CN100496674C - 双侧对冲进气的湿式氨法烟气脱硫工艺及其装置 - Google Patents

Abstract

一种双侧对冲进气的湿式氨法烟气脱硫工艺及其装置，该工艺先使烟气形成均匀向上的对冲湍流；再使烟气穿过交错布置的烟气导流环和氨水脱硫剂循环喷淋层，使烟气中的二氧化硫快速转化成铵盐混合物；最后使铵盐混合物中的亚硫酸铵氧化成硫酸铵，同时将洁净烟气除雾后输出。其装置包括设在脱硫塔底部的氨水补给装置和空气给进装置、设在脱硫塔下部的对冲烟气进口、交错设在脱硫塔中部的烟气导流环和氨水脱硫剂喷淋层、以及设在脱硫塔上部的除雾器，脱硫塔底部与氨水脱硫剂喷淋层之间通过浆液循环泵相连。采用该工艺和装置可有效改善烟气流场，强化气液传质，在不增加脱硫塔阻力和脱硫剂消耗的前提下，大幅提高脱硫效率和脱硫剂的利用率。

Description

双侧对冲进气的湿式氨法烟气脱硫工艺及其装置

技术领域

本发明涉及对燃煤电站所排放烟气的净化处理技术，具体地指一种双侧对冲进气的湿式氨法烟气脱硫工艺及其装置。

背景技术

煤是中国目前及今后相当长一段时期内电站燃料的主体，煤粉燃烧在提供必需的热源和电力资源的同时，也会带来严重的二氧化硫SO₂污染。据有关报道，2005年我国二氧化硫的排放总量高达2549万吨，由二氧化硫排放所造成的酸雨已给我国生态环境和工农业生产带来了巨大的损失，使我国酸雨区域已接近国土面积的40％，从根本上控制二氧化硫排放已迫在眉睫。

燃煤电站的烟气脱硫工艺大体有干法、湿法和半干法脱硫几种。其中湿式氨法脱硫工艺具有脱硫效率高、对煤的适应性好、脱硫剂利用率高，运行可靠性高、占地面积小、投资和运行费用低等特点，且脱硫副产品为硫酸铵化肥，是一种符合我国国情、且极具发展潜力的湿法脱硫技术。在湿式氨法脱硫工艺中，吸收和氧化反应发生在气—液—固三相中，因此工艺十分复杂，特别是设计和发展高效的气、液接触方法和设备已成为湿式氨法脱硫工艺的关键。

目前，湿式氨法脱硫工艺所采用的脱硫塔主要有填料塔、液柱塔和喷淋塔数种。填料塔的传质效率较高，但系统阻力过大，且由于烟气脱硫是一个气—液—固三相反应体系，填料塔容易结垢的问题尤为突出。液柱塔近年来发展较快，公开号为CN1117889A和CN1221647A的中国发明专利申请公开说明书分别介绍了一种《湿式烟道气脱硫设备》和一种《湿法烟气脱硫装置及用于该装置的含氧气体喷吹装置》，其主要特点就是改填料塔为液柱喷射塔，在塔内设置喷射装置，使脱硫剂浆液在向上喷射的过程中与烟气中的二氧化硫充分反应，其脱硫效率较高，并能在一定程度上防止结垢和堵塞，但其传质效率较低、液气比较大、操作费用高，同时其采用单级液柱喷射系统，对烟气负荷的调节能力较差，特别是对气流量变化大、含硫较高的烟气难以适应。喷淋塔具有结构简单、系统阻力小等优点，但同时也存在传质效率低的缺陷，因此有必要对喷淋塔进行传质强化处理，以提高其脱硫效率。

喷淋塔传质效率低有两个原因：一是由于烟气量很大，所需脱硫塔的直径非常大，而脱硫塔的高度一般较低，容易存在沟流现象，使烟气流场不均匀，导致气—液—固三相接触面积减少；二是喷淋层所喷出的液滴较大，传质比表面积较小，传质系数也小，导致气—液传质效率降低，虽然加大脱硫剂浆液的循环可以增加液气比，但操作费用又将大幅增加。

