第 4 章 氨法在煤矿锅炉脱硫应用与分析
4.1 应用矿井供热和锅炉基本情况介绍。
矿 井 和 选 煤 厂 投 产 时 ， 工 业 场 地 锅 炉 房 最 大 供 热 负 荷 为 采 暖 季37891.6kW，热泵机房最大供热负荷为 2774.1kW，考虑 1.1 的管网漏损系数，锅炉房采暖季最大供热量 41681kW（折合蒸发量 59.5t/h），非采暖季供热量2890kW（折合蒸发量 4.1t/h）。锅炉燃用本矿洗选后的产品煤，低～中水分、特低灰、低灰、特低硫～中硫，高、特高热值的不粘煤、长焰煤及弱粘煤，粒度 0～50mm。工业分析平均值如下：灰分 Ad：9.41%、水分 Mad：4.42%、挥发分 Vdaf：34.82%、全硫 St：1.2%、低位发热值 Qgr.d：20.91MJ/kg。
按照采暖季热负荷情况确定锅炉容量和台数，综合考虑后确定在锅炉房内设置 3 台 14MW（3x20t/h）锅炉。锅炉均产出 110℃/70℃高温热水。根据煤质资料选用 3 台 DZL14-1.00/115/70-AII 型高温水链条锅炉及配套鼓、引风机。采暖季锅炉全部运行，非采暖季不运行，非采暖季采用热泵机组。锅炉房循环水泵和补水泵都采用变频调量，集中控制，根据室外温度变化调节锅炉房的供热能力。锅炉效率为 79%，每天运行 20 个小时。
锅炉房用煤来自选煤厂的原煤仓, 通过仓下给煤机将煤送到上锅炉房带式输送机栈桥，再转到锅炉配煤间带式输送机栈桥，然后通过犁式卸料器和溜槽至各锅炉炉前煤仓，从煤仓进入锅炉煤斗。煤的粒度为 0～50mm，0～3mm 碎屑不超过 30％，适合链条炉燃烧。锅炉除渣选用 ZKC 型重型框链出渣机联合除渣至除渣间，汽车运走。根据中华人民共和国国家《锅炉大气污染物排放标准》
GB13271-2014 的新规定，新建锅炉大气污染物排放浓度限值规定，需要对锅炉烟气进行颗粒物、二氧化硫、氮氧化物进行处理。本锅炉房严格执行国家新标准，对锅炉房设计 2 级除尘，一级为干式布袋除尘器，二级为湿式脱硫塔，脱硫塔除去脱硫外，还兼顾除尘作用，一级除尘器漏掉的微小尘粒通过脱硫塔除掉。通过 2 级除尘后，除尘效率达到 99.9%。脱硫工艺采用氨法。
4.2 应用矿井氨法工艺介绍。
4.2.1 氨法脱硫系统构成。
锅炉的烟气在进入脱硫塔之前先经过布袋除尘器和引风机，脱硫塔在常规塔的结构的基础上进行了一些改造，首要任务是让烟气中的二氧化硫和脱硫剂进行反应，烟气从脱硫塔的底部进入沿着塔体上升。本次设计设置循环水泵，本矿井有三台锅炉所以选择三台循环水泵，为了提高脱硫塔的液气比，设置特殊结构，减少了气溶胶的形成，也防止了很多氨逃逸，大大的提高了脱硫液的使用效率，也就提高了脱硫效率，通过改造预计可以提高脱硫塔的应用效果。本工程的除雾器也是设置了两层，两层除雾器均设置于脱硫吸收区的上方，在塔内烟气中的二氧化硫与脱硫液反应也就生成了亚硫酸铵，亚硫酸铵通过脱硫塔前面的排水沟最后汇入循环反应池,循环反应池中通入氧气,在氧气的作用下亚硫酸氢铵继续反应生成硫酸铵，同时，由脱硫剂生成工艺不定期的要给脱硫循环池进行液体补充，以补充减少掉的脱硫液，让循环反应池的酸碱度保持一定值。硫酸铵被泵打入板框压滤机，经板框压滤机压滤后除去杂质，出来的的水被引入干燥系统，制成硫酸铵化肥外卖。氨法脱硫工艺系统分为脱硫工艺流程、脱硫水循环流程、硫酸铵副产品系统、去除杂质系统等几部分组成。
4.2.1.1 脱硫工艺流程。
锅炉烟气经过布袋除尘器和引风机从脱硫塔底部进入到脱硫塔，烟气顺着脱硫塔[70]壁上升与喷淋下来的脱硫剂发生反应生成亚硫酸铵，亚硫酸铵通过脱硫塔底流出，沿着脱硫塔一侧的循环沟流入循环水池，氧化风机将氧气鼓入循环水池，亚硫酸铵溶液在循环水池与氧气进行进一步反应生成硫酸铵，通过泵打入过滤器，过滤出来的杂质打入板框压滤机，杂质被压滤出来，液体流出加热结晶，进入旋流器，上清液通过压滤机顶部的旋流器分离出液体继续打入脱硫循环系统，而另一部分晶体进入干燥机继续干燥变成硫酸铵化肥，定期的往循环水池中加入脱硫液补充因反应而损失掉的部分。脱完二氧化硫的烟气进入除雾器除雾后排出脱硫塔，脱硫工艺完成。
