氨法湿法烟气脱硫技术的应用

殷延星，韩 宜，贺丽岩，马剑飞

(河南煤气(集团)有限责任公司义马气化厂，河南义马 472300)

豫西某大型化工企业1、2号锅炉均为130 t/h燃煤锅炉，于2001年建成投产，原来采用水膜除尘器内氨法脱硫方式，以脱除烟气中二氧化硫。为了达到清洁生产的目的，满足国家环保总局颁布的《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)对烟气排放要求，该企业对1、2号锅炉烟气系统进行了脱硫技术改造。

1 改造方案

拆除原有水膜除尘器及内脱硫设施，采用两台锅炉共用一套脱硫系统，即“两炉一塔”方式。在锅炉引风机后增加了脱硫吸收塔，利用企业自产的8%～10%的氨水作为脱硫剂进行烟气二氧化硫脱除，脱硫后生产的亚硫酸铵溶液送至硫酸铵工段，经过预处理、氧化、蒸发、结晶、干燥等步骤，生产出合格的硫酸铵产品。改造增加烟气旁路系统、烟气挡板门，以满足对脱硫系统的隔离检修。经脱硫后的合格烟气，通过烟囱达标排放。

2 改造工艺

改造工艺主要由以下各系统组成:烟气脱硫、亚硫酸铵氧化、硫酸铵回收等，具体如图1所示。

图1 氨法脱硫工艺示意图

2.1 烟气脱硫

锅炉烟气进入脱硫塔后直接与脱硫剂进行反应，脱硫塔底的亚硫酸铵经脱硫循环泵，到塔上部的两层喷淋层，经高效喷嘴雾化后形成高度叠加的喷淋区与烟气中的SO2等酸性气体进行吸收反应。生成的亚硫酸氢铵落入脱硫塔下部和氨水重新生成亚硫酸铵。如此循环往复，SO2气体被大量吸收，使烟气得到净化。根据pH值，把合格的亚硫酸铵液送入亚硫酸铵罐储存。

净化后烟气再经升气帽进入清洗段，由循环喷淋的清水对烟气中所含的残余二氧化硫、逃逸氨及气溶胶进行吸收，同时对雾沫进行洗涤。

清洗后的烟气经脱硫塔顶部除雾/沫器除去烟气中残余的雾沫后，经烟道进入烟囱排放。烟气中的水雾及液滴均被阻挡沿塔壁流至升气帽，此时脱硫、除雾过程完成。脱硫过程主要化学反应如下:

2.2 亚硫酸铵氧化

亚硫酸铵罐中储存的一定浓度的亚硫酸铵溶液经亚硫酸铵泵打出，进入硫酸铵工段的氧化器，与氧化循环泵自吸的空气进行两级射流强制氧化，生成硫酸铵溶液。该过程发生的化学反应如下:

2.3 硫酸铵回收

氧化后生成的硫酸铵溶液送入蒸发器进行浓缩，再经过结晶、干燥等程序生产出硫酸铵产品。

3 选择工艺的特殊性

根据实际情况，脱硫系统采用了有针对性的工艺设计，以满足脱硫的需要。

3.1 独特设计保证高脱硫效率

脱硫塔采用独特的二级脱硫工艺:一级脱硫采用多层喷淋设计，循环脱硫液经高效喷嘴雾化后形成高度叠加的喷淋区与烟气中的SO2等酸性气体进行吸收反应;二级脱硫利用清水对烟气进行洗涤，将残留的氨及亚铵洗掉，确保了总脱硫效率可以达到97%以上。

脱硫塔内部采用了加大循环脱硫液喷淋密度的设计，而并非单纯增加循环量和液气比，避免循环泵选型过大，造成电量过度消耗等现象。同时喷淋层喷嘴采用交叉错位设置，使烟气无死角的在脱硫塔内通过，保证SO2完全和循环液(亚硫酸铵)接触反应。循环脱硫液pH值控制为弱碱性，利于酸性SO2循环吸收。酸性SO2气体与碱性循环液接触，反应迅速，循环往复，SO2脱除效率极高。

