CN101157005A - 一种燃煤烟气的处理方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃煤烟气的处理方法，将燃煤烟气通过干法过滤脱除烟尘颗粒和硫，然后再湿法脱除二氧化硫；其中干法过滤的工艺为：将燃煤烟气通过陶瓷过滤材料；所述的湿法脱除二氧化硫的工艺为将干法处理后的燃煤烟气与碳酸钙浆液反应除去二氧化硫。本发明脱硫效果显著，形成的副产品具有很高的附加值；对高温燃煤烟气的余热合理利用；实现单质S的脱除及高纯度的回收；同时进行脱碳处理，避免了环境污染；采用的设备易拆装、清洗和维修；解决了脱硫脱碳运行成本、运行效果的矛盾，有巨大的经济利益和应用前景。

Description

一种燃煤烟气的处理方法及装置

(一)技术领域

本发明涉及一种燃煤烟气的处理方法及装置，特别是主要成分为烟尘颗粒、硫蒸气、二氧化硫、二氧化碳的燃煤烟气的处理。

(二)背景技术

根据国家环保总局公布的全国环境质量检测状况表明，全国酸雨(pH值小于或等于5.6)污染呈加重趋势。燃煤电厂以高架源形式排放的二氧化硫是形成酸雨的主要原因。控制燃煤电厂大气污染物排放，已成为改善中国空气质量和控制酸雨污染的关键。

国内外通常采用水洗的方式进行脱硫，即把含硫的高温烟尘通入水中，使得含有的SO₂溶解在水中。这种方法不仅对水造成二次污染，而且还损失了高温气体中残余的大量显热，造成可再用能源的浪费。

我国火电厂绝大多数脱硫装置采用湿法、半干法等技术工艺过程。将石灰石/石膏作为处理介质，利用SO₂与石灰石反应形成石膏的过程脱除SO₂。这些脱硫技术的缺陷在于形成的产物成分复杂，含有大量的残余烟尘颗粒，再利用效果不好，同时也不能实现能量的回收利用。

美国、德国等发达国家普遍采用过滤除尘的方法实现脱硫过程。一方面使火电厂排放的气体达到排放标准，另一方面可以把高温气体中含有的残余热量进行再利用，如用于供热、再发电等，从而显著节约资源和能源；此外，由于该方法是一种物理方法，升华的硫经冷却后凝华，形成单质硫，这种单质硫纯度非常高，因此，可以回收大量的副产品，从而带来显著的附加经济效益。因此，干法过滤脱硫是最先进、最实用、最经济的脱硫方法，但此方法将其中的二氧化硫作为废弃物脱除，无法便利的对二氧化硫资源再利用，此外该方法设备昂贵，不适用于我国现有的火电厂的烟气处理装置，如果全盘引进又会造成大量原有资源的浪费。

此外，由CO₂过度排放引起的全球温室效应已经成为挑战人类生存环境的极其严重的问题，引起世界各国的重视。然而，到目前为止，世界上还没有任何一家研究或生产单位设计生产脱碳装置，现有的脱硫装置也无法实现对CO₂的脱除。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种主要是针对火电厂排放的燃煤烟气的处理方法，能达到较好的二氧化硫脱除效果，生成高附加值的副产品；工艺简单，适合于我国现有的工艺在原有的基础上改进。

本发明进一步的目的是对烟气含有的能量合理回收利用；回收烟气中的硫和二氧化碳并生成高附加值的副产品。

同时本方法的目的还在于提供一种燃煤烟气处理的装置。

本发明采用的技术方案如下：

一种燃煤烟气的处理方法，先将燃煤烟气通过干法过滤脱除烟尘颗粒和硫，然后再湿法脱除二氧化硫；其中干法过滤的工艺为：将燃煤烟气通过陶瓷过滤材料；湿法脱除二氧化硫的工艺为将干法处理后的燃煤烟气与碳酸钙浆液反应除去二氧化硫。

脱除二氧化硫也可以使用其他可与二氧化硫反应的物质，但从成本和安全性方面考虑，碳酸钙浆液为最佳。

较好的，所述的干法过滤采用二级过滤，将烟气中的烟尘颗粒和硫蒸气分开过滤：先将燃煤烟气通过孔径不大于100μm的陶瓷过滤材料进行一次过滤滤去烟尘颗粒，待烟气温度降至150～200℃，再通过孔径不大于10μm的陶瓷过滤材料进行二次过滤。

