杜金鳳 ，夏金松 ，冷 健 ，陳艷艷 ，張 瑜

（1.西安航天動力研究所，陜西 西安 710100；2.西安航天源動力工程有限公司，陜西 西安 710100；3.西安交通大學，陜西 西安 710049）

氨- 硫銨法脫硫工藝因其副產(chǎn)物硫酸銨回收價值高、運行成本低、經(jīng)濟效益好而廣泛應用于燃煤電廠的煙氣脫硫，在氨- 硫銨法的長期應用中，必須解決脫硫塔出口總塵超標的問題。出口總塵超標是氣溶膠、氨逃逸、霧滴夾帶（細顆粒物）等綜合作用造成的，許多學者[1-4]對氣溶膠、氨逃逸及霧滴夾帶問題進行了研究，但很少有人研究氣溶膠、氨逃逸、霧滴夾帶等多種污染物的協(xié)同脫除。張文武等[1]基于揚子熱電廠Ⅱ期氨法脫硫技術(shù)的工藝運行參數(shù)，分析發(fā)現(xiàn)氣溶膠排放量隨脫硫漿液pH 值及濃度、煙氣及脫硫液溫度、空塔氣速、液氣比、煙氣中SO3濃度的增大而增加，同時與噴淋空塔相比，填料塔、篩板塔氣溶膠排放量相對較低。李娟等[2]研究了氣溶膠的產(chǎn)生機理以及產(chǎn)生途徑，得出了影響氣溶膠生成的因素，并提出了控制氣溶膠生成的措施。張英[3]分析了單塔脫硫形成硫氨逃逸的原因，得出吸收塔流場分布和除霧器性能對氨逃逸具有重要影響，并結(jié)合吸收塔結(jié)構(gòu)提出了一種新型的用于氣流均布的倒“V”字形氣流分布板。顏金培等[4]研究發(fā)現(xiàn)氨法脫硫后細顆粒的數(shù)濃度明顯增加，常規(guī)洗滌對細顆粒的脫除效率很低，且?guī)缀醪皇芤簹獗扔绊?；而氨水脫硫時，洗滌塔出口的顆粒數(shù)濃度隨液氣比的增大而提高，此外，隨氨水濃度和煙氣中SO2濃度的增大，洗滌后顆粒的數(shù)濃度增加。

新疆某4×130 t/h 鍋爐煙氣脫硫項目引風機出口煙氣量為2 100 000 m3/h，脫硫塔入口SO2質(zhì)量濃度為1 800 mg/m3，粉塵質(zhì)量濃度為50 mg/m3，采用氨-硫銨法脫硫工藝處理煙氣中的SO2，項目于2017 年成功投入運行。本文分析了該項目在2018 年7 月—11月運行數(shù)據(jù)與系統(tǒng)除塵效率的關(guān)系，并對出口總塵的形成機理、影響因素等進行了分析，得出了系統(tǒng)工藝參數(shù)與協(xié)同處理效果之間的關(guān)系，以期對系統(tǒng)選型設計提供參考。

1 出口總塵形成機理分析

氨- 硫銨法脫硫工藝是以氨水或液氨作為吸收劑來脫除煙氣中的SO2并回收硫銨副產(chǎn)物的一種濕式煙氣脫硫工藝，根據(jù)功能分區(qū)將脫硫塔分成濃縮段、吸收段、水洗段、高效除霧段。含SO2、粉塵的煙氣與經(jīng)噴嘴霧化的(NH4)2SO3漿液在吸收段逆向接觸，通過(NH4)2SO3漿液的洗滌、吸收作用，脫除煙氣中的SO2、粉塵等大氣污染物，同時硫銨副產(chǎn)物在濃縮段蒸發(fā)、濃縮、結(jié)晶析出，水洗段以及高效除霧段用于除去煙氣裹挾的霧滴以及控制系統(tǒng)的濃度。其主要反應方程式見式（1）～式（4）：

