TS-35型氨法脱硫工业化试验及其经济性分析

全国化工热工设计技术中心站2004年年会论文集109TS-35型氨法脱硫工业化试验及其经济性分析黄亚继1金保升1朱凤松2何新华2夏红2（1.东南大学洁净煤发电和燃烧技术教育部重点实验室，南京2100962.南京市玄武区环保局，南京210096）IndustryExperimentandEconomicAnalysisonTS-35AmmoniaDesuphurizationFacilityHuangYaji1,Jinbaosheng1,ZhuFengsong2,HeXinhua2,XiaHong2(1EducationMinistryKeyLaboratoryonCleanCoalPowerGenerationandCombustionTechnology,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China2NanjingXuanwuEnvironmentalProtectionBureau,nanjing210096,China)[内容摘要]对TS-35型氨法脱硫工艺进行了系统的工业化试验研究，该脱硫工艺对原有锅炉参数影响小，氨水消耗量小，阻力小，能耗低，脱硫效率可达80％，几乎无废水排放，二次污染程度小，适用于中小型锅炉的脱硫，但有可能会加剧锅炉尾部设备的腐蚀。对于大型锅炉，必须考虑副产品硫酸铵的销路和价格问题。通过经济性分析，得出目前实施的排污收费制度存在一定的弊病，有必要完善以总量控制为目标的排放许可权交易制度。[关键词]氨法脱硫；经济性分析；工业化试验；排污收费Abstract:ThetechnologicalprocessofdesulphurizationwithammoniawastestedindustriallyontheTS-35desulphurizationfacility.Thefacilityhaslittleeffectontheboilerparametersandhaveotheradvancessuchaslittlefedammonialiquid,lowsystemresistance,lowenergylosses,highdesulphurizationefficiency,nowastewatertodischargeandnosecondarypollution.Soitfitsthedesulhpurizationofmiddleandsmallscaleindustrialboiler.Butitmaycausemoreendcorrosion.Thesellandpriceof(NH4)2SO4mustbetakenintoaccountonalargescaleindustrialboiler.PresentpollutionchargesystemcanbeseentohavesomedisadvantagesandSO2allowance-tradingsystemmustbeperfected.Keywords:desulphurizationwithammonia,economicanalysis,industryexperiment,pollutionchargesystem1绪论近年来，随着我国经济的飞速发展，能源消耗在急剧增加，由燃煤引起的二氧化硫的排放量一直居高不下。2001年全国二氧化硫排放重量为1947.8万吨，其中工业排放量为1566.6万吨[1]。目前，中国工业锅炉约50多万台，中小型锅炉（1～35t/h）约占80%。工业排放的二氧化硫约有1/3是由中小型锅炉造成的，对锅炉烟气脱硫已成为众多环保专家研究的主要议题。但我国脱硫起步较晚，大规模电厂脱硫仅处于示范阶段。由于经济原因，全国化工热工设计技术中心站2004年年会论文集110不可能在所有的中小锅炉上匹配国外先进的脱硫设备。