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IMA烟气脱硫技术介绍
浏览: 发布日期:2015-02-24
一、脱硫技术现状
为了控制大气中二氧化硫,早在19世纪人类就开始进行有关的研究,但大规模开展脱硫技术的研究和应用是从二十世纪50年代开始的。经过多年研究目前已开发出的200余种SO2控制技术。这些技术按脱硫工艺与燃烧的结合点可分为:①燃烧前脱硫(如洗煤,微生物脱硫);②燃烧中脱硫(工业型煤固硫、炉内喷钙);③燃烧后脱硫,即烟气脱硫(Flue Gas Desulfurization,简称FGD)。FGD是目前世界上唯一大规模商业化应用的脱硫方式,是控制酸雨和二氧化硫污染的最主要技术手段。
烟气脱硫技术主要利用各种碱性的吸收剂或吸附剂捕集烟气中的二氧化硫,将之转化为较为稳定且易机械分离的硫化合物或单质硫,从而达到脱硫的目的。FGD的方法按脱硫剂和脱硫产物含水量的多少可分为两类:①湿法,即采用液体吸收剂如水或碱性溶液(或浆液)等洗涤以除去二氧化硫。②干法,用粉状或粒状吸收剂、吸附剂或催化剂以除去二氧化硫。按脱硫产物是否回用可分为回收法和抛弃法。按照吸收二氧化硫后吸收剂的处理方式可分为再生法和非再生法(抛弃法)。
1、国外烟气脱硫现状
国外烟气脱硫研究始于1850年,经过多年的发展,至今为止,世界上已有2500多套FGD装置,总能力已达200,000MW(以电厂的发电能力计),处理烟气量700Mm3/h,一年可脱二氧化硫近10Mt,这些装置的90%在美国、日本和德国。
尽管各国开发的FGD方法很多,但真正进行工业应用的方法仅是有限的十几种。其中湿式洗涤法(含抛弃法及石膏法)占总装置数的73.4%,喷雾干燥法占总装置数的17.7%,其它方法占9.3%。美国的FGD系统中,抛弃法占大多数。在湿法中,石灰/石灰石法占90%以上。可见,湿式石灰/石灰石法在当今FGD系统中占主导地位。
尽管各国在FGD方面都取得了很大的进步,但运行费用相当惊人,而且各种方法均有其局限性,因此,至今许多研究者仍在不断研究开发更先进、更经济的FGD技术。
目前工业化的主要技术有:
①湿式石灰/石灰石—石膏法  该法用石灰或石灰石的浆液吸收烟气中的SO2,生成半水亚硫酸钙或再氧化成石膏。其技术成熟程度高,脱硫效率稳定,达90%以上,是目前国内外的主要方法。
②喷雾干燥法  该法是采用石灰乳作为吸收剂喷入脱硫塔内,经脱硫及干燥后为粉状脱硫渣排出,属半干法脱硫,脱硫效率85%左右,投资比湿式石灰石-石膏法低。目前主要应用在美国。
③吸收再生法  主要有氨法、氧化镁法、双碱法、W-L法。脱硫效率可达95%左右,技术较成熟。
④炉内喷钙—增湿活化脱硫法  该法是一种将粉状钙质脱硫剂(石灰石)直接喷入燃烧锅炉炉膛的脱硫技术,适用于中、低硫煤锅炉,脱硫效率约85%。
2、国内烟气脱硫现状
我国废气脱硫技术早在1950年就在硫酸工业和有色冶金工业中进行,对电厂锅炉燃烧产生烟气二氧化硫的脱除技术在二十世纪70年代开始起步并在国家“六五”至“九五”期间有了长足的进步。先后有60多个高校、科研和生产单位对多种脱硫工艺进行了试验研究。
尽管我国对FGD系统的研究开始得很早,涉及的面也很宽,但大部分技术只停留在小试或中试阶段,远未达到大面积工业化应用的程度。而投入巨资引进的示范工程虽然设备先进、运行稳定,但投资巨大,运行费用也相当高。因此加快对国外先进技术的消化吸收,使其国产化、低成本化,是当前重要而艰巨的任务。下表列出了我国引进的部分FGD装置情况。最近十几年来,我国加大了FGD技术研究的投入,“八五”、“九五”期间不断有大课题立项支持这方面的研究,取得了可喜的成绩,其中,旋流板塔脱硫技术就是在这段时间研究、开发、发展起来的。
