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火電廠脫硝逃逸氨對脫硫系統及環境影響分析研

作者:遂昌新聞來源:發布時間:2019-11-27 09:23

北極星大氣網訊:摘要

通過由脫硝系統產生的逃逸氨對脫硫系統(WFCG)及環境產生的影響進行分析和研究,結果表明:在脫硫系統運行條件下和氨逃逸率均會影響排入大氣的煙氣中的氨含量和脫硫廢水中的氨氮含量;特別是氨逃逸率對其影響最大。在正常操作條件下,當氨逃逸率超過0.85mg/Nm3,即在標準狀態下1m3煙氣(干基)中所含氨量超過0.85mg時,煙囪的排放處不滿足惡臭氣體排放標準;脫硫塔排出的廢水中的氨含量超標,需經過處理后才能滿足排放標準。因此氨逃逸使得脫硫系統排放的煙氣會對環境產生影響。

引言

為了保證排放的煙氣中NOx的含量符合國家排放標準,火電廠通常采用煙氣脫硝工藝來控制。在煙氣脫硝工藝中,通常采用具有良好選擇性,較高效率和穩定性的SCR脫硝工藝,即將NOx與還原劑發生氧化還原反應,從而轉化為無害的N2和水。

實際的應用過程中,為維持較高的脫硝效率,加入的氨量超過了與NOx等摩爾反應的理論值,導致過量的氨未能反應且隨煙氣“逃出”脫硝反應器,這種現象被稱為“氨逃逸”。

由于受粉塵、振動以及工程中在線儀表(CEMS)在測量氨逃逸方面的偏差,以及測量環境的惡劣導致難以對氨逃逸量準確測定。當氨逃逸較高時,會導致運行成本增加以及對鍋爐煙氣凈化系統產生影響。逃逸的氨少部分以硫酸氫銨的形式沉積在空預器和被飛灰帶走,大部分的進入脫硫系統,因此以逃逸氨對脫硫塔以及脫硫廢水處理系統及環境是否會產生影響進行了分析。

1火力發電廠鍋爐尾部煙氣典型工藝流程及氨逃逸量

脫硝反應器的逃逸氨會隨煙氣進入后續系統,會對后續空氣預熱器、除塵器、脫硫塔等設備和脫硫廢水處理工藝產生不同程度的影響。設計規定氨逃逸率小于2.5mg/m3;但實際操作運行中,過量噴氨導致氨的逃逸率增大。研究以1000MW機組的煙氣數據為基礎,對不同的氨逃逸率和脫硫系統的操作條件對環境的影響進行了分析。不計入煙氣中部分逃逸氨沉積在預熱器和飛灰對其吸附的影響。進入脫硫系統的煙氣的數據見表1。

表11000MW機組煙氣數據

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2石灰石濕法脫硫工藝簡介

石灰石-石膏濕法因適用煤種廣,脫硫效率高,系統運行可靠,是現階段實用的煙氣脫硫工藝。其如圖1所示。從圖1可以看出,進入吸收塔的氨主要來自原煙氣和工藝水。

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圖1脫硫系統氨平衡

3脫硫塔系統氨平衡分析計算

進入脫硫塔中的氨:煙氣帶入的逃逸氨和工藝水帶入;其中逃逸氨量以氨逃逸濃度(氨逃逸率)計,即煙氣(干基)在標準狀態下1m3中所含氨的毫克量,單位為mg/Nm3。由于脫硫塔的吸收液大部分在塔內循環,因此進入脫硫塔系統的氨在脫硫系統內形成氨平衡分布體系。

進入脫硫系統的物質有:煙氣、氧化空氣、工藝水和石灰石漿液,其數據見表2和表3。出脫硫系統的物料有脫硫后的煙氣、脫硫廢水和石膏。

表2福建石獅熱電廠的脫硫系統的進料情況

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表3脫硫系統氣相中各組

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進入脫硫塔系統的工藝水,某些項目會采用城市中水回用水和凝結水精處理氨化運行下的處理排放水;回用水的水質標準要符合再生水利用于工業水標準,其控制氨含量為≤10mg/L;而凝結水精處理出水的pH值為9.0~9.5,pH值隨氨含量變化,其氨質量濃度為≤3mg/L。因此進入脫硫系統的工藝水的氨質量濃度可取最大設計值10mg/L。

3.1脫硫系統的各物料平衡

先建立出入脫硫系統的各物料的平衡:

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以式(1)為基礎,建立煙氣的物料平衡:

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式中:m(IN)為入系統物質;m(OUT)為出系統物質;m(DR)為消耗物質;m(DP)為產生物質;EG為煙氣;AIR為空氣;GAS為脫硫后的氣體。

該系統的吸收反應過程:

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根據以上反應方程式得反應平衡方程:

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設定脫硫塔脫硫效率為95%,則根據以上平衡,得到出脫硫系統干煙氣中CO2、N2和O2及SO2的含量,其結果見表4。

