保證硫酸銨出料順暢也是當(dāng)務(wù)之急。設(shè)計單位派人到現(xiàn)場調(diào)查過好幾次，分析出口煙氣顆粒物超標(biāo)問題與硫酸銨結(jié)晶難問題，認(rèn)為這兩方面問題均是吸收液pH較高所致。

2.1.2優(yōu)化改進(jìn)措施

綜上，影響整個煙氣氨法脫硫系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的原因是氨水加入量過多，氨過量造成吸收液pH較高而致出口煙氣顆粒物超標(biāo)與硫酸銨結(jié)晶困難無法出料。為此，豐喜臨猗分公司經(jīng)內(nèi)部討論及借鑒業(yè)內(nèi)做法，決定改變加氨方式，脫硫系統(tǒng)由一點(diǎn)加氨改為多點(diǎn)加氨，即在脫硫塔吸收段溶液回氧化槽的落液管上增設(shè)1個加氨點(diǎn)，利用吸收液自身的落差產(chǎn)生沖擊力使氨水能夠更加均勻地分布于氧化槽中，并借助原有預(yù)留管口在脫硫塔濃縮段也增設(shè)1個加氨點(diǎn)，以調(diào)節(jié)濃縮液的pH，防止?jié)饪s液pH偏低對脫硫塔造成腐蝕及影響漿液結(jié)晶。

2020年6月脫硫系統(tǒng)大修期間進(jìn)行多點(diǎn)加氨改造后，落液管加氨點(diǎn)成為主要的加氨點(diǎn)，氧化槽內(nèi)的加氨閥開度很小，主要是為避免氧化槽上部吸收液中存在NH4HSO3，脫硫系統(tǒng)氧化率提高至99%以上(之前氧化率大致為98%)；技改后吸收液pH降至6.2左右，脫硫塔出口煙氣SO2和顆粒物排放超標(biāo)問題得到解決；濃縮段新增加氨點(diǎn)，主要是在漿液pH低的時候補(bǔ)加氨水，保證漿液pH在4.0左右，硫酸銨難結(jié)晶問題也得到解決，硫酸銨能較順利產(chǎn)出。

2.2 脫硫塔內(nèi)管束除塵除霧器頂增設(shè)束水器

2.2.1問題分析

豐喜臨猗分公司煙氣氨法脫硫系統(tǒng)設(shè)計上的主要優(yōu)點(diǎn)之一是用管束除塵除霧器替代了濕式靜電除塵器，在保證脫硫塔出口煙氣顆粒物含量≤5 mg/m3的情況下，減少了工程投資，節(jié)省了系統(tǒng)運(yùn)行電耗。管束除塵除霧器上、下端各設(shè)置1套絲網(wǎng)除沫器，其作用有二：一是防止大液滴進(jìn)入管束除塵器中，因為管束中的氣流要保證一定的流速，大致為2.60～3.50 m/s，大的液滴達(dá)不到此流速，管束除塵器對大液滴不起作用；二是管束中帶有霧化沖洗系統(tǒng)對管束內(nèi)壁進(jìn)行洗滌，由于管束中的煙氣流速較快，洗滌水會被煙氣大量帶出而造成煙氣帶水嚴(yán)重，上、下兩層絲網(wǎng)的作用是去除煙氣中的大液滴以避免出口煙氣帶水。為避免煙氣帶水現(xiàn)象發(fā)生，在脫硫塔煙囪內(nèi)壁還加裝有螺旋狀擋液環(huán)(螺旋狀擋液環(huán)，即用角鐵在煙囪內(nèi)壁呈螺旋狀焊接，一直到塔頂)，煙氣上升過程中與擋液環(huán)碰撞接觸，水汽由此凝結(jié)成液滴落下繼而送至脫硫塔吸收段，從而減少煙氣帶水量。但實際運(yùn)行中，脫硫塔出口煙氣帶水現(xiàn)象非常嚴(yán)重，而且出口煙氣帶水還造成其顆粒物含量超標(biāo)——可能是大的液滴經(jīng)過出口在線分析儀時被誤認(rèn)為是顆粒物。簡言之，脫硫系統(tǒng)煙氣帶水與出口煙氣在線監(jiān)測顆粒物含量超標(biāo)這兩方面的問題造成系統(tǒng)運(yùn)行無法達(dá)標(biāo)，無法通過驗收。

對于此問題，經(jīng)設(shè)計人員分析，初步認(rèn)為是煙氣流速過快所致。為滿足管束除塵除霧器運(yùn)行要求，系統(tǒng)設(shè)計時增大了塔內(nèi)煙氣流速，煙氣在流經(jīng)絲網(wǎng)除沫器時，其中的水汽在高流速下經(jīng)過下部絲網(wǎng)孔隙旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生大的液滴，絲網(wǎng)除沫器在此并未起到收水作用，反而可能使煙氣在經(jīng)過上部絲網(wǎng)時大的液滴被破壞，造成氣液分離不好而煙氣帶水更嚴(yán)重。若此原因成立，應(yīng)該拆除管束除塵器出口絲網(wǎng)以消除液滴。