3.2 独立完全强制氧化保证硫酸铵产品质量

本工艺技术采取脱硫塔外独立氧化系统，独特氧化器设计保证亚硫酸铵氧化成硫酸铵的氧化率接近100%。氧化器为二级射流及喷射再生强制循环氧化，采用二级氧化的方法:一级预氧化、二级循环氧化，均使气—液强制混合，气液接触充分，顺逆流接触;特殊工艺使氧气以独特的气溶胶形式存在，与浆液充分接触，氧化率近100%;后级回收的硫酸铵产品中几乎不含有亚硫酸铵成分，使得回收的硫酸铵产品回收率高且品质纯正。

3.3 先进节能理念降低运行成本

首先是节省动力。烟气脱硫系统主要动力消耗设备为脱硫循环泵。本工艺技术脱硫塔内环境为低液气比、弱碱性(pH值＞7)、非饱和状态，利于酸性SO2的循环吸收，没有无谓的空循环存在;高效雾化喷嘴布置增大循环液喷淋密度。以上设计均大大节约循环泵的动力消耗，与同类的湿式氨—硫酸铵回收法脱硫技术相比，本工艺脱硫循环泵的动力消耗可以节约40%～60%。

采用二级射流及喷射再生强制循环氧化法，利用喷射器自身带入的空气氧化亚硫酸铵。此种氧化工艺较普通氧化风机氧化工艺电耗直接降低了近30%，同时大大降低了设备运行产生的噪声。

3.4 排烟温度以及气溶胶问题的解决

脱硫系统的排烟温度控制不容忽视。排烟温度过低会造成烟囱酸性腐蚀;排烟温度过高容易造成氨以气态形式和亚硫酸铵以气溶胶形态逃逸。气溶胶的产生不仅会大大降低亚硫酸铵的回收率，而且严重影响烟气的粉尘排放浓度。

脱硫塔内的气溶胶问题主要由脱硫后的亚硫酸铵夹带在烟气中所引起，对此主要的解决办法为控制脱硫循环液为低密度、非饱和状态，加大循环量吸收烟气中的亚硫酸铵。

采用较低的液气比，加大循环液中亚硫酸铵溶液的量，系统设计排烟温度可以实现调节，确保烟气在工艺所需温度范围内排放。

4 工艺要点

氨法脱硫技术的核心理念就是如何提高氨的利用率，降低氨的逃逸;提高脱硫副产物硫酸铵产品的回收率。在满足脱硫效率的前提下，提高脱硫剂的利用率;控制适宜的排烟温度;解决气溶胶问题;保证硫酸铵的回收率以及硫酸铵的品质;做好设备防腐和防堵塞措施。

4.1 脱硫剂利用率

该套氨法脱硫工艺采用“欠氨法”控制理念，以提高氨的利用率和防止脱硫剂的逃逸。

4.1.1 通过氨水加入方式，减少氨挥发

氨水分子结构不稳定、易挥发，如与烟气接触后极易随着净烟气排放，造成新的污染。本工艺采用独特的氨水补入方式，氨水仅作为启动脱硫剂，不与烟气直接接触，亚硫酸铵为脱硫塔内主要脱硫剂。

氨水直接加入至亚硫酸铵罐内(补充氨水的总量严格按照氨水与SO2物质的量比2∶1控制)，与脱硫生成的亚硫酸氢铵反应，形成亚硫酸铵，进入喷淋系统的脱硫液的主要成分为亚硫酸铵溶液，而不是氨水。避免氨水进入雾化喷淋系统，减少其与烟气直接接触的机会，此举能够大大减少脱硫剂氨的损耗，提高脱硫剂的利用率。

