氨法煙氣脫硫工藝在燃煤鍋爐的應用

朱焱松，任恒昌，李彥林

（克拉瑪依石化公司熱電廠，新疆 克拉瑪依 834003）

氨法煙氣脫硫工藝在燃煤鍋爐的應用

朱焱松，任恒昌，李彥林

（克拉瑪依石化公司熱電廠，新疆 克拉瑪依 834003）

介紹了氨法脫硫技術在國內外的應用情況以及氨法煙氣脫硫工藝的工作原理和工程應用難點；分析了熱電廠煤粉鍋爐煙氣脫硫的工藝路線特點及新型氨法脫硫工藝應用后取得了的顯著效果；提出了氨法脫硫工藝存在的問題和發展前景。

氨法脫硫;熱電廠;燃煤鍋爐;應用;工程實踐

1 國內外氨法煙氣脫硫技術應用現狀

氨法煙氣脫硫工藝是采用NH3做吸收劑去除煙氣中SO2的工藝，問世于20世紀30年代。20世紀70年代初，日本與意大利等國開始研制氨法FGD工藝并相繼獲得成功，但由于技術經濟等方面的原因，在世界上應用較少。進入90年代后，隨著技術的進步和對氨法煙氣脫硫觀念的轉變，氨法煙氣脫硫技術的應用呈逐步上升的趨勢。

在我國，氨法煙氣脫硫技術最先是在硫酸行業得到應用，20世紀70年代初，四川銀山磷肥廠建成了一套氨法脫SO2裝置。但在燃煤煙氣脫硫領域，氨法的發展非常緩慢。2005年，國家發改委氨法煙氣脫硫技術考察團赴美國進行了考察后，建議國家在大型火電機組或者化工、煤氣聯合企業中的燃燒煙氣設備上，建設氨法煙氣脫硫示范工程。但由于原料比較昂貴等原因，目前國內的大型火電鍋爐仍然沒有采用氨法煙氣脫硫工藝。

2 氨法煙氣脫硫工藝

2.1 氨法煙氣脫硫工藝原理

氨法煙氣脫硫的工作原理是，將氨水通入吸收塔中，使其與含SO2的煙氣接觸，發生如下反應：

在通入氨量較少時發生①反應，在通入氨量較多時發生②反應，而式③表示的才是氨法中真正的吸收反應。在吸收過程中所生成的酸式鹽NH4HSO3對SO2不具有吸收能力，隨吸收過程的進行，吸收液中的NH4HSO3含量增加，吸收液吸收能力下降，此時需向吸收液中補充氨，發生④反應使部分NH4HSO3轉變為(NH4)2SO3，以保持吸收液的吸收能力。

因此氨法吸收是利用(NH4)2SO3-NH4HSO3的不斷循環的過程來吸收煙氣中的SO2，補充的NH3并不是直接用來吸收SO2，只是保持吸收液中(NH4)2SO3的組分量比。在吸收塔下部鼓入空氣，發生⑤反應，氧化亞硫酸銨，生成硫酸銨。當吸收液達到一定濃度時，要不斷從洗滌系統中引出，然后用不同的方法對引出的吸收液進行處理，生產出不同的副產品。

綜上所述，(NH4)2SO3-NH4HSO3溶液中的(NH4)2SO3與NH4HSO3的組成狀況對SO2吸收影響很大，而控制吸收液組份的重要依據是吸收液上的SO2和NH3的分壓。在實際的洗滌吸收系統中，由于氧的存在使部分(NH4)2SO3氧化為(NH4)2SO4，氧化的結果使氨的有效濃度變低，于吸收不利。實際煙氣脫硫工業應用中，pH值是最易直接獲得的數據，而pH值又是(NH4)2SO3-NH4HSO3溶液組成的單值函數。控制吸收液的pH值，就可獲得穩定的吸收組分，也就決定了吸收液對SO2的吸收效率以及相應NH3的消耗。

