氨法脫硫物料平衡及設(shè)備選型計(jì)算

尚恒星

(惠生工程(中國)有限公司,上海201210)

關(guān)健詞:氨法脫硫；物料平衡；計(jì)算；選型；設(shè)計(jì)

隨著氨法脫硫工藝的完善,氨法脫硫技術(shù)逐漸得到推廣[1]。本文介紹了氨法脫硫的原理和工藝流程,以實(shí)際工程項(xiàng)目為例,對氨法脫硫工藝中的主要物料進(jìn)行平衡計(jì)算,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果,對系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行了選型計(jì)算,總結(jié)了實(shí)際運(yùn)行效果,為類似工程項(xiàng)目提供了重要的參考作用。

1 工藝流程及化學(xué)原理

氨法脫硫是將氨水或氨氣通入吸收塔中,使其與含有SO2的煙氣接觸,發(fā)生反應(yīng),從而達(dá)到去除SO2的目的[2],生成NH4HSO3或(NH4)2SO3,進(jìn)行強(qiáng)制氧化,產(chǎn)生硫酸銨漿液,其濃度約10%～15%[3],硫酸銨漿液通過漿液泵輸送至后處理系統(tǒng),進(jìn)行副產(chǎn)品硫氨的分離、干燥、包裝。

其主要反應(yīng)原理為:

SO2+H2O+2NH3?(NH4)2SO3,

SO2+H2O+(NH4)2SO3?2NH4HSO3

NH3+NH4HSO3?(NH4)2SO3,

NH3+NH4HSO4?(NH4)2SO4。

(NH4)2SO3+1/2O2→(NH4)2SO4,

NH4HSO3+1/2O2→NH4HSO4,

2 計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

物料平衡計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1。

表1 計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

3 物料平衡計(jì)算

脫硫塔系統(tǒng)的進(jìn)料主要有氨水、煙氣、工藝水和氧化空氣；出料為凈煙氣和硫酸銨濃溶液。物料平衡示意見圖2。

圖2 脫硫塔系統(tǒng)物料平衡

3.1 脫硫量計(jì)算

脫硫塔進(jìn)口二氧化硫含量,按式(1)計(jì)算；

式中C為含硫燃料生成SO2的份額,取0.9；

?SO2為脫硫率,%,干式除塵器取0。

每小時(shí)脫除SO2量,按式(2)計(jì)算；

按式(3)核算脫硫塔出口SO2濃度:

SO2滿足項(xiàng)目煙氣超低排放要求。

3.2 吸收劑消耗量及脫硫產(chǎn)物計(jì)算

3.2.1 氨消耗量

根據(jù)脫除的SO2量,按式(4)計(jì)算氨理論消耗量:

考慮氨的純度,氨的實(shí)際消耗量按式(5)計(jì)算；

式中1.02 為2分子NH3與1分子硫摩爾比,一般取值1.02 ～1.05 ；

P為NH3純度為99%。

3.2.2 硫酸按計(jì)算

(NH3)2SO3理論生產(chǎn)量按式(6)計(jì)算:

塔底(NH4)2SO3體積流量按式(7)計(jì)算:

式中C(NH3)2SO3為塔底(NH4)2SO3濃度,10%；

ρ1為(NH4)2SO3溶液密度按1100kg/m3。

(NH3)2SO4理論生產(chǎn)量按式(8)計(jì)算:

3.3 脫硫耗水量計(jì)算

脫硫系統(tǒng)水的損耗,主要為脫硫蒸發(fā)水量、清潔沖洗水稀釋氨水所需水量。這些損耗通過輸入新鮮的工藝水和吸收劑所帶的水進(jìn)行補(bǔ)充。

3.3.1 脫硫蒸發(fā)水量

進(jìn)入吸收塔之前高溫?zé)煔庵械乃魵馓幱谖达柡蜖顟B(tài)。煙氣和漿液在吸收塔中除了發(fā)生化學(xué)反應(yīng)外,同時(shí)還是一個(gè)換熱過程,煙氣溫度降低放出熱量,漿液中的水分吸收熱量變成水蒸氣。直至達(dá)到吸收塔出口煙氣溫度下的近飽和狀態(tài)。此項(xiàng)目吸收塔進(jìn)口煙氣溫度為140℃,出口溫度為55℃。

