氨法脱硫系统节能优化的研究

赵红涛，冷健，祁晓辉，陈艳艳，吕文豪(西安航天源动力工程有限公司，陕西 西安 710100)

0 引言

近年来，国家对烟气脱硫行业“节能减排”的要求不断提高，这意味着不仅要实现SO2排放量的“减排”，而且要实现烟气脱硫过程的“节能”。在这种政策的驱动下，各科研机构、环保公司竞相研究和开发各种环境友好的烟气脱硫工艺。其中，氨法脱硫工艺作为佼佼者应运而生，其被广泛地应用于工业锅炉、硫酸、烧结、焦化、有色冶炼等行业的烟气治理。氨法脱硫工艺是利用液氨、氨水等氨基吸收剂，脱除烟气中的SO2，其主要优点是最大限度地将烟气中的SO2资源化回收利用，同时达到废水、废渣零排放，真正实现了变废为宝，无二次污染[1]。

然而，氨法脱硫系统是一个庞大的系统，所涉及的用电设备数量众多，装置配置复杂，水耗、汽耗、氨耗等较高，这些导致整套系统的投资费用和运行费用居高不下。因此，很有必要对氨法脱硫系统进行节能优化研究，以实现环境效益和经济效益的最大化。

1 氨法脱硫的主要工艺

1.1 塔内饱和结晶与塔外蒸发结晶的对比

塔外蒸发结晶工艺，将硫酸铵溶液送入塔外蒸发结晶系统，利用蒸汽等热源在蒸发器中将硫酸铵溶液蒸发得到含有硫酸铵晶体的浆液。塔内饱和结晶工艺，利用原烟气(≤140 ℃)的热量带走浓缩喷淋浆液的多余水分，将硫酸铵溶液浓缩。硫酸铵溶液过饱和后在塔内浆液池中直接结晶析出硫酸铵晶体，含固量达到5%～15%时，将浆液送入后处理系统进行分离、干燥、包装等工序，最终得到硫酸铵产品。与前者相比，塔内饱和结晶在结晶过程中无需消耗蒸汽等其他额外能量，所采用的用电设备少，实现了节能操作。

1.2 氧化内置与氧化外置的对比

氧化外置工艺中，在塔外的氧化罐内通入空气，将亚硫酸铵转化成稳定的硫酸铵，再通过具有一定坡度的管道自流返回吸收塔的浆液池，返回过程中无需设置泵，节约能耗。与传统的氧化内置工艺相比，采用氧化外置工艺后，一方面便于在吸收塔内实现多段分区，精细化调控，有利于SO2的吸收及亚硫酸铵的氧化。此外，采用此工艺后可降低50%以上的氨逃逸且操作方便[2]，有利于脱除净化后烟气中的粉尘和气溶胶，使烟气达标排放。因此，采用“吸收塔内饱和结晶+氧化外置”工艺的氨法脱硫系统，日益受到各环保公司及业主的重视。

2 氨法脱硫系统节能优化的措施

2.1 深挖氧化机理，探索风机节能

从塔内吸收段返回的浆液进入氧化罐内，(NH4)2SO3和NH4HSO3与氧化空气反应转化成稳定的(NH4)2SO4。在该环节中，空气加入量的多少以及空气在氧化罐内的分布状况对于SO32-和HSO3-的转化至关重要。

从化学机理上分析，SO32-和HSO3-与O2反应生成SO42-属于氧化还原反应，在此过程中保持较低的pH值，较高的反应温度，对提高氧化速率有利，便于将S(+4)氧化成为 S(+6)[3]。从物理机理上分析，SO32-和HSO3-与氧气的反应属于气-液反应，空气中的O2以扩散的方式由气相进入浆液，在一定范围内增加空气量，较多的小气泡进入浆液中，增大了气液两相接触的有效面积，有助于提高氧化速率；然而，超过一定范围后，气泡之间碰撞更加剧烈，导致大量气泡聚合，小气泡聚合形成大气泡而逸出浆液表面，气液两相接触的有效面积降低，不利于SO32-和HSO3-与O2的氧化还原反应。

实践中，为了保证(NH4)2SO3和NH4HSO3的充分氧化，普遍设计的氧化空气都是过量的，这导致所选风机的风量过大，电机负荷增大，造成不必要的电能浪费，脱硫系统的运行成本增大。为了降低运行电耗，(1)应采取合理的氧化空气量；(2)优化氧化风管的布置形式及喷嘴数量，以增大气液两相接触有效面积；(3)优化氧化罐内件，以延长氧化空气在浆液中的停留时间，有利于亚硫酸铵的充分氧化。此外，还可以根据锅炉烟气中的氧含量和SO2含量，采取变频风机、调整风机运行台数或间歇性运行风机等措施[4-5]，以达到节能的目的。

2.2 优化循环泵运行方式，节约电耗

氨法脱硫塔的吸收段通常设计为3～4层喷淋，一台循环泵对应一个喷淋层，当锅炉烟气中含硫量较低或锅炉处于较低负荷运行时，可以选择关闭1台循环泵，只运行2～3台循环泵，便可以使烟气的排放指标达到环保要求，从而实现节约电耗的目的。此外，定期应当清理循环泵入口管道上的过滤器，以降低管道系统的阻力，降低能耗。

