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1、 全 国 电 力 行 业 脱 硫 脱 硝 技 术 协 作 网 暨 技 术 研 讨 会 论 文 集 旋汇耦合技术在电厂烟气脱硫中的应用 北京国电清新环保技术工程有限公司 刘德友 摘要 摘要 介绍了旋汇耦合技术的原理 结构 特点 介绍了使用旋 汇耦合技术的吸收塔在不同工况下的脱硫效率实验数据对比 对 其在石灰石 石膏脱硫技术中的应用效果进行了评述 比较 1 概述 在目前电厂烟气石灰石 石膏脱硫技术中 吸收塔是脱硫技术的 关键设备 吸收塔设计的好坏直接影响到脱硫效率的高低和石灰石 石膏浆液循环量的大小 直接影响到循环泵电耗的高低 吸收塔的内 部结构形式很多 由于石灰石 石膏浆液容易堵塞 许多高效塔如
2、填 料塔 板式塔等不能适应此工艺状况 因此目前空塔喷淋仍然是石灰 石 石膏脱硫技术的主要吸收方法 空塔喷淋技术也就是气体液体在 空塔内接触传质 它的优点是 结构简单 防止堵塞 维修简单 造 价低廉 缺点是 气液接触面积小 气体容易偏流 塔内停留时间短 脱硫效率低 怎样才能既防止吸收塔堵塞又能提高吸收塔脱硫效率是 目前电厂烟气脱硫技术的关键 2 旋汇耦合技术 北京国电清新环保技术工程有限公司建有一套规模 220km3 h 烟 气量 相当于 50MW 机组的大型脱硫试验装置 专门进行各种脱硫 1 全 国 电 力 行 业 脱 硫 脱 硝 技 术 协 作 网 暨 技 术 研 讨 会 论 文 集 技术参
3、数的试验 对全面了解 深入研究各种脱硫技术的特点 掌握 脱硫工艺中各种技术参数的相互联系 推动脱硫工艺技术进步发挥了 积极作用 在几年的试验中研究出了旋汇耦合技术 该技术基于多相 紊流掺混的强传质机理 利用气体动力学原理 通过特制的旋汇耦合 装置产生气液旋转翻覆湍流空间 气液固三相充分接触 迅速完成传 质过程 从而达到气体净化的目的 2 1 旋汇耦合技术的理论依据 吸收传质过程可分三个步骤 见下图 1 1 a 溶质由气相主体扩散到气液两相界面 b 穿过相界面 c 由液相界面扩散到主体 传质速率方程为 NA KG PG Pi NA KL Ci CL 传 质 方 向 PG Pi Ci C L Z
4、P或C 距 离 气 相 主 体 液 相 主 体 液 膜 气 膜 相 界 面 组 成 气 液 相 界 面 附 近 的 浓 度 分 布 图 图 1 气液相界面附近的浓度分布图 石灰石吸收二氧化硫的反应可以简单用下列反应方程表示 SO2 CaCO3 CaSO3 CO2 吸收反应很快 在液相中任一点化学反应都达到了平衡状态 二 氧化硫一旦到达界面 就在界面与液体反应达到平衡 但由于反应是 2 全 国 电 力 行 业 脱 硫 脱 硝 技 术 协 作 网 暨 技 术 研 讨 会 论 文 集 可逆的 界面必有平衡分压 在界面由于有大量的反应发生 其液相 吸收剂的活性组分浓度相应减少 而反应物浓度相应增加 因
5、此 界 面二氧化硫的平衡分压必较液流主体要高一些 这就在液膜中产生了 界面未被完全反应的二氧化硫组分向液流主体扩散和继续反应的倾 向 对于反应 A BB QQ 在液相中任一点达到平衡 K CQ Q CA CB B 取单位面积的微元液膜进行考察 其离界面深度为x 微元液膜 厚度为dx 见图 2 2 液 膜 界 面 图 2 扩 散 微 分 方 程 建 立 示 意 图 液 体 主 体 则被吸收气体 A 在微元液膜内的物料衡算为从 X 处扩散进入量 DAL dCA dx 从 X dx 处扩散出的量 DAL dCA dx d2CA dx2 dx 反应消耗的 A 量为 rA dx 于是微元液膜内 A 组分