并且，对于中小型锅炉烟气脱硫，国外也缺乏可以照搬使用的数据作为参考。本文主要目的是针对与35t/h锅炉匹配的氨法脱硫设备进行系统的工业化试验，分析脱硫设备与锅炉之间的相互影响，得出脱硫设备运行参数和由其引起的二次污染程度，最后进行经济性分析，为即将实施的排放许可权交易制度提供参考。2基本参数2.1锅炉和脱硫设备主要技术参数南京跃进集团公司热电厂共有三台型号为UG-35/3.82-M7低压自然循环固态排渣炉排炉，主要是电、蒸汽、供热联产，发电量2400万千瓦时/年，蒸汽量7万吨/年，供热量7万兆焦/年，年耗煤量3万吨/年。锅炉尾部均装有水膜除尘器，除尘效率95％。与2号锅炉匹配的脱硫设备采用镇江远东环保机械设备厂生产的TS－35型氨法脱硫设备，其核心部件是雾化喷头，设计处理烟气量8.4×104m3/h。安装脱硫设备后，形成的除尘脱硫工艺流程图见图1。锅炉出口烟气经文丘里喷淋降温后，在水膜除尘器中除去大部分烟尘，随后进入脱硫设备。脱硫设备采用稀释后的氨水做吸收剂，脱硫原理是喷雾吸收法。雾化的氨水与烟气中SO2进行气－气热交换和瞬时化学反应。在两级旋流板作用下，反应后的液滴或已挥发干的固体颗粒坠落到下部密封水槽内。反应后的烟气由引风机，经烟囱排入大气。水膜除尘器排出的灰水与脱硫设备排出的废液混合进入灰沉淀池。灰沉淀池中的灰水经长时间沉淀后，再由水泵送至文丘里喷嘴和水膜除尘器。图1除尘脱硫工艺流程图2.2燃料特性为研究煤中含硫量对脱硫设备性能的影响，本试验中共采用三种不同含硫量的煤，中硫煤由高、低硫煤均匀掺和而成。试验用煤均为江苏徐州烟煤，三种煤的工业分析和元素分析见表1表1三种煤的工业分析和元素分析工业分析(%)元素分析(%)低位发热量（MJ/kg）全水份内在水份挥发份灰份固定碳碳氢硫氮氧MtMadVadAadFCadCadHadSadNadOadQd氨水浓溶液箱氨水稀溶液箱脱硫设备引风机烟囱水膜除尘器文丘里喷嘴锅炉出口烟气冲灰水灰沉淀池自来水全国化工热工设计技术中心站2004年年会论文集111高硫煤4.292.2425.7433.4938.5351.823.571.420.96.5619.72中硫煤6.322.2127.5528.3240.9256.695.780.611.524.8721.57低硫煤6.211.8429.5119.8248.8362.347.320.412.555.7223.042.3分析方法采用3011H＋比托管平行自动烟尘采样仪测量脱硫设备进出口烟气温度、含湿量、含氧量、露点温度和SO2浓度；烟气中氨气采用次氯酸钠－水杨酸分光光度法（GB/T68204.25-2000）测定；脱硫后的废水中COD、NH3-N和pH值分别采用重铬酸钾法（GB1191489）、滴定法（《水和废水监测分析》第三版）、玻璃电极法（GB6920-86）测定。3试验部分3.1脱硫设备对锅炉运行参数的影响脱硫设备应该能够适应锅炉负荷的变化，尽可能减少对原有锅炉运行参数的影响。增加脱硫设备，无疑会使整个系统压力重新分布。脱硫设备阻力太大时，就需要更换功率大、压头大的引风机。经测试脱硫设备进出口烟气压力，发现该脱硫设备阻力很小（约为30mmH2O），而其它湿法脱硫设备的系统阻力通常在120mmH2O左右[2]，故该脱硫设备运行与否对整个系统压力分布影响很小，整个系统压力平衡点还在高温过热器段附近。不过脱硫设备运行后，排烟温度下降2.2～7.7℃，含湿量增加0.8～1.5%。为了了解脱硫设备对锅炉尾部受热面带来的低温腐蚀问题，本文采用计算管式空气预热器壁温的近似估算公式[3]：5.25.1kywttt；tw为空预器壁温（℃）,ty为排烟温度（℃）,to为冷空气温度（℃）。虽然所测量出的露点温度一般比计算出的tw高15℃，但考虑低负荷等种种原因可能引起壁温的波动，计算出的tw值一般有10～12℃的波动范围[3]，故可以认为增加该脱硫装置可能会加剧锅炉尾部设备的腐蚀。3.2锅炉运行参数对脱硫设备的影响锅炉出口烟气量增加，气液比增加，烟气在脱硫塔中滞留的时间减少，相应的脱硫效率也降低。