4.2.1.2 脱硫水循环流程。
脱硫反应发生在两部分，一部分是在脱硫塔内完成就是生成了亚硫酸铵的过程；另一部分是在循环水池中进行，就是生成了硫酸铵的过程，脱硫液不断的和烟气进行接触，循环水泵在这里面起了很大的作用，循环水泵打循环就是把脱硫液打入喷嘴，用以吸收烟气中的二氧化硫，本次设计喷嘴设置了三层，除雾器设置了两层，在喷嘴层脱硫剂和烟气进行反应生成亚硫酸氢铵，亚硫酸氢铵通过脱硫塔底部的管口流入脱硫塔旁边的脱硫沟然后流入循环水池，进一步和氧起反应生成硫酸铵。有一路循环水进入除雾器，间歇喷洒去除掉除雾器上的结晶，减少堵塞，这一路有电控装置，可关大关小，喷淋水最终同上面哪一个分支一样流入循环水池。
4.2.1.3 硫酸铵副产品系统。
浓度较低的硫酸铵溶液进入蒸发器蒸发结晶，在硫酸铵含量达到百分之四十的时候结束。然后通过泥浆泵进入到过滤器过滤把杂质去除掉，杂质进入板框压滤机进行压滤排出，而硫酸铵液体被送入旋流器旋流，上清液回到循环系统，而结晶体进入干燥机继续干燥变成化肥外卖。
4.2.1.4 去除杂质系统。
为了让产生的硫酸铵更纯净，除杂是很有必要的，杂质是被过滤出来的，硫酸铵浓缩溶液先进入过滤器把杂质过滤出来，然后由出料泵泵入到板框压滤机压滤外运排走。综上所述，所有工艺流程图具体见下图：
氨法除了氧化镁法采取的措施之外，又采取了如下措施：1、防止气溶胶：
氨水吸收烟气中的二氧化硫，进行反应的时候，由于高温烟气不断的从一侧经过，反应生成物就会因为蒸发而析出固体物质，氧化的不彻底和空塔的烟气速度过快都会导致这种固体物质被烟气带走，这就会形成气溶胶，为了防止它的发生，采取了一些加强氧化的措施和降低塔内烟气流速的措施，严格控制氨反应产物被氧化的程度，局部反应区增加阻尼，既促进反应，又让反应更加充分；同时在反应温度控制和调整吸收液成分上做了一些工作。2、防止氨泄露：在氨管道上增加监测和报警设施，通过自动化设施加强对氨管道的监视，防止氨泄露对脱硫剂的浪费和对人的伤害。
4.3 应用矿井氨法主要设备系统计算。
4.3.1 烟道系统。
锅炉产生的烟气经布袋除尘器和引风机后进入脱硫塔，在脱硫塔中烟气和脱硫剂进行了很好的反应，超温容易产生气溶胶，所以尽量不要超温，温度最好控制在 150℃以下。烟路系统的设施及零部件如下所述。
4.3.1.1 烟道。
在烟路工程实践中我们做了很多尝试，而要创新就要了解烟路的状况，这就要了解它的温度压力的状况以及流量和污染物含量的状况。而且设计过程中还要考虑荷载等因素，这其中就包括了烟路自己的重量、内部衬的玻璃鳞片以及烟路的保温荷载和风雪附加的重量、灰尘附加的重量，有时候还要考虑地震的状况。而烟路中有腐蚀也很正常，所以要考虑一些余量。烟路选取的流动的速度应低于 14m/s，关于烟路的承压问题，它应该比引风机负荷最大时候的压力还要高 1100Pa，烟道的横截面积 S=Q/V=60000/3600/14 =1.20m2因此取锅炉烟道尺寸为直径 1250mm。烟道材质选用碳钢。
4.3.1.2 烟路附件。
做好烟路上的温度和压力监测并上传自控系统，及时反映系统实际运转的情况。对烟路的水分要及时排除，设回收装置，增加防回收装置堵塞的措施，采用玻璃钢制作，有冲洗措施。排水排入集水坑内。
烟路管径大,需要加支撑，外面需要加固定，以保证烟路的稳定性，确保运行安全。
烟路要保温，外边加保护层，保温层选玻璃棉，保护层用彩钢板，保温层厚度用 60mm，保护层厚度用 0.5 mm。
4.3.1.3 伸缩补偿器。
脱硫塔烟路上安装伸缩补偿器。伸缩补偿器和烟路尺寸具有相同的尺寸，伸缩节的材料为合金。伸缩节所在烟路上应设置压力和温度仪表，信号上传自控系统，用来检测和掌控系统自动运行状况。