4.1.2 通过脱硫塔内环境控制，避免亚硫酸铵以气溶胶逃逸

通过控制脱硫系统pH值，确保循环液为弱碱性亚硫酸铵溶液;通过密度控制仪，保证控制集液池内亚硫酸铵溶液为低密度、非饱和状态，避免亚硫酸铵晶体以气溶胶的形态逃逸。

4.1.3 控制排烟温度，降低脱硫剂的逃逸几率

过高的排烟温度不仅容易造成亚硫酸铵分解为NH3·H2O和SO2，还会使氨以气态形式及亚硫酸铵以气溶胶形态的逃逸，降低亚硫酸铵的回收率。适宜的排烟温度能够有效破坏气溶胶的形成条件，降低脱硫剂逃逸几率。

4.1.4 控制脱硫塔内低上升气速

烟气在脱硫塔内以低气速上升，减少烟气雾沫夹带情况的发生，同时破坏了气溶胶形成的条件。

4.1.5 烟气中残余氨的清洗

选择合适的液气比，加大循环液的喷淋密度，而并非单纯的提高液气比、增大循环量，将烟气中可能带出的残余的氨洗掉，流入塔底集液池内，继续循环喷淋利用。

4.1.6 除雾/除沫器和塔顶除雾板层层阻挡氨及气溶胶逃逸

净化后的烟气中氨含量≤10×10-6(即8 mg/Nm3，干态)，硫酸铵回收率达到95%以上。

4.2 硫酸铵品质

利用蒸发器控制来保证晶形。硫酸铵溶液用蒸发器来结晶浓缩，可使硫酸铵晶体更加均匀、洁白，无杂质硫酸铵的品质可以达到更高，自身价值也得到提升。利用高氧化率保证硫酸铵有效含氮量。硫酸铵中含有氧化不完全的亚硫酸铵，使产品测定含氮量远超出国家范围，实际则不达标。亚硫酸铵不是化肥，且危害农作物生长!本工艺采用硫酸铵独立、完全、强制氧化工艺，保证了化肥品质。

4.3 脱硫系统设备防腐蚀措施

4.3.1 弱碱性脱硫环境

脱硫塔底部积液池利用pH值控制仪，将其pH值控制在弱碱性(pH值＞7)，克服了其他氨回收法控制脱硫塔内酸性(pH值＜6)条件对脱硫塔本体和管网的酸性腐蚀。

4.3.2 脱硫系统设备材质选择

4.3.2.1 塔体及液体容器

脱硫塔及液体容器选材具有抗磨损、耐酸碱、耐腐蚀、耐高温、防渗漏、使用寿命长等特点的材质，能承受烟气飞灰和脱硫工艺固体悬浮物的磨损及腐蚀，有效满足了脱硫工艺的工艺特点。

4.3.2.2 泵的选取

系统选用的各类泵均按其接触介质的性质选用2205双相不锈钢，有效满足了系统耐腐蚀、耐磨损的要求。

5 主要设备配置及选型

5.1 烟气系统

烟气系统由烟道、烟气挡板、膨胀节等组成。烟气系统将未脱硫的烟气引入脱硫装置，脱硫后的洁净烟气经烟囱排放。进入脱硫装置的烟气通过脱硫装置入口的挡板门实现流量控制。烟气系统的压降通过引风机的余压克服。

烟道根据可能发生的最差运行条件(例如:温度、压力、流量、湿度等)进行设计。烟道用钢板制成，能承受所有荷重条件，并且采用气密性的焊接结构。烟道壁预留腐蚀余量，总体上最小壁厚为6 mm，内部尺寸精度在±0.5%的公差之内。烟道的走向满足冷凝液的排放，不产生积水。烟道设低点位排水设施和防止积水的措施。膨胀节和挡板不布置在低位点。采用双挡板气密隔离风门，在装置停运期间避免上游腐蚀气体对烟道的腐蚀，烟道顶部覆盖顶板。顶板能支撑人的行走荷重和至少150 kg的局部荷重，顶板有2°左右的坡度，以便排水。烟道外部充分加固和支撑，以防止颤动和振动，并且满足在各种烟气温度和压力下能稳定的运行。烟气系统的设计保证灰尘在烟道的沉积不会对运行产生影响，在烟道低位设置清灰装置。脱硫装置烟道接口推力和力矩不传递到水平总烟道和烟囱上，热膨胀通过膨胀节进行调节。