钠钙双碱法是较为常用的脱硫方法之一,该法在国外(如日本、美国)已有大型化成功应用,在日本和美国至少有50套双碱法脱硫装置,成功应用于电站和工业锅炉,较大规模的有美国 Central Illinois Public Service, Newtow 1#, 575MW。
 
二、工艺选择
目前国内外脱硫技术应用最广泛的是湿式石灰石—石膏法,但该技术工程投资大、运行成本高,设备和管路系统易磨损和堵塞。
双碱法是先用可溶性的碱性清液作为吸收剂吸收SO2,然后再用石灰乳或石灰对吸收液进行再生,由于在吸收和吸收液处理中,使用了不同类型的碱,故称为双碱法。钠钙双碱法是以碳酸钠或氢氧化钠溶液为第一碱吸收烟气中的SO2,然后再用石灰或熟石灰作为第二碱,处理吸收液,再生后的吸收液送回吸收塔循环使用。由于采用钠碱液作为吸收液,不存在结垢和浆料堵塞问题,且钠盐吸收速率比钙盐速率快,所需要的液气比低很多,可以节省动力消耗。
因此,本工程采用钠钙双碱法脱硫工艺。
1、 钠钙双碱法工艺反应原理
双碱法烟气脱硫工艺同石灰石/石灰等其他湿法脱硫反应机理类似,主要反应为烟气中的SO2先溶解于吸收液中,然后离解成H+和HSO3—;
             SO2(g)= = = SO2
       SO2(aq)+H2O(l) = = =H++HSO3— = = = 2H++SO32-;
式(1)为慢反应,是速度控制过程之一。
然后H+与溶液中的OH—中和反应,生成盐和水,促进SO2不断被吸收溶解。具体反应方程式如下:
2NaOH + SO2 → Na2SO3 + H2O
Na2SO3 + SO2 + H2O → 2NaHSO3
    脱硫后的反应产物进入再生池内用另一种碱,一般是Ca(OH)2进行再生,再生反应过程如下:
Ca(OH)2 + Na2SO3  → 2 NaOH + CaSO3$ U-
Ca(OH)2 + 2NaHSO3 → Na2SO3 + CaSO3·1/2H2O +1/2H2O
( F存在氧气的条件下,还会发生以下反应:
Ca(OH)2 + Na2SO3 + 1/2O2 + 2 H2O → 2 NaOH + CaSO4·H2O
脱下的硫以亚硫酸钙、硫酸钙的形式析出,然后将其用泵打入石膏脱水处理系统或直接堆放、抛弃。再生的NaOH可以循环使用。
本工程选择钠钙双碱法为脱硫工艺,以石灰作为主脱硫剂,钠碱为助脱硫剂。由于在吸收过程中以钠碱为吸收液,脱硫系统不会出现结垢等问题,运行安全可靠。且由于钠碱吸收液和二氧化硫反应的速率比钙碱快很多,能在较小的液气比条件下,达到较高的二氧化硫脱除率。
2、低阻高效喷雾脱硫工艺
喷淋塔也成为喷雾塔,是在吸收塔内上部布置几层喷嘴,脱硫剂通过喷嘴喷出形成液雾,通过液滴与烟气的充分接触,来完成传质过程。空塔喷淋吸收塔主体为矩形塔体,塔体内配置有多个高效喷嘴及高效除雾装置,浆液在吸收塔内通过高效雾化喷嘴雾化,雾化覆盖面积可达200%,形成良好的气液接触反应界面,烟气进入塔内之后,在塔内匀速上升,与雾状喷液进行全面高效混合接触,脱除SO2等酸性气体。根据燃煤含硫量、脱硫效率等,一般在脱硫塔内布置几层喷嘴。喷嘴形式和喷淋压力对液滴直径有明显的影响。减少液滴直径,可以增加传质表面积,延长液滴在塔内的停留时间,两者对脱硫效率均起到积极的作用。液滴在塔内的停留时间与液滴直径、喷嘴出口速度和烟气流动方向有关。带雾点的烟气上升至高效除雾装置时,通过除雾装置的作用,气液进行接触二次吸收并同时得到有效分离,从而避免烟气夹带雾沫,最大限度地减少烟气带水现象。
