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1、中一际脱蠢成硝技术与设鲁晨览会技术研讨会2 , 0 0 4C h i n aI n t e r n a t i o n a ld e S O xd e N O xE x h i b i t i o n C o n f e r e n c e湿法喷雾烟气脱硫技术研究谷利东1朱廷钰2妥：本文会绍T - - 榴n 自主研发的适合国内中小规模电站( 2 0 0 M W 枧组) 和I 业锅炉( i 要规模2 0 - 2 2 0 t h ) 的脱硫技术一湿法喷雾烟气税硫技术，镝述7 湿法喷雾烟气晚硫的技术弧理和I 艺流程阐述7 湿法喷雾脱硫吸收塔的结构特点对喷雾塔脱硫传硬吸收理论和影响税硫效率的几个重要因
2、素进行7 初步探讨并对本技术在实际甩中脱硫装置盛避免产生诸如腐蚀、缝垢等闯题拥黻分析并提出改进揸施。关奠词| 烟气睨硫。湿法喷雾脱硫效率1 前言我国从七十年代开始对烟气脱硫技术进行研究，探索适合我国国情的烟气脱硫技术，至今已开发出多种具有自主知识产权的烟气脱硫工艺技术。在多年的试验研究和工程实践基础上，北京开元国泰环境工程有限公司和中国科学院过程工程研究所合作开发了具有自主知识产权的“湿法喷雾烟气脱硫技术”。该技术具有工艺简单、脱硫效率较高、系统阻力较小、投资运行费用较低、占地面积较小、适应性强、运行可靠等特点。较适合于我国中小规模电站( 2 0 0 M W机组) 和大量工业锅炉( 主要规模2
3、 0 - 2 2 0 t h ) 烟气脱硫治理。本文简述了湿法喷雾烟气脱硫技术原理和工艺流程，阐述了湿法喷雾脱硫塔的结构特点，对喷雾塔脱硫传质吸收理论模型和影响脱硫效率的几个重要因素进行了初步探讨，并对本技术在实际应用中脱硫装置应避免产生诸如腐蚀、结垢等问题加以分析并提出改进措施。2 湿法喷雾烟气脱硫技术概述2 1 技术原理湿法喷雾烟气脱硫主要技术原理如下：烟气从脱硫吸收塔的下部径向进入，在塔内上升的过程中与脱硫剂循环浆液逆流接触并迅速换热、传质和发生反应，烟气中S 0 2 被浆液中的碱性物质吸收。在吸收塔中，烟气中的S 0 2 和s 0 3 首先从气相进入液相，电离成S 0 3 2 “ 和s
4、 0 4 2 一，被吸收的s 0 2 被浆液中的碱性物中和。碱性物C a C 0 3 从固相溶解进入液相，在循环氧化区，通过鼓入氧化空气进行强制氧化，亚硫酸盐极大部分被氧化成硫酸盐，仅有极少量的亚硫酸盐存在。硫酸盐通过结晶生成二水硫酸钙，即石膏。 在脱硫吸收塔洗涤吸收区，主要是S 0 2 和S 0 3 被浆液中的水吸收溶解为H s 0 3 一和H S o r离子，再进一步电离成S 0 3 扣和S 0 4 扣离子，然后与石灰浆液中的C a “离子反应生成硫酸盐和亚硫酸盐，发生化学反应如下【l l ： S 0 2 ( 气) + H 2 0 一矿+ H S 0 3 一一俎r + S 0 3 扣H S
5、 0 3 一+ l 20 2 一H S 0 4 - ( 部分)S 0 3 z - + l 20 2 一S O 广( 部分) c a C 0 3 一C a 抖+ C 0 3 “( 部分)C a 抖+ s c h 扣一C a S 0 3( 部分)1 北京开元国豢环境工程有限公司( 1 0 0 0 s g )2 中国科学院过程工程研究所( t o c o s o )2 0L m 0 4 中目目焉脱蕞聃技术与设鲁晨鼍会技术研讨会2 0 4C h i n aI n t e r n a t i o n a ld e S O xd e N O xE x h i b i t i o n C o n f e r
