煙氣氨法脫硫氨逃逸情況監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)

欒 輝 王若堯 唐智和 鄒誠(chéng)誠(chéng) 鞠 峰

(1.華東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院；2.中國(guó)石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司；3.華東理工大學(xué)化工學(xué)院)

0 引 言

煤炭是我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中的主要能源。煤炭的燃燒使用導(dǎo)致我國(guó)二氧化硫和氮氧化物排放總量居高不下[1]。為實(shí)現(xiàn)污染物達(dá)標(biāo)排放，煙氣脫硫勢(shì)在必行。氨法脫硫具有反應(yīng)速率快、吸收劑利用率高、脫硫效率高、原料來(lái)源豐富、副產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)價(jià)值高且運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[2]，是控制二氧化硫排放的主要技術(shù)手段[3-5]，具有廣闊的應(yīng)用前景。然而煙氣氨法脫硫技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中普遍存在脫硫劑消耗大、氨逃逸嚴(yán)重、氣溶膠難以消除、亞硫酸銨氧化慢、硫酸銨結(jié)晶難等問(wèn)題[6]。此外，大量的硫酸銨和氨逃逸直接降低了硫酸銨產(chǎn)量，影響脫硫效果及經(jīng)濟(jì)效益[7-8]，同時(shí)也制約了煙氣氨法脫硫技術(shù)的推廣應(yīng)用。

目前對(duì)于氨法脫硫工藝實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中氨逃逸情況研究開展較少，宋桂東[9]、丁紅蕾等[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)，研究了吸收液的pH值、濃度、液氣比和進(jìn)口煙氣溫度等因素與氨逃逸量的相關(guān)性，提出了抑制氨逃逸的方法。Yang等提出了在氨水中加入富里酸的方法可以有效抑制氨逃逸[11]。但對(duì)于氨法脫硫設(shè)施實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中氨逃逸的真實(shí)情況研究報(bào)道較少，對(duì)于氨逃逸情況缺少定量評(píng)價(jià)。因此，開展煙氣氨法脫硫工藝在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的氨逃逸情況監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)有重要的現(xiàn)實(shí)意義和學(xué)術(shù)價(jià)值。

1 氨法脫硫工藝

氨法脫硫是以氨為脫硫劑，通過(guò)氣液兩相之間相互傳質(zhì)傳熱，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)脫除二氧化硫的過(guò)程[12]。

主要化學(xué)反應(yīng)過(guò)程如下：

SO2+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)

氨法脫硫技術(shù)工藝流程一般可以分為煙氣吸收反應(yīng)系統(tǒng)、吸收劑供給系統(tǒng)、硫酸銨分離系統(tǒng)、循環(huán)液循環(huán)系統(tǒng)、工藝水系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)以及電氣系統(tǒng)[13]。本次開展氨逃逸監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)的企業(yè)自備電廠所使用的氨法脫硫工藝流程見圖1。

圖1 氨法脫硫工藝流程

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位

研究對(duì)象為某煉化企業(yè)自備電廠兩臺(tái)燃煤鍋爐及配套脫硫設(shè)施，編號(hào)為1#鍋爐、2#鍋爐，在兩臺(tái)鍋爐煙氣脫硫設(shè)施出口各設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位。

2.2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、監(jiān)測(cè)時(shí)間及頻次

HJ 2001—2010《火電廠煙氣脫硫工程技術(shù)規(guī)范 氨法》中的“氨逃逸”指的是氨的逃逸。宋桂東等[9]認(rèn)為氨逃逸實(shí)際是指氨氣、亞硫酸銨和硫酸銨3種物質(zhì)的逃逸。王志雅[14]在對(duì)氨法脫硫工藝中氨逃逸情況進(jìn)行分析時(shí)認(rèn)為，除氨逃逸外，硫酸銨氣溶膠問(wèn)題也應(yīng)同時(shí)考慮。因此，為了全面監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)氨逃逸情況，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置氨、硫酸銨、顆粒物和二氧化硫4項(xiàng)監(jiān)測(cè)參數(shù)，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、監(jiān)測(cè)時(shí)間及頻次見表1。

