串級式氨肥法煙氣脫硫脫硝一體化工藝

蔣治君

(云南協和工業建設監理有限公司，云南昆明650000)

我國能源結構以煤為主，一次能源中煤炭約占70%，煤炭在燃燒過程中釋放出大量的SO2和NOx，金屬冶煉、化工生產等過程中也有大量的SO2和NOx排放。因此控制SO2和NOx的排放是亟待解決的問題，是防治大氣污染的緊迫任務［1］。

常用的煙氣脫硫技術有濕法脫硫、干法脫硫和半干法脫硫3種，其中濕法脫硫工藝占已安裝石灰石/石膏濕法煙氣脫硫(FGD)機組總容量的85%左右，而美、日、德甚至達到了90%以上。煙氣脫硝主要有干法和濕法煙氣脫硝技術。煙氣脫硝原理主要有選擇性非催化還原法、選擇性催化還原法、非選擇性催化還原法、氧化銅法及電子束照射法等，濕法脫硝大多具有同時脫硫的效果［2］。

目前成熟的脫硝技術(SCR法)，都采用催化劑在300℃高溫下將NOx還原為N2的工藝，但是其NH3消耗量大，對煙氣中粉塵的脫除率要求很高，催化劑易中毒，運行費用高，并且脫硝與脫硫工藝條件差別大，只能分步運行，工藝線路長，成本高。氨肥法煙氣脫硫脫硝一體化技術，能夠在脫硫的同時，對NOx產生氧化、還原及吸收的協同作用，使NOx的脫除率達60%以上，從而達到脫硫脫硝的目的。

1 氨肥法脫硫脫硝原理

NOx污染物中 NO占80% ～90%，NO2占10%，氨肥法煙氣脫硫脫硝一體化技術是用NH3在脫硫的同時，應用氣－液催化氧化與還原的原理脫硝，使NOx中氨法濕法脫硫的部分NO氧化為NO2，NO2易被NH3·H2O溶液吸收，而另一部分NOx被脫硫生成的NH4HSO4、(NH4)2SO3還原為N2，達到脫硝目的［3］。脫除的SO2生成化肥(NH4)2SO4，NOx部分生成 NH4NO3、NH4NO2，大部分被還原為N2。

1.1 氨肥法脫硫原理

反應式(1)和(2)均為SO2吸收反應。pH小于一定值時，游離NH3含量低，SO2吸收以反應式(2)為主導，由于游離NH3含量低，NH3平衡分壓也低，煙氣逸氨小。pH較高時，游離NH3含量高，SO2吸收以反應式(1)為主導，SO2吸收雖好，但逸氨量大，氨耗大，煙囪氣溶膠排放量大。因此，控制合理的pH是保證高的SO2吸收率和控制煙氣逸氨的關鍵。

1.2 氨肥法脫硝原理

利用亞銨鹽氧化催化的功能，使NO在剩余氧氣的作用下氧化為NO2，從而被氨吸收，形成硝基氮肥，未氧化的NOX則被氧化還原為N2。

氧化吸收:

還原:

2 串級式氨法脫硫脫硝塔

脫硫脫硝塔是實現煙氣脫硫脫硝的關鍵。傳統的煙氣脫硫塔由于塔內吸收液與蒸發濃縮液混合造成吸收液溫度較高，液體中的氨易從溶液蒸發進入氣相，形成氣溶膠造成逸氨量增大，溶液中游離氨多，逸氨量大，氨霧去除能力下降，亞硫酸銨氧化不全。

串級式氨法脫硫脫硝塔，能夠集熱煙氣冷卻、洗滌除塵、硫酸銨液濃縮，SO2吸收及NOx還原脫除、亞硫酸鹽氧化、除氨霧及氣溶膠、水霧等功能于一體［4］。其結構示意圖見圖1。

圖1 串級式氨法脫硫脫硝塔結構示意圖Figure 1 Structure diagram of cascade ammonia fertilizer methods for desulphurization and denitration

經收塵后120～180℃的熱煙氣，進入脫硫脫硝塔洗滌降溫段(5)，與上部噴淋的硫酸銨(含有硝酸銨)溶液逆流接觸，煙氣在此過程中因絕熱蒸發而冷卻。溶液因吸收煙氣的熱量，使其中部分水分蒸發而濃縮至飽和，送設置于塔外的晶漿槽，析出硫銨晶粒，晶漿槽內上清液由泵送洗滌降溫段5循環再蒸發。晶漿槽含量達到規定工藝指標，送硫銨工序。脫硫工序送來的硫銨濃縮液，通過塔外負壓蒸發結晶工藝、固液分離、干燥、包裝等工藝過程，制成固體硫酸銨產品，產品達到國家標準(GB535－1995)一等品的要求。

吸收液的主要部分進入吸收液循環段(7)，補充氨水后用泵打入吸收段繼續循環噴淋吸收。在吸收液循環段(7)設置液相催化劑分布器(8)，在微量催化劑的作用下能提高NOx的脫出效率。吸收液循環段(7)與氧化段(6)間設有隔板，能保證吸收、氧化互不影響。

吸收液部分進入氧化段(6)，氧化段(6)中部設置微孔曝氣裝置(10)，通入壓縮空氣，氧化塔內吸收液中的亞硫酸銨被氧化為硫酸銨，氧化率在99%以上。

凈化煙氣經吸收段上部進入強化除氨霧段(3)，在強化除氨霧段(3)頂部配置高效除霧器(17)，配套工藝水沖洗裝置(18)除霧器采用成熟的波紋板片平行排列而成，配有工藝水沖洗噴淋器，沖洗和回收除霧器捕集的氨霧和氣溶膠。高效除霧器(17)用工藝水按時序控制分區沖洗，以防除霧器堵塞，同時保證除沫效率，減少系統逸氨量，提高系統氨利用率，保證氨的回收利用率達到98%以上，確保氨逃逸量小于8 mg/m3。

