氨法脱硫工艺烟气气溶胶形成原因和改进措施

氨法脱硫工艺烟气气溶胶形成原因和改进措施

 

作者

赵联志。

摘要

氨法脱硫系统经过长周期运行后，发现经氨法脱硫工艺处理的烟气中，气溶胶含量随运行周期的增长显著升高。通过对氨法脱硫工艺中浓缩循环系统、吸收循环系统运行数据和工艺参数分析，以及气溶胶的形成机理研究，提出氨法脱硫工艺中抑制气溶胶生成的改进方向和优化措施。

关键词

氨法脱硫，烟气，气溶胶

1　概述

呼伦贝尔金新化工有限公司（简称金新化工）热电装置设置有4台240t／h循环流化床锅炉，采用三开一备运行模式，同时设置有2套湿式氨法脱硫系统。脱硫系统运行期间，特别是烟气在-50~0℃环境下，脱硫烟气经烟囱排出后，烟气拖尾现象极为严重。

烟气拖尾现象生成的主要原因是烟气中携带有大量气溶胶，气溶胶指悬浮在空气中的固态或液态微粒所形成的气态分散体系，该固态或液态微粒的密度与空气密度极为接近，很难自然沉降消除。气溶胶易引发人体的哮喘或其他呼吸道疾病。

氨法脱硫工艺中气溶胶主要来源于烟气中逃逸的气态氨与烟气中二氧化硫和三氧化硫等酸性气体发生气相反应，生成的硫酸铵和亚硫酸铵等铵盐类微小固体颗粒，以及脱硫烟气对脱硫浆液的机械性携带。烟气中气溶胶生成的影响因素主要包括：烟气温度、氨逃逸量、烟气对脱硫浆液的机械性携带量和烟气湿度。氨法脱硫工艺中形成的硫酸盐气溶胶，不易快速沉降消除，经常迁移至几千米外的上空沉降（干沉降）或被降雨冲刷（湿沉降）到达地面，导致土地和水体被大面积酸化、污染，致使植物、水生生物无法正常生长。

氨法脱硫工艺由浓缩循环系统、吸收循环系统和水洗循环系统3部分组成。锅炉烟气通过烟道进入脱硫塔浓缩段，在浓缩段与硫酸铵浆液接触降温，经降温后的烟气进入吸收段，在吸收段与富含氨水的浆液接触并反应，脱除烟气中的二氧化硫，最后经过脱硫的烟气进入水洗段进一步净化洗涤，排向大气。工艺流程如图1所示，工艺参数如表1所示。

 

图1  脱硫工艺流程

表1  脱硫系统工艺参数

 

2　烟气气溶胶形成原因分析

2.1　吸收浆液温度高，溶于浆液的氨挥发加剧

脱硫塔浓缩段设置有一层2000m³／h的浓缩循环喷淋，与来自锅炉的高温烟气（137℃±15℃）逆向接触，使烟气温度下降至55~60℃。脱硫塔浓缩喷淋的喷头利用高速流动的液体在喷头内旋转，在离心力的作用下形成伞状喷出并喷洒覆盖面，因此喷头喷淋效果的好坏，直接受制于进入喷头的液体压力高低。通过运行发现，浓缩喷淋最高压力（表压，下同）仅为0.130~0.170MPa，未达到设计要求的0.240MPa，所以直接导致浓缩喷淋雾化降温效果较差（图2），使烟气在高温（68~75℃）状况下进入吸收段。

 

图2  脱硫浓缩段温度和浓缩泵出口压力关系

脱硫浓缩段喷淋层空心锥喷头分布情况为：浓缩喷淋层中心区域设置68个喷射角度为120°的喷头，靠近塔壁边缘设置36个喷射角度为90°的喷头，如图3所示。

 

图3  浓缩喷淋喷头布置

按照空心锥喷头设计标准，120°喷头喷洒浆液覆盖面为直径约2.00m的环形，90°喷头喷洒覆盖面为直径约1.50m的环形，如图4所示。另外，喷射角度越大，喷洒浆液形成的环形中部空白面积就越大，为保证喷淋浆液与烟气充分接触，则喷淋覆盖面必须要有足够的重合度。

图4  浓缩喷淋系统喷头喷洒出水效果

为验证浓缩喷头喷洒浆液与烟气的接触情况，对安装在塔内的2种不同型号喷头进行了实际喷淋效果实验。实验发现，120°喷头喷淋形成的环形空间直径仅为1.50m，90°喷头喷淋形成的环形空间直径仅为1.45m，2种喷头均小于设计要求。按照喷淋覆盖面实际直径计算，塔内喷头实际喷淋覆盖面积179.42m²，脱硫塔浓缩段横截面积176.63m²，则实际喷淋覆盖率为101.57%，未达到设计覆盖率（151.00%）。由于浓缩喷淋覆盖率不足，喷淋覆盖面的环形中心空间无法实现浆液交错覆盖，导致烟气与浓缩喷淋浆液接触量不足，烟气降温效果差，烟气直接进入了吸收段。另外，脱硫塔边缘喷头覆盖面环形直径也小于设计要求，喷淋覆盖面无法贴近塔壁，导致塔壁处出现烟气走廊，大量烟气未经降温即进入吸收段。