當(dāng)然，上述這種解釋只是理論上的猜想，絲網(wǎng)除沫器的絲徑為0.23 mm、密度達(dá)168 kg/m3(絲網(wǎng)密度越大，絲網(wǎng)越重、絲網(wǎng)孔數(shù)越少，除霧沫效果越好；但絲網(wǎng)密度不能過大，否則會導(dǎo)致阻力增大，影響系統(tǒng)運(yùn)行)，究竟液滴有多大誰也不得而知，絲網(wǎng)究竟是不是煙氣帶水嚴(yán)重的元兇設(shè)計人員也無法得出最終結(jié)論。但是，煙氣帶水嚴(yán)重問題必須解決，因此我們又考慮到煙囪擋水環(huán)的設(shè)計，煙囪擋水環(huán)是用∠50角鐵在煙囪內(nèi)壁呈螺旋上升焊接而成，已經(jīng)覆蓋滿了整個煙囪內(nèi)壁，煙氣無論流向哪個方向，都會觸碰到檔水環(huán)，此處應(yīng)該不存在缺陷。

2.2.2優(yōu)化改進(jìn)措施

為解決煙氣帶水問題，拆除管束除塵器出口絲網(wǎng)顯然不一定合適，誰也下不了決心，工程技術(shù)人員給出的理由解釋也很牽強(qiáng)。經(jīng)過集思廣益，有人提出借鑒冷卻涼水塔安裝束水器的原理在絲網(wǎng)上部增設(shè)束水裝置，此提議得到了大家的響應(yīng)，并馬上著手安排實施。

2020年7月，脫硫系統(tǒng)大修，束水器拉到現(xiàn)場，并被安裝至管束除塵除霧器上部絲網(wǎng)上；由于引風(fēng)機(jī)在脫硫塔進(jìn)口還有600 Pa的余壓，因此安裝束水器增加的阻力不會影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。為驗證效果，初步只安裝了一層束水器。絲網(wǎng)除沫器改造后運(yùn)行至今，效果明顯：煙囪內(nèi)煙氣流速由技改前的11～13 m/s降至技改后的9～11 m/s，出口煙氣顆粒物在線監(jiān)測數(shù)據(jù)也合格了——基本上穩(wěn)定在3～4 mg/m3；煙氣帶水現(xiàn)象明顯減少，塔底周圍干燥，人經(jīng)過脫硫塔底不再感覺有水滴飄落。本次改造為出口煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)與煙氣氨法脫硫系統(tǒng)提供了真實可靠的數(shù)據(jù)，為脫硫系統(tǒng)及造氣吹風(fēng)氣系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行奠定了堅實的基礎(chǔ)。

有了這個成功經(jīng)驗，為杜絕煙氣帶水現(xiàn)象發(fā)生，2022年8月脫硫塔大修時，在現(xiàn)有束水器上部再增設(shè)了一層束水器，且兩層束水器交錯安裝，以實現(xiàn)對氣液的徹底分離，杜絕煙氣帶水。

2.3 改進(jìn)脫硫塔底擾動管材質(zhì)

2.3.1問題分析

脫硫塔濃縮段擾動系統(tǒng)正常運(yùn)行與否是硫酸銨結(jié)晶順利與否的關(guān)鍵。塔底擾動系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境比較惡劣，酸性溶液會腐蝕擾動管，漿液會對擾動管產(chǎn)生磨損，擾動液量大且壓力高，擾動管承受的沖擊力大。因此，擾動管材料的選擇十分關(guān)鍵，需耐腐蝕、耐磨損、耐外力沖擊。