对于喷淋层液滴传质效率低下的问题，科技人员尚可以通过改进喷淋层的分布和喷嘴结构来实现脱硫剂液滴的细小均匀，从而增大传质的比表面积。对于脱硫塔内烟气流场所造成传质效率低下的问题，大多数传统的方法是采用喷淋塔单侧进气方式，通过喷淋塔出口截面的压力约束使部分到达出口截面的烟气回流，在整个脱硫塔的上半部分形成一个顺时针或逆时针方向的大旋涡，同时依靠脱硫剂液滴的整流作用使烟气流场趋于均匀。但此时的烟气流场并不利于喷淋塔内的气液传质，从而不利于烟气中的二氧化硫和脱硫剂发生反应。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种双侧对冲进气的湿式氨法烟气脱硫工艺及其装置。采用该工艺和装置能够有效改善脱硫塔内的烟气流场分布，强化烟气与脱硫剂氨水浆液之间的气液传质，进而在不增大脱硫塔阻力和不增加脱硫剂消耗的前提下，大幅提高脱硫效率和脱硫剂的利用率。

为实现上述目的，本发明所设计的双侧对冲进气的湿式氨法烟气脱硫工艺，是对需要脱硫的烟气进行预除尘处理后，将经过预除尘处理的烟气均分为两路，从脱硫塔下部区域相对的两侧面以向下倾斜的角度引入脱硫塔中，使两路烟气在脱硫塔下部区域产生对冲湍流，形成均匀分布且向上涡旋运动的烟气流场；

然后使向上涡旋运动的烟气穿过交错布置在脱硫塔中部区域的烟气导流环和氨水脱硫剂喷淋层，一方面通过烟气导流环迫使各层次的烟气向脱硫塔轴心处聚集、消除脱硫塔边缘处的烟气死角、使烟气流场进一步均匀分布，另一方面通过氨水脱硫剂喷淋层所喷射的氨水液滴的整流作用确保烟气流场更加均匀优化，同时强化烟气与氨水液滴之间的气液传质，使烟气中的二氧化硫与氨水液滴发生快速充分的化学反应，生成铵盐混合物；

最后使铵盐混合物中的亚硫酸铵在脱硫塔底部区域与空气发生充分的氧化反应，所生成的副产品硫酸铵化肥从脱硫塔底部排浆口输出，同时使经过脱硫反应的烟气穿越布置在脱硫塔上部区域的除雾器，脱除烟气中所携带的液滴，所得洁净烟气从脱硫塔顶部烟气出口引出。

上述两路烟气最好以与水平面呈5～10°的向下倾斜角度引入脱硫塔中，这样可使烟气进入脱硫塔后的对冲涡旋更为强烈，并不断向上移动形成ω状的湍流，促使烟气流场在脱硫塔中部区域分布均匀，以进一步强化气液传质。

上述脱硫塔底部区域的氨水脱硫剂浆液的pH值优选控制在5.0～5.9的范围内，可以采用质量百分比浓度为28％的氨水实现，以确保烟气中的二氧化硫与氨水液滴始终处于最佳的化学反应状态，进一步提高二氧化硫的脱除效率。

上述工艺中，烟气中的二氧化硫SO₂首先溶解于水H₂O，生成亚硫酸H₂SO₃，亚硫酸再与从氨水脱硫剂循环喷淋层喷入的硫酸铵(NH₄)₂SO₄/亚硫酸铵(NH₄)₂SO₃浆液发生反应，生成硫酸氢铵NH₄HSO₄/亚硫酸氢铵NH₄HSO₃，来脱除烟气中的二氧化硫SO₂。其化学反应方程式为：

并且，从脱硫塔塔底部区域注入的脱硫剂氨水NH₃不断地中和烟气脱硫反应所产生的酸性物质，将亚硫酸H₂SO₃、硫酸氢铵NH₄HSO₄、亚硫酸氢铵NH₄HSO₃转化为硫酸铵(NH₄)₂SO₄/亚硫酸铵(NH₄)₂SO₃，其化学反应方程式为：

