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介绍了火力发电厂烟气脱硝逃逸氨在烟气净化流程中的迁移途径,分析了逃逸氨在石灰石湿法脱硫系统中的溶解平衡和物料平衡关系,以及化学沉淀工艺、脱硫废水零排放工艺、脱硫废水高温烟气蒸发工艺3种脱硫废水处理工艺中铵离子的变化及其迁移的可能途径。结果表明:脱硝反应器中的氨逃逸难以避免;逃逸氨在脱硫塔内被吸收转化为铵离子,是脱硫废水氨氮的主要来源之一;氨氮含量高的脱硫废水,采用加碱提高 pH值的软化处理和高温烟气蒸发结晶工艺进行零排放处理时应充分考虑氨的挥发问题。

烟气脱硝系统是火电厂保证燃煤锅炉烟气达标排放的主要工程措施之一。截至 2017 年底,全国火电厂已投运烟气脱硝机组容量为 9.6 亿 k W,占火电装机总容量的 87.3%。在所有烟气脱硝工程项目中,95%的项目采用以氨为还原剂的选择性催化还原(SCR)脱硝工艺。

为了提高烟气中 NOx与还原剂 NH3发生氧化还原反应生成 N2的速度和转化程度,加入的氨量必须大于等摩尔反应的理论值,且维持一定的过剩量。这部分过量的氨,会随着烟气“逃出”脱硝反应器,这种现象称为氨逃逸,而逃逸出来的氨称为逃逸氨。由于锅炉烟道中存在烟气流场不均、温度场不均、催化剂失效度不均、锅炉负荷波动等问题,难以准确在线测量和控制烟气中逃逸氨,逃逸氨的体积分数通常大于设计规程规定的 3 μL/L,从而对后续烟气系统及脱硫废水处理系统等产生不良影响。

1逃逸氨迁移途径与排放控制标准

电厂燃煤锅炉烟气含有大量余热,可通过省煤器和空气预热器加以利用。烟气中含有的 NOx、粉尘、SO2等有毒有害物质则通过脱硝反应器、除尘器、脱硫塔等工艺设备进行净化处理,最终净化后的烟气排入大气。典型的烟气净化处理工艺流程如图 1 所示。

烟气脱硝逃逸氨的迁移转化及其对脱硫废水处理的影响

图 1火力发电厂锅炉烟气净化处理工艺流程

图 1 中,作为还原剂的氨气(NH3)通过加氨系统输送到脱硝反应器前部的烟道中与烟气中的NOx 在烟道中充分混合后,进入脱硝反应器在催化剂的作用下发生氧化还原反应,将 NOx还原为 N2。脱硝反应器的逃逸氨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。典型的石灰石-石膏湿法烟气脱硫系统如图2所示。该系统由石灰石制浆系统、SO2吸收塔、石膏浆液固液分离系统(旋流分离器、石膏脱水淋洗、气液分离器和脱硫废水收集)等单元组成。

烟气脱硝逃逸氨的迁移转化及其对脱硫废水处理的影响

图 2 典型石灰石-石膏湿法烟气脱硫系统

脱硫塔内混合了石灰石-石膏浆液,在循环泵的作用下,通过塔内喷嘴以喷淋方式流下,以对流方式与烟气接触,吸收烟气中的 SO2并与之发生化学反应生成石膏。与此同时,循环浆液也吸收了脱硝反应器的逃逸氨将其转化为 NH4+。

循环浆液会吸收烟气中的挥发性含 Na 物质、重金属、HCl 等物质,并将其溶解,在烟气产生的蒸发作用下使其得到富集。当脱硫塔内反应产物石膏和各种杂质的含量达到一定限值时,循环浆液就被排出脱硫塔,以维持塔内化学反应的正常进行。

排出塔外的浆液通过旋流分离器进行固液分离,分离出来的“脱硫废水”主要特征是高盐,其所含氨氮大部分源于被石灰石-石膏浆液吸收的脱硝逃逸氨。未被吸收仍呈气态的逃逸氨,则会随着烟气排放到大气中去。对于废气、废水中氨的排放,国家/行业标准规定的排放限值见表 1。政府部门将按表 2 的税目税额按日计征收环保税。

表 1废气、废水有关氨排放限值

烟气脱硝逃逸氨的迁移转化及其对脱硫废水处理的影响

表 2大气污染物中氨及水污染物中氨氮的税目税额

烟气脱硝逃逸氨的迁移转化及其对脱硫废水处理的影响

2 脱硫塔内氨的溶解平衡与物料平衡

2.1 溶解平衡基本关系

脱硝反应器的逃逸氨,随着烟气流动进入脱硫吸收塔内,大部分逃逸氨将很快被塔内脱硫循环浆液吸收溶解,形成水合氨。由于塔内浆液吸收了烟气中的酸性气体 SO2、SO3和 HCl 而呈酸性,故碱性的水合氨将很快发生电离反应,生成游离的铵离子(NH4+)。

 

当脱硫塔内的反应过程趋于稳态时,可利用氨的溶解平衡和电离平衡进行相关计算。对于反应 式(1),可采用亨利分压定律进行计算:

 

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