表1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、監(jiān)測(cè)時(shí)間及頻次

2.3 監(jiān)測(cè)設(shè)備與方法

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)使用的儀器設(shè)備主要有3012H動(dòng)壓平衡顆粒物采樣儀、MRU MGA5 煙氣分析儀、嶗應(yīng)3072型煙氣分析儀。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及分析方法如表2所示，均為國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中規(guī)定的方法。

表2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及分析方法

2.4 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

鍋爐外排煙氣中二氧化硫、顆粒物執(zhí)行GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中二氧化硫<200 mg/m3、顆粒物<30 mg/m3的排放標(biāo)準(zhǔn)；氨執(zhí)行HJ 2001—2010《火電廠煙氣脫硫工程技術(shù)規(guī)范 氨法》中氨<10 mg/m3的排放標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)果與討論

3.1 二氧化硫監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

煙氣脫硫設(shè)施出口二氧化硫監(jiān)測(cè)結(jié)果見表3。

由表3可看出，1#鍋爐外排煙氣中二氧化硫濃度為29.0～41.0 mg/m3，均值34.6 mg/m3，最大值41.0 mg/m3；2#鍋爐煙氣脫硫設(shè)施出口二氧化硫濃度為12.0～82.7 mg/m3，均值26.6 mg/m3，最大值82.7 mg/m3。外排煙氣中二氧化硫濃度均滿足GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中二氧化硫<200 mg/m3的限值要求。監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)，二氧化硫能夠穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放。

表3 煙氣脫硫設(shè)施出口二氧化硫監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.2 氨監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

煙氣脫硫設(shè)施出口氨監(jiān)測(cè)結(jié)果見表4。

表4 煙氣脫硫設(shè)施出口氨監(jiān)測(cè)結(jié)果

由表4可看出，1#鍋爐煙氣脫硫設(shè)施出口氨濃度為13.4～185.4 mg/m3，均值110.5 mg/m3，最大值185.4 mg/m3；2#鍋爐煙氣脫硫設(shè)施出口氨濃度為4.7～94.3 mg/m3，均值43.8 mg/m3，最大值94.3 mg/m3。外排煙氣中氨濃度大于HJ 2001—2010《火電廠煙氣脫硫工程技術(shù)規(guī)范 氨法》中氨<10 mg/m3的限值要求，氨逃逸超標(biāo)。雖然同時(shí)段二氧化硫排放濃度能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但外排煙氣中的氨濃度較高，超過(guò)了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，氨逃逸情況嚴(yán)重。

3.3 硫酸銨監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

煙氣脫硫設(shè)施出口硫酸銨監(jiān)測(cè)結(jié)果見表5。

由表5可看出，1#鍋爐煙氣脫硫設(shè)施出口硫酸銨濃度為134.7～245.2 mg/m3，均值195.9 mg/m3，最大值245.2 mg/m3；2#鍋爐煙氣脫硫設(shè)施出口硫酸銨濃度為186.4～400.5 mg/m3，均值251.0 mg/m3，最大值400.5 mg/m3。

3.4 顆粒物監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

煙氣脫硫設(shè)施出口顆粒物監(jiān)測(cè)結(jié)果見表6。

表5 煙氣脫硫設(shè)施出口硫酸銨監(jiān)測(cè)結(jié)果

表6 煙氣脫硫設(shè)施出口顆粒物監(jiān)測(cè)結(jié)果

由表6可看出，1#鍋爐煙氣脫硫設(shè)施出口顆粒物濃度為189.0～336.2 mg/m3，均值257.6 mg/m3，最大值336.2 mg/m3；2#鍋爐煙氣脫硫設(shè)施出口顆粒物濃度為273.5～443.1 mg/m3，均值332.0 mg/m3，最大值443.1 mg/m3，顆粒物濃度均超過(guò)GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中顆粒物<30 mg/m3的限值要求，超標(biāo)倍數(shù)最高達(dá)10倍。