4.3.1.4 进风管路。
进风管风速 V=2.5m/s 的模式经脱硫塔向上流动，进口要设防杂质堆积和防回流措施[72-74]。
4.3.2 SO2吸收系统。
4.3.2.1 吸收塔。
吸收塔又叫脱硫塔, 本设计脱硫塔结构采用多段复合结构的吸收塔，自下而上分别为循环段、浓缩段、吸收段（填料层）、除雾器。浓缩段采用碳化硅螺旋实心喷嘴，可以将硫铵溶液雾化，与进入吸收塔的烟气充分接触，提高浓缩效率。根据烟气流场分布模拟实验，进行塔体设计，确保塔内烟气均匀分布。
选用的材料适合工艺过程的特性，并且能承受烟气飞灰和脱硫工艺固体悬浮物的磨损。脱硫塔设计成气密性结构，防止液体泄漏。为保证壳体结构的完整性，脱硫塔尽可能使用焊接连接，法兰和螺栓连接仅在必要时使用。
脱硫塔在每一个喷射层的地方加一个防气溶胶结构，让烟气在经过此结构的时候能与脱硫液充分融合反应，减少气溶胶的生成，能更好的脱除二氧化硫，相应就提高了脱除二氧化硫的效率，最大限度的去除二氧化硫，此结构也能减少一部分烟气中携带的烟尘，也防止了烟气流速过快带走脱硫剂的现象出现，在喷嘴的上部设置两组除雾器，以更好的去除烟气中的水汽。
合理设置烟气入口处的角度和长度，使烟气不冲击烟道入口对面塔壁，确保烟气整体在塔内分布均匀，保证不冲击塔壁，在烟气入口设置由冲洗管道，按设定的程序定期冲洗，防止烟道口积灰。脱硫塔塔体及内构件均采取防腐蚀措施。塔体防腐采用内衬玻璃鳞片，玻璃鳞片厚度为 3mm。脱硫塔入口烟道处及脱硫塔内高温烟气段 8m 的范围内为高温、低温结合区，对防腐要求高，因此，采用碳钢内衬哈氏合金材料（C276），诸如脱硫塔内喷淋系统、除雾系统等的支撑等碳钢部件，均采用玻璃鳞片防腐。脱硫塔内螺栓、螺母等均采用 316L 的材料制造。涉浆液所有阀门采用碳钢衬胶材质。
吸收塔高度由如下几个部分的计算来决定，首先是脱硫剂反应区高度（ht），在喷嘴附近，其次是脱硫除雾区高度（hc），这个是在喷嘴的上面，最后是烟气进口那部分的高度（hy）。
吸收塔直径的计算：横截面积 S=Q/V=60000/3600/2.5 =6.67m2，直径为3000mm，脱硫升气帽、脱硫水洗段、脱硫除雾器直径均与脱硫塔内径一致。
脱硫剂反应区高度设计：ξ= Q/V=Kcmη /ht其中，m 为质量浓度，公式中测定位置为脱硫塔入口处，状况为标准状况下，单位为 kg/m3；比率η为设定的脱硫剂对二氧化硫的吸收的比率，%；ht为脱硫塔内脱硫剂反应区高度，m；Kc 为常数，其计算数是由烟气的速度和烟气的温度等综合决定的；则吸收段高度两类塔分别为 h1==8.4m，除雾器高度h2 分别取 2.5m。 H=h1+h2+h3=13.5m所有塔的部件设计都要有一个富裕系数，来抵抗腐蚀带来的折减。为防止脱硫塔的脱硫液漏掉，脱硫塔的结构密闭性也要求比较高。
外壳设计要考虑自身荷载、风雪荷载和地震等因素，而且要用专业软件进行分析，本体设计要尽量不留死角，对于在塔内产生的亚硫酸铵尽量让它流入循环池，在循环池要尽量让亚硫酸铵的停留时间长一些，使亚硫酸铵完全氧化。对于脱硫塔烟路的进口处要采取措施，以能够让烟气入口的烟气不回流而且能防止一些杂物在入口处累积。
脱硫塔应设置很多的进人的孔洞和观察的孔洞，还得保证这些地方没有烟气和脱硫液的泄露，应该设置好封堵，而且这些地方的强度也不能太低。设置一些走道平台和爬梯。
脱硫塔系统本次采用在塔外来循环，塔外设置有氧化铵脱硫系统循环池。
在所有设计的设施上都既有就地又有远传设施，在能监控的地方选择好测点，尽量让各个地方自动化程度高一些。喷淋系统、除雾系统之间间距的设置，均方便人员进出，方便检修、维护和清洁。氧化段区域合理设计，氧化喷淋装置采用篦子板型式，在氧化管道底部管壁开有一定数量的喷孔。氧化管道分布与喷孔设置均能最大化的满足气体在液体中的分布，保证亚硫酸铵 99%氧化。脱硫塔顶除雾器采用高效屋脊型除雾器，按设定的控制程序进行喷淋，防止除雾器结垢。除雾段设置压差测量，可监测除雾器运行情况，当除雾段压差超过设定值时，开启水除雾器水喷淋装置。