2.3 优化系统工艺配置，节水降耗

氨法脱硫系统中，浓缩段喷淋浆液中的水分吸收高温烟气的热量而气化，这部分水不可避免地被蒸发带走，这一方面将原烟气本身降温冷却，避免高温烟气对塔内构件如防腐鳞片、非金属塔盘等造成损坏。另一方面，将浆液池中硫酸铵溶液浓缩，促进硫酸铵晶体的析出。在该过程中，干烟气转变为饱和湿烟气，携带大量气态水。因此，很有必要采取措施将烟气带走的气态水分进行回收利用。

(1)吸收塔内设置节水设施。吸收塔入口设置低温省煤器[6]，将进入塔内的烟气温度降低至80 ℃左右，从而减少烟气的蒸发耗水量。吸收塔上部或出口设置相变凝聚器[7]，利用循环冷却水将湿烟气降温至露点温度以下，烟气中的水蒸气由气态转变为液态，并凝聚为液滴析出，从而回收烟气中的水资源，同时回收汽化潜热。

(2)烟囱内设置节水设施。吸收塔出口排出的湿烟气进入(直排或侧排)烟囱排放，湿烟气在上升过程中温度降低，烟气中所携带的少量水蒸气冷凝为液滴并沿烟囱内设置的排水管排到地面回收。然而，大部分水蒸气仍然随烟气从烟囱的顶部排出，烟气遇冷空气迅速降温，大量的水蒸气冷凝，在烟囱出口附近形成“白烟拖尾”现象。因此，很有必要对这部分水分进行回收利用。文献[8]公开了一种除雾辅助系统和旋流板除雾器，将其安装在烟囱内，烟气通过旋流板除雾器时在离心力的作用下，将烟气中的蒸汽液滴甩到烟囱内壁，通过除雾辅助系统有效收集这部分水。实践中，烟囱冷凝排水宜直接通过管道引至吸收塔内回收利用，以减少吸收塔内补水量，同时避免进入集水坑后又需启动集水坑泵输送，从而节约电耗。

2.4 优化硫铵脱水系统，降低运行费用

硫铵脱水系统设备用电负荷巨大，因此硫酸铵浆液宜集中出料，这样脱水系统设备就可以间断运行，以节约电耗。一般情况下，出料安排在白班，这样有助于减轻运行人员的工作强度。水力旋流器主要用于硫酸铵浆液的一级脱水，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，然而这样设计无形中增加了泵的电耗，不经济。因此，建议设置管道将旋流器溢流清液直接引至吸收塔内。

2.5 优化浆液管道，延长使用寿命

氨法脱硫系统中，塔外浆液管道通常选择FRP材质管道，内衬SiC、SiO2、陶瓷粉末等耐磨材料，以提高管道的使用寿命。浆液管道应合理选择管径，控制输送浆液的流速为1.8～2.4 m/s[9],以降低浆液对管道的磨损。浆液管道布置应尽可能的顺直、短捷，避免不必要的拐弯，以减少管道系统的水力损失，降低泵的扬程，从而达到节约电耗的目的。

2.6 优化吸收塔结构，降低投资成本

吸收塔是氨法脱硫系统中最为核心的设备，吸收塔的节能优化目的在于提高脱硫效率、降低投资成本和运行费用。主要从以下三个方面考虑：(1)优化吸收塔壳体、平台扶梯、防腐保温等，节约材料和施工成本；(2)优化吸收塔内件布置，强化气液传质过程，提高脱硫效率；(3)优化液气比参数，降低循环泵的流量及电机负荷。

2.7 采用自动控制，优化加氨系统

氨法脱硫系统以液氨、氨水等为氨基吸收剂，氨回收率不应小于98%[10]。因此，应采取措施使尽可能多的氨转化为硫酸铵产品得以回收，降低氨的损耗，避免氨逃逸和气溶胶现象。实践中宜采取的措施如：(1)加氨系统与脱硫液的PH连锁自动控制，使脱硫液的PH值始终处于合理的范围，避免加氨过量、不足或滞后；(2)设置氨分布装置，促进脱硫液中氨快速、均匀分布，避免局部氨浓度过高或过低；(3)合理选择加氨位置，以使锅炉负荷波动时能够迅速调节，确保烟气排放指标满足要求。此外，吸收塔顶部宜设置高效除雾器或静电除尘器或超声波除尘器等，脱除净化后烟气中的气溶胶和粉尘，避免二次污染。

3 结语

氨法脱硫系统的节能优化是一项长期而重要的工作，作为环保工作者应当不断创新，提出技术先进、经济合理、节约资源，同时还具有现实可行性的措施。当前，我国的氨法脱硫工艺还处于快速发展中，建议有关研究和设计人员应当从以下几个方面做起，为实现脱硫系统的环境效益和经济效益的最大化努力：(1)研发能够强化气液传质过程的技术，提高脱硫效率；(2)优化脱硫系统配置，降低装置的投资费用；(3)节约脱硫系统的电耗、水耗、汽耗、氨耗，降低装置的运行费用；(4)采用自动化控制系统，节省人力，减轻运行人员的工作强度。