從以上反應式可以看出，氨水吸收SO2是氣液傳質(zhì)過程，產(chǎn)物包括 NH4HSO3、(NH4)2SO4、(NH4)2SO3，其中脫硫反應主要發(fā)生在式（1），同時還伴隨發(fā)生式（2）的脫硫反應，隨著脫硫反應的持續(xù)進行，NH4HSO3濃度不斷增大，(NH4)2SO3相應減少，吸收能力下降，為了保證反應的繼續(xù)進行，需要增加氨量發(fā)生反應[見式（3）]。在脫硫反應的過程中，為了增加氣液接觸面積和延長氣液在吸收塔內(nèi)的停留時間，脫硫漿液經(jīng)噴嘴霧化成小液滴后，與煙氣中的SO2發(fā)生反應。霧化的漿液霧滴在吸收SO2的過程中相應出現(xiàn)一些問題：氨水極易揮發(fā)成氣態(tài)氨，氣態(tài)氨容易被煙氣攜帶排出，部分氣態(tài)氨以游離的形式隨煙氣逃逸到大氣中，形成氨逃逸[5]；其余氣態(tài)氨與煙氣中未反應的SO2發(fā)生氣相反應，生成 NH4HSO3、(NH4)2SO4等組分，形成氣溶膠[6]；氨水吸收煙氣中SO2后，被煙氣裹挾排出，產(chǎn)生的 (NH4)2SO4、(NH4)2SO3、NH4HSO3等遇冷析出固體結(jié)晶，形成氣溶膠[7-8]；吸收塔內(nèi)脫硫漿液經(jīng)噴嘴霧化成不同粒徑的霧滴，大霧滴會被除霧器攔截并在重力作用下沉降，未被除霧器攔截的細小霧滴與煙氣逆向接觸后，被煙氣攜帶出塔外，形成細顆粒物排放（即霧滴夾帶）[9-12]。氨逃逸、氣溶膠、霧滴夾帶一起從脫硫塔排出系統(tǒng)，形成出口總塵。

2 出口總塵形成的影響因素分析

2.1 入口SO2濃度與除塵效率關(guān)系

根據(jù)新疆某項目的運行數(shù)據(jù)，得到脫硫系統(tǒng)入口SO2濃度與系統(tǒng)除塵效率關(guān)系曲線，見圖1。

圖1 入口SO2 濃度與系統(tǒng)除塵效率關(guān)系曲線

由圖1 可知，當入口SO2濃度上升時，系統(tǒng)除塵效率降低，降低速率先慢后快。當入口SO2質(zhì)量濃度小于1 200 mg/m3時，除塵效率降低速率很小，在小范圍內(nèi)波動；但之后除塵效率降低速率變大。除塵效率受入口SO2濃度影響大，相互關(guān)聯(lián)關(guān)系強。經(jīng)擬合發(fā)現(xiàn)該關(guān)聯(lián)關(guān)系滿足式（5）所示的Boltzmann 函數(shù)：

式中：Y1——系統(tǒng)除塵效率，%；

x1——系統(tǒng)入口SO2質(zhì)量濃度，mg/m3。

從式（5）可以看出，隨入口SO2濃度的增加，系統(tǒng)除塵效率降低，出口顆粒物的排放濃度增大。在項目實際運行過程中，入口SO2濃度升高時，為保證脫硫效率，系統(tǒng)加氨量、液氣比及煙氣流速等參數(shù)會根據(jù)脫硫需求進行調(diào)整。增多加氨量，系統(tǒng)pH 升高，此時能保證出口SO2的達標排放，但會增加出口氨逃逸及氣溶膠；增大煙氣流速，被煙氣裹挾的游離氨數(shù)量增多，氨逃逸、氣溶膠及霧滴夾帶也會增多；增加液氣比，脫硫漿液噴淋量增加，增大了煙氣與脫硫漿液的相對速度，煙氣對大霧滴的碰撞作用增強，霧滴與霧滴間碰撞并破碎產(chǎn)生更多的細小霧滴，這些細小霧滴容易被煙氣夾帶出脫硫系統(tǒng)，導致細顆粒物（霧滴夾帶）排放增加。系統(tǒng)入口SO2濃度增加時，需調(diào)整系統(tǒng)運行參數(shù)，在保證脫硫效率的同時也可以在一定范圍內(nèi)保持系統(tǒng)除塵效率的穩(wěn)定；而當其進一步變化時，因系統(tǒng)處理能力有限，除塵效率同脫硫效率一樣會出現(xiàn)一定程度的降低。

2.2 煙氣流速與出口顆粒物含量及除塵效率關(guān)系

根據(jù)新疆某項目的運行數(shù)據(jù)，擬合出煙氣流速與系統(tǒng)出口顆粒物含量及系統(tǒng)除塵效率關(guān)系曲線，如圖2、圖3 所示。

圖2 煙氣流速與系統(tǒng)出口顆粒物含量關(guān)系曲線

由圖2 可知，煙氣流速上升時，系統(tǒng)出口顆粒物含量經(jīng)快速上升后，在一定范圍內(nèi)波動。煙氣流速與出口顆粒物含量滿足如式（6）所示的Pow2P1 函數(shù)關(guān)系：