通過(guò)對(duì)比分析硫酸銨濃度與顆粒物濃度數(shù)據(jù)，得出硫酸銨在顆粒物中所占比例，結(jié)果如表7所示。1#鍋爐煙氣脫硫設(shè)施出口硫酸銨在顆粒物中所占比例超過(guò)70%，最高為81.53%；2#鍋爐煙氣脫硫設(shè)施出口硫酸銨在顆粒物中所占比例超過(guò)60%，最高為90.37%。可見，顆粒物中主要成分是硫酸銨，這也與煙囪周圍有白色晶體飄落、地面有白色晶體分布一致。

表7 硫酸銨在顆粒物中所占比例

為了考察硫酸銨逃逸濃度與顆粒物濃度之間的關(guān)系，取監(jiān)測(cè)值的均值進(jìn)行比較，圖2和圖3分別為1#鍋爐、2#鍋爐煙氣脫硫設(shè)施出口硫酸銨濃度和顆粒物濃度對(duì)比。

圖2 1#鍋爐煙氣脫硫設(shè)施出口硫酸銨和顆粒物濃度對(duì)比

圖3 2#鍋爐煙氣脫硫設(shè)施出口硫酸銨和顆粒物濃度對(duì)比

對(duì)比圖2和圖3，可以發(fā)現(xiàn)顆粒物濃度的變化并沒(méi)有規(guī)律，但顆粒物濃度的變化趨勢(shì)與硫酸銨濃度的變化趨勢(shì)非常一致。可以認(rèn)為，硫酸銨是顆粒物中的主要組成部分,顆粒物的濃度隨著硫酸銨的逃逸量變化，而硫酸銨的大量逃逸導(dǎo)致了顆粒物濃度超標(biāo)10倍以上。可見，控制顆粒物的超標(biāo)排放，首要任務(wù)是控制硫酸銨的逃逸情況。

4 結(jié) 論

1)1#鍋爐、2#鍋爐煙氣脫硫設(shè)施出口二氧化硫監(jiān)測(cè)結(jié)果分別為29.0～41.0 mg/m3和12.0～82.7 mg/m3，外排煙氣中二氧化硫濃度遠(yuǎn)低于GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中二氧化硫<200 mg/m3的限值要求，脫硫效果較好。

2)1#鍋爐、2#鍋爐煙氣脫硫設(shè)施出口氨監(jiān)測(cè)結(jié)果分別為13.4～185.4 mg/m3和4.7～94.3 mg/m3，外排煙氣中氨濃度超過(guò)HJ 2001—2010《火電廠煙氣脫硫工程技術(shù)規(guī)范 氨法》中氨<10 mg/m3的限值要求，氨逃逸情況嚴(yán)重。

3)1#鍋爐、2#鍋爐煙氣脫硫設(shè)施出口外排煙氣中顆粒物監(jiān)測(cè)結(jié)果分別為189.0～336.2 mg/m3和273.5～443.1 mg/m3，外排煙氣中顆粒物濃度遠(yuǎn)超過(guò)GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中顆粒物<30 mg/m3的標(biāo)準(zhǔn)要求，硫酸銨的大量逃逸導(dǎo)致了顆粒物濃度超標(biāo)10倍以上。

4)1#鍋爐、2#鍋爐煙氣脫硫設(shè)施出口外排煙氣顆粒物中硫酸銨濃度分別為134.7～245.2 mg/m3和186.4～400.5 mg/m3；1#鍋爐煙氣脫硫設(shè)施出口硫酸銨在顆粒物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)70%，最高為81.53%；2#鍋爐煙氣脫硫設(shè)施出口硫酸銨在顆粒物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)60%，最高為90.37%，顆粒物中主要成分是硫酸銨。