同时脱除多种污染物的湿式氨法烟气洁净工艺及其系统
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,具体地指一种同时脱除多种污染物的湿式氨法烟气洁净工艺及其系统。
背景技术
酸雨问题是当今人类面临的全球性环境问题之一,燃煤产生的硫氧化物SOx和氮氧化物NOx污染是我国酸雨的主要原生物。由于我国的能源结构以煤炭为主,在我国电力工业中,火电一直占总发电量的70%左右,燃煤发电厂是我国大气污染的第一大污染源。对电厂烟气污染进行控制是实现经济、社会、环境协调发展的要求,也是发挥我国煤炭储量优势、实现燃煤电厂自身可持续发展的要求。
目前,用于燃煤电站的烟气净化技术,如烟气脱硫、脱硝和除尘技术等大多数还是单独开发的,形成各自独立的技术装备和工艺流程。国内外燃煤电厂为了达到环保排放要求,除去烟气中的硫氧化物SOx、氮氧化物NOx和粉尘,燃煤电厂至少需要采用两套以上独立的脱硫、脱硝和除尘系统。
对于烟气脱硝技术而言,传统的方法主要有选择性催化还原法(SCR)和选择性非催化还原法(SNCR),SCR法虽然可以实现很高的脱硝效率,满足严格的烟气排放标准,但其工艺和设备系统复杂,且需要特殊的催化剂,整个系统投资与运行成本偏高。SNCR法虽然工艺和设备系统简单,投资和运行成本较低,但其脱硝效率不高,有时很难达到国家排放标准的要求。
对于烟气脱硫技术而言,传统的方法主要有石灰石—石膏法、海水脱硫法、循环流化床干式烟气脱硫法和湿式氨法烟气脱硫法等等。石灰石—石膏法和海水脱硫法存在占地面积大、系统复杂、能耗和运行成本高的缺陷。循环流化床干式烟气脱硫法虽然系统简单、占地面积小、运行成本低,但其对脱硫剂的质量要求较高,且脱硫副产品亚硫酸钙很难综合利用。湿式氨法烟气脱硫法所采用的脱硫塔主要有填料塔、液柱塔和喷淋塔数种,虽然具有占地面积小、投资和运行费用低、脱硫副产品为有价值的化学原料和农作物化肥的优点,但其脱硝效率却很低。
为了解决上述问题,公告号为CN2712446Y和CN2746971Y的中国实用新型专利说明书分别提出了一种《烟气脱硫脱硝装置》和《脱硫脱硝一体化烟气净化塔》,但其脱硫脱硝设备均为体积笨大的填料装置,且直接采用氨水溶液来吸收烟气中的氮氧化物NOx,不仅使整个脱硫脱硝设备的阻力大幅增加,而且也不能有效地除去烟气中的NOx。这是因为NOx组份中90%以上为一氧化氮NO,而NO很难溶于水,采用简单的洗涤法很难将NO吸收。
在传统的湿式氨法烟气脱硫法中,喷淋塔也是常用的脱硫塔。在喷淋塔上方或后方一般设置有折流板或旋流板结构的除雾器,但该结构的除雾器只是脱除烟气中的液滴,并不能有效去除烟气中所残存的纳米级的SO3和NH3气溶胶。虽然公告号为CN2746973Y的中国实用新型专利说明书介绍了一种新型的《氨法脱硫塔的除雾器》,但该除雾器仍然采用的是填料结构,其填料层不仅加大了烟气的流动阻力,而且对SO3和NH3气溶胶粒子的去除效果甚微。
由此可见,采用两套以上独立的脱硫和脱硝系统不仅烟气净化设备复杂、占地面积大、建设与运行费用高,而且将这些独立的脱硫、脱硝和除尘系统合理组合起来实现综合高效运行还存在许多困难。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种同时脱除多种污染物的湿式氨法烟气洁净工艺及其系统。采用该工艺及其系统能够有效提高烟气的除尘、脱硫、和脱硝效率,并能够有效捕获逃逸的SO3和NH3气溶胶。同时其工艺流程简单、系统结构简化、投资及运行成本低廉,烟气处理副产品为可资源化利用的硫酸铵和硝酸铵化肥。