脱硫浓缩段的高温烟气进入吸收段后，与富含氨水的吸收循环系统硫酸铵浆液充分接触，导致吸收段浆液温度大幅升高，由于氨水的溶解度随浆液温度的升高而显著降低，如图5所示。因此吸收段浆液中的氨大量挥发，导致上升烟气携带的气态氨含量显著增加。

 

图5  氨水的溶解度随温度变化曲线^[1]

脱硫浓缩段硫酸铵浆液中存在未被氧化的亚硫酸铵1.0%~1.5%，当浓缩段浆液温度高于60℃时，亚硫酸铵晶体开始分解，随着浆液温度的升高，亚硫酸铵结晶分解速度加快，大量亚硫酸铵分解为游离的气态氨和二氧化硫，致使烟气中游离的气态氨和二氧化硫含量大幅升高。

2.2　吸收段氨水的过量加入

2.2.1　吸收段喷淋堵塞，脱硫效率下降，导致氨水过量加入

吸收段布置有3层吸收喷淋，第1层喷淋对应1^#吸收循环泵，第2层喷淋对应2^#吸收循环泵，第3层喷淋对应4^#吸收循环泵，3^#吸收循环泵作为备用。吸收循环系统经过长时间运行，出现了吸收段第1和第2层喷淋管道压力显著升高，同时1^#和2^#吸收循环泵运行电流下降的现象。以上2种迹象表明，吸收段第1层和第2层喷淋已经发生局部堵塞。开车初期时吸收段喷淋的管道压力和吸收循环泵的运行电流与现运行参数对比如表2所示。

表2  吸收循环系统喷淋管道压力和机泵运行电流参数对比

 

1）吸收喷淋管道堵塞后，管道阻力增加，使吸收循环泵需要克服更高的系统背压，导致泵的排出压力升高，因此表2中现运行数据的压力有所提高。

2）离心泵的工作流量和扬程（即排出压力）之间存在一定关系：当管道阻力增加时，流体的流动阻力也会增大，造成流体在管道中的流速减慢，扬程损失增加，使泵的部分能量用于克服管道阻力而不是有效输送流体，使泵输出的流量减少，泵的工作负荷减少，因此减少了所需轴功率，导致电流下降。

根据电动机轴功率=3^1/2×cosφ×电流×电压公式^[2]（cosφ指电动机额定功率因素，φ的取值是电动机设计出厂给定的固定值），代入表2中数据计算可得出：1^#和2^#吸收循环泵轴功率分别降低13.25kW和22.45kW。根据离心泵扬程与流量成反比的对应关系，从泵对应的性能曲线查得：1^#吸收循环泵流量下降约122.00m³／h，2^#吸收循环泵流量下降约198.50m³／h。

根据上述分析，吸收段喷淋管道的堵塞引发了吸收喷淋浆液量不足，使烟气与吸收浆液接触反应面积缩小。因此，在实际操作中为保证脱硫烟气二氧化硫指标合格，就不得不增加吸收段吸收液（氨水）的加入量以加大吸收浆液接触反应面积，最终使得吸收段浆液氨水过量，发生氨逃逸。

2.2.2　脱硫塔吸收段喷淋设计存在缺陷，脱硫能力未达设计要求

脱硫塔吸收段3层喷淋中每层喷淋管道上布置有152个喷头，其中靠近塔壁边缘的喷头有44个，为防止喷淋浆液垂直冲击塔壁，将喷头角度向塔中心倾斜了5°~10°，但这又导致吸收段边缘喷头喷淋的浆液约25%喷洒在塔壁上形成了面壁流。

按照脱硫吸收段喷淋的设置情况计算，吸收喷淋每层流量1600.00m³／h，每个喷头流量10.53m³／h，则边缘喷淋面壁流浆液量约350.00m³／h。吸收段最外圈喷淋部分浆液与塔壁接触后形成的面壁流与塔内流通烟气接触面积减小，降低了吸收段的总体脱硫效率，如图6所示。

 

图6  目前吸收喷淋效果

鉴于上述情况，为保证脱硫烟气二氧化硫的达标排放，在实际操作中也需不断加大吸收段氨水量，这就导致吸收段浆液中氨水过量，发生氨逃逸。

综上所述，由于脱硫塔内烟气与吸收浆液接触量不足，同时吸收段浆液温度高，浆液中的氨挥发逃逸严重，导致脱硫效率下降，操作人员为保证脱硫效率，大量向系统加入氨水，进一步造成脱硫排放烟气中氨逃逸量加剧，使得排放烟气中大量生成铵盐类气溶胶，出现烟气拖尾现象。