两次过滤采用的过滤元件均为陶瓷过滤材料，虽然玻璃纤维此处也可以用于烟尘的过滤，但因为无法承受火电厂烟气的高温，它自身软化、变形、甚至融化等都会影响过滤效果。而陶瓷材料具有强度高、耐热腐蚀、耐热冲击、结构稳定、使用寿命长和使用稳定性好等优点。与电收尘器和袋式收尘器相比，陶瓷过滤材料则可以直接用于过滤高温含尘烟气。通过合理的结构设计，可使烟尘中的有害气体过滤排除，提高排放气体的清洁度。本发明优选气孔呈立体网状分布的SiC多孔陶瓷过滤片。并且采用孔径梯度分布设计，显著提高了过滤精度和过滤速率。

所述的SiC多孔陶瓷过滤片可按照以下方法进行制备：采用10～100μm的碳化硅微粉、碳粉和粘土，按30～70∶30～50∶5～20的质量份比例湿法混合，干压成型后，在1200-1300℃的高温下烧结即可获得高强度、耐高温、耐腐蚀的SiC多孔陶瓷片。

具体的，一次过滤装置中SiC多孔陶瓷过滤片可以采用载体支撑，垫圈密封，并用法兰连接。由于含尘气体的温度可达1000℃以上且含有水气、酸性气体等强腐蚀气体，本发明采用石墨垫圈。

一般来讲，燃煤中的灰分含量在5～20％之间，煤燃烧后部分灰分成渣，部分随烟气飘升，包括粒径小于1μm的烟尘颗粒。当含尘烟气通过SiC多孔陶瓷过滤片时，由于多孔陶瓷过滤片的截留、捕捉作用，使得在含尘烟气通过SiC多孔陶瓷过滤片的过程中得到有效过滤；再加上气孔内部的吸附作用，烟尘粒全部被滤掉，大量的亚微米级烟气粒也因沉积作用被滤掉；因气孔孔径较大，主要依靠多孔陶瓷过滤片内部立体网状的气孔通道对微细颗粒进行吸附和捕捉，因此压力损失相对其他过滤设备较小。当过滤进行一段时间后，多孔陶瓷过滤片表面形成烟尘层并逐渐变厚，多孔陶瓷过滤片内部气孔通道壁上也沉积了微细颗粒，影响气体的通过能力。可以采用脉冲反吹的方式对多孔陶瓷过滤片进行反吹处理，在不中断运行的情况下对多孔陶瓷过滤片进行清理，避免了多孔陶瓷的堵塞，使多孔陶瓷过滤片得到再生，有效延长多孔陶瓷过滤片的使用寿命，节约了过滤成本。

过滤截获的固体颗粒即粉煤灰落入临时灰仓，临时灰仓要及时卸出粉煤灰，避免脉冲反吹时仓内扬尘影响过滤效率。滤得的粉煤灰可在生产水泥，制备混凝土，生产轻质骨料(陶粒)，制农肥，制分子筛等生产领域广泛应用，实现污染物的零排放。

二次过滤装置与一次过滤相似，也是采取法兰连接，不同的是，用耐腐蚀的硅胶作垫片，硅胶具有较好的柔韧性，在预紧力下，能够很好的与多孔陶瓷过滤片接触，使陶瓷片各个方向受力均匀，保证了密封性。

当含有微量烟尘粒、硫蒸气、SO₂、CO₂的气体通过二次过滤装置时，烟尘粒将在多孔陶瓷过滤片表面全部被截获，硫蒸气在立体网状气孔内由于温度降低而凝固，SO₂在立体网状气孔的吸附作用下部分被吸附。通过控制烟气进入二次过滤的多孔陶瓷过滤片前温度为150～200℃，较好的是在150℃左右，之后温度为100℃左右，能够实现硫蒸气全部凝固，并吸附20％以上的SO₂。

在过滤过程中，为了保证不间断工作的情况下及时将多孔陶瓷过滤片表面的固体颗粒清除，保证多孔陶瓷的过滤速度，采用脉冲反吹法，由于硫单质凝固粘附于孔的内壁，不易反吹清除，因而单质硫将保存在多孔陶瓷过滤片内；当装置内压力达到一定值时，表明多孔陶瓷过滤片内堵塞严重，此时片内凝固了相当多的硫单质，应当进行换片清洗。较好的清洗方法是超声波清洗，蒸馏水为清洗介质。清洗后多孔陶瓷过滤片孔径贯通良好，气孔内部无残余固体杂质，可循环使用；而被吸附的SO₂也被清洗液带出。

在该级过滤中压头损失主要是通