为实现上述目的,本发明所设计的同时脱除多种污染物的湿式氨法烟气洁净工艺,是对需要脱硫的烟气进行预除尘处理后,再按如下工艺步骤进行处理:
1)采用双氧水H2O2或臭氧O3作为氧化剂,以空气作为雾化介质,将其均匀喷射到经过预除尘处理的烟气中,使烟气中的一氧化氮NO既与双氧水或臭氧发生化学反应,也与空气中的氧气发生化学反应,生成二氧化氮NO2气体。其化学反应的方程式如下:
NO+H2O2=NO2+H2O或者NO+O3=NO2+O2
2NO+O2=2NO2
这样就将烟气中绝大部分的一氧化氮NO氧化成为二氧化氮NO2,为提高烟气的脱硝效率打好基础。但同时也会将部分二氧化硫SO2氧化成为三氧化硫SO3,所生成的三氧化硫SO3可在后续除尘工艺中消除。其化学反应的方程式如下:
SO2+H2O2=SO3+H2O或者SO2+O3=SO3+O2
2SO2+O2=2SO3
2)采用氨水NH3作为脱硫脱硝剂,将其喷射到经过氧化处理的烟气中,使烟气中的二氧化硫SO2和二氧化氮NO2分别与氨水发生化学反应,生成亚硫酸铵(NH4)2SO3、硝酸铵NH4NO3和亚硝酸铵NH4NO2混合物。可以采用质量百分浓度为25~30%的氨水与二氧化硫SO2和二氧化氮NO2进行气液两相反应。其化学反应的方程式如下:
2NH3+SO2+H2O=(NH4)2SO3
2NH3+2NO2+H2O=NH4NO2+NH4NO3
3)采用空气作为氧化剂,将其喷射到脱硫脱硝反应生成的亚硫酸铵(NH4)2SO3、硝酸铵NH4NO3和亚硝酸铵NH4NO2混合物中,使其中的亚硫酸铵和亚硝酸铵与空气中的氧气发生充分的氧化反应,生成副产品硫酸铵(NH4)2SO4和硝酸铵NH4NO3。其化学反应的方程式如下:
2(NH4)2SO3+O2=2(NH4)2SO4
2NH4NO2+O2=2NH4NO3
4)对经过脱硫脱硝反应的烟气再进行一道电除尘处理,脱除烟气中所携带的三氧化硫SO3酸雾和逃逸的NH3氨水气溶胶。在此过程中,随烟气一起上升的纳米级三氧化硫SO3和氨水NH3气溶胶被电场荷电,带电粒子在电场力的作用下与烟气分离,并移动到极板上积聚成颗粒,由此可获得同时脱除多种污染物的洁净烟气。
在上述步骤1)中,一氧化氮与双氧水或臭氧的反应温度优选控制在110~130℃的范围内,最好为115~125℃。这样,双氧水或臭氧可以在合适的温度下与烟气中的一氧化氮发生充分完全的反应,将绝大部分的一氧化氮转化为二氧化氮,从而提高整个工艺的脱硝效率。
上述步骤1)中,氧化剂双氧水或臭氧的喷射量按以下比例确定:双氧水或臭氧与烟气中的一氧化氮的摩尔比为1.0~1.2。上述步骤2)中,脱硫脱硝剂氨水的补给量按以下比例确定:脱硫所需的氨水与烟气中二氧化硫的摩尔比为2.1~2.3,脱硝所需的氨水与烟气中二氧化氮的摩尔比为1.1~1.3。这样,一方面从需要量的角度保证了脱硫脱硝剂氨水与氧化氮类NOx和二氧化硫完全充分反应,另一方面也避免了投入过多脱硫脱硝剂而生产的新污染和资源浪费。