3　整改措施

3.1　浓缩循环系统改进

1）将浓缩喷淋层中部喷射角为120°的喷头更换为90°喷头，减小喷淋浆液形成的环形覆盖面内部空心面积，增加喷淋浆液与烟气的接触时间和接触面积。

2）按照浓缩循环系统浆液喷淋量重新设计排布喷头位置和覆盖面，并增加喷头数量，确保浓缩喷淋覆盖面的重合度，覆盖率至少控制在150%以上，使得喷淋环形覆盖面互相交错，保证浓缩喷淋层覆盖面无空白。

3）控制浓缩喷淋边缘喷头安装角度向内倾斜5°（避免喷淋浆液垂直冲刷塔壁），防止内倾角度过大导致的塔壁处形成烟气走廊。

3.2　吸收循环系统改进

1）在吸收喷淋层边缘的喷淋浆液与塔壁接触位置加装喷淋浆液分布器，当喷淋浆液喷洒到浆液分布器时，浆液不再出现面壁流现象，而是被分布器二次淋洒，消除吸收喷淋层浆液面壁流现象，增加吸收喷淋层边缘喷淋浆液与烟气二次接触的机会，加大吸收段浆液接触面积，如图 7 所示。

 

图7  改造后吸收喷淋效果

2）脱硫装置进液启动前，对各系统内管道和储槽进行严格清理检查，确保无任何杂物，同时在吸收循环泵入口增加高目数滤网，防止异物进入喷淋管道，堵塞喷头。

4　效果评价

4.1　避免了氨水的过量加入

吸收段喷淋层下方塔壁处增加喷淋浆液分布器后，消除了喷淋浆液面壁流现象，吸收段可增加约350.00m³／h的吸收浆液与烟气二次接触反应，提高了吸收段的二氧化硫脱除率。整改后，吸收段加入与整改前正常时同等量的氨水，净烟气二氧化硫指标明显下降，如图8所示。

图8  改造前、后烟气二氧化硫变化情况

注：氨水消耗量呈波动变化。

4.2　浓缩段和吸收段降温效果明显

通过改进浓缩喷淋布置和喷头角度，浓缩段降温效果大幅提升，温度由68~75℃降至设计值55~60℃，整体降温约13℃ ；吸收段温度由60~65℃降至55~60℃，整体降温约5℃。浓缩段和吸收段降温后产生以下良好效果：

1）浓缩段烟气温度降低后，其密度增大，则烟气对应的实际体积流量降低。根据气体公式^[3]PV=nRT（P：气体压强；V：气体体积；n：气体物质的量；R：摩尔气体常数；T：气体绝对温度）计算可知，进入脱硫吸收段的总烟气实际体积流量将比改造前减小约3%（图9）。这样就使得烟气在脱硫塔吸收段的停留时间有所延长，也就提高了吸收段脱硫效率，相应也就能减少氨水的加入量，降低了烟气中硫酸铵雾滴的机械性携带量。

2）浓缩喷淋改造后，浓缩段温度下降约13℃，吸收段温度下降约5℃。根据氨水溶解度曲线可知，吸收段温度下降至55℃后，氨逃逸减少，每1kg浆液可增加氨含量34g，这就使吸收液中有充足的氨与二氧化硫反应，降低烟气中氨含量的同时，也提高了吸收段的脱硫效率，降低了烟气中气溶胶产生量。

3）浓缩段温度降至60℃以下，未达到亚硫酸铵晶体的分解温度，有效控制了浆液中亚硫酸铵的分解，从而降低烟气中气态氨的含量，从源头上控制气溶胶的产生。

5　结束语

本文分析探讨了氨法脱硫工艺中烟气气溶胶的形成机理及主要影响因素，并以氨法脱硫技术在金新化工热电装置锅炉烟气脱硫中的应用实践为例，阐述了通过提升脱硫塔浓缩段喷淋覆盖率，实现脱硫塔浓缩段和吸收段烟气温度的降低，从而降低吸收段吸收浆液的氨逃逸量；同时对吸收段喷淋边缘侧下方塔壁进行改造，成功消除吸收段喷淋浆液面壁流问题，提高吸收浆液的有效利用率等一系列的整改措施，避免了生产中因吸收浆液有效利用率低导致不得不大量加入氨水，造成系统氨逃逸量增加的状况，从烟气气溶胶的形成条件上进行控制和解决问题，对同类装置的生产运行有一定的借鉴意义。

参考文献

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[3]  傅献彩，沈文霞，姚天扬，等. 物理化学：上册[M]. 第5版. 北京：高等教育出版社，2005：12-15.