表4出塔干煙氣各物質含量

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3.2氨吸收平衡

根據氨的吸收其吸收過程的平衡方程如下:

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根據以上方程建立氨吸收的物料平衡關系:

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式中:nNH3(EG)為煙氣帶入的氨量,mol/h;nNH3(PW)為工藝水帶入的氨量,mol/h;P0為操作壓力,101325Pa;Kr為氨與氫離子反應平衡常數;V為排出系統的液體體積,m3;H’NH3為氨的亨利系數;cNH3·H2O為液相中游離氨的濃度,mol/L;Pw為水蒸氣分壓,Pa。

脫硫系統出口煙氣為飽和煙氣,其Pw=Ps,Ps為水的飽和蒸氣壓。

氨的物料平衡關系可以看出,氨在氣液相的分布,不僅與溫度、壓力、吸收液pH值有關,還與外排的脫硫廢水量有關。

3.3各因素對氨平衡的影響

在脫硫系統中,對SO2的吸收產生影響的因素有:pH值、溫度,CaCO3的含量等;pH值=4時,對SO2吸收受抑制,當pH值=6時,二氧化硫吸收效果最佳,最佳的運行pH值為5.5左右。常規脫硫系統的操作條件為:pH值=5.5~6.0,溫度為50~55℃;按照正常操作條件下,由物料平衡計算廢水排放量為10m3/h。氨逃逸為1~4mg/Nm3也對氨平衡產生影響,因此脫硫系統的操作條件和氨逃逸率對氨平衡進行正交分析。其正交表見表5。

表5因素及水平

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根據表5所列的條件關系為各影響因素在脫硫系統正常操作條件下的不同取值。經過在不同因素條件下的組合分析得到其影響結果,見表6。

根據分析結果由表6中看出,脫硫系統正常操作條件下,氨逃逸對出脫硫塔的氨量影響最大,從而決定了煙氣中的氨含量以及脫硫廢水中的氨含量。在一定氨逃逸條件下,脫硫系統的pH值越低,則大量逃逸的氨進入到液相中;由脫硫廢水排出。脫硫廢水排放量增大有利于氨吸收,但其影響沒有氨逃逸和pH值大。

較低的pH值不利于SO2的吸收,但氨氮會以離子態的形式進入到液相;而高pH值有利于SO2的吸收,但從煙囪排出的逃逸的氨量會增大。運行溫度為50~55℃,在該溫度范圍內對其影響很低。

表6氨平衡影響因素分析表

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4氨逃逸對環境的影響

通過對以上分析可知,逃逸的氨由脫硫系統通過煙氣和廢水排出,對環境產生影響。因此根據氨的物料平衡方程,在脫硫塔正常操作情況下,脫硫廢水排放量為10m3/h,洗滌石膏帶走的氨可忽略,分析不同的逃逸氨對環境的影響程度。

氨的吸收可知,低溫和低pH值有利于氨的吸收,高溫和高pH值不利于氨吸收。根據脫硫塔操作條件,即考慮在50℃、pH值=5.5和在55℃、pH值=6.0的2種情況下氨的逃逸率對環境的影響;其結果見圖2。

《惡臭污染物排放標準—征求意見稿》中根據煙囪高度的不同,最高允許排放量有不同的限值:電廠的煙囪高度均超過30m,對應的氨的最高排放量不超過3.5kg/h,典型的2臺1000MW機組共用1根煙囪,單個脫硫塔的出口煙氣中氨最高排放量不應超過1.75kg/h。

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圖2氨逃逸率對大氣環境的影響

由圖2可以看出,在50℃、pH值=5.5最利于氨吸收條件和55℃、pH值=6.0最不利于氨吸收條件的情況下,均隨著氨逃率的增大,脫硫塔排放進入大氣的氨量增大。氨逃逸率一定時,最利于氨吸收的條件下排入大氣的氨比最不利于吸收條件下排入大氣的氨少。脫硫塔正常操作條件下,當氨逃率一定時,其排入到大氣的氨量在這個2條線之間;當氨逃逸率超過0.85mg/Nm3后,不能滿足惡臭氣體排放標準。

根據氨平衡,氨逃率增大,其排放的脫硫廢水的氨含量同樣增大;超過排放標準15mg/L,需要經過處理后才能排放。

因此減少對環境的影響,需要在脫硝過程中嚴格的控制氨逃逸。

5結論

(1)逃逸氨經過正常運行條件下的脫硫系統后,對逃逸氨氣液相平衡分布的影響因素及程度:氨逃逸率>pH值>脫硫廢水的排放量>溫度。

(2)氨逃逸率一定情況下,溫度和pH值的升高,會導致脫硫系統排出煙氣的氨含量增大。

(3)氨逃逸率增大,排入大氣的氨量和脫硫廢水的氨含量均增加;當典型的2臺1000MW機組共用一根煙囪的情況下,氨逃逸率超過0.85mg/Nm3后,煙囪排放處不滿足惡臭氣體排放標準。


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