2.2 氨法煙氣脫硫工藝類型

目前的典型工藝路線包括：美國的GE環境系統工程公司（被美國瑪蘇萊公司收購）、德國的Lurgi Lenjets Bischoff公司、日本的NKK鋼管公司等。GE氨法煙氣脫硫工藝主要分為預洗滌、SO2吸收、亞硫酸銨氧化和結晶4個工序。其工藝流程為：含硫的煙氣進入洗滌塔降溫，降溫后的煙氣進入噴淋吸收塔，煙氣中二氧化硫在吸收塔被含有氨水的循環漿液吸收，最后煙氣從煙囪排放。Bischoff氨法工藝與GE氨法較為相似，主要差別是Bischoff氨法煙氣脫硫工藝中增加GGH（換熱器），利用原煙氣加熱凈煙氣，加熱后凈煙氣溫度達到90℃從煙囪排放。NKK氨法分為SO2吸收、亞硫酸銨氧化和硫酸銨蒸發結晶3個工序。硫酸銨結晶工序：NKK采用了單效蒸發結晶，再經過離心過濾、干燥，得到結晶狀的高質量硫酸銨。干燥部分采用了氣流干燥機，熱源為電加熱空氣，干燥尾氣經過洗滌除塵后排空。

國內的氨法煙氣脫硫都是以GE氨法馬蘇萊技術為發展雛形，在塔型與硫酸銨后處理工藝上消化吸收國外技術。工藝中吸收部分主要有雙塔塔外結晶工藝、單塔塔外結晶工藝和單塔塔內結晶工藝；后處理部分主要有單效結晶蒸發器、多效結晶蒸發和無結晶蒸發器等工藝技術變種。

3 氨法煙氣脫硫工藝難點

3.1 煙氣中高粉塵使裝置長周期難以實現

一方面粉塵沉淀在塔底和溶解在漿液內，磨損管道設備，另一方面漿液結晶時粉塵又作為結晶核與硫酸銨一起長大，形成比粉塵顆粒更大的晶粒，極易發生堵塞和磨損。嚴重時則會影響脫硫裝置的穩定運行，造成裝置開開停停，檢修頻繁。

3.2 裝置內氯離子等累積造成設備管線腐蝕嚴重

煙氣中含有粉塵、SO2、HF、HCl、NOx、H2SO4、H2SO3、水蒸氣等復雜的組合成分，一方面氯離子在脫硫系統閉環循環，累計到較高濃度造成腐蝕；另一方面脫硫過程中形成的NOx-、Cl-、SO32-、SO42-具有很強的化學活性。因此，在整個脫硫系統中如果選材不當，會由于腐蝕、磨損造成裝置無法運行。因此，脫硫系統防腐蝕性能的好壞是其可靠運行的首要保障。

3.3 漿液不穩定造成后處理系統無法連續運行

由于漿液成分不穩定，檢測信號難以采集，造成氨法煙氣脫硫裝置人為手動操作較多，勞動強度較大，裝置后處理部分不能連續運行。

4 熱電廠氨法煙氣脫硫工藝路線選擇

以克拉瑪依石化公司熱電廠為例，該廠有4臺130t/h煤粉鍋爐，鍋爐煙氣SO2排放濃度在1000～2000mg/m3。按照2003年國家發布的《火電廠大氣污染物排放標準》，到2010年1月1日，4臺鍋爐將出現排放不達標。為確保在國家規定時間段內實現煙氣達標排放，公司先后組織進行了兩年的技術調研論證，最終選擇了氨法煙氣脫硫工藝。煙氣脫硫裝置于2009年建設，當年12月投產，投產后鍋爐煙氣排放合格，副產品硫酸銨達到行業標準。

4.1 熱電廠氨法煙氣脫硫裝置工藝選擇原則

根據氨法煙氣脫硫工藝特點，熱電廠氨法煙氣脫硫裝置采用“四爐一塔”建設方案，塔由脫硫塔和濃縮塔組成，凈煙氣從脫硫塔頂部濕煙囪直接排放，并且設置了煙氣旁路，保證脫硫裝置在任何情況下不影響發電機組的安全運行。

