氨法脱硫在国内的应用探讨

2011-08-15王剑波王新龙

科技传播 2011年4期

王剑波，王新龙

浙江菲达环保科技股份有限公司，浙江绍兴 311800

目前，国内大型火力发电厂锅炉烟气脱硫主要以石灰石石膏湿法为主，但是随着大量石灰石石膏湿法脱硫装置投运，产生了大量的脱硫石膏，从而导致天然石膏产量本来就较大的国内石膏市场出现了局部供大于求的现象，进一步引发脱硫石膏堆积导致二次污染的情况，这就需要为国内大机组脱硫几乎单一的石灰石石膏湿法技术引入新工艺新技术。

氨水作为脱硫吸收剂，在国外早有应用，在国内各高校的实验室以及相关的小机组上也有较多的实际应用，但实际应用效果不是很理想。其主要问题在于：

1）液氨以及氨水有挥发性和爆炸性，其储存、运输较复杂，存在安全隐患；

2）反应产物中的（NH4）2SO3不易被氧化，需要严格控制系统运行参数，同时如果最终产物中存在（NH4）2SO3，由于其不稳定，容易在受热条件下二次分解形成二次污染；

3）烟气以及终产物中如果携带残余氨则容易由于氨逃逸造成环境的二次污染。

由于上述问题的存在，导致国内外氨法脱硫在很长一段时间内得不到广泛应用，而各高校以及脱硫研究机构的研究重点也主要集中在上述领域。经过多年的研究以及实际应用改进，上述问题已经基本得到解决，这也是国内氨法脱硫在这几年快速兴起的原因之一。对于氨法运行过程中液氨以及氨水的储存、运输经过多年的摸索，国内已经有成熟可靠的经验以及相应的健全的设计、操作规范来保证安全；同时关于亚盐的氧化问题，由于各项研究表明（NH4）2SO3不易被氧化，在溶液中质量百分比浓度5%左右时可氧化速率最快，所以在国内脱硫氨法设计中一般将其浆液浓度控制在这一范围内。

氨法脱硫主要由如下系统组成：

1）吸收剂供应系统

氨系统的功能是存储系统所需的液氨，制备和存储浓度25%的氨水，将定量的氨水输送到吸收塔。

氨系统布置在脱硫岛以内，以满足防火规范的要求。通常称为氨站。

甲方提供的吸收剂为液氨，推荐吸收剂系统配置如下：

氨站内设置液氨储罐，用来容纳脱硫装置6小时左右的液氨，根据计算，液氨储罐容量为30m3。液氨卸车、倒罐可以采用氨压缩机，也可以利用氨尾气吸收器。

环境温度较高、液氨储罐内压力较高时利用氨尾气吸收器消耗液氨储罐内气氨，使储罐内的压力降低，利用槽车或另一储罐内液氨的压力来完成卸车或倒罐操作。

环境温度较低、液氨储罐内压力较低时，采用尾气吸收器减压后仍然无法获得卸车或倒罐所需的压差，就利用氨压缩机抽取液氨储罐内气氨，升压后注入槽车内，把液氨压入液氨储罐，直到槽车内全部泄空。倒罐时同样操作。

氨压缩机配备有给油器用来提供工作用油，系统利用油分离器除去气氨内混有的油。

为了防止液氨进入氨压缩机，从储罐到氨压缩机的水平气氨管道布置时应向储罐一侧留有适当斜度。

一个氨水合成器被用来制备氨水。该合成器将液氨和软化水混合后直接制成25%的氨水。利用冷却水来带走氨水合成时放出的热量。为了防止氨水合成器工作时换热面结垢，采用软化水作为冷却水源。

氨水储罐内能够容纳脱硫装置6h的氨水耗量，采用氨水储罐容积为60m3。

2）烟气系统

烟气系统的功能是保证烟气能够正常的通过脱硫装置，同时协调FGD装置与锅炉的运行。

锅炉排出的烟气经除尘器除尘后可以通过原烟气烟道利用增压风机升压后进入脱硫装置，完成脱硫后进入烟囱排放，也可以经旁路烟道直接进入烟囱。主系统与旁路系统的切换通过原烟气挡板、净烟气挡板和旁路挡板实现。

