基于風(fēng)險控制的鍋爐煙氣脫硝脫硫工藝技術(shù)探討

李笑笑 徐欣（浙江省安全生產(chǎn)科學(xué)研究院， 浙江杭州 310012）

基于風(fēng)險控制的鍋爐煙氣脫硝脫硫工藝技術(shù)探討

李笑笑 徐欣（浙江省安全生產(chǎn)科學(xué)研究院， 浙江杭州 310012）

我國的電力生產(chǎn)多以火電為主，因此火電機(jī)組在我國的總裝機(jī)容量已經(jīng)超過了13億千瓦，大約占到我國電力總裝機(jī)容量的70%左右。由于火電廠鍋爐以及北方供熱鍋爐排放的煙氣中包含大量的氮氧化物以及硫氧化物，造成對大氣的污染，因此從保護(hù)環(huán)境的角度出發(fā)，針對燃煤鍋爐煙氣的脫硫脫硝工作尤為重要。本文主要對鍋爐煙氣的工藝技術(shù)及流程做主要論述，從中提出各種工藝應(yīng)用過程中面對的風(fēng)險，以“雙脫法”為例，指出協(xié)同處理煙氣的工藝流程以及技術(shù)原理，并且針對鍋爐煙氣脫硫脫硝工藝的安全風(fēng)險進(jìn)行評估。

鍋爐煙氣；脫硫脫硝；協(xié)同處理；安全性評估

0　引言

我國是一個煤炭資源的開采和使用大國，由于煤炭在形成過程中摻雜著硫、硝等元素，因此在鍋爐中燃燒后會產(chǎn)生大量的氮氧化物、硫氧化物等，因而煤炭的使用也帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此，需要對燃煤鍋爐進(jìn)行改造使其達(dá)到脫硫脫硝的能力，進(jìn)而降低有害氣體的排放，達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的。本文主要對鍋爐煙氣脫硫脫硝協(xié)同處理法工藝進(jìn)行論述并提出存在的問題。

1　鍋爐煙氣脫硫脫硝工藝綜述及風(fēng)險控制

隨著我國火電機(jī)組裝機(jī)容量的增加，造成我國大部分地區(qū)空氣質(zhì)量逐漸下降。通過采取一定工藝對鍋爐煙氣進(jìn)行脫硫脫硝處理，可以有效的遏制燃煤鍋爐對大氣環(huán)境的污染。但是每種工藝都有一定的缺陷，存在一定的應(yīng)用風(fēng)險。因此，需要研究人員采取一定的方法來控制風(fēng)險的發(fā)生，同時創(chuàng)造出一定的經(jīng)濟(jì)效益以降低脫硫脫硝成本。

1.1煙氣脫硫工藝方法及存在風(fēng)險

在鍋爐中燃燒脫硫指的是采用技術(shù)措施，在爐內(nèi)高溫的作用下，通過使用脫硫劑與燃煤生成的二氧化硫和三氧化硫進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成含硫的固體沉淀物，減少了硫氧化物向大氣的排放量。在當(dāng)前主流的除硫技術(shù)是將鍋爐煙氣進(jìn)行脫硫，主要包括以下幾種工藝：石灰石-石膏濕法脫硫、氨法脫硫、有機(jī)催化法脫硫等。

（1）石灰石-石膏濕法脫硫工藝：該脫硫工藝使用石灰石溶液作為吸收二氧化硫的吸收劑，經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)后生成石膏（CaSO4·2H2O），該技術(shù)的脫硫效率很高，副產(chǎn)物有無污染的優(yōu)點，副產(chǎn)物石膏還可以深化加工做成石膏建材。但是該工藝也存在一定風(fēng)險和不足，主要體現(xiàn)在：該脫硫工藝使用石灰石溶液作為脫硫劑，因此需要一套專用的脫硫劑輸送、儲藏系統(tǒng)，同時對副產(chǎn)物還要進(jìn)行脫硫處理。這便造成脫硫車間占地較大，無形中增加了投入的成本；同時當(dāng)煙氣中的SO2濃度過高時，為了保持脫硫的高效率，需要向反應(yīng)塔中添加石油焦，使得脫硫的經(jīng)濟(jì)成本提升；石灰石-石膏脫硫法在使用過程中吸收液中含固體顆粒較多，會對輸送設(shè)備帶來一定的磨損，增加了裝置維護(hù)、更換的成本。因此，綜上所述，該脫硫方法在運(yùn)行過程中承擔(dān)的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險較高，這也是該技術(shù)未能在電廠脫硫領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用的主因。

（2）氨法脫硫工藝：采用氨法脫硫會生成副產(chǎn)物硫酸銨，該副產(chǎn)物是一種優(yōu)質(zhì)氮肥。但是在投入的成本上僅次于石灰石-石膏工藝，該項目需要配備硫酸氨回收系統(tǒng)、增加“氣溶膠”投入。在電廠有限的場地上建設(shè)該工藝車間難度較大，存在的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險較高，難以大規(guī)模應(yīng)用。