为实现上述工艺而专门设计的同时脱除多种污染物的湿式氨法烟气洁净系统,包括预除尘装置和反应吸收塔。所述预除尘装置和反应吸收塔之间的烟道上设置有双氧水或臭氧喷射装置,烟气经过双氧水或臭氧处理后进入反应吸收塔中。所述反应吸收塔自下而上依次设有底部浆池区、下部烟气输入区、中部烟气导流和吸收剂喷淋区、以及上部烟气电除尘区。其中:反应吸收塔的底部浆池区连接有氨水补给装置和空气给进装置,反应吸收塔的下部烟气输入区设置有烟气进口,反应吸收塔的中部烟气导流和吸收剂喷淋区交错布置有多道烟气导流环和多个氨水喷淋层,反应吸收塔的上部烟气电除尘区布置有电除尘器,反应吸收塔的底部浆池区与氨水喷淋层之间通过外置的浆液循环泵相连。
进一步地,上述反应吸收塔的底部排浆口通过排浆泵与旋流分离器的进口相连,旋流分离器的下溢流口与脱水器的进口相连,脱水器的固体出口与干燥器相连。同时,将旋流分离器的上溢流口和脱水器的液体出口均与中间箱的进口相连,中间箱的出口通过回收循环泵与反应吸收塔的底部浆池区相连。由此,可实现对脱硫脱硝所生成的副产品硫酸铵和硝酸铵浆液的综合加工处理,将其分离、脱水、干燥后,直接变成可库存的硫酸铵和硝酸铵化肥,同时将分离出来的残液送回脱硫脱硝塔继续循环,实现脱硫脱硝产物的无害化和资源化利用。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
首先,本发明将脱除烟气中多种污染物的过程及所采用的系统有机地组合成为一个完整的工艺体系,既简化了工艺流程、减小了设备占地面积,又大幅降低了设备的投资和运行费用。
其次,本发明首先通过双氧水或臭氧将烟气中含量在90%以上的一氧化氮氧化成二氧化氮,再采用氨水作为吸收剂同时脱除烟气中的二氧化硫和二氧化氮。由于二氧化氮更容易被氨水吸收,因此本发明有效克服了传统湿式氨法烟气脱硫脱硝技术中脱硝效率低下的缺陷,其脱硝效率可达90%以上。
再次,本发明通过交错布置的烟气导流环和氨水喷淋层的协同作用,使烟气在流经喷淋层的同时向反应吸收塔中轴处聚集,一方面迫使烟气发生紊流,另一方面消除烟气死角,使烟气在反应吸收塔内既分层次实现流场均匀优化,又不断强化烟气与脱硫脱硝剂浆液之间的传质,有效防止了反应吸收塔边缘脱硫脱硝剂浆液喷淋盲区对吸收效率的影响,从而使气液传质效率可提高20~30%,其脱硫效率可提高至95%以上,排烟完全符合二氧化硫SO2排放的国家标准。
最后,本发明通过设置在反应吸收塔上部的电除尘器收集烟气中的三氧化硫SO3和氨水NH3气溶胶,并可进一步除去烟气中的微尘。特别是收集氨水NH3气溶胶,可有效解决氨法脱硫脱硝工艺中的氨逃逸问题。通过以上处理,三氧化硫SO3气溶胶的捕集效率可达90%以上,处理后的洁净烟气中氨水NH3浓度小于1mg/m3,完全满足国家对恶臭气体的控制要求,为湿式氨法烟气处理工艺的推广扫除了一大障碍。
附图说明
附图为一种同时脱除多种污染物的湿式氨法烟气洁净系统的结构示意图。
具体实施方式
以下针对一台燃煤电站锅炉机组,结合附图对本发明作进一步的详细描述:
图中所示的同时脱除多种污染物的湿式氨法烟气洁净系统,包括布置在燃煤锅炉机组1出口烟道上的预除尘装置4,以及用于烟气脱硫脱硝的反应吸收塔14。预除尘装置4采用线板式四级电场结构的静电除尘器,可以收集烟气中99.5%以上的尘粒,其出口管道分为两路,一路通过其烟道上的烟气挡板5、引风机6直接与烟囱7相连,另一路通过其烟道上的烟气挡板5、增压风机8与换热器9的降温侧进口相连。换热器9的降温侧出口和反应吸收塔14的进口之间的烟道上设置有双氧水或臭氧喷射装置10,双氧水或臭氧喷射装置10采用带有隔栅的雾化喷射器,可根据烟道截面大小具体设置若干根母管和支管,以及支管上雾化喷嘴的数量,烟气经过双氧水或臭氧处理后进入反应吸收塔14中。
反应吸收塔14为筒形结构,自下而上依次设有底部浆池区、下部烟气输入区、中部烟气导流和吸收剂喷淋区、以及上部烟气电除尘区。其中:反应吸收塔14的底部浆池区连接有氨水补给装置23和空气给进装置15。反应吸收塔14的下部烟气输入区的烟气进口与双氧水或臭氧喷射装置10的出口相连。反应吸收塔14的中部烟气导流和吸收剂喷淋区交错布置有多道烟气导流环13和多个氨水喷淋层12,烟气导流环13和氨水喷淋层12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13和氨水喷淋层12相匹配,即可实现良好的气液传质。更具体地,烟气导流环13的环截面优选三角形结构,其相对于反应吸收塔14环状内壁的突出角β=80~120°,突出高度h=0.1~0.15D,上述D为反应吸收塔14的内径或当量内径,用数学公式表示为: 其中A为反应吸收塔14的横截面积,π为圆周率。多道烟气导流环13和氨水喷淋层12自下而上依次交错布置,可迫使烟气向反应吸收塔14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。
反应吸收塔14的上部烟气电除尘区布置有电除尘器11,用以收集烟气中残存的SO3酸雾和逃逸的NH3气溶胶。电除尘器11最好采用具有内部冲刷清洗喷嘴的湿式静电除尘器,这样首先使通过电场的SO3和NH3气溶胶粒子荷电,带电的气溶胶粒子在电场力的作用下移动到极板并积聚成颗粒状,再利用其重力和喷水的冲刷作用,使SO3和NH3颗粒降落到电除尘器11下方的吸收剂喷淋区,再次参与反应,最终消除酸雨的原生物SO3和恶臭气体NH3,大幅提高排烟质量。
反应吸收塔14的底部浆池区与氨水喷淋层12之间通过外置的浆液循环泵16相连,以确保氨水吸收剂不间断循环。反应吸收塔14的底部排浆口通过排浆泵17与旋流分离器19的进口相连,旋流分离器19的下溢流口与脱水器20的进口相连,脱水器20的固体出口与干燥器22相连,旋流分离器19的上溢流口和脱水器20的液体出口均与中间箱21的进口相连,中间箱21的出口通过回收循环泵18与反应吸收塔14的底部浆池区相连,由此构成脱硫脱硝副产物处理系统。排浆泵17将反应吸收塔14底部浆池区内的浆液抽排至脱硫脱硝副产物处理系统,经分离、脱水获得硫酸铵和硝酸铵晶体,再经干燥获得脱硫副产物硫酸铵和硝酸铵化肥。而所分离的废液由回收循环泵18泵入反应吸收塔14的底部浆池区,重新进行循环。
反应吸收塔14的顶部烟气出口与换热器9的升温侧进口相连,换热器9的升温侧出口依次通过其烟道上的烟气挡板5、引风机6与烟囱7相连。
本发明的同时脱除多种污染物的湿式氨法烟气洁净工艺是这样的:
首先,燃煤锅炉机组1产生的烟气通过省煤器2、空气预热器3后,进入预除尘装置4中,可除去烟气中99.5%以上的飞灰。烟气从预除尘装置4出口排出,设置在其烟道上的烟气挡板5根据反应吸收塔14的运行状况来自动控制烟气是否进入反应吸收塔14。如果烟气不进入反应吸收塔14,则通过引风机6直接送入烟囱7。如果烟气进入反应吸收塔14,则通过增压风机8为烟气的流动提供动力来源,将烟气先抽入换热器9中降温,使烟气降低到适合于脱硫脱硝反应的温度范围内。
然后,经过降温的烟气进入双氧水或臭氧喷射装置10中,双氧水或臭氧的喷射量按以下比例确定:双氧水或臭氧与烟气中的一氧化氮的摩尔比为1.0~1.2,一氧化氮与双氧水或臭氧的反应温度控制在110~130℃的范围内,最好为115~125℃,以使烟气中的一氧化氮NO与雾化空气所携带的双氧水或臭氧发生充分的氧化反应,生成二氧化氮NO2。在此过程中,也会有部分二氧化硫SO2被氧化为三氧化硫SO3。
其次,经过氧化处理的烟气从烟气进口输入反应吸收塔14中,向上穿过交错布置在反应吸收塔14中部区域的烟气导流环13和氨水喷淋层12,烟气导流环13可迫使各层次的烟气向反应吸收塔14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23不断地向反应吸收塔14底部吸收剂浆池区注入质量百分比浓度为25~30%的氨水,并通过浆液循环泵16将其输送至氨水喷淋层12进行喷淋循环。烟气与氨水液滴逆向接触,发生气液两相反应,除去烟气中的二氧化硫SO2和二氧化氮NO2,同时生成亚硫酸铵、硝酸铵和亚硝酸铵混合物。其中:脱硫脱硝剂氨水的补给量按以下比例确定:脱硫所需的氨水与烟气中二氧化硫的摩尔比为2.1~2.3,以保证烟气中的二氧化硫与脱硫吸收剂充分反应,其脱硫效率在95%以上;脱硝所需的氨水与烟气中二氧化氮的摩尔比为1.1~1.3,以保证烟气的脱硝效率在90%以上。
再次,所生成的亚硫酸铵、硝酸铵和亚硝酸铵混合物浆液落入反应吸收塔14的底部浆池区,与从空气给进装置15通入的空气发生氧化反应,使亚硫酸铵和亚硝酸铵转化为硫酸铵和硝酸铵浆液。硫酸铵和硝酸铵浆液再从反应吸收塔14的排浆口输出,通过排浆泵17送至旋流分离器19,在旋流分离器19中进行浆液分离,其上溢流返回中间箱21,下溢流进入脱水器20。从脱水器20固体出口输出的硫酸铵和硝酸铵晶体再进入干燥器22中,经干燥处理后送入仓库或挤压成饼,得到副产品硫酸铵和硝酸铵肥料。从脱水器20液体出口输出的废液也流入中间箱21,中间箱21中的废液再通过回收循环泵18进入反应吸收塔14,实现循环利用。
最后,经过脱硫脱硝反应的烟气到达反应吸收塔14上部的电除尘器11中,烟气中所携带的SO3酸雾和逃逸的NH3气溶胶以及残留少量的尘粒在电场中荷电,并被捕集到收尘极板上,SO3酸雾和逃逸的NH3气溶胶积聚成大的颗粒,在电除尘器11内部清洗喷嘴的水冲刷作用和自身重力作用下,这些颗粒降落到电除尘器11下方的氨水喷淋层12中,再次参与反应,从而使SO3酸雾和逃逸的NH3气溶胶的捕集效率提高到90%以上,处理后的烟气中的NH3浓度小于1mg/m3,满足国家对恶臭气体的控制要求。脱除多种污染物的洁净烟气从反应吸收塔14的烟气出口输出,进入烟气再热器9中,将烟气的温度升高到80℃左右,再依次通过烟气挡板5、引风机6排入烟囱7。适当提升烟气的温度可有效防止烟气腐蚀烟道和烟囱。