6、 e n c eC a 2 + + s 0 4 2 一+ 2 H 2 0 一C a S 0 4 2 H 2 0 ( 部分) H H 。一H 2 0在循环氧化区完成脱硫副产物的氧化和结晶，发生化学反应如下：H S 0 3 一+ l 20 2 - - H S 0 4 一一矿+ S 0 4 z -S 0 3 2 - + 1 20 2 。S 0 4 玉-C 一+ + S 0 4 2 “ - + 2 H 2 0 一C a S 0 4 2 H 2 02 2 工艺漉程湿法喷雾烟气脱硫工艺采用价廉易得的石灰石作为脱硫吸收剂，石灰石经破碎磨细成粉状，送到石灰石粉仓储存。石灰石粉仓顶部设有座仓式袋式收尘器，用来防
7、止二次扬尘。石灰石粉仓内的石灰石粉经仓底叶轮给料机和螺旋输送机把石灰石粉均匀送至制浆池中，在制浆池制成一定浓度的合格浆液。制成的脱硫剂循环浆液通过循环管道和布置在吸收塔上部的喷射装置进入吸收塔，从喷嘴向下雾化喷射，与吸收塔中上升的烟气形成高效率的气液接触，从而促进了烟气中s 0 2 的去除。在吸收塔内，吸收浆液与烟气充分接触反应，烟气中的S 0 2 与浆液中的C a C 0 3 以及鼓入的氧化空气进行化学反应，最终反应产物为石膏。脱硫后的烟气经除雾器除去细小的液滴，经加热器加热升温后排入烟囱。脱硫石膏浆液经脱水装置脱水处理后，所得石膏储存在石膏储槽，产生的少量废水进行循环利用。2 3 技术特点
8、1 2 湿法喷雾烟气脱硫技术在充分借鉴传统湿法脱硫技术的基础上，将强制氧化、双变径喷淋层结构和逆流湿法喷雾技术集成到了一个整体系统中，形成了具有完全知识产权的一种新型湿法脱硫技术。本技术通过设计优化把石灰浆液雾化喷入烟气净化塔，使之与烟气形成良好的气液接触，从而有效脱除烟气中S 0 2 等酸性气体。现有的很多湿法脱硫技术由于不对浆液中的C a S 0 3 进行强制氧化，运行过程中的结垢、堵塞问题一直无法有效解决。本技术采取在喷雾脱硫塔循环氧化区鼓入空气对脱硫浆液中C a S 0 3 强制氧化，使极大部分的c a s 0 3 被氧化成C a S 0 4 ，彻底解决了脱硫系统运行中存在的堵塞和结垢
9、问题。脱硫产物晶体较大，沉淀速度快，脱水容易，易于处理，不会引起二次污染。吸收塔设计的关键是对烟气在塔内的流场、喷淋层中的脱硫剂浆液分布场的设计。本技术采用烟气与喷雾液滴逆流接触，与常规顺流接触相比，可明显增大脱硫塔内三相扰动，气液交织程度较高，有效增大了传质推动力。常规湿法喷淋层一般采取环管进料，进料后再分别向连接喷头的支管给料，在实际应用中由于无法维持喷嘴前压力的平衡，造成各喷嘴雾化质量差别较大，整个脱硫塔内没有形成高效脱硫浆液与烟气接触区域，严重影响了脱硫效率。本技术通过优化设计有效解决了环管难以避免的由于进料浆液环流形成的浆液扰动造成的压头波动，所设计的喷淋层由变径母管和变径支管组成，
10、变径母管两端粗，中间细：变径支管采用由粗变细再变粗的结构，消除了因流量变化而引起的支管进料速度波动，进而影响雾化质量，有效保证2 12 0 0 4 中一膏l 脱麓脱碡技术与设鲁晨览会技术研讨会2 0 0 4C h i n aI n t e r n a t i o n a ld e S O xd e N O xE x h i b | d i o n C o n f e r e n c e了液滴的雾化效果，交叉区域的液滴覆盖率可达到2 5 0 3 0 0 ，所以可以稳定实现在C a S 为1 1 1 5 之间时，烟气脱硫效率达到9 5 以上，钙利用率可达9 0 以上，吸收剂消耗量在同等技术条件下，
11、比现有技术节约2 0 一3 0 。本吸收塔内部构件很少，有利于减少吸收塔内的结垢和堵塞，同时可以有效地降低阻力，压损较小，风机克服系统阻力所消耗电能也就较小。由于本技术针对国内大量工业锅炉烟气脱硫进行研发试验，因此对不同硫份的含硫煤和不同用途的燃煤锅炉以及各种负荷下均可安装本装置。应用该技术，2 0 万标米的烟气量，投资在4 0 0 万人民币左右，脱除每千克二氧化硫运行费用在O 3 元以下，和国内同等技术相比，投资和运行费用较低。同时大量工程实践证明，应用该技术脱硫装置可长期稳定运行。2 4 脱硫机理模型探讨湿法喷雾烟气脱硫塔可以描述为脱硫浆液在脱硫塔中被雾化为小液滴与烟气逆流充分接触，塔中的