凈化煙氣經強化除氨霧段(3)上部進入高效除沫段(2)。含有霧滴的煙氣流經除沫器(19)的撞擊作用、慣性作用、轉向離心力及其與波形板的摩擦作用、吸附作用使得液滴被捕集。除沫后的液滴含量平均值小于75 mg/m3(液滴粒徑大于15 μm)。

串級式脫硫脫硝塔與現有技術相比，各段功能清晰，凈化和吸收效率高，同時簡化了工藝路線，減少了設備數量和占地面積，大幅降低了煙氣治理工程的投資和運行費用。

3 經濟效益和社會效益

氨肥法脫硫、脫硝技術無廢渣、廢水、廢氣排放，可與電力、煤炭、化肥工業鏈相結合，為脫硫用戶帶來可觀的經濟效益［5］。

3.1 經濟效益

以串級式脫硫脫硝塔在某電廠應用情況為例，核算脫硫脫硝一體化技術運行后產生的經濟效益。

鍋爐煙氣排量:100萬m3/h;鍋爐煙氣SO2排放質量濃度:2 100 mg/m3;煙氣 NOx排放質量濃度:1 500 mg/m3;鍋爐年運行時間:6 000 h。

年排放SO2為:1 000 000 m3/h×0.002 1 kg/m3×6 000 h=1.26萬t，一般脫硫效率達95%，煙氣即可達標排放，則年脫硫量為1.197萬t。根據反應式:2NH3+H2O+SO2=(NH4)2SO3

34∶64=X1∶1.197

年需氨量X1=0.636萬t/年

硫銨產生量:2NH3→(NH4)2SO4

34∶136=0.636∶X2

硫銨量X2=2.544萬噸/年。

水耗:水按 2.3元/t計，2.3元/t×6 t/h×6 000 h/y=8.28萬元/年;

電耗:電按0.29元/kWh計，0.29元/kWh×160 kWh/h×6 000h/y=27.84萬元/年;

氨水費用:液氨市價按1 500元/t計，1 500元/t×0.636 萬 t/年 =954 萬元/年;

節省SO2排污費:按1.26元/kg計，1.197×107×1.26=150 8.2萬元;

節省NOX排污費:脫硝率按60%，年脫硝量為1 000 000 m3/h×0.001 5 kg/m3×6 000h×0.6=0.54萬 t/年，按 1.26元/kg計，0.54×107×1.26=680.4萬元;

硫酸氨銷售收益:按750元/t計，2.544×104×750=1 908萬元;

總收益:1 908+680.4+150 8.2－954－27.84－8.28=310 6.48萬元。

3.2 社會效益

當前，我國大氣污染形勢嚴峻，國務院2013年印發的《大氣污染防治行動計劃》指出:“加快重點行業脫硫、脫硝、除塵改造工程建設。所有燃煤電廠、鋼鐵企業的燒結機和球團生產設備、石油煉制企業的催化裂化裝置、有色金屬冶煉企業都要安裝脫硫設施，每小時20蒸噸及以上的燃煤鍋爐要實施脫硫。除循環流化床鍋爐以外的燃煤機組均應安裝脫硝設施，新型干法水泥窯要實施低氮燃燒技術改造并安裝脫硝設施。”

氨肥法煙氣脫硫脫硝一體化技術，脫硫效率高，同時具有脫硝、除塵的作用;氨法的剩余廢水輸送到吸收塔，可以循環利用，不產生二次污染;銨鹽極易溶于水，吸收塔內物固體沉淀，避免了結垢和堵塞現象;該工藝適用范圍廣，既能用于北方的低硫煤，也適用于南方含硫量高的煤炭;副產物硫酸銨可以作為化肥單獨使用，也可以作為復合肥的原料。串級式脫硫脫硝塔，簡化了工藝路線，減小了占地面積，降低了設備投入，具有較高的凈化和吸收效率［6］。

脫硫脫硝一體化技術工藝完整，設計排放指標符合國家環保法規，脫硫脫硝系統不影響鍋爐生產，做到煙氣脫硫系統的清潔生產［7］。SO2及NOX排放濃度均符合國家相關標準排放要求，對改善區域空氣環境質量具有積極作用和重要意義，具有較好的社會效益。

［1］陳穎，李慧，李金蓮等.氨法煙氣脫硫脫硝一體化工藝的研究進展［J］.化工科技，2010，18(2):65－69.

［2］鄭淑芳.氨肥法煙氣脫硫、脫硝、除塵一體化技術的研究［D］.北京:華北電力大學，2005.

［3］曾子平，劉應隆.燃煤煙氣濕法脫硫脫硝一體化的方法:中國，CN101773778［P］.2010－07－14.

［4］曾子平，劉應隆.等.串級式氨法脫硫脫硝塔:中國，CN202962224［P］.2013－0－05.

［5］高福祥，周國松，鄭紅氨.法煙氣脫硫技術的可行性探討［J］.節能，2007(8):40－42.

［6］申林艷，李文彥，陳軍，等.氨法煙氣脫硫技術及幾個問題的探討［J］.煤礦現代化，2005(6):60－61.

［7］邵申，孫在柏，萬皓，等.氨法煙氣脫硫技術的工藝研究［J］.環境工程，2011(5):71－74.

［8］吳泓.氨法脫硫生產氨肥的清潔生產研究［J］.環境保護與循環經濟，2013(7):31－38.