圖3 煙氣流速與系統(tǒng)除塵效率關(guān)系曲線

式中：Y2——系統(tǒng)出口顆粒物質(zhì)量濃度，mg/m3；

x2——系統(tǒng)煙氣流速，m/s。

由圖3 可知，整體的除塵效率在煙氣流速上升過程中以不同的變化速率持續(xù)降低，按照圖2 的分析結(jié)果，隨著煙氣流速上升，出口顆粒物含量最終在一個固定值附近波動，轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)除塵效率時，將出口顆粒物含量與入口顆粒物含量關(guān)聯(lián)起來，按照試驗假設，在煙氣流速上升過程中其顆粒物含量不變，則系統(tǒng)除塵效率在煙氣流速上升時應滿足先降低后持平的狀態(tài)。但在實際運行過程中，系統(tǒng)煙氣流速上升是由于鍋爐運行情況發(fā)生了一定變化，其中的顆粒物含量也隨之改變。由圖3 的分析結(jié)果可知，煙氣流速上升時，系統(tǒng)除塵效率保持不太規(guī)律的降低，原因是實際運行中煙氣中的顆粒物含量隨煙氣流速上升而增多，且增長趨勢和范圍不定。圖3 的分析結(jié)果與圖2結(jié)果不一致，恰恰凸顯了試驗分析與工程運行數(shù)據(jù)分析的不同。工程運行數(shù)據(jù)的分析結(jié)果往往與預想中的不同，但卻十分準確地反映了工程運行中的情況，究其原因主要是運行過程中的參數(shù)及因素變化是聯(lián)動的，而關(guān)聯(lián)關(guān)系與預想結(jié)果存在差異。

2.3 pH 值與系統(tǒng)出口顆粒物含量關(guān)系

根據(jù)新疆某項目的運行數(shù)據(jù)，分析得到了系統(tǒng)吸收液pH 值與系統(tǒng)出口顆粒物含量關(guān)系曲線，見圖4。

圖4 吸收液pH 值與系統(tǒng)出口顆粒物含量關(guān)系曲線

由圖4 可知，吸收液pH 值在一定范圍內(nèi)升高時，不會引起系統(tǒng)出口顆粒物含量的明顯變化，但當pH值高于某一值并繼續(xù)升高時，系統(tǒng)出口顆粒物含量明顯增加。該數(shù)據(jù)經(jīng)擬合分析，發(fā)現(xiàn)關(guān)聯(lián)關(guān)系滿足如式（7）所示的Boltzmann 函數(shù)關(guān)系：

式中：x3——系統(tǒng)吸收液pH 值。

吸收液pH 值的改變主要是通過改變系統(tǒng)的加氨量來實現(xiàn)的，pH 值在一定范圍內(nèi)升高時，系統(tǒng)中氨分子的揮發(fā)量有限，且少量的揮發(fā)分子會在脫硫過程中被有效攔截，不會對系統(tǒng)出口顆粒物含量產(chǎn)生明顯影響；pH 值高于一定值時，塔內(nèi)的氨分子揮發(fā)量更多，部分氨分子會隨著煙氣一起上升，并在上升過程中凝結(jié)部分鹽顆粒，形成較大的分子，在煙囪出口以顆粒物的形式排出，由此導致系統(tǒng)出口顆粒物含量急劇上升。綜合pH 值對除塵效率的影響可知，為保證合理的除塵效率，同時保證出口顆粒物含量在合理范圍內(nèi)，pH 值取值在4.7 附近比較合理。

3 結(jié) 語

通過對新疆某項目運行數(shù)據(jù)的分析，得出脫硫系統(tǒng)入口SO2濃度、煙氣流速、pH 值對出口顆粒物含量及系統(tǒng)除塵效率都有一定的影響，其中入口SO2濃度、煙氣流速對系統(tǒng)除塵效率的影響明顯，pH 值在一定范圍內(nèi)的變化對系統(tǒng)除塵效率的影響不是很明顯，但是超過一定值后，系統(tǒng)除塵效率隨pH 值的增高而降低。氨-硫銨法脫硫工藝出口總塵超標非單一因素導致，是氣溶膠、氨逃逸及霧滴夾帶等綜合作用形成的，因此為了解決總塵超標問題，并不能只控制單一因素，而要綜合考慮各種因素，使其取值保持在最佳點。