空塔喷淋烟气洗涤技术是现在国际国内技术成熟,最为前沿流行使用的空塔喷淋技术。
1、空塔喷淋是经过大型石灰石-石膏法演变而来的喷淋塔,具有很高的脱硫效率,最高时可达95%;
2、可操作弹性大,对煤种变化适应性强,含硫率在4%以下可确保二氧化硫排放浓度,在锅炉工况110%以下均能正常等等;
3、系统阻力小,运行费用低,权为大型湿法的十分之一;
4、采用进口的除雾技术,烟气含湿量确保符合要求;
5、不存在堵塞问题;
6、设备利用率高,保证与锅炉同步运行达100%以上;
7、空塔投资与其它塔形相差无几;
8、运行操作简便,维护方便,稳定性是其它塔形的三到五倍。
除雾器可安装在吸收塔上部,用以分离净烟气夹带的雾滴。除雾器出口烟气湿度不大于75mg/Nm3,分为两级布置在脱硫塔上部,设置两级四通道平板式除雾器,一层粗除雾,一层精除雾。
除雾器型式能够保证其具有较高的可利用性和良好的去除液滴效果,且保证脱硫后的烟气以一定流速均匀通过除雾器,防止发生二次携带,堵塞除雾器。
除雾器系统的设计考虑了FGD装置入口的飞灰浓度的影响。该系统还包括去除除雾器沉积物的冲洗和排水系统,运行时根据给定或可变化的程序,既可进行自动冲洗,也可进行人工冲洗。设计了合理的冲洗时间和冲洗水量,既能冲洗干净除雾器,又防止生成二次携带。
位于下面的第一级除雾器是一个大液滴分离器,叶片间隙稍大,用来分离上升烟气所携带的较大液滴。上方的第二级除雾器是一个细液滴分离器,叶片距离较小,用来分离上升烟气中的微小浆液液滴和除雾器冲洗水滴。烟气流经除雾器时,液滴由于惯性作用,留在挡板上。由于被滞留的液滴也含有固态物,因此存在挡板上结垢的危险,同时为保证烟气通过除雾器时产生的压降不超过设定值,需定期进行在线清洗。为此,设置了定期运行的清洁设备,包括喷嘴系统。冲洗介质为工业水。
一级除雾器的上下面和二级除雾器的下面设有冲洗喷嘴,正常运行时下层除雾器的底面和顶面,上层除雾器的底面自动按程序轮流清洗各区域。除雾器每层冲洗可根据烟气负荷、除雾器两端的压差自动调节冲洗的频率。
冲洗水由除雾器冲洗水泵提供,冲洗水还用于补充吸收塔中的水分蒸发损失。
三、脱硫系统组成
脱硫系统的工艺流程图和平面布置图见附图1和附图2。
整个工艺由五大部分组成:
1、脱硫剂制备系统
由成品石灰(粒径小于10mm(100%)的粉状石灰)运至厂里后手工加入石灰消化池进行消化,消化后的石灰浆液自流至再生池中进行脱硫液再生反应。
钠碱由运输车给料至钠碱池,在池中与工艺水进行混合直至达到所需的浓度,自流到再生池。
2、烟气系统
热烟气自锅炉出来后进入吸收塔,向上流动穿过喷淋层,在此烟气被冷却到饱和温度,烟气中的SO2等污染物被脱硫液吸收。经过喷淋洗涤后的饱和烟气,经除雾器除去水雾后,通过烟道经引风机进入烟囱排空。
从锅炉出口至脱硫塔进口段的连接烟道采用A3钢制作,并根据需要设置膨胀节。连接烟道上设有挡板系统,以便于烟气脱硫系统事故时旁路运行。挡板采用手动抽板阀门,包括1个入口挡板、1个旁路挡板和1个脱硫装置出口挡板。在正常运行时,入口挡板和出口挡板开启,旁路挡板关闭。在故障情况下,开启烟气旁路挡板,关闭入口挡板和出口挡板,烟气通过旁路烟道绕过烟气脱硫系统直接排到烟囱。
3、SO2吸收系统
在吸收塔内,脱硫液中的氢氧化钠与从烟气中捕获的SO2、SO3、HF、HCl等发生化学反应,生成亚硫酸钠和亚硫酸氢钠等物质。脱硫后的净烟气通过除雾器除去气流中夹带的雾滴后排出吸收塔。
采用喷淋塔作为吸收塔,喷淋塔是目前中小型锅炉脱硫装置中应用较为广泛的脱硫塔,其具有气液流通量大、压降低、操作弹性宽、不易堵、效率稳定等优点。
吸收塔脱硫主要反应原理如下:
a)吸收