12、气液接触反应以液滴反应为代表，因此建模方法以下落的单液滴对S 0 2 的吸收为基本单元。在浆液下落过程中，对传质吸收影响量主要有液滴的内循环、固体浓度、液滴直径分布以及相对速度，喷雾塔中下落液滴的内循环不显著，脱硫过程用薄膜理论一般就能得到较好的模拟效果【3 1 。，薄膜理论的基本方程可用下列通式表示： D A d 2 C 心畦一R - - 0式中：A _ 一脱硫反应中的二氧化硫组分；D 一液相中扩散系数：C 一组分浓度；乙一液层深 度方向距离；I 卜反应生成速度( 或消耗速率) 。通常以气液界面和薄膜边缘处的条件为边界条件可以解得吸收速率为 N A = - d C A d z I 舻D A
13、( C A i - 一C A O ) 6 L一式中：C A o - 液相硫分浓度；C A r 相界浓度；6 L - 液膜厚度由此，液相传质系数为K F = D A 8 i 反应过程中，K F 取决于扩散物质的性质和流体的性质，以及主要的流体动力学条件。薄膜理论仅讨论各相内的传质情况，忽略扩散组分在膜中的积累过程，认为气液相间有稳定界面，传质阻力主要来自于气液两膜中的分子扩散阻力，穿过每- - d , 块面积的局部通量是恒定的。从薄膜理论的角度来分析，如果要加强湿法喷雾脱硫塔传质吸收，可以采取以下措施：( 1 )增大烟气流速以减小相界面气膜的膜层厚度6 L 来提高传质速率；( 2 ) 将脱硫浆液
14、成份、p H 值控制好，还可以加入有机酸等添加剂，以提高液相浆液的化学吸收能力。( 3 ) 通过良好的雾化，产生非常小的液滴，使其具有更大的比表面积以加大气液接触面积。3 影响湿法喷雾烟气脱硫效率的因素分析湿法喷雾烟气脱硫工艺的脱硫效率取决于多种因素：1 ) 与原烟气参数有直接关系，由于脱硫装置是非标准设计，尤其在工业锅炉烟气脱硫领域，对工艺参数的依赖性很强，设计参数稍有变化，工艺参数就有可能变动很大，对脱硫效率影响也较大；2 ) 与脱硫剂有关，工艺品质、石灰石粉的纯度和粒度等会直接影响脱硫化学反应活性；3 ) 与一些主要工艺控制参数有很大关系。下面结合该技术在山东某电厂应用时脱硫装置调试运行
15、的试验数据，对影响脱硫效率的几个重要因素做出分析和探讨。2 0 舛中国际脱曩艄技术与设备晨冀会技术研讨会2 0 0 4C h i n aI n t e r n a t i o n a ld e S O xd e N O xE x i n b l t i o n & C o n f e r e n c e3 1 气体停留时间如图2 所示，烟气在脱硫塔内和碱性吸收液发生反应，脱硫效率随着烟气在塔内停留时间的增加而增大。当烟气在塔内停留时间过短时，反应不充分；当烟气在塔内停留时间过长时，则需要脱硫塔体高度和塔体制造材料强度增加，从而引起设备投资增加。3 2 浆液的p H 值从吸收S 0 2 的反应方
16、程式不难看出，高p H 值的浆液环境有利于s 0 2 的吸收，而低p H 值则有利于C a 2 + 的析出，二者互相对立，因而选择一合适的p H 值对烟气脱硫反应至关重要嗍。9 5琶9 0较N - 8 5薹8 07 , 51 82 02 22 42 62 83 03 2 停留时间( T ) 水一磺 较 龌 鼙5 56 06 57 07 58 0P I - I图2 停留时间与脱硫率的关系图3p H 与脱硫率的关系浆液的p H 值对S 0 2 的吸收影响很大，新鲜石灰石浆液的p H 值通常控制在8 1 0 。从经验数据上看，循环浆液的p H 值控制在6 5 。8 9 较为合适( 如图3 所示) 。吸收S 0 2 后浆液的p H 值会下降，当p H 值低于6 时，S 0 2 吸收速度减缓，而当浆液的p H 值低于4 时，几乎不再吸收S 0 2 。根据吸收过程的气液平衡可知，吸收温度越低越有利于吸收S 0 2 ，因此采取烟气