4.3.2.2 吸收塔浆液循环泵。
设置三台吸收塔浆液循环泵，一台锅炉配置一台，同时在出水管设旁通阀，实现互为备用。液气比按 5L/m3，所以锅炉选用循环水泵流量为 Q=液气比×烟气量=3×60000=180000L=180m3,考虑 15%的富裕系数，故泵流量选择 220m3/h，故泵流量选择 230m3/h。
4.3.3 脱硫剂浆液制备输送系统。
按照烟气排放总量（180000Nm3/h），总耗煤量为 9152Kg/h。烟气量折减到150oC ，V=180000×273（/ 273+150）=116170m3，含硫量 9152×1/100=109.83Kg/h，每立方烟气含二氧化硫：109.83×64/32/116170=1891mg/m3，烟气初始二氧化硫含量(取值 1891mg/Nm3)和外排烟气二氧化硫含量(≤200mg/Nm3)，计算出二氧化硫吸收量[75-76]，即应处理的二氧化硫总量。以每小时处理二氧化硫量计算各物料数据如下:
a)根据氨法脱硫反应总方程式：
2NH3+ H2O + SO2+ 1/2O2= (NH4)2SO4b)按较大值计算，每立方烟气二氧化硫处理量为：
1891–200=1691mg/Nm3c)每小时处理量为：
1691×116170=197kg/hd)有效氨用量计算：
197×34/64=104.66kg/he)折合氨水用量（20%）：（密度 0.9g/L）104.66/0.2=523.30kg/h跟氨有关的设备大小选择见设备表。
氧化风机风量：V=104.66×22.4×5/34=344.76 m3/h=5.75m3/h，一般空气过量大一些，反应才充分，故本次取 1.8，故选风机流量要大于 10.34m3/min。具体参数见设备表如下：
4.4 氨法预期运行分析及实测结果对比。
根据煤矿锅炉总规模和单台锅炉都比较小的特点，需要选择更适合这种特点的脱硫工艺，氨法就是这种脱硫工艺之一，本文通过仔细计算结合自己查阅的中外文献，预计氨法这种工艺运行后，脱硫剂的利用率会比较高，效率会很高，排放烟气中 SO2浓度将降低。这样就能达到锅炉大气污染物排放标准规定的关于二氧化硫排放浓度的要求，更解决好了脱硫塔结垢和运行不利的诸多弊端，为脱硫设施更好的服务矿井提供了很好的模式。
去年冬季矿井锅炉房进行了实际运行，我进行了调研，现场测了几组数据，数据如下：
通过以上表格分析，脱硫效率跟实际计算的相差不大，为我们以后仍沿用此方法提供了数据保证，在其它方面我们也进行了相关的检测，比如脱硫塔阻力为 850Pa，脱硫塔供水压力在 0.4MPa，装置年运行小时数在 2370 小时，循环液的酸碱度在 6.0 左右，循环液流量为 176 m3/h，液气比比设计的小，大约为 3 L/m3，所以通过塔的改进，让脱硫液和烟气充分接触，可以降低液气比。
4.5 本章小结。
通过氨法脱硫工艺在矿井上的实践，找到了适合矿井的氨法工艺流程，并在具体的位置进行了如下创造：1、防止气溶胶，采取了一些加强氧化的措施和降低塔内烟气流速的措施。2、防止氨泄露：在氨管道上增加监测和报警设施。进行了设备选型计算，为以后矿井脱硫设备的计算提供了模板。
同氧化镁法一样，改进了塔的结构，提高了液气比，让脱硫塔更适合小型锅炉运行。将来可以在矿井脱硫设备设施上进行更多的尝试，然后通过实际工程的调研和检测得到更多的验证，好的就形成模板，不好的引以为戒，避免以后犯同样的错误。选择好的脱硫工艺，依据矿井锅炉特点总结出好的实用的工艺流程加以推广，做好计算让计算方法更贴近工程实际，并在脱硫工艺和塔的结构上进行再创新，同时做好调研和检测，对自己推广的工艺流程、应用的计算方法和在脱硫工艺和塔的结构上做的创新进行验证，以便以后更好的应用。