在吸收塔中,烟气中的SO2和SO3按照以下反应式被溶液中的水吸收:
SO2 + H2O<==> H2SO3
SO3 + H2O<==> H2SO4
b)中和反应
H2SO3和H2SO4必须很快被中和以保证有效的SO2和SO3.吸收。
H2SO3、H2SO4 、HCl和HF与悬浮液中碱按以下反应式发生反应:
Na2CO3 + H2SO3 <==>Na2SO3+CO2 ­ +H2O
Na2CO3 + H2SO4 <==> Na2SO4 + CO2 ­ + H2O
Na2CO3 + HCl <==> NaCl +CO2 ­+H2O
Na2CO3 + HF <==>NaF +CO2 ­+H2O
c)副反应
烟气中所含的氧量将把脱硫反应中生成的亚硫酸钠(Na2SO3)氧化成硫酸钠(Na2SO4):
2 Na2SO3+O2 <==>2 Na2SO4
4、脱硫液循环系统与脱硫渣处理系统
泵前池的脱硫液通过循环水泵泵送到脱硫塔内与烟气接触反应后,从脱硫装置底部排出,排出的含有CaSO4、CaSO3及少量粉尘渣(大部分烟尘在原除尘器中除去)的混合渣浆液体进入再生池、沉淀池,与从石灰浆液池过来的石灰浆液发生再生反应,并进行脱硫副产物的沉淀,上清液流经泵前池,经沉淀后的池底渣浆由人工清出,滤液返流回泵前池,由循环水泵抽送到脱硫装置进行脱硫循环利用。
5、电气控制系统
①供电方式
系统内的动力设备为分散式布置,均为三相电源供电,厂内民用动力和民用照明为单路三相电源供电分配使用,设计处理系统供电采用放射式供电方式,优点是安全可靠。
②接地系统
处理系统低压配电系统接地接零保护采用TN--C--S系统,所有电气设备金属外壳均需可靠接地和接零,民用动力、照明接地接零保护采用TT系统。
③低压配电位置的确定
设计要求低压配电位置尽可能靠近负荷中心,由于区内大功率用电设备主要为循环泵、渣浆泵等,其它动力及照明负荷较小,故在泵房内设一电控室,安装电源总柜、动力柜和仪表柜等。
④动力设备起动和控制方式
§所有动力设备均设有欠压、短路和过载保护,电源总柜设过流保护。
§民用动力和民用照明设有短路、过载和漏电保护。
§动力电缆采用铠装电缆沿电缆沟暗敷设,无电缆沟地方软电缆和信号电缆均采用穿钢管埋地暗敷设,电缆沟支架均可靠接地,形成接地网。
脱硫系统内所有设备间电缆的设计、供货由供方负责。供货及岛外部分(分界点为脱硫岛外1米)的敷设由业主方负责。
脱硫岛采用手动控制.
本工程系统涉及的所有规范、标准或材料规格(包括一切有效的补充或附录)均为最新版本,即以合同生效之日作为采用最新版本的截止日期。
对脱硫系统及其辅助系统进行启/停控制、正常运行的监视和调整以及异常与事故工况的报警。工艺系统和仪表、控制设备的设计、供货能够满足上述要求。
 本系统供电电源均采用380V,50HZ交流电源,配电柜和动力控制柜根据用电负荷由设计院负责设计。
 
四、本技术工艺的主要优点
Ø  工艺先进,技术指标完全能满足环保要求和厂家要求;
Ø 采用特制进口高效、防腐、耐磨喷头,喷雾液滴800~1200μm,具有极大的比表面积,同时又不易引起二次夹带;
Ø  脱硫效果好,脱硫效率达65%~95%,脱硫塔烟所出口浓度不高于130mg/m3
Ø  投资省、运行费用低,具有良好的经济性;
Ø  防结垢、防堵性能好,运行稳定,安全性能高;
Ø  防腐性能好,使用寿命长(主体设备在20年以上);
Ø  阻力小,压降低(湿法脱硫系统小于1000Pa);
Ø  操作弹性宽,运行管理方便,系统简便,投资省;
Ø  可确保风机安全可靠长期运行。
 
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