氨法脫硫系統節能優化的研究

趙紅濤，冷健，祁曉輝，陳艷艷，呂文豪(西安航天源動力工程有限公司，陜西 西安 710100)

0 引言

近年來，國家對煙氣脫硫行業“節能減排”的要求不斷提高，這意味著不僅要實現SO2排放量的“減排”，而且要實現煙氣脫硫過程的“節能”。在這種政策的驅動下，各科研機構、環保公司競相研究和開發各種環境友好的煙氣脫硫工藝。其中，氨法脫硫工藝作為佼佼者應運而生，其被廣泛地應用于工業鍋爐、硫酸、燒結、焦化、有色冶煉等行業的煙氣治理。氨法脫硫工藝是利用液氨、氨水等氨基吸收劑，脫除煙氣中的SO2，其主要優點是最大限度地將煙氣中的SO2資源化回收利用，同時達到廢水、廢渣零排放，真正實現了變廢為寶，無二次污染[1]。

然而，氨法脫硫系統是一個龐大的系統，所涉及的用電設備數量眾多，裝置配置復雜，水耗、汽耗、氨耗等較高，這些導致整套系統的投資費用和運行費用居高不下。因此，很有必要對氨法脫硫系統進行節能優化研究，以實現環境效益和經濟效益的最大化。

1 氨法脫硫的主要工藝

1.1 塔內飽和結晶與塔外蒸發結晶的對比

塔外蒸發結晶工藝，將硫酸銨溶液送入塔外蒸發結晶系統，利用蒸汽等熱源在蒸發器中將硫酸銨溶液蒸發得到含有硫酸銨晶體的漿液。塔內飽和結晶工藝，利用原煙氣(≤140 ℃)的熱量帶走濃縮噴淋漿液的多余水分，將硫酸銨溶液濃縮。硫酸銨溶液過飽和后在塔內漿液池中直接結晶析出硫酸銨晶體，含固量達到5%～15%時，將漿液送入后處理系統進行分離、干燥、包裝等工序，最終得到硫酸銨產品。與前者相比，塔內飽和結晶在結晶過程中無需消耗蒸汽等其他額外能量，所采用的用電設備少，實現了節能操作。

1.2 氧化內置與氧化外置的對比

氧化外置工藝中，在塔外的氧化罐內通入空氣，將亞硫酸銨轉化成穩定的硫酸銨，再通過具有一定坡度的管道自流返回吸收塔的漿液池，返回過程中無需設置泵，節約能耗。與傳統的氧化內置工藝相比，采用氧化外置工藝后，一方面便于在吸收塔內實現多段分區，精細化調控，有利于SO2的吸收及亞硫酸銨的氧化。此外，采用此工藝后可降低50%以上的氨逃逸且操作方便[2]，有利于脫除凈化后煙氣中的粉塵和氣溶膠，使煙氣達標排放。因此，采用“吸收塔內飽和結晶+氧化外置”工藝的氨法脫硫系統，日益受到各環保公司及業主的重視。

2 氨法脫硫系統節能優化的措施

2.1 深挖氧化機理，探索風機節能

從塔內吸收段返回的漿液進入氧化罐內，(NH4)2SO3和NH4HSO3與氧化空氣反應轉化成穩定的(NH4)2SO4。在該環節中，空氣加入量的多少以及空氣在氧化罐內的分布狀況對于SO32-和HSO3-的轉化至關重要。

從化學機理上分析，SO32-和HSO3-與O2反應生成SO42-屬于氧化還原反應，在此過程中保持較低的pH值，較高的反應溫度，對提高氧化速率有利，便于將S(+4)氧化成為 S(+6)[3]。從物理機理上分析，SO32-和HSO3-與氧氣的反應屬于氣-液反應，空氣中的O2以擴散的方式由氣相進入漿液，在一定范圍內增加空氣量，較多的小氣泡進入漿液中，增大了氣液兩相接觸的有效面積，有助于提高氧化速率；然而，超過一定范圍后，氣泡之間碰撞更加劇烈，導致大量氣泡聚合，小氣泡聚合形成大氣泡而逸出漿液表面，氣液兩相接觸的有效面積降低，不利于SO32-和HSO3-與O2的氧化還原反應。

實踐中，為了保證(NH4)2SO3和NH4HSO3的充分氧化，普遍設計的氧化空氣都是過量的，這導致所選風機的風量過大，電機負荷增大，造成不必要的電能浪費，脫硫系統的運行成本增大。為了降低運行電耗，(1)應采取合理的氧化空氣量；(2)優化氧化風管的布置形式及噴嘴數量，以增大氣液兩相接觸有效面積；(3)優化氧化罐內件，以延長氧化空氣在漿液中的停留時間，有利于亞硫酸銨的充分氧化。此外，還可以根據鍋爐煙氣中的氧含量和SO2含量，采取變頻風機、調整風機運行臺數或間歇性運行風機等措施[4-5]，以達到節能的目的。

2.2 優化循環泵運行方式，節約電耗

氨法脫硫塔的吸收段通常設計為3～4層噴淋，一臺循環泵對應一個噴淋層，當鍋爐煙氣中含硫量較低或鍋爐處于較低負荷運行時，可以選擇關閉1臺循環泵，只運行2～3臺循環泵，便可以使煙氣的排放指標達到環保要求，從而實現節約電耗的目的。此外，定期應當清理循環泵入口管道上的過濾器，以降低管道系統的阻力，降低能耗。