进入脱硫装置的烟气合并后进入一级吸收塔，经过初步冷却后进入二级吸收塔，在吸收塔内接受硫铵浆液的洗涤，然后通过除雾装置除去雾滴。净化后的烟气经过烟囱排入大气。

为了保证在停运或检修时，机组能正常、安全可靠的运行，烟气系统设有旁路烟道，同时在旁路烟道入口、原烟气烟道上分别加装隔离档板。

当系统故障时，关闭原烟气进口挡板门，未处理的烟气经旁路烟道挡板门直接进入烟囱排入大气。旁路的设置有利于系统检修，而且在锅炉点火阶段，烟气经旁路烟道挡板门直接进入烟囱排大气，可避免点火阶段烟气中的油滴、炭黑、粉尘进入系统。

自锅炉引风机到吸收塔前的烟道内流动的烟气为高温烟气。自吸收塔出口之后的烟道内流动的烟气为湿烟气。与湿烟气接触部分的烟道需采用防腐处理，采用内涂玻璃鳞片树脂的方式防腐。

3）SO2吸收系统

SO2吸收系统的功能是对烟气进行洗涤，脱除烟气中的SO2，同时去除部分粉尘，并有一定的脱硝功能，浓缩吸收SO2生成的硫酸铵。整套吸收装置至少由2个非独立运行的吸收塔组成。

烟气从一级吸收塔顶部进入，首先经过浓缩区，烟气中的SO2与二级吸收塔来的浆液首先发生顺流接触，烟气中的SO2部分被吸收，喷淋浆液中的水分被热烟气蒸发，喷淋浆液被浓缩后进入一级吸收塔。经过冷却的烟气进入喷淋区，该区域气液顺流接触，本工程设置2层喷淋，喷淋介质为一级吸收塔的循环浆液，烟气中的SO2被初步吸收，一级吸收塔的脱硫效率在40%左右。完成初步冷却和吸收的烟气经过一级吸收塔和二级吸收塔之间的连接烟道进入二级吸收塔；

在二级吸收塔内与喷淋浆液逆流接触，完成剩余部分SO2的吸收，喷淋介质为二级吸收塔循环浆液，本工程共设4层喷淋。完成脱硫后的烟气再经过除雾器去除其中的雾沫夹带，最后由吸收塔顶部排出，通过烟囱排放。

一二级吸收塔底部为浆池，用来容纳硫酸铵浆液，氧化生成的亚硫酸铵，氨水也被注入浆池中。浆池的容积足够保证能够完成亚硫酸铵的氧化和氨水的中和反应，确保进入泵送入喷淋区内的硫酸铵浆液成份稳定，同时为保证氧化空气分布的均匀性以及防止浆液沉积，在浆液池中配置合适数量的搅拌器进行搅拌。

吸收塔采用的是双向喷嘴，优化了浆液浓度、烟气流速等性能参数，以求降低阻力、提高洗涤效果。

吸收塔循环系统包括循环泵、管道系统、喷淋组件及喷嘴，使吸收浆液及原烟气进行充分的接触。这一系统的设计要求是喷淋层的布置达到所要求的覆盖率，从而在适当的液/气比（L/G）下可靠地实现高捕集效率。

循环系统采用单元制设计，每个喷淋层都配有一台与喷淋层上升管道系统相连接的吸收塔再循环泵，从而保证吸收塔内足够的吸收浆液覆盖率。吸收塔配有循环泵。运行的循环泵数量根据锅炉负荷调整。

在一二级吸收塔连接烟道和二级吸收塔塔顶部设置除雾器。

4）硫铵系统

硫铵系统的功能是把硫酸铵结晶从浆液中分离出来。

来自吸收塔下部的50℃左右硫铵浆液首先被泵送到水力漩流器中。固含量高的重组分从漩流器底部分离出来进入离心机，轻组分从漩流器顶部返回吸收塔。在离心机中，通过离心力的作用，硫铵固体被分离出来，母液返回吸收塔。离心分离出来的硫铵经过干燥机干燥后进入自动包装系统完成装袋工作，最后进入硫铵储存库。

硫铵系统停机后需清洗所有的管道、阀门、泵等过流部分，防止硫铵结晶堵塞，方便下次开机。

5）事故浆液系统

第一级吸收塔内的浓缩喷淋系统在系统与电厂消防水系统通过一个自动阀门连通，在系统断电等故障状态时自动阀门打开，电厂消防水进入一级吸收塔顶部作为事故冷却，以保护吸收塔内的设备不受高温烟气的冲击。