6、的物料衡算式为 DAL dCA dx DAL dCA dx d2CA dx2 dx rA dx 即可得d2CA dx2 rA DAL 3 全 国 电 力 行 业 脱 硫 脱 硝 技 术 协 作 网 暨 技 术 研 讨 会 论 文 集 在液膜中未被反应的 A 组分在扩散过程中的反应消失量应与反 应产物 Q 的增生量呈化学计量关系 即 DAL d2CA dx2 DQL Q d2CQ dx2 0 1 同理 B组分反应消失量应该与反应产物Q的增生量呈化学关系 即DBL B d2CB dx2 DQL Q d2CQ dx2 0 2 上述微分方程的边界条件为 X 0 时 CA CAi CB Cbi CQ C
7、Qi X L 时 CA CAL CB CbL CQ CQL 由微分方程 1 可解得 DAL CA DQL Q CQ C1x C2 3 其中 C1 和 C2 是积分常数 从界面情况来分析 被吸收组分二氧化硫一达界面 一部分立即 被反应成平衡状态 在界面上 由于活性组分碳酸钙浓度较低 而产 物亚硫酸钙浓度较高 因此界面处二氧化硫组分必向平衡分压较低的 液流主体方向扩散 同时 界面上已经反应了的二氧化硫组分将以生 成物亚硫酸钙的形式向液体主体扩散 而未反应的二氧化硫则以溶解态 的二氧化硫继续向液体主体方向扩散 二氧化硫的吸收速率等于已反应 了的二氧化硫组分与未反应的二氧化硫组分向液膜扩散速度之和 即
8、 NA DAL dCA dx DQL Q dCQ dx x 0 4 由 3 4 式可得 NA 1 DQL CQi CQL DAL Q CAi CAL KL CAi CAL 4 全 国 电 力 行 业 脱 硫 脱 硝 技 术 协 作 网 暨 技 术 研 讨 会 论 文 集 如果以增大因子 来表示 则 1 DQL CQi CQL DAL Q CAi CAL 由此可知反应过程的增大因子与 CQi CQL CAi CAL 的值有很大关系 因此增加气液湍流状态 增加搅动强度 使CQi CQL 值增大 使 CAi CAL 值减小 则会大大提高吸收速率 以上各式 CA CB 中分别为可溶解气体二氧化硫 A
9、在液膜中的浓度 和吸收剂中活性组分碳酸钙 B 的浓度 kmol m3 DAL DBL DQL分别为SO2 CaCO3 CaSO3 在液膜中的扩散 系数 m2 s X 自界面至膜内一点的深度 m rA 反应速率 kmol m3 s ki kL分别为气膜和液膜分传质系数kmol m2 atm h Ci CL分别为气液界面与液流主体的被吸收组分的浓度 kmol m3 2 2 旋汇耦合技术的关键部件 旋汇耦合器 旋汇耦合器基于多相紊流掺混的强传质机理 利用气体动力学原 理 通过特制的旋汇耦合装置产生气液旋转翻腾的湍流空间 气液固 三相充分接触 大大降低了气液膜传质阻力 大大提高传质速率 迅 速完成传质
10、过程 从而达到提高脱硫效率的目的 该技术与同类脱硫 技术相比 除具有空塔喷淋的防堵 维修简单等优点外 由于增加了 气体的漩流速度 还具有脱硫效率高和除尘效率高的优点 5 全 国 电 力 行 业 脱 硫 脱 硝 技 术 协 作 网 暨 技 术 研 讨 会 论 文 集 旋汇耦合器工作示意图 在旋汇耦合器内气体和液体接触旋转翻腾俯视图 侧视图如下 图 3 吸收俯视图 图 4 吸收侧视图 2 3 旋汇耦合器技术特点 1 均气效果好 吸收塔内气体分布不均匀 是造成脱硫效率低 和运行成本高的重要原因 安装旋汇耦合器的的脱硫塔 均气效果比 一般空塔提高 15 30 脱硫装置能在比较经济 稳定的状态下运 行
11、2 传质效率高 烟气脱硫的工作机理 是SO2从气相传递到液相 的相间传质过程 传质速率是决定脱硫效率的关键指标 公司经过几 年的反复试验 获得了在不同环境 工艺技术条件下的技术参数 并 以试验获得的参数为基础 开发生产关键设备 以达到增加液气接触 6 全 国 电 力 行 业 脱 硫 脱 硝 技 术 协 作 网 暨 技 术 研 讨 会 论 文 集 面积 提高气液传质效率的目的 图 5 图 6 是在不同情况下吸收塔 内有无旋汇耦合器的脱硫效率对比试验数据 5 3 降温速度快 从旋汇耦合器端面进入的烟气 通过旋流和汇流 的耦合 旋转 翻覆形成湍流都很大的气液传质体系 烟气温度迅速 下降 有利于塔内气