但烟气量的增加也使得气液扰动加剧，所以随着烟气量的增加，脱硫效率降低的速度减慢，见图2。本次试验中，在调节锅炉负荷时，只改变了给煤机转速，并没有相应改变送风机和引风机功率，加上脱硫设备本身阻力较小，从而使得锅炉出口烟气量变化不大。从图3可以看出，随着锅炉负荷的降低，脱硫设备进口烟气SO2浓度减少，脱硫效率总体上呈上升的趋势；在相同锅炉负荷下，随着煤种含硫量增加，烟气入口SO2浓度也相应增加，脱硫效率呈减少的趋势。全国化工热工设计技术中心站2004年年会论文集112图2烟气量与脱硫效率的关系图3锅炉负荷与脱硫效率的关系3.3脱硫设备自身参数对脱硫效率的影响3.3.1喷氨水量对脱硫效率的影响图4喷入氨水量与脱硫效率的关系图5喷入氨水量与脱硫设备废液pH值的关系喷入氨水量越大，气液比越小，SO2与氨水接触机会相应增加，脱硫效率也相应提高。具体表现在喷入氨水量由350t/h变化为450t/h时，脱硫效率由63.9%变化为80.3%。但随着氨水量的增加，脱硫设备排出废水的pH值呈上升的趋势，说明氨水利用率下降。氨水量由450kg/h变化到650kg/h时，脱硫效率只增加了4.5%。不过喷入氨水量过低时，脱硫效果也不理想。氨水喷入量为250kgt/h时，脱硫效率只有25.3%，脱硫设备排出废水呈很强的碱性（pH值为10.1），原因是喷入的氨水量不足以将雾化喷头很好的雾化，以致形成很大的液滴，气液接触面积减少，液滴停留时间减少，从而脱硫效率降低，氨水利用率反而下降。由图5可知，该脱硫设备最佳耗氨水量在450kg/h左右。3.3.2氨水浓度对脱硫效率的影响氨水浓度增加，在气液比一定的情况下，影响脱硫效率的液态氨侧的传质速度加快，缩短了氨与SO2反应时间，脱硫效率相应提高，但脱硫后的废水pH值也相应提高（见图6和图7）。6570758025t/h30t/h35t/h脱硫效率（％）锅炉负荷（t/h)高硫煤中硫煤低硫煤8.58.07.57.06.56.0707580燃烧中硫煤入口SO2浓度为1245ppm脱硫效率（％）脱硫设备入口烟气量（Nm3/h)20030040050060070020406080氨水密度为978kg/m3锅炉负荷35t/h燃烧高硫煤，入口烟气SO2浓度1875ppm脱硫效率η（％）喷入氨水量（kg/h)2003004005006007009.49.69.810.010.2入口氨水浓度为978kg/m3锅炉负荷35t/h燃烧高硫煤，入口烟气SO2浓度1875ppm脱硫设备废水pH值喷入氨水量（kg/h)全国化工热工设计技术中心站2004年年会论文集113图6氨水密度与脱硫效率的关系图7氨水密度与脱硫塔废水pH值的关系氨水浓度对脱硫效率影响比较明显。氨水密度为0.994×103kg/m3（对应氨水浓度0.570mol/L）时，脱硫效率为65.1％，当氨水密度变化到0.964×103kg/m3（对应氨水浓度4.69mol/L）时，脱硫效率为83.2%，但当氨水浓度进一步增加时，脱硫效率提高并不太明显。如氨水密度从0.964×103kg/m3变化到0.928×103kg/m3时（也就是氨水浓度从4.69mol/L增加到14.88mol/L），脱硫效率只增加6.4%。所以在实际运行时要兼顾脱硫效率和氨水成本两个方面。3.3.3入口SO2浓度对脱硫效率的影响当氨水浓度和流量一定时，脱硫设备入口SO2浓度增加，出口SO2浓度也相应增加，脱硫效率随入口SO2浓度的增加而降低（见图8）。但也可以看出随着进口SO2浓度的增加，脱硫塔废水pH值呈下降的趋势，说明氨水利用率增加（见图9）。图8入口烟气SO2浓度与脱硫效率的关系图9入口SO2浓度与脱硫塔废水pH值的关系3.4氨法脱硫带来的二次污染考虑到氨法脱硫会带来二次污染，本次研究中还测定了烟气中NH3含量和排出废水中NH3-N、COD含量。所有工况下，测得的烟气中NH3含量都很低（大概在1.0ppm）。造成烟气中NH3含量低的原因有：（1）脱