氨法脱硫工艺存在的问题及应对措施

1氨法脱硫工艺存在的问题及应对措施栾辉，唐智和，翟小娟，何为摘要本文介绍了氨法脱硫工艺国内外发展及应用现状，对其工艺原理、工艺流程以及技术优势进行了详细的论述。针对氨法脱硫技术在应用过程中存在的脱硫剂消耗大、氨逃逸、气溶胶难以消除、亚硫酸铵氧化慢、硫酸铵结晶、氯离子富集难等典型问题进行详细地总结与分析，并提出了行之有效的应对措施及建议。关键词氨法脱硫问题措施Abstract:Thispaperintroducesthedevelopmentandapplicationofammonia-baseddesulfurizationprocessathomeandabroad,discussesthetechnicalprinciple,processflowandtechnologicalsuperiorityindetail.Giveselaboratesummaryandanalysisofthetypicalproblemsofammonia-baseddesulfurizationtechnologywhichexistinapplicationprocess,includinghugedesulfurizingagentconsumption,seriousammoniaescapement,slowammoniumsulfiteoxidation,thedifficultiesofaerosolelimination,ammoniumsulfatecrystallizationandthechlorideionconcentrationetc.Thenputsforwardtheeffectivemeasuresandsuggestions.Keywords:ammonia-baseddesulphurization,problems,measures作者简介：栾辉，2009年毕业于中国石油大学（北京）环境科学专业，硕士，现在中国石油安全环保技术研究院HSE检测中心工作，主要从事污染源在线监测系统运维管理工作。通信地址：北京市昌平区沙河镇西沙屯桥西中国石油创新基地A座，10220620引言我国是一个以煤炭为主要能源的国家，根据《BP世界能源统计（2011-2014）》结果，2013年煤炭在我国能源结构中的比重达67%。2012年，我国煤炭消费总量首次超过全球消费总量的一半，达到50.2%。我国煤炭消费的80%用于直接燃烧，而煤炭热值低、含硫高的特点，使我国二氧化硫和氮氧化物排放总量居高不下。[1]煤炭燃烧所产生的二氧化硫、氮氧化物、烟尘等有毒有害物质，极易引起酸雨、温室效应、雾霾以及臭氧层破坏等环境问题，对人类的生产、生活以及身体健康造成严重破坏与影响。[2-3]近年来，虽然我国二氧化硫排放总量整体呈不断下降趋势，但是年度二氧化硫排放总量还是在2000万吨以上，居全球首位。[4]为了控制二氧化硫排放量，减少其对人类生存环境的破坏，烟气脱硫技术逐渐兴起和发展，而氨法脱硫工艺因其脱硫速度快、效率高、装置停开车时间短、脱硫产品经济价值高等优点，逐渐成为一项较为成熟的主要脱硫技术。20世纪70年代，KrouKroers公司开发出了氨-硫酸铵法脱硫工艺。[5]随着氨法脱硫工艺不断改进与完善，20世纪90年代以来，氨法脱硫不断得到推广和应用。国外研究和推广氨法脱硫的公司有GE、KrouKroers和千代田等，主要集中在美国、德国和日本；国内氨法脱硫厂家主要有江南环保、华东理工大学等。目前，国内最大的氨法脱硫项目是天津永利电力公司的60MW机组烟气脱硫装置。[6]1氨法脱硫工艺简介1.1工艺原理氨法脱硫是气液两相之间相互传质传热并发生化学反应的过程，主要的反应原理如下：3SO2＋H2O＋2NH3=(NH4)2SO3……………………（1）(NH4)2SO3＋SO2＋H2O=2NH4HSO3……………（2）NH4HSO3＋NH3=(NH4)2SO3………………………（3）(NH4)2SO3＋1/2O2=(NH4)2SO4……………………（4）2(NH4)2SO3+2NO=2(NH4)2SO4+N2………………（5）式（2）为吸收SO2的主要反应，整个脱硫反应中，(NH4)2SO3对SO2的吸收起主要作用。