2.3 優化系統工藝配置，節水降耗

氨法脫硫系統中，濃縮段噴淋漿液中的水分吸收高溫煙氣的熱量而氣化，這部分水不可避免地被蒸發帶走，這一方面將原煙氣本身降溫冷卻，避免高溫煙氣對塔內構件如防腐鱗片、非金屬塔盤等造成損壞。另一方面，將漿液池中硫酸銨溶液濃縮，促進硫酸銨晶體的析出。在該過程中，干煙氣轉變為飽和濕煙氣，攜帶大量氣態水。因此，很有必要采取措施將煙氣帶走的氣態水分進行回收利用。

(1)吸收塔內設置節水設施。吸收塔入口設置低溫省煤器[6]，將進入塔內的煙氣溫度降低至80 ℃左右，從而減少煙氣的蒸發耗水量。吸收塔上部或出口設置相變凝聚器[7]，利用循環冷卻水將濕煙氣降溫至露點溫度以下，煙氣中的水蒸氣由氣態轉變為液態，并凝聚為液滴析出，從而回收煙氣中的水資源，同時回收汽化潛熱。

(2)煙囪內設置節水設施。吸收塔出口排出的濕煙氣進入(直排或側排)煙囪排放，濕煙氣在上升過程中溫度降低，煙氣中所攜帶的少量水蒸氣冷凝為液滴并沿煙囪內設置的排水管排到地面回收。然而，大部分水蒸氣仍然隨煙氣從煙囪的頂部排出，煙氣遇冷空氣迅速降溫，大量的水蒸氣冷凝，在煙囪出口附近形成“白煙拖尾”現象。因此，很有必要對這部分水分進行回收利用。文獻[8]公開了一種除霧輔助系統和旋流板除霧器，將其安裝在煙囪內，煙氣通過旋流板除霧器時在離心力的作用下，將煙氣中的蒸汽液滴甩到煙囪內壁，通過除霧輔助系統有效收集這部分水。實踐中，煙囪冷凝排水宜直接通過管道引至吸收塔內回收利用，以減少吸收塔內補水量，同時避免進入集水坑后又需啟動集水坑泵輸送，從而節約電耗。

2.4 優化硫銨脫水系統，降低運行費用

硫銨脫水系統設備用電負荷巨大，因此硫酸銨漿液宜集中出料，這樣脫水系統設備就可以間斷運行，以節約電耗。一般情況下，出料安排在白班，這樣有助于減輕運行人員的工作強度。水力旋流器主要用于硫酸銨漿液的一級脫水，溢流清液一般直接返回母液回流槽，再借助泵的作用返回吸收塔，然而這樣設計無形中增加了泵的電耗，不經濟。因此，建議設置管道將旋流器溢流清液直接引至吸收塔內。

2.5 優化漿液管道，延長使用壽命

氨法脫硫系統中，塔外漿液管道通常選擇FRP材質管道，內襯SiC、SiO2、陶瓷粉末等耐磨材料，以提高管道的使用壽命。漿液管道應合理選擇管徑，控制輸送漿液的流速為1.8～2.4 m/s[9],以降低漿液對管道的磨損。漿液管道布置應盡可能的順直、短捷，避免不必要的拐彎，以減少管道系統的水力損失，降低泵的揚程，從而達到節約電耗的目的。

2.6 優化吸收塔結構，降低投資成本

吸收塔是氨法脫硫系統中最為核心的設備，吸收塔的節能優化目的在于提高脫硫效率、降低投資成本和運行費用。主要從以下三個方面考慮：(1)優化吸收塔殼體、平臺扶梯、防腐保溫等，節約材料和施工成本；(2)優化吸收塔內件布置，強化氣液傳質過程，提高脫硫效率；(3)優化液氣比參數，降低循環泵的流量及電機負荷。

2.7 采用自動控制，優化加氨系統

氨法脫硫系統以液氨、氨水等為氨基吸收劑，氨回收率不應小于98%[10]。因此，應采取措施使盡可能多的氨轉化為硫酸銨產品得以回收，降低氨的損耗，避免氨逃逸和氣溶膠現象。實踐中宜采取的措施如：(1)加氨系統與脫硫液的PH連鎖自動控制，使脫硫液的PH值始終處于合理的范圍，避免加氨過量、不足或滯后；(2)設置氨分布裝置，促進脫硫液中氨快速、均勻分布，避免局部氨濃度過高或過低；(3)合理選擇加氨位置，以使鍋爐負荷波動時能夠迅速調節，確保煙氣排放指標滿足要求。此外，吸收塔頂部宜設置高效除霧器或靜電除塵器或超聲波除塵器等，脫除凈化后煙氣中的氣溶膠和粉塵，避免二次污染。

3 結語

氨法脫硫系統的節能優化是一項長期而重要的工作，作為環保工作者應當不斷創新，提出技術先進、經濟合理、節約資源，同時還具有現實可行性的措施。當前，我國的氨法脫硫工藝還處于快速發展中，建議有關研究和設計人員應當從以下幾個方面做起，為實現脫硫系統的環境效益和經濟效益的最大化努力：(1)研發能夠強化氣液傳質過程的技術，提高脫硫效率；(2)優化脫硫系統配置，降低裝置的投資費用；(3)節約脫硫系統的電耗、水耗、汽耗、氨耗，降低裝置的運行費用；(4)采用自動化控制系統，節省人力，減輕運行人員的工作強度。