(6)NH₄HSO₄+NH₃→(NH₄)₂SO₄

同时，从脱硫塔塔底部区域输入的空气不断地与亚硫酸铵(NH₄)₂SO₃发生氧化反应，生成硫酸铵(NH₄)₂SO₄，其化学反应方程式为：

(7)(NH₄)₂SO₃+1/2O₂→(NH₄)₂SO₄

硫酸铵浆液从脱硫塔底部的排浆口输出后，可以通过旋流分离、脱水、干燥等工艺最终得到脱硫副产品硫酸铵化肥，实现脱硫产物的无害化和资源化利用。

为实现上述工艺而专门设计的双侧对冲进气的湿式氨法烟气脱硫装置，包括底部设有排浆口、顶部设有烟气出口的脱硫塔，所述脱硫塔自下而上依次设有底部脱硫剂浆池区、下部烟气输入区、中部烟气导流和脱硫剂喷淋区、以及上部烟气除雾区。其中：脱硫塔的底部脱硫剂浆池区连接有氨水补给装置和空气给进装置，脱硫塔的下部烟气输入区相对的两侧面设置有向下倾斜的烟气进口，脱硫塔的中部烟气导流和脱硫剂喷淋区交错布置有多道烟气导流环和多个氨水脱硫剂喷淋层，脱硫塔的上部烟气除雾区布置有除雾器，脱硫塔的底部脱硫剂浆池区与氨水脱硫剂喷淋层之间通过外置的浆液循环泵相连。

与传统的湿式氨法烟气脱硫工艺相比，本发明具有如下优点：

其一，本发明采用脱硫塔双侧对冲进气的方式，在脱硫塔内形成连续而激烈的烟气湍流，可降低脱硫塔内阻力约500Pa，极大地优化脱硫塔内的烟气流场，强化脱硫塔内烟气与脱硫剂浆液之间的气液传质，进而提高脱硫效率。

其二，本发明通过交错布置的烟气导流环和脱硫剂循环喷淋层的协同作用，使烟气在流经喷淋层的同时向脱硫塔中轴处聚集，一方面迫使烟气发生紊流，另一方面消除烟气死角，使烟气在脱硫塔内既分层次实现流场均匀优化，又不断强化烟气与脱硫剂浆液之间的传质，有效防止了脱硫塔边缘脱硫剂浆液喷淋盲区对脱硫效率的影响，从而使气液传质效率可提高20～30％，脱硫效率可提高至98％以上，完全符合二氧化硫SO₂排放的国家标准。

其三，本发明的工艺流程简单、占地面积小、极大地减少了设备的投资和运行费用，同时湿式氨法脱硫工艺的副产物为硫酸铵化肥，经处理其纯度可大于99％，具有良好的市场前景，可实现脱硫产物的资源化利用，特别符合我国作为农业大国的国情。

附图说明

图1为一种双侧对冲进气的湿式氨法烟气脱硫装置的结构示意图；

图2为数值模拟单侧倾斜进气的脱硫塔内的烟气流场速度矢量图；

图3为数值模拟双侧对冲进气的脱硫塔内的烟气流场速度矢量图。

具体实施方式

以下针对一台燃煤锅炉机组所排放的烟气结合附图对本发明的工艺及其装置作进一步的详细描述：

如图1所示的双侧对冲进气的湿式氨法烟气脱硫装置，具有一台脱硫塔3，脱硫塔3的底部设有脱硫副产物的排浆口8，脱硫塔3的顶部设有洁净烟气出口4，脱硫塔3自下而上依次设有底部脱硫剂浆池区、下部烟气输入区、中部烟气导流和脱硫剂喷淋区、以及上部烟气除雾区。脱硫塔3的底部脱硫剂浆池区连接有氨水补给装置10和空气给进装置9。脱硫塔3的下部烟气输入区相对的两侧面设置有向下倾斜的烟气进口1，烟气进口1与水平面之间优选的倾斜角度α＝5～10°。脱硫塔3的中部烟气导流和脱硫剂喷淋区交错布置有烟气导流环6和氨水脱硫剂喷淋层2，烟气导流环6和氨水脱硫剂喷淋层2的组合数量主要取决于所要处理的烟气量等参数，3～5组烟气导流环6和氨水脱硫剂喷淋层2相匹配，即可实现良好的气液传质，确保98％以上的脱硫效率。更具体地，烟气导流环6的环截面优选三角形结构，其相对于脱硫塔3环状内壁的突出角β＝80～120°，突出高度h＝0.1～0.2D，上述D为脱硫塔3的内径或当量内径，用数学公式表示为： $D=\sqrt{(4*A)/\mathrm{\π}},$ 其中A为脱硫塔3的横截面积，π为圆周率。多道烟气导流环6和氨水脱硫剂喷淋层2自下而上依次交错布置，可迫使烟气向脱硫塔3的中心汇聚，既消除了边缘处的喷淋死角，又使烟气流场更为均匀优化，从而大幅提高气液传质。脱硫塔3的上部烟气除雾区布置有除雾器5，除雾器5采用组合除雾装置，由上、下层除雾滤网和位于上、下层除雾滤网之间的清洗喷淋部件构成，可以完全有效地将烟气中所含有的水份分离出来。脱硫塔3的底部脱硫剂浆池区与氨水脱硫剂喷淋层2之间通过外置的浆液循环泵7相连，以确保氨水脱硫剂不间断循环。