随着反应的进行，(NH4)2SO3浓度会逐渐下降，NH4HSO3浓度逐渐上升。为了保持脱硫循环液的吸收能力，需向浆液池中注入氨水使NH4HSO3转化为(NH4)2SO3。浆液中的(NH4)2SO3浓度升高后，为了避免生成的(NH4)2SO3重新分解成SO2，(NH4)2SO3被氧化风机鼓入的氧化空气强制氧化为(NH4)2SO4。由于气态二氧化硫、氨气和水反应生成的(NH4)2SO3悬浮物容易导致气溶胶的形成。因此，在整个反应过程中，需将浆液中(NH4)2SO3和NH4HSO3的比例控制在合适的范围内，以保证氨法脱硫系统的脱硫效率和减少出口“氨逃逸”量。1.2工艺流程现目前国内氨法脱硫技术所采用的工艺存在一定差异，但是基本可以分为烟气吸收反应系统、吸收剂供给系统、硫酸铵分离系统、循环液循环系统、工艺水系统、压缩空气系统以及电气系统。[7]具体工艺流程详见图1。4图1氨法脱硫工艺流程图1.3技术优势氨法脱硫技术与其他脱硫技术相比，具有以下几个方面的技术优势：1.3.1脱硫塔不易结垢，系统阻力小脱硫剂氨及产物硫酸铵均具有较高的化学活性，易溶解于水，因此脱硫塔不易结垢，系统总阻力约为1250Pa[8]，利用原系统风机即可。1.3.2对煤中含硫量适用性广氨法脱硫技术对煤中含硫量适用性广，低、中、高含硫煤均能较好的适应，对中、高硫煤脱硫效果更好。与石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术相比，煤中含硫量越高，石灰石用量越大，费用越高，而氨法脱硫采用废氨水或氨水作为脱硫剂，煤中含硫量越高，其副产品中硫酸铵产量越高、纯度越好，经济效益越大。51.3.3系统占地面积小，能耗低氨法脱硫的脱硫剂氨是一种良好的碱性吸收剂，脱硫过程中氨与二氧化硫反应是一个典型液-气反应的化学过程，反应速率、反应完全且脱硫剂利用率高。与钙法脱硫相比，氨的碱性强于钙基吸收剂，无需配套建设研磨、雾化、循环等用于提高脱硫剂利用率的设备，故氨法脱硫系统结构简单、占地面积小、运行能耗低。1.4氨法脱硫工艺脱硫效率的影响因素1.4.1氨水喷嘴的角度与数量氨水雾化效果与脱硫效率具有较大的相关性，雾化效果越好，氨水与烟气接触面积越大，二氧化硫脱除效率越高。对于同等的烟气量，不能简单地通过增加氨水量提高脱硫效率，而应通过最大限度的提高喷雾技术质量，增加气液接触面积实现脱硫效率的提高。超微液滴与大的覆盖面积是关键。洗涤塔内烟气分布不均匀，不同区域二氧化硫浓度存在较大差别，并且塔内烟气流速与喷入氨水密度之间存在分配不均匀的矛盾，导致脱硫效率整体水平不高，因此，须通过合理设置氨水喷嘴角度和数量来消除此类问题，使脱硫效率整体水平得到提高。1.4.2脱硫塔温度的影响脱硫塔内烟气温度与脱硫效率存在较大的相关性。车建炜等人对常温至95℃范围内脱硫塔脱硫效率与脱硫反应温度之间的关系进行了研究，研究结果表明，低温状态下二氧化硫脱除率较高，随温度上升，脱除率下降；温度继续升高，脱除率则开始上升；当温度达到70±5℃时，脱除率最低。他们认为在氨法脱硫工程实际应用过程中，脱硫塔内温度宜控制在60℃以下或在80℃以上，才能有效保证烟气6脱硫效率。[9]1.4.3氨水喷入量的影响氨水喷入量越大，烟气与氨水接触面积越大，脱硫效率越高，但随着氨水量增加，脱硫效率增加缓慢并趋于稳定；但是脱硫设施外排废液pH升高，当pH大于7时，表明氨水利用率开始下降，随之将会出现氨逃逸、外排废气气溶胶增加、脱硫副产品硫酸铵质量下降等问题。因此，氨水喷入量不是越多越好，要根据脱硫设施入口二氧化硫监测浓度、脱硫设施运行状态等实际情况确定。1.4.4氨水浓度的影响在氨水喷入量一定的情况下，氨水浓度增加，氨侧传质速度加快，氨与二氧化硫反映时间缩短，脱硫效率提高，但是氨消耗量增加。