本工程不设事故浆液储存系统，在系统需要检修时考虑塔塔互倒。

6）工艺水、冷却水系统

脱硫装置中需要使用电厂两种水源，循环水、除盐水。电厂循环水用于吸收塔内补充水，烟气降温，泵、箱罐等冲洗水等，电厂循环水先储存在工艺水箱中，由工艺水泵升压后送往各用水点。除盐水用于氨水合成装置、风机、循环泵等设备冷却水以及机械密封水，除盐水来自电厂水化车间。

7）压缩空气系统

脱硫用压缩空气来自电厂压缩空气系统，主要用于设备中气动阀门以及CEMS使用。

8）废水处理系统

为维持系统循环浆液中的CL-的平衡，需要从系统中排出废水，由于废水中的CL-主要以NH4Cl形式存在，所以废水排放将利用滤液泵中分离一部分直接喷洒在离心机出来的硫铵滤饼表面，经过干燥后以固态NH4Cl形式进入后级包装系统。

该工艺主要特点如下：

1）采用双塔结构，将SO2的吸收、氧化以及结晶分开，并充分利用热烟气浓缩不饱和吸收液，反应速度快，脱硫效率高；

2）优化设计保证亚盐氧化效果；

3）特殊的吸收塔设计有效控制氨逃逸。

经过改进后的系统对于氨法脱硫系统的关键技术问题的改进：

1）氨作为吸收剂的相关问题

（1）由于氨水有较强的挥发性，挥发气体具有较强的刺激性，在设计、运行过程中需要特别注意；

（2）液氨具有爆炸性，所以其储存以及运输均需要严格按照相关国家标准规范执行。

2）硫铵的相关问题

（1）氨法脱硫的最终产物为硫铵，由于硫铵有吸湿性，同时潮湿的硫铵对钢铁和水泥，尤其是铜具有较强的腐蚀性，所以在最终产物的运输和储存中需要特别注意；

（2）烟气中的粉尘以及其他杂质将直接影响到硫铵的纯度，所以对于上游除尘装置的运行状况需要实时监控。

3）亚盐氧化

由于氨水吸收SO2后生成的亚盐不易被氧化，而未完成氧化的（NH4）2SO3、NH4HSO3又极易分解重新析出SO2和NH3，造成二次污染，所以亚盐氧化一直是氨法脱硫最为重要的问题之一。

（1）催化剂的作用

烟气中重金属离子如Fe3+、Mn2+等对亚盐的氧化有正催化作用，在PH在4左右时，Fe3+具有最佳的催化作用，pH=3时，Mn2+具有最佳的催化作用，实验证明，在浆液中催化剂浓度达到0.02mol/l就可以有效促进亚盐的氧化。

（2）pH的影响

研究表明， NH4HSO3比（NH4）2SO3更容易被氧化，而浆液的pH值直接影响SO2被吸收下来后是以SO32-还是以HSO3-形式存在，这就需要将浆液池控制在较低的PH值范围内，在pH=3～4范围内，即使没有催化剂的作用，亚盐的氧化速率也能达到0.8 kg/m3·h～1.0kg/m3·h，但是由于较低的pH值将不利于SO2的吸收，所以在氨法脱硫过程中一般控制浆液pH在5.2左右。

（3）浆液中盐浓度的影响

研究表明，浆液中的盐浓度对亚盐的氧化率有较大的影响，在较高的亚盐浓度条件下，氧化过程受到氧的溶解度的控制，而氧的溶解度随着亚盐浓度的增加而下降从而导致氧化率的下降；而在亚盐浓度较低条件下，氧化率受到溶解氧与亚盐之间的反应速率控制，此时，随着亚盐浓度的增加氧化率将有所上升。在亚盐浓度5%左右的条件下氧化速率达到最高，所以二级吸收塔内浆液浓度一般控制在5%左右。

（4）氧浓度的影响

烟气中的氧浓度以及氧化空气的供应将直接影响亚盐的氧化，为保证氧化效果，在相同氧供应量条件下，采取各种措施增强氧气分布的均匀性也是提高氧化率的有效手段之一。

（5）浆液温度对氧化的影响

浆液温度升高，亚盐的氧化率将得到快速提高。

（6）需要指出的是，当亚盐氧化率超过50%后，由于浆液黏度的上升、液膜阻力上升从而导致传质速率下降，使氧化越来越困难，所以在系统运行中必须严格注意控制相关参数，确保亚盐的有效氧化。

4）氨逃逸