12、液充分反应 各种运行参数趋于最佳状态 有利 于塔内防腐层的保护 4 适应性强 不同工艺 采取综合措施取消 GGH 热交换器 提高了脱硫系统安全性 降低了建设和维护费用 不同工况 较好的 均气效果 受气量大小影响较小 系统稳定性强 不同煤种 脱硫效 率高 受进塔气二氧化硫含量变化影响小 煤种范围宽 原料的不同 粒径 石灰石粒度 200 目左右均可 5 能耗低 由于脱硫效率高 液气比小 溶液循环量小 比同类 技术节约电能 8 10 2 4 旋汇耦合技术在实际生产中的运行情况 此技术已成功应用于河北大唐陡河电厂 8 号 200MW 组机脱硫工 程 并一次通过 168 小时生产运行试验 一次投运成功
13、3 整个脱硫工艺技术特点 3 1 安全 高效 系统安全稳定性高 脱硫系统不会对发电主系统产生不良影响 脱硫效率高 脱硫效率达到 96 99 除尘效率高 减少了灰尘对 有效组分的包裹作用 3 2 系统电耗低 7 全 国 电 力 行 业 脱 硫 脱 硝 技 术 协 作 网 暨 技 术 研 讨 会 论 文 集 吸收塔内安装了旋汇耦合器 液气比低 仅为 8L m 3 脱硫系统 采取综合措施取消GGH烟气换热器 系统阻力小 系统满负荷运行 时的最大阻力 1500Pa 脱硫单元电能节约 10 15 3 3 适应范围宽 烟气入口SO2浓度范围 6 设计值为 2800mg Nm 3 测试实际值 3800mg
14、Nm 3 高峰值 4300mg Nm 3 脱硫效率稳定在 95 以上 曲 线 2 没 有 旋 汇 耦 合 器 SO2脱除效率 液 气 比 L G 曲 线 1 有 旋 汇 耦 合 器 图 5 在 不 同 液 气 比 下 带 和 有 无 湍 流 器 的 吸 收 塔 脱 硫 效 率 对 比 试 验 条 件 烟 气 量 119276m3 h 气 速3 82 m s 溶 液 循 环 量 1090m3 h 液 气 比 L G 9 1 阻 力 1286Pa 时 间 h 曲 线 1 有 旋 汇 耦 合 器 时 的 脱 硫 效 率 和 PH值 的 关 系 曲 线 2 没 有 旋 汇 耦 合 器 时 的 脱 硫
15、效 率 和 PH值 的 关 系 曲 线 3 PH值 变 化 曲 线 SO2脱除效率 图6 在 不 同PH值 下 有 无 旋 汇 耦 合 器 脱 硫 效 率 对 比 5 8 全 国 电 力 行 业 脱 硫 脱 硝 技 术 协 作 网 暨 技 术 研 讨 会 论 文 集 3 4 原料品质要求低 原料 石灰石颗粒 200 目 325 目均可稳定运行 石灰石品质 CaCO3 80 MgCO3 11 5 3 5 设计参数和实际运行参数对比 6 主要性能参数对比 设计 实际 脱硫率 95 96 98 除尘率 60 85 出塔烟气含水 100mg Nm3 75mg Nm3 消耗石灰石 4 18t h 3 9
16、5T h 整套 FGD 装置电耗 2228 45kW 1968 00kW 石灰石粒度 325 目 180 325 表 1 生产实际主要运行数据 6 参数 时间 1 循 环泵 电流 2 循环 泵电流 增压风 机电流 入口SO2 含量 mg Nm3 出口SO2 含量 mg Nm3 脱硫 效率 增压风 机气体 流量 km3 h 石灰石 浆供给 流量 m3 h 吸收 塔 PH 值 17号00 51 03 52 53 104 81 2767 2 94 29 96 59698 11 19 58 5 63 08 51 08 52 60 104 78 2503 1 77 63 96 9702 63 14 27 5 64 16 51 07 52 63 104 87 2968 7 117 13 96 6708 83 11 64 5 58 18号00 51 00 52 43 104 63 1168 3 21 67 98 14706 15 6 27 5 55 08 50 99 52 29 104 76 1458 0 31 38 97 34701 14 7 16 5 57 16 50 99 52 35 103
