氨法脱硫工艺(火电厂脱硝逃逸氨对脱硫系统及环境影响分析研究)

Posted 2023-05-30

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氨法脱硫工艺(火电厂脱硝逃逸氨对脱硫系统及环境影响分析研究)

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北极星大气网讯:摘要

通过由脱硝系统产生的逃逸氨对脱硫系统(WFCG)及环境产生的影响进行分析和研究，结果表明：在脱硫系统运行条件下和氨逃逸率均会影响排入大气的烟气中的氨含量和脱硫废水中的氨氮含量；特别是氨逃逸率对其影响最大。在正常操作条件下，当氨逃逸率超过0.85mg/Nm3，即在标准状态下1m3烟气(干基)中所含氨量超过0.85mg时，烟囱的排放处不满足恶臭气体排放标准；脱硫塔排出的废水中的氨含量超标，需经过处理后才能满足排放标准。因此氨逃逸使得脱硫系统排放的烟气会对环境产生影响。

引言

为了保证排放的烟气中NOx的含量符合国家排放标准，火电厂通常采用烟气脱硝工艺来控制。在烟气脱硝工艺中，通常采用具有良好选择性，较高效率和稳定性的SCR脱硝工艺，即将NOx与还原剂发生氧化还原反应，从而转化为无害的N2和水。

实际的应用过程中，为维持较高的脱硝效率，加入的氨量超过了与NOx等摩尔反应的理论值，导致过量的氨未能反应且随烟气“逃出”脱硝反应器，这种现象被称为“氨逃逸”。

由于受粉尘、振动以及工程中在线仪表(CEMS)在测量氨逃逸方面的偏差，以及测量环境的恶劣导致难以对氨逃逸量准确测定。当氨逃逸较高时，会导致运行成本增加以及对锅炉烟气净化系统产生影响。逃逸的氨少部分以硫酸氢铵的形式沉积在空预器和被飞灰带走，大部分的进入脱硫系统，因此以逃逸氨对脱硫塔以及脱硫废水处理系统及环境是否会产生影响进行了分析。

1火力发电厂锅炉尾部烟气典型工艺流程及氨逃逸量

脱硝反应器的逃逸氨会随烟气进入后续系统，会对后续空气预热器、除尘器、脱硫塔等设备和脱硫废水处理工艺产生不同程度的影响。设计规定氨逃逸率小于2.5mg/m3；但实际操作运行中，过量喷氨导致氨的逃逸率增大。研究以1000MW机组的烟气数据为基础，对不同的氨逃逸率和脱硫系统的操作条件对环境的影响进行了分析。不计入烟气中部分逃逸氨沉积在预热器和飞灰对其吸附的影响。进入脱硫系统的烟气的数据见表1。

表11000MW机组烟气数据

2石灰石湿法脱硫工艺简介

石灰石-石膏湿法因适用煤种广，脱硫效率高，系统运行可靠，是现阶段实用的烟气脱硫工艺。其如图1所示。从图1可以看出，进入吸收塔的氨主要来自原烟气和工艺水。

图1脱硫系统氨平衡

3脱硫塔系统氨平衡分析计算

进入脱硫塔中的氨：烟气带入的逃逸氨和工艺水带入；其中逃逸氨量以氨逃逸浓度(氨逃逸率)计，即烟气(干基)在标准状态下1m3中所含氨的毫克量，单位为mg/Nm3。由于脱硫塔的吸收液大部分在塔内循环，因此进入脱硫塔系统的氨在脱硫系统内形成氨平衡分布体系。

进入脱硫系统的物质有：烟气、氧化空气、工艺水和石灰石浆液，其数据见表2和表3。出脱硫系统的物料有脱硫后的烟气、脱硫废水和石膏。

表2福建石狮热电厂的脱硫系统的进料情况

表3脱硫系统气相中各组

进入脱硫塔系统的工艺水，某些项目会采用城市中水回用水和凝结水精处理氨化运行下的处理排放水；回用水的水质标准要符合再生水利用于工业水标准，其控制氨含量为≤10mg/L；而凝结水精处理出水的pH值为9.0~9.5，pH值随氨含量变化，其氨质量浓度为≤3mg/L。因此进入脱硫系统的工艺水的氨质量浓度可取最大设计值10mg/L。