（3）有機(jī)催化法脫硫工藝：該工藝總體來說運(yùn)行成本偏高，采用的大部分設(shè)備都需要國外進(jìn)口，生成的副產(chǎn)物硫酸銨化肥需要專用設(shè)備才能提取應(yīng)用，但是該套設(shè)備占地面積大，降低了有機(jī)催化法的實用度。

1.2煙氣脫硝方法及存在風(fēng)險

在國內(nèi)外減少氮氧化物排放的主要手段就是對鍋爐生成的煙氣進(jìn)行脫硝處理。主要的工藝方法有：選擇性催化還原法（SCR）以及SNCR-SCR組合法等。其中催化還原法（SCR）由于脫硝效率較高。但是該方法的反應(yīng)條件要求比較高，同時需要一定的劑量催化劑，造成使用成本的上升；而SNCR-SCR組合法利用臭氧來作為反應(yīng)發(fā)生劑，需要大量的電能來制取臭氧，耗電量較大，因此不推薦使用。

1.3脫硫脫硝協(xié)同處理風(fēng)險控制

在當(dāng)前國內(nèi)外應(yīng)用比較成熟的技術(shù)工藝為：采用尿素和氨作為還原劑的催化法；利用水以及酸堿溶液、熔鹽為介質(zhì)的吸收法；以及吸收還原法、氧化吸收法等形式。

“雙脫”工藝可以分成串聯(lián)協(xié)同與同步協(xié)同兩種方式。串聯(lián)協(xié)同法所需流程為采用兩套裝置將脫硫脫硝過程按照一定的順序依次處理，但是該種方式需要擴(kuò)大設(shè)備的占地面積，無形中增加了投資的成本。而采用同步流程的方式可以有效地解決此類問題，主要運(yùn)行流程是在燃煤鍋爐內(nèi)部采用一套裝置，使用一種化學(xué)試劑來使煙氣中的硫氮氧化物同時進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，該方式有投資少、成本低、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單的特點，是在鍋爐脫硫脫硝行業(yè)中通用的方法。

2　鍋爐煙氣脫硫脫硝協(xié)同處理工藝流程

2.1化學(xué)反應(yīng)原理

“鈉鈣雙堿法”是對鍋爐煙氣進(jìn)行脫硫脫硝協(xié)同處理的一種常用方法，通過采用碳酸鈉或者氫氧化鈉與石灰的混合堿性反應(yīng)物來對鍋爐煙氣中的物質(zhì)進(jìn)行吸收處理。通過對煙氣中氮硫氧化物的吸收反應(yīng)，生成含有亞硫酸氫鈉的溶液，同時還會由于氧化副反應(yīng)的作用生成少量的碳酸鈉。

（1）脫硫過程：首先在反應(yīng)池中加入NaOH，該堿性溶液的pH值控制在11～12范圍內(nèi)，之后向脫硫塔內(nèi)輸入鍋爐煙氣，堿性溶液與鍋爐煙氣中的硫氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)化學(xué)式為：

在脫硫塔中經(jīng)過一次反應(yīng)得到亞硫酸氫鈉溶液與石灰石發(fā)生第二次反應(yīng)，形成亞硫酸鈣的結(jié)晶物，反應(yīng)如下：

經(jīng)過二次反應(yīng)生成的亞硫酸根離子與煙氣中的氧氣繼續(xù)發(fā)生氧化反應(yīng)生成硫酸根離子，與池內(nèi)的石灰石溶液繼續(xù)反應(yīng)生成硫酸鈣結(jié)晶和氫氧化鈉，氫氧化鈉與硫氧化物繼續(xù)發(fā)生循環(huán)反應(yīng)。

（2）脫硝過程：由于鍋爐煙氣中的氮氧化物大部分是一氧化氮，去除氮元素的主要方式是將一氧化氮氣體通過使用旋流板塔裝置在反應(yīng)容器內(nèi)形成一氧化氮的溶解（NOdiss）與水解（NOhyd）形式，同時與反應(yīng)池中生成的亞硫酸根離子相結(jié)合形成水溶性O(shè)N（NO）SO3-離子，反應(yīng)式如下：

通過反應(yīng)對氮氧化物的水溶作用再與亞硫酸根離子進(jìn)行反應(yīng)后，最終達(dá)到將氮氧化物除脫的目的。

2.2工藝流程

（1）傳統(tǒng)“雙堿法”工藝

主要的工藝過程是：利用吸收劑在反應(yīng)吸收塔內(nèi)進(jìn)行循環(huán)流動，與鍋爐輸入的煙氣發(fā)生接觸反應(yīng)后生成吸收溶液，再將吸收溶液置于循環(huán)沉淀池內(nèi)與堿性溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將酸性離子中和后生成的廢渣提取出混合沉淀池，剩余濾液可以通過水泵打壓進(jìn)入吸收塔內(nèi)循環(huán)再利用，流程圖如圖1所示。

圖1　傳統(tǒng)“雙堿法”工藝流程

傳統(tǒng)工藝流程具有很高的氮硫氧化物的吸收效率，吸收后的反應(yīng)液內(nèi)無固體沉淀物形成，不會堵塞管道。但是不足之處是會形成氧化副反應(yīng)，生成副產(chǎn)物碳酸鈉，因此氫氧化鈉處于不斷消耗的狀態(tài)，需要及時補(bǔ)充，無形中增加了生產(chǎn)成本。