4.2 熱電廠氨法煙氣脫硫裝置工藝流程

145℃～170℃的熱煙氣通過擋板門首先進入濃縮塔，與來自濃縮塔噴淋降溫層的硫酸銨漿液液滴順流接觸，煙氣被冷卻到60℃～80℃，達到后續脫硫反應的最佳溫度。降溫增濕煙氣經過塔間煙道進入脫硫塔，繼續上升到脫硫塔噴淋吸收段。噴淋吸收段布置有三層噴嘴，脫硫吸收液經循環泵加壓后，從噴嘴高速噴出，形成大量小粒徑液滴。煙氣在吸收段進行脫硫吸收后從吸收塔頂部達標排放。

硫酸銨回收系統由結晶蒸發器、旋流器、離心機和振動流化床干燥機組成。硫酸銨漿液進入結晶蒸發器，加熱蒸發達到40%左右濃度的硫酸銨飽和溶液。結晶器內高密度的底流成分被輸送到旋流器、離心機單元，通過強大的離心作用將其中的液體與固體顆粒分離，得到含水量2.5%～4%、硫酸銨大于95%的硫酸銨濕料。濕料通過干燥設備進行干燥，得到含水量小于0.5%的硫酸銨。最后，干燥的硫酸銨用自動包裝機進行定量包裝后，成為硫酸銨成品待出售。

5 熱電廠氨法煙氣脫硫裝置工藝路線特點

5.1 降低煙氣粉塵含量

從源頭上解決粉塵問題能夠從本質上控制脫硫裝置內粉塵的積累，從而解決裝置堵塞和磨損問題。煙氣經過電除塵器處理后粉塵含量一般在200～300mg/m3，但不能滿足煙氣脫硫裝置的穩定運行，因此，熱電廠氨法煙氣脫硫裝置建設初期，同步進行了除塵器改造，采用電除塵-布袋復合除塵器。改造后煙氣粉塵含量在10～20mg/m3。正是由于這種新型復合除塵器的穩定高效運行，對脫硫裝置的長期穩定運行起了關鍵作用，硫酸銨品質得到了有效保證。

5.2 采用雙空塔工藝

該工藝中，充分利用煙氣的熱量對循環液進行濃縮，降低了硫酸銨回收系統的能耗。同時，在濃縮塔中煙氣溫度被降到了有利于脫硫的溫度，提高了脫硫塔的脫硫效率。采用雙塔比采用單塔最大的優點就是：可以將兩塔的密度、pH和溫度分開控制，從而降低氨逃逸和氣溶膠。采用空塔結構后，整個脫硫系統的壓降不到600Pa，不需增壓風機。如果采用填料塔，整個脫硫系統的壓降將增加一倍，同時會造成塔內填料堵塞，裝置將無法穩定運行。

5.3 采用濕煙囪直接排放

凈煙氣排放有三種形式：1）原煙囪防腐，煙氣從原煙囪排放；2）原煙囪不防腐，對凈煙氣進行加熱，加熱后煙氣從原煙囪排放；3）在脫硫塔上加裝濕煙囪，煙氣脫硫后直接從濕煙囪排放。濕煙囪排放的最大優點在于：裝置建設不影響鍋爐運行、煙氣系統阻力小、施工簡單。

5.4 采用獨特的后處理工藝

采用濃漿罐+單效結晶+旋流器+離心機+干燥機+包裝機的工藝。與其它工藝比較，該工藝的優點在于：漿液密度穩定、蒸發結晶操作簡單易控制、分級分離提高漿液濃度，并能夠實現自動化連續生產。

5.5 合理選擇防腐材質

按照裝置的不同部位對材料的技術要求進行選材。1）脫硫雙塔：濃縮塔高溫煙氣部分采用鋼制塔體+316L材質，濃縮塔低溫漿液部分和整個吸收塔采用新型的鋼筋混凝土塔體，內襯耐腐蝕的PP材料，這種塔型結構在國內屬于首創，很好地解決了熱膨脹問題，濃縮塔的使用壽命達到30年以上。2）原煙氣煙道：干濕界面處采用鋼制塔體，內襯C276L材質。3）漿液管線：吸收部分循環管采用襯塑管, 后處理管段及設備基本采用316L材質。機泵全部采用雙相不銹鋼，關鍵換熱器采用鈦材。