設(shè)計之初玻璃鋼是首選材料，它耐腐蝕耐磨損，但運(yùn)行一段時間后發(fā)現(xiàn)其抗沖擊力不足，很容易折斷，折斷后會造成脫硫塔底漿液沉積，硫酸銨晶核無法長大，無法保證硫酸銨的順利產(chǎn)出。硫酸銨的特性是粘稠易結(jié)塊，擾動管斷裂后脫硫塔底物料堆積形成厚厚的一層硫酸銨物料，非常堅固，清理時用鐵锨都無法撼動，必須用高壓水槍沖洗。另外，部分物料經(jīng)濃縮泵進(jìn)入濃縮管內(nèi)，會堵塞濃縮管噴嘴，而濃縮液的主要作用之一是為高溫?zé)煔饨禍兀瑖娮於氯蟾邷責(zé)煔獾貌坏綕饪s液的洗滌，會造成濃縮段集液器在高溫炙烤下產(chǎn)生裂紋而出現(xiàn)泄漏，這樣一來，會造成吸收段和濃縮段短路，吸收液未經(jīng)氧化直接進(jìn)入濃縮段，使?jié)饪s液pH升高，濃縮段液位持續(xù)上漲，硫酸銨難以產(chǎn)出，整個脫硫系統(tǒng)陷入惡性循環(huán)，若集液器泄漏嚴(yán)重，系統(tǒng)須停車檢修。因此，在擾動管材料的選擇上，玻璃鋼雖然耐磨耐腐蝕，但其強(qiáng)度差、易斷裂，從實際運(yùn)行情況來看，在濃縮段如此惡劣的環(huán)境下，玻璃鋼擾動管出現(xiàn)的問題較多，運(yùn)行時間短，大大影響了脫硫系統(tǒng)的正常運(yùn)行。為此，找到一種替代材料來制作擾動管，延長脫硫系統(tǒng)運(yùn)行時間、保證系統(tǒng)正常運(yùn)行是當(dāng)務(wù)之急。

2.3.2優(yōu)化改進(jìn)措施

豐喜臨猗分公司經(jīng)多方調(diào)研，發(fā)現(xiàn)用雙相不銹鋼2205替代玻璃鋼作為脫硫塔擾動管材料是一種比較可行的方案。雙相不銹鋼2205是由21.0%鉻、2.5%鉬及4.5%鎳氮合金構(gòu)成的復(fù)式不銹鋼，具有高強(qiáng)度、良好的沖擊韌性以及良好的整體與局部的抗應(yīng)力腐蝕能力。

豐喜臨猗分公司用雙相不銹鋼2205作為脫硫塔擾動管材料的改造實施后，運(yùn)行近1 a來未發(fā)生過擾動管斷裂致硫酸銨結(jié)晶困難無法出料的問題，出料系統(tǒng)運(yùn)行一直很穩(wěn)定，表明在脫硫漿液系統(tǒng)復(fù)雜惡劣的工況下雙相不銹鋼2205承受住了考驗，可為今后的設(shè)計提供重要的參考。

3 煙氣氨法脫硫系統(tǒng)改造效果

上述改造完成后，目前豐喜臨猗分公司固定床造氣吹風(fēng)氣余熱鍋爐+三廢混燃爐煙氣氨法脫硫系統(tǒng)出口煙氣煙塵濃度3～5 mg/m3、SO2含量約12 mg/m3、氮氧化物含量約30 mg/m3，硫酸銨產(chǎn)量約1 t/d(設(shè)計硫酸銨產(chǎn)量為10 t/d，但由于脫硫塔入口煙氣SO2含量太低，僅400 mg/m3左右，且因生產(chǎn)系統(tǒng)的調(diào)整，三廢混燃爐暫時停運(yùn)，脫硫系統(tǒng)煙氣量只有設(shè)計值的約50%)；脫硫塔出口煙氣基本上不帶水，硫酸銨出料正常，系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定。另外，之前采用碳鋼材質(zhì)的方鋼作為脫硫塔濃縮段噴淋系統(tǒng)(噴嘴、噴淋管)大梁，一旦有脫硫液滲入到大梁里面，整個大梁就會被腐蝕破壞，現(xiàn)已將腐蝕的大梁全部更換為304不銹鋼梁，其效果還有待觀察。

4 結(jié)束語

煙氣氨法脫硫系統(tǒng)中，控制氨水的加入量是系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定的關(guān)鍵。豐喜臨猗分公司的實踐表明，多點(diǎn)加氨是個不錯的選擇。如何克服煙氣帶水現(xiàn)象，在脫硫塔高度一定的情況下，降低煙氣流速促進(jìn)氣液分離是關(guān)鍵，絲網(wǎng)除沫器上部增設(shè)束水器，相當(dāng)于增設(shè)了折流板，煙氣經(jīng)過時其中的小液滴會變成大液滴從而沉降下來。脫硫塔擾動管所處環(huán)境比較惡劣，漿液具有腐蝕性和磨損性，而且由于漿液的沖擊性，擾動管還需具有高強(qiáng)度性能，顯然玻璃鋼材料無法同時具備這三種性能，雙相不銹鋼2205在強(qiáng)度和耐磨損性能上毋庸置疑，但其耐腐蝕性能一直有爭議，本次擾動管材質(zhì)改進(jìn)驗證了雙相不銹鋼2205在硫酸銨漿液中的耐腐蝕性能，其完全可以替代玻璃鋼制作擾動管來承擔(dān)硫酸銨漿液的擾動。