本发明的双侧对冲进气的湿式氨法烟气脱硫工艺是这样的：

从燃煤锅炉机组排除的烟气经过预除尘处理装置如静电除尘器进行预处理后，均匀地分成两路，从脱硫塔3下部区域相对的两侧面以向下倾斜5～10°的角度引入脱硫塔3中，两路烟气在脱硫塔下部区域产生对冲湍流，形成均匀分布且向上涡旋运动的烟气流场，有利于强化烟气与脱硫剂液滴之间的传质。

烟气经过对冲形成湍流后，向上涡旋移动穿过交错布置在脱硫塔3中部区域的烟气导流环6和氨水脱硫剂喷淋层2。烟气导流环6可迫使各层次的烟气流向脱硫塔3轴心处聚集、消除喷淋死角、使烟气流场进一步均匀分布。与此同时，氨水补给装置10不断地向脱硫塔3底部脱硫剂浆池区注入质量百分比浓度为28％的氨水，将氨水脱硫剂浆液的pH值控制在5.0～5.9的范围内，并通过浆液循环泵7将其输送至氨水脱硫剂喷淋层2进行喷淋循环。烟气流场与氨水脱硫剂喷淋层2所喷射的氨水液滴逆向接触，由于氨水液滴具有良好的整流作用，可确保烟气流场更加均匀优化，进而在减小脱硫塔阻力的条件下，强化烟气与氨水液滴之间的气液传质，使烟气中的二氧化硫与氨水液滴发生快速充分的气液两相反应，形成铵盐混合物浆液。

烟气经过氨水脱硫剂处理后，继续向上穿越布置在脱硫塔3上部区域的除雾器5，脱除烟气中所携带的液滴，所得洁净烟气从脱硫塔3顶部的烟气出口4引出。而铵盐混合物浆液中的亚硫酸铵在脱硫塔3底部区域与从空气给进装置9输入的空气发生充分的氧化反应，最终变成硫酸铵浆液。硫酸铵浆液从脱硫塔3底部的排浆口8输出后，经过旋流分离、脱水、干燥等后续工艺，可得到脱硫副产品硫酸铵化肥，实现脱硫产物的资源化利用。

经试验表明：本发明与传统的单侧进气的湿式氨法脱硫工艺相比，脱硫塔内阻力可降低500Pa，气液传质效率提高20～30％，脱硫效率可达98％以上。经分离、脱水、干燥处理，生成的副产品硫酸铵化肥的纯度大于99％，该副产品具有良好的市场前景。

通过计算流体力学CFD通用软件的数值模拟，图2和图3分别给出了传统单侧进气式脱硫塔内和本发明双侧进气式脱硫塔内的烟气流场速度矢量图，从图中可以直观地看出，单侧进气式脱硫塔内的烟气流场在脱硫塔内壁处速度很大，形成了较大的涡流区。而双侧进气式脱硫塔内的烟气流场分布明显向脱硫塔中部均匀集中，有利于脱硫反应的快速高效进行，这也从理论上验证了本发明的合理性。

Claims (8)