当选用低浓度氨水时，氨水雾化效率较高，氨水利用率增大，避免出现氨水浪费的情况，但是脱硫效率低于高浓度氨水。因此，在实际生产过程中，要综合考虑脱硫效率和氨水成本两个方面来确定氨水浓度。1.4.5用水水质的影响当脱硫设施温度连续超过50℃时，脱硫设施用水中的钙、镁等离子会在管路中结垢，造成堵塞，使氨水喷入量降低，脱硫效率下降，甚至出现脱硫设施因堵塞停工的情况。不同地区水中钙镁离子浓度不同，因此脱硫设施用水要充分考虑水质的具体情况。1.4.6烟气速度的影响对气膜吸收系数准数关系分析可以得出，烟气气速对传质也有影响，而气速与脱硫塔直径密切相关，江南环保徐长春报道反应段气速一般控制在3m/s以上，才能够保证脱硫效率高于90％，技术人员在设计上采用气速数据要根据经验和具体情况确定。71.4.7循环液pH值的影响pH值是脱硫塔运行控制的重要参数之一。循环脱硫液组成和性质对传质影响甚大，根据循环脱硫液pH值可以对所可能含有组分进行判断分析，进而控制脱硫塔运行状况。用氨水吸收二氧化硫反应十分迅速，影响总反应速度的控制因素是二氧化硫的水化反应[10]，水化反应受气膜传质控制，当吸收液pH值为中等或偏高时，二氧化硫易溶于氨水溶液，膜阻力很小，当pH值低时，膜阻力较大。丁红蕾、苏秋凤等[11]研究发现，适宜的湿式氨法脱硫循环液pH值应在5.5~6.0之间，这样既可以保证高的脱硫效率，同时也可减少氨逃逸量。2存在问题及应对措施目前，国内氨法脱硫技术普遍存在脱硫剂消耗大、氨逃逸严重、气溶胶难以消除、亚硫酸铵氧化慢、硫酸铵结晶难等问题，这些问题的存在制约了氨法脱硫技术的进一步推广应用。2.1氨逃逸与气溶胶HJ2001-2010《火电厂烟气脱硫技术规范氨法》要求“脱硫系统运行时，吸收塔出口单位烟气体积中氨的质量应小于10mg”，而氨和铵盐类又是气溶胶的主要成分。[12]2012年1月1日新的GB13223-2011《火电厂大气污染物排放标准》正式实施，标准要求新建燃煤锅炉二氧化硫排放要低于100mg/m3，现有燃煤锅炉二氧化硫排放要低于200mg/m3。面对更为严格的污染物排放标准，使用氨法脱硫工艺的企业通常选择加大喷氨量来提高二氧化硫的脱除效果，从而实现二氧化硫的稳定达标排放，但是过量氨水的加入，会使氨逃逸及气溶胶问题更加严重。笔者在2015年10月对某企业自备电厂氨法脱硫出口烟气中二氧化硫、氨、硫酸铵等污染物进行了连续6天的人工测定，测试期8间二氧化硫排放浓度介于21.0~41.0mg/m3，均值为34.6mg/m3，二氧化硫排放浓度能够满足GB13223-2011《火电厂大气污染物排放标准》要求，但是同步测定的氨排放浓度介于13.4～185.4mg/m3之间，均值为110.5mg/m3，硫酸铵浓度介于134.7～245.2mg/m3之间，均值为195.9mg/m3，外排烟气中的氨不能满足HJ2001-2010《火电厂烟气脱硫工程技术规范氨法》的限值要求，氨逃逸及气溶胶的问题严重。王志雅经过研究认为通过以下技术措施可以有效解决氨逃逸和气溶胶的问题：（1）选择合理的液气比，一般选择5~7，既可以有效控制氨逃逸，又能降低脱硫设施能耗水平；（2）在保证充分的氧化风量前提下，精确计算选择风机压头，实现亚硫酸铵、亚硫酸氢氨的充分氧化；（3）设置双塔流程，有效阻断强酸型气溶胶形成过程；（4）合理选择加氨位置，减少游离氨含量；（5）设置氨回收段，使用喷淋水吸收游离氨，降低游离氨浓度；（6）在尾气外排口安装静电除尘器，改善外排烟气质量，减少硫酸铵等气溶胶外排。[13]2.2亚硫酸铵氧化慢、硫酸铵结晶难氨法脱硫生成的亚硫酸氢氨、亚硫酸铵是不稳定的化合物，需要进一步氧化生成稳定的硫酸铵，若缺少氧化或者氧化不充分，亚硫酸氢氨、亚硫酸铵会在一定的条件下，分解为二氧化硫和氨气，这会造成氨逃逸量增加，同时二氧化硫排放超标。目前，氨法脱硫工艺中一般采用向脱硫浆液直接空气进行氧化，有管网布气和喷枪布气两种方式。陈枝等研究发现氧化空气