按式(9)計(jì)算:

3.3.2 吸收劑攜帶水量

外來氨水濃度為90%,經(jīng)過稀釋后為4%濃度,送入吸收塔中,洗滌凈化煙氣,則稀釋氨水所需水量按式(10)計(jì)算:

3.3.3 沖洗水量計(jì)算

沖洗水主要包括兩部分,一是除霧器沖洗用水,主要作用防止除霧器結(jié)垢堵塞,采取定期沖洗,沖洗頻率為每兩小時(shí)沖洗3～5分鐘,根據(jù)沖洗噴頭數(shù)及型號、除霧器級數(shù)確定除霧器沖洗水量；二是儲液槽沖洗,主要防止硫氨結(jié)晶,灰塵沉淀,可采取定期沖洗也可連續(xù)沖洗,按設(shè)計(jì)沖洗方式和沖洗量確定這部分沖洗水量[4]。

本項(xiàng)目設(shè)置一層沖洗噴頭,每層56組噴頭,噴頭流量為200kg/h,則沖洗水量按式(11)計(jì)算:

3.3.4 副產(chǎn)含水量

按脫硫副產(chǎn)物含水率計(jì)算出副產(chǎn)物帶水量。按規(guī)范要求副產(chǎn)物含水量小于等于1.5,此部分量較小,可忽略。

3.3.5 水量平衡

對于吸收塔來說,一定時(shí)間進(jìn)出水量平衡,如不考慮其他帶入吸收塔系統(tǒng)水量及損耗,吸收塔需補(bǔ)充水量按式(12)計(jì)算；

3.4 氧化空氣量計(jì)算

不考慮自然氧化因素以及煙氣中過量空氣剩余的氧量,僅考慮鼓入的空氣在單位時(shí)間內(nèi)將SO3-、HSO3-完全氧化,則1mol二氧化硫,需0.5 mol的氧氣。

則所需空氣量按式(13)計(jì)算

式中t為空氣溫度,取25℃。

4 主要設(shè)備選型

4.1 吸收塔系統(tǒng)

4.1.1 吸收塔

根據(jù)脫硫塔進(jìn)口工況煙氣體積流量和煙氣流速,可確定脫硫塔直徑。煙氣流速通常為3～4.5 m/s[5]。綜合考慮,本設(shè)計(jì)煙氣流速為3.5 m/s。脫硫塔直徑可按式(14)計(jì)算:

式(1)中,μ為煙氣流速,m/s；D為脫硫塔直徑,m。

按式(1)計(jì)算,脫硫塔直徑D=6.32 m。

4.1.2 循環(huán)泵

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)3層噴淋層,漿液循環(huán)系統(tǒng)一般采用單元制設(shè)計(jì),每個(gè)脫硫噴淋層對應(yīng)設(shè)置1臺噴淋循環(huán)泵,循環(huán)泵臺數(shù)為3臺,脫硫循環(huán)液總量根據(jù)氣液比及標(biāo)準(zhǔn)工況煙氣量,按式(15)計(jì)算；計(jì)算每臺一級循環(huán)泵的流量時(shí),考慮10%余量,按式(16)計(jì)算:

式中L/G為氣液比,取1.15；

4.1.3 漿液池及亞硫氨液泵

漿液池容量根據(jù)漿液停留時(shí)間和脫硫循環(huán)液總量來確定,漿液停留時(shí)間設(shè)計(jì)為30.00 min按式(17)計(jì)算；亞硫氨液泵根據(jù)抽出的亞硫氨液體積流量,并考慮10%的余量確定,按式(19)計(jì)算:

塔內(nèi)液位按式(18)計(jì)算:

亞硫銨液泵流量按式(19)計(jì)算:

4.2 吸收劑供給系統(tǒng)

氨水罐容積,可根據(jù)消耗氨量、氨水濃度及存儲時(shí)間等確定,儲存時(shí)間一般為8～12小時(shí)用量,本項(xiàng)目為考慮12h,按式(20)計(jì)算；氨水泵根據(jù)氨水用量,并考慮10%余量,按式(21)計(jì)算；卸氨泵根據(jù)卸氨時(shí)間2～3h計(jì)算,本項(xiàng)目取3h,按式(22)計(jì)算:

式中ρ為氨水密度按1000kg/m3近似考慮

式(21)中,CNH3為氨水濃度,4%

式(22)中,C'NH3為外來氨水濃度,90%。

4.3 后處理系統(tǒng)

氧化池底部裝設(shè)高效曝氣器,在鼓泡氧化的同時(shí),能夠?qū){液中固體顆粒處于懸浮流動狀態(tài),防止顆粒沉淀,并處于紊流狀態(tài),空氣被分散成細(xì)微氣泡并充分混合在漿液中,增大氣了液接觸界面,保證氧化反應(yīng)能高效完成。

氧化池容積根據(jù)亞硫氨泵流量及停留時(shí)間確定,停留時(shí)間取0.5 h,按式(23)計(jì)算:

氧化泵流量一般為亞銨液泵流量的2～3倍,按式(24)計(jì)算:

氧化運(yùn)行臺數(shù)為2臺,空氣過剩系數(shù)為3,氧化風(fēng)機(jī)流量按式(25)計(jì)算:

母液泵與亞銨泵流量關(guān)系一般為4倍關(guān)系,按式(26)計(jì)算:

母液罐容積根據(jù)母液泵及緩沖時(shí)間確定,緩沖時(shí)間一般為20～30min,本項(xiàng)目取30.00,按式(27)計(jì)算:

漿液泵與母液泵流量關(guān)系一般為0.5 ～0.8 倍關(guān)系,本項(xiàng)目取0.80,按式(28)計(jì)算:

結(jié)晶罐容積根據(jù)漿液泵及停留時(shí)間確定,停留時(shí)間一般為1～2小時(shí),本項(xiàng)目取1.5,按式(29)計(jì)算:

4.4 共用系統(tǒng)

共用系統(tǒng)包括工藝水系統(tǒng)及事故池及事故泵；工藝水箱容積根據(jù)系統(tǒng)消耗水量及存儲時(shí)間,一般為1～2小時(shí),本項(xiàng)目取2.00,按式(30)計(jì)算:

工藝水泵流量根據(jù)系統(tǒng)消耗的工藝水,并考慮10%余量,按式(31)計(jì)算:

事故池和漿液池相同大小,按式(32)計(jì)算:

事故泵流量根據(jù)漿液池容積,考慮事故泵全部排出漿液時(shí)間8小時(shí),按式(33)計(jì)算:

5 結(jié)論

本項(xiàng)目脫硫塔在實(shí)際運(yùn)行穩(wěn)定,脫硫塔進(jìn)出口脫硫效率≥98%；脫硫后煙氣中SO2含量在設(shè)計(jì)工況下小于37mg/Nm3；脫硫裝置出口氨逃逸不大于8mg/Nm3氨逃逸率、回收率≥98%等各指標(biāo)均能滿足規(guī)范及項(xiàng)目要求。

物料平衡計(jì)算是脫硫系統(tǒng)各設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸確定的前提,是工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。本文給出了氨吸收法脫硫技術(shù)的物料平衡工程計(jì)算方法,并根據(jù)物料平衡計(jì)算結(jié)果,進(jìn)行了設(shè)備選型計(jì)算,對類似工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)有重要的參考意義。