6 新型氨法煙氣脫硫工藝的工程應用

克拉瑪依石化公司熱電廠煙氣脫硫裝置2009年12月18日正式投入運行，根據監測結果（見表1、表2），脫硫裝置進口煙氣中二氧化硫濃度為800～1100mg/m3，出口煙氣中二氧化硫濃度在30～80mg/m3，裝置脫硫率為92.5%～96.25%，副產品硫酸銨質量達到國家行業標準（DL/T808-2002），其外觀與其它廠的硫酸銨產品比較見圖1、圖2、圖3。通過168小時調試，煙氣脫硫裝置達到設計脫硫效率，煙氣達標排放，參數運行穩定。

表1 硫酸銨產品標準和檢測結果

表2 凈煙氣監測數據

圖1 A廠硫酸銨產品

圖2 B廠硫酸銨產品

圖3 克石化硫酸銨產品

7 氨法煙氣脫硫工藝存在的問題和發展前景

7.1 氨法煙氣脫硫工藝存在的問題

氨法煙氣脫硫已有三十年左右的發展歷史，但由于受吸收劑氨源等條件的限制，并未得到大力發展，因此要解決好技術因素與經濟因素之間的矛盾還有很長的路要走。目前存在的主要問題有：

（1）施工難度較大

施工難度大主要表現在兩個方面：1）目前國內沒有PP焊接工藝的標準，并且需要解決兩種材料膨脹系數不一致問題；2）由于塔鋼混法蘭密封面較大，難以密封，很容易發生泄漏。圖4、圖5是水聯運后出現的裂紋。

圖4 塔內PP板縱焊縫裂紋

圖5 塔內PP板橫焊縫裂紋

（2）國產除霧器二次夾帶嚴重

由于除霧器二次夾帶很嚴重，造成濃縮塔漿液回流到吸收塔比較多，兩塔密度難以分開。同時，大負荷時煙囪雨比較明顯。

（3）氣溶膠目前無法徹底解決

由于沒有脫硝設施，因此煙氣中氮氧化物通過濕煙囪排放后，不可避免會形成氣溶膠。

7.2 氨法煙氣脫硫工藝的發展前景

氨法煙氣脫硫可充分利用我國廣泛的氨源生產氮肥，彌補大量進口氮肥的缺口，這樣既可治理大氣SO2的污染，又可變廢為寶，滿足我國農業長期大量的化肥需求，并可產生一定的經濟效益。通過對氨法煙氣脫硫技術的研究和在熱電廠煙氣脫硫裝置的實踐，證明了氨法煙氣脫硫技術可以應用于火電廠煙氣脫硫，煙氣經過氨法煙氣脫硫裝置處理后可以實現達標排放，其副產品達到行業標準，能夠作為氮肥使用，具有較好的社會、經濟效益。隨著氨法煙氣脫硫工藝的不斷完善，該工藝將日益成熟，將逐步被社會、企業所認可，有良好的發展前景。

[1]徐長香，傅國光.氨-硫銨法在鍋爐煙氣脫硫中的應用[J].化肥設計，2004，42（6）:17-20.

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[3]孫克勤，鐘秦.火電廠煙氣脫硫系統設計、建造及運行[M].北京：化學工業出版社，2005:20-120.

New Ammonia-Desulfuration Technics Application and Practice in Coal Boiler

ZHU Yan-song, REN Heng-chang, LI Yan-ling
(Power Station of Karamay Petrochemical, Karamay Xinjiang 834003, China)

The paper introduces the application of ammonia process of flue gas desulfurization (FGD) technology at home and abroad and the working principle and engineering application barriers of ammonia process of FGD technology; analyzes the technical line characteristic of FGD in coal-fired boiler of thermal power plant and the outstanding result gained in new ammonia process of FGD technology; points out the existing problems and development prospect of ammonia process of FGD technology.

ammonia process of desulfurization; thermal power plant; coal-fired boiler; application; engineering practice

X701.3

A

1006-5377（2011）10-0037-04