煙氣氨法脫硫氨逃逸情況監測與評價

欒 輝 王若堯 唐智和 鄒誠誠 鞠 峰

(1.華東理工大學資源與環境工程學院；2.中國石油集團安全環保技術研究院有限公司；3.華東理工大學化工學院)

0 引 言

煤炭是我國能源結構中的主要能源。煤炭的燃燒使用導致我國二氧化硫和氮氧化物排放總量居高不下[1]。為實現污染物達標排放，煙氣脫硫勢在必行。氨法脫硫具有反應速率快、吸收劑利用率高、脫硫效率高、原料來源豐富、副產品經濟價值高且運行穩定等優點[2]，是控制二氧化硫排放的主要技術手段[3-5]，具有廣闊的應用前景。然而煙氣氨法脫硫技術在應用過程中普遍存在脫硫劑消耗大、氨逃逸嚴重、氣溶膠難以消除、亞硫酸銨氧化慢、硫酸銨結晶難等問題[6]。此外，大量的硫酸銨和氨逃逸直接降低了硫酸銨產量，影響脫硫效果及經濟效益[7-8]，同時也制約了煙氣氨法脫硫技術的推廣應用。

目前對于氨法脫硫工藝實際應用過程中氨逃逸情況研究開展較少，宋桂東[9]、丁紅蕾等[10]通過實驗室模擬實驗，研究了吸收液的pH值、濃度、液氣比和進口煙氣溫度等因素與氨逃逸量的相關性，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]。但對于氨法脫硫設施實際應用過程中氨逃逸的真實情況研究報道較少，對于氨逃逸情況缺少定量評價。因此，開展煙氣氨法脫硫工藝在實際生產過程中的氨逃逸情況監測與評價有重要的現實意義和學術價值。

1 氨法脫硫工藝

氨法脫硫是以氨為脫硫劑，通過氣液兩相之間相互傳質傳熱，發生化學反應脫除二氧化硫的過程[12]。

主要化學反應過程如下：

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)

氨法脫硫技術工藝流程一般可以分為煙氣吸收反應系統、吸收劑供給系統、硫酸銨分離系統、循環液循環系統、工藝水系統、壓縮空氣系統以及電氣系統[13]。本次開展氨逃逸監測與評價的企業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 現場監測

2.1 監測點位

研究對象為某煉化企業自備電廠兩臺燃煤鍋爐及配套脫硫設施，編號為1#鍋爐、2#鍋爐，在兩臺鍋爐煙氣脫硫設施出口各設置一個監測點位。

2.2 監測項目、監測時間及頻次

HJ 2001—2010《火電廠煙氣脫硫工程技術規范 氨法》中的“氨逃逸”指的是氨的逃逸。宋桂東等[9]認為氨逃逸實際是指氨氣、亞硫酸銨和硫酸銨3種物質的逃逸。王志雅[14]在對氨法脫硫工藝中氨逃逸情況進行分析時認為，除氨逃逸外，硫酸銨氣溶膠問題也應同時考慮。因此，為了全面監測、評價氨逃逸情況，現場設置氨、硫酸銨、顆粒物和二氧化硫4項監測參數，監測項目、監測時間及頻次見表1。

表1 監測項目、監測時間及頻次

2.3 監測設備與方法

現場監測使用的儀器設備主要有3012H動壓平衡顆粒物采樣儀、MRU MGA5 煙氣分析儀、嶗應3072型煙氣分析儀。

現場監測及分析方法如表2所示，均為國家相關標準規范中規定的方法。

表2 現場監測及分析方法

2.4 執行標準

鍋爐外排煙氣中二氧化硫、顆粒物執行GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》中二氧化硫<200 mg/m3、顆粒物<30 mg/m3的排放標準；氨執行HJ 2001—2010《火電廠煙氣脫硫工程技術規范 氨法》中氨<10 mg/m3的排放標準。

3 結果與討論

3.1 二氧化硫監測結果分析

煙氣脫硫設施出口二氧化硫監測結果見表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準》中二氧化硫<200 mg/m3的限值要求。監測時段內，二氧化硫能夠穩定達標排放。

表3 煙氣脫硫設施出口二氧化硫監測結果

3.2 氨監測結果分析

煙氣脫硫設施出口氨監測結果見表4。

表4 煙氣脫硫設施出口氨監測結果

由表4可看出，1#鍋爐煙氣脫硫設施出口氨濃度為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規范 氨法》中氨<10 mg/m3的限值要求，氨逃逸超標。雖然同時段二氧化硫排放濃度能夠滿足標準要求，但外排煙氣中的氨濃度較高，超過了相關標準要求，氨逃逸情況嚴重。

3.3 硫酸銨監測結果分析

煙氣脫硫設施出口硫酸銨監測結果見表5。

由表5可看出，1#鍋爐煙氣脫硫設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 顆粒物監測結果分析

煙氣脫硫設施出口顆粒物監測結果見表6。

表5 煙氣脫硫設施出口硫酸銨監測結果

表6 煙氣脫硫設施出口顆粒物監測結果

由表6可看出，1#鍋爐煙氣脫硫設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GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》中顆粒物<30 mg/m3的限值要求，超標倍數最高達10倍。

通過對比分析硫酸銨濃度與顆粒物濃度數據，得出硫酸銨在顆粒物中所占比例，結果如表7所示。1#鍋爐煙氣脫硫設施出口硫酸銨在顆粒物中所占比例超過70%，最高為81.53%；2#鍋爐煙氣脫硫設施出口硫酸銨在顆粒物中所占比例超過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系，取監測值的均值進行比較，圖2和圖3分別為1#鍋爐、2#鍋爐煙氣脫硫設施出口硫酸銨濃度和顆粒物濃度對比。

圖2 1#鍋爐煙氣脫硫設施出口硫酸銨和顆粒物濃度對比

圖3 2#鍋爐煙氣脫硫設施出口硫酸銨和顆粒物濃度對比

對比圖2和圖3，可以發現顆粒物濃度的變化并沒有規律，但顆粒物濃度的變化趨勢與硫酸銨濃度的變化趨勢非常一致。可以認為，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致了顆粒物濃度超標10倍以上。可見，控制顆粒物的超標排放，首要任務是控制硫酸銨的逃逸情況。

4 結 論

1)1#鍋爐、2#鍋爐煙氣脫硫設施出口二氧化硫監測結果分別為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低于GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》中二氧化硫<200 mg/m3的限值要求，脫硫效果較好。

2)1#鍋爐、2#鍋爐煙氣脫硫設施出口氨監測結果分別為13.4～185.4 mg/m3和4.7～94.3 mg/m3，外排煙氣中氨濃度超過HJ 2001—2010《火電廠煙氣脫硫工程技術規范 氨法》中氨<10 mg/m3的限值要求，氨逃逸情況嚴重。

3)1#鍋爐、2#鍋爐煙氣脫硫設施出口外排煙氣中顆粒物監測結果分別為189.0～336.2 mg/m3和273.5～443.1 mg/m3，外排煙氣中顆粒物濃度遠超過GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》中顆粒物<30 mg/m3的標準要求，硫酸銨的大量逃逸導致了顆粒物濃度超標10倍以上。

4)1#鍋爐、2#鍋爐煙氣脫硫設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#鍋爐煙氣脫硫設施出口硫酸銨在顆粒物中的質量分數超過70%，最高為81.53%；2#鍋爐煙氣脫硫設施出口硫酸銨在顆粒物中的質量分數超過60%，最高為90.37%，顆粒物中主要成分是硫酸銨。