烟气挡板能承受各种工况下烟气的温度和压力，并且不会有变形或泄漏。挡板和驱动装置的设计能承受所有运行条件下工作介质可能产生的腐蚀。烟道挡板具有快速开启的功能，其开启时间不会引起锅炉炉膛压力的波动。烟气挡板能够在最大的压差下操作，并且关闭严密，不会有变形或卡涩现象，而且挡板在全开和全闭位置与锁紧装置相匹配，烟道挡板的结构设计和布置能使挡板内的积灰减至最小。每个挡板的操作灵活方便和可靠。

膨胀节用于补偿烟道热膨胀引起的位移，膨胀节在各种条件下能吸收设备和管道的轴向和侧向位移，以保护设备和管道免受损害和变形。所有膨胀节均能承受烟气高温，不会造成损害和泄漏。膨胀节根据系统内的最大和最小压力设计。位于水平烟道段的接触湿烟气的膨胀节设排水孔。排水返回到FGD区域的集水坑，满足环保废水零排放的要求。

5.2 脱硫塔

脱硫塔是整个脱硫系统最主要的设备，采用空塔喷淋。为保证达到95%以上的脱硫效率，在设计上采用二级脱硫吸收工艺:一级吸收为雾化喷淋层吸收，二级为尾气洗涤系统，确保净化后的烟气达标排放。脱硫塔选用的材料为碳钢内衬防腐层，并且能承受烟气飞灰和脱硫工艺固体悬浮物的磨损。脱硫塔设计成气密性结构，防止液体泄漏。脱硫塔材质能有效满足本脱硫工艺的特点，具有良好的抗磨损、耐酸碱、耐高温、防渗漏的性能要求。

除雾器是脱硫塔的重要部件，本工艺设计采用二级除雾/沫器，第一级除去较大的液滴，第二级能够除去剩余雾沫夹带的小液滴。除雾/沫器安装在脱硫塔烟气出口处，用以分离净烟气夹带的雾滴。除雾器能承受高速水流，特别是人工冲洗时高速水流的冲刷、冲击。

5.3 脱硫塔循环泵

脱硫塔设两套循环泵:一套脱硫循环泵将浆液送至塔内循环喷淋层喷嘴;一套洗涤循环泵用于尾气洗涤。

6 控制系统

脱硫系统操作控制采用DCS。根据喷淋液的pH值，自动调节加入氨的量。对SO2吸收液的pH值分段控制，有利于SO2的吸收、降低净烟气中SO2的浓度，并可有效抑制气相中游离氨的逃逸。

另外，烟气系统挡板门的操作引入DCS系统，驱动挡板的电动执行机构可进行就地配电箱(控制箱)操作和脱硫装置DCS远方操作，开度信号与锅炉联锁，挡板位置和开、关状态反馈进入脱硫装置DCS系统。

7 实际应用效果

经过改造，氨法湿法脱硫系统于2011年3月底投入使用，运行状态稳定，对锅炉的负荷以及燃烧调整均无任何影响。在正常连续运行半年后，对脱硫效果进行了监测，结果见表1。

表1 烟气二氧化硫监测结果

由表1可见，氨法湿法脱硫技术完全可满足排放烟气二氧化硫含量＜200 mg/m3的环保要求。同时，采用“两炉一塔”脱硫方式比“一炉一塔”脱硫仅设备投资可减少约500万元。

8 结束语

实践证明湿式氨法脱硫工艺，具有投资省，占地面积小，脱硫效率高，对于烟气SO2排放均可按照GB13223-2003实现达标排放，该技术是一种科学、可靠、先进的技术。同时具有脱氮和除尘功能，生成物可以提取高纯度硫酸铵化肥，从而实现“以废制肥，变废为宝”，可实现环境治理的“正效益”，具有极高的技术推广价值和商业效益。但改造方法要因地治宜、结合实际，根据不同的工况选择不同的改造方法。