1、一种双侧对冲进气的湿式氨法烟气脱硫工艺，包括对需要脱硫的烟气进行预除尘处理，其特征在于：

将经过预除尘处理的烟气均分为两路，从脱硫塔下部区域相对的两侧面以向下倾斜的角度引入脱硫塔中，使两路烟气在脱硫塔下部区域产生对冲湍流，形成均匀分布且向上涡旋运动的烟气流场；

然后使向上涡旋运动的烟气穿过交错布置在脱硫塔中部区域的烟气导流环和氨水脱硫剂喷淋层，一方面通过烟气导流环迫使各层次的烟气向脱硫塔轴心处聚集、消除脱硫塔边缘处的烟气死角、使烟气流场进一步均匀分布，另一方面通过氨水脱硫剂喷淋层所喷射的氨水液滴的整流作用确保烟气流场更加均匀优化，同时强化烟气与氨水液滴之间的气液传质，使烟气中的二氧化硫与氨水液滴发生快速充分的化学反应，生成铵盐混合物；

最后使铵盐混合物中的亚硫酸铵在脱硫塔底部区域与空气发生充分的氧化反应，所生成的副产品硫酸铵从脱硫塔底部排浆口输出，同时使经过脱硫反应的烟气穿越布置在脱硫塔上部区域的除雾器，脱除烟气中所携带的液滴，所得洁净烟气从脱硫塔顶部烟气出口引出。

2、根据权利要求1所述的双侧对冲进气的湿式氨法烟气脱硫工艺，其特征在于：所说的两路烟气以与水平面呈5～10°的向下倾斜角度引入脱硫塔中。

3、根据权利要求1或2所述的双侧对冲进气的湿式氨法烟气脱硫工艺，其特征在于：从所说的氨水脱硫剂喷淋层喷落到脱硫塔底部区域的氨水脱硫剂浆液的pH值控制在5.0～5.9的范围内。

4、一种采用权利要求1所述工艺而专门设计的双侧对冲进气的湿式氨法烟气脱硫装置，包括脱硫塔(3)，脱硫塔(3)的底部设有排浆口(8)，脱硫塔(3)的顶部设有烟气出口(4)，其特征在于：所述脱硫塔(3)自下而上依次设有底部脱硫剂浆池区、下部烟气输入区、中部烟气导流和脱硫剂喷淋区、以及上部烟气除雾区，所述脱硫塔(3)的底部脱硫剂浆池区连接有氨水补给装置(10)和空气给进装置(9)，所述脱硫塔(3)的下部烟气输入区相对的两侧面设置有向下倾斜的烟气进口(1)，所述脱硫塔(3)的中部烟气导流和脱硫剂喷淋区交错布置有多道烟气导流环(6)和多个氨水脱硫剂喷淋层(2)，所述脱硫塔(3)的上部烟气除雾区布置有除雾器(5)，所述脱硫塔(3)的底部脱硫剂浆池区与氨水脱硫剂喷淋层(2)之间通过外置的浆液循环泵(7)相连。

5、根据权利要求4所述的双侧对冲进气的湿式氨法烟气脱硫装置，其特征在于：所说的烟气进口(1)与水平面之间的倾斜角度α＝5～10°。

6、根据权利要求4或5所述的双侧对冲进气的湿式氨法烟气脱硫装置，其特征在于：所说的烟气导流环(6)的环截面呈三角形结构，其相对于脱硫塔(3)环状内壁的突出角β＝80～120°，突出高度h＝0.1～0.15D，其中D为脱硫塔(3)的内径或当量内径，用数学公式表示为： $D=\sqrt{(4*A)/\mathrm{\π},}$ 其中A为脱硫塔(3)的横截面积，π为圆周率。

7、根据权利要求4或5所述的双侧对冲进气的湿式氨法烟气脱硫装置，其特征在于：所说的烟气导流环(6)设置有3～5道，对应的氨水脱硫剂喷淋层(2)设置有3～5个。

8、根据权利要求4或5所述的双侧对冲进气的湿式氨法烟气脱硫装置，其特征在于：所说的除雾器(5)采用组合除雾装置，由上、下层除雾滤网和位于上、下层除雾滤网之间的清洗喷淋部件构成。

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