3.1脱硫系统的各物料平衡

先建立出入脱硫系统的各物料的平衡：

以式（1）为基础，建立烟气的物料平衡：

式中：m(IN)为入系统物质；m(OUT)为出系统物质；m(DR)为消耗物质；m(DP)为产生物质；EG为烟气；AIR为空气；GAS为脱硫后的气体。

该系统的吸收反应过程：

根据以上反应方程式得反应平衡方程：

设定脱硫塔脱硫效率为95%，则根据以上平衡，得到出脱硫系统干烟气中CO2、N2和O2及SO2的含量，其结果见表4。

表4出塔干烟气各物质含量

3.2氨吸收平衡

根据氨的吸收其吸收过程的平衡方程如下：

根据以上方程建立氨吸收的物料平衡关系：

式中：nNH3(EG)为烟气带入的氨量，mol/h；nNH3(PW)为工艺水带入的氨量，mol/h；P0为操作压力，101325Pa；Kr为氨与氢离子反应平衡常数；V为排出系统的液体体积，m3；H’NH3为氨的亨利系数；cNH3·H2O为液相中游离氨的浓度，mol/L；Pw为水蒸气分压，Pa。

脱硫系统出口烟气为饱和烟气，其Pw=Ps，Ps为水的饱和蒸气压。

氨的物料平衡关系可以看出，氨在气液相的分布，不仅与温度、压力、吸收液pH值有关，还与外排的脱硫废水量有关。

3.3各因素对氨平衡的影响

在脱硫系统中，对SO2的吸收产生影响的因素有：pH值、温度，CaCO3的含量等；pH值=4时，对SO2吸收受抑制，当pH值=6时，二氧化硫吸收效果最佳，最佳的运行pH值为5.5左右。常规脱硫系统的操作条件为：pH值=5.5～6.0，温度为50～55℃；按照正常操作条件下，由物料平衡计算废水排放量为10m3/h。氨逃逸为1~4mg/Nm3也对氨平衡产生影响，因此脱硫系统的操作条件和氨逃逸率对氨平衡进行正交分析。其正交表见表5。

表5因素及水平

根据表5所列的条件关系为各影响因素在脱硫系统正常操作条件下的不同取值。经过在不同因素条件下的组合分析得到其影响结果，见表6。

根据分析结果由表6中看出，脱硫系统正常操作条件下，氨逃逸对出脱硫塔的氨量影响最大，从而决定了烟气中的氨含量以及脱硫废水中的氨含量。在一定氨逃逸条件下，脱硫系统的pH值越低，则大量逃逸的氨进入到液相中；由脱硫废水排出。脱硫废水排放量增大有利于氨吸收，但其影响没有氨逃逸和pH值大。

较低的pH值不利于SO2的吸收，但氨氮会以离子态的形式进入到液相；而高pH值有利于SO2的吸收，但从烟囱排出的逃逸的氨量会增大。运行温度为50～55℃，在该温度范围内对其影响很低。

表6氨平衡影响因素分析表

4氨逃逸对环境的影响

通过对以上分析可知，逃逸的氨由脱硫系统通过烟气和废水排出，对环境产生影响。因此根据氨的物料平衡方程，在脱硫塔正常操作情况下，脱硫废水排放量为10m3/h，洗涤石膏带走的氨可忽略，分析不同的逃逸氨对环境的影响程度。

氨的吸收可知，低温和低pH值有利于氨的吸收，高温和高pH值不利于氨吸收。根据脱硫塔操作条件，即考虑在50℃、pH值=5.5和在55℃、pH值=6.0的2种情况下氨的逃逸率对环境的影响；其结果见图2。

《恶臭污染物排放标准—征求意见稿》中根据烟囱高度的不同，最高允许排放量有不同的限值：电厂的烟囱高度均超过30m，对应的氨的最高排放量不超过3.5kg/h，典型的2台1000MW机组共用1根烟囱，单个脱硫塔的出口烟气中氨最高排放量不应超过1.75kg/h。

图2氨逃逸率对大气环境的影响

由图2可以看出，在50℃、pH值=5.5最利于氨吸收条件和55℃、pH值=6.0最不利于氨吸收条件的情况下，均随着氨逃率的增大，脱硫塔排放进入大气的氨量增大。氨逃逸率一定时，最利于氨吸收的条件下排入大气的氨比最不利于吸收条件下排入大气的氨少。脱硫塔正常操作条件下，当氨逃率一定时，其排入到大气的氨量在这个2条线之间；当氨逃逸率超过0.85mg/Nm3后，不能满足恶臭气体排放标准。

根据氨平衡，氨逃率增大，其排放的脱硫废水的氨含量同样增大；超过排放标准15mg/L，需要经过处理后才能排放。

因此减少对环境的影响，需要在脱硝过程中严格的控制氨逃逸。

5结论

(1)逃逸氨经过正常运行条件下的脱硫系统后，对逃逸氨气液相平衡分布的影响因素及程度：氨逃逸率>pH值>脱硫废水的排放量>温度。

(2)氨逃逸率一定情况下，温度和pH值的升高，会导致脱硫系统排出烟气的氨含量增大。

(3)氨逃逸率增大，排入大气的氨量和脱硫废水的氨含量均增加；当典型的2台1000MW机组共用一根烟囱的情况下，氨逃逸率超过0.85mg/Nm3后，烟囱排放处不满足恶臭气体排放标准。

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