（2）“鈉鈣雙堿法”工藝

由于傳統(tǒng)“雙堿法”在對鍋爐煙氣處理方面存在不足，所以人們在原有的基礎(chǔ)之上進(jìn)行了一定的工藝改進(jìn)，找出原有工藝的不足之處，在沉淀池的循環(huán)中增加了堿性水池與泵前池的設(shè)計，將生成的副產(chǎn)物碳酸鈉、亞硫酸鈉、亞硫酸鈣等化合物經(jīng)過新增的堿水池過濾沉淀，剩余的反應(yīng)液再次進(jìn)入泵前池，形成溶液的循環(huán)使用，降低了經(jīng)營成本。新增的主塔旋流板可以將吸收液進(jìn)行霧化處理，增加與鍋爐煙氣的接觸面積，使得煙氣中的氮硫氧化物與吸收液的反映效果得以提升，同時副塔內(nèi)部的除霧板可以降低煙氣的水蒸氣。通過改進(jìn)后的“鈉鈣雙堿法”工藝處理法的應(yīng)用，提高了煙氣污染物的吸收效率，同時提高了經(jīng)濟(jì)性。裝置圖如圖2所示。

3　鍋爐煙氣脫硫脫硝工藝風(fēng)險評估方法

我國目前的燃煤電廠鍋爐及供熱鍋爐的脫硫脫硝工藝大多采用的是低氮燃燒與煙氣去除技術(shù)相結(jié)合的方式。以火電廠為例，其大型鍋爐在脫硝過程中需要大量使用液態(tài)氨氣來作為吸收液，液態(tài)氨屬于危險品，具有易燃易爆、毒性的特點，因此一旦發(fā)生液態(tài)氨泄漏事故，會造成人員的中毒傷亡以及設(shè)備的損失。（選取某企業(yè)脫硝系統(tǒng)液氨進(jìn)行風(fēng)險分析）

選用DNV公司的PHAST軟件對脫硝系統(tǒng)的液氨管線泄漏，造成毒性物料擴(kuò)散的后果進(jìn)行模擬，預(yù)測發(fā)生事故后的影響程度和影響范圍。

氣象條件：①氣溫：25℃ ②風(fēng)速：5m/s ③大氣壓力：0.098MPa

圖2　“鈉鈣雙堿法”協(xié)同脫硫脫硝流程圖

圖3　氨泄漏擴(kuò)散范圍圖

項目脫硝系統(tǒng)事故模擬選擇液氨管線發(fā)生40mm泄漏可能造成泄漏范圍內(nèi)的人員中毒，泄漏時間60min，泄漏量21kg。泄漏的氨。

氨泄漏濃度擴(kuò)散影響距離

從泄漏擴(kuò)散事故后果模擬看出，在給定的事故條件下，氨的擴(kuò)散影響范圍較大，其最高容許濃度范圍超出裝置范圍，可能會影響到鄰近裝置的安全生產(chǎn)，事故發(fā)生后應(yīng)采取有效控制措施。

鍋爐煙氣的脫硫脫硝評估方式主要由三個要點構(gòu)成：首先，要做好危險源的識別工作，脫硝溶液液態(tài)氨屬于有毒、易燃易爆的危險化學(xué)用品，無論是存儲還是運(yùn)輸都具有安全隱患；其次，要做好事故隱患的分析工作，在火電廠液態(tài)氮的輸送中會有管道破損、儲罐出現(xiàn)裂紋、閥門泄露等未知因素的存在，因此應(yīng)定期進(jìn)行隱患排查；再次，需要對脫硫脫硝工藝中可能出現(xiàn)的事故做好應(yīng)急預(yù)案的制定工作，一旦發(fā)生危險化學(xué)品泄漏事故，應(yīng)在事故區(qū)域做好隔離措施，當(dāng)液態(tài)氨存儲裝置發(fā)生泄漏后必須關(guān)閉與存儲裝置連接的管道，在事故發(fā)生的第一時間做出合理的救援措施，降低損失。

4　結(jié)語

通過本文不難看出，對燃煤鍋爐煙氣進(jìn)行脫硫脫硝處理在保護(hù)大氣環(huán)境方面意義重大，通過對其工藝技術(shù)的改進(jìn)提高了對鍋爐煙氣污染物的凈化效率，同時降低了經(jīng)營成本。但是煙氣脫硫脫硝工藝技術(shù)具有一定的危險性，為此，做好燃煤鍋爐脫硫脫硝工藝技術(shù)安全評估、排查事故隱患并進(jìn)行整改、降低事故發(fā)生的概率，是保障安全生產(chǎn)的前提。

［1］鐘秦.燃煤煙氣脫硫脫硝技術(shù)及工程實例［M］.化學(xué)工業(yè)出版社2002-4.

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［3］徐梅玉.論火電廠鍋爐煙氣脫硝存在的問題及對策［J］.湖北工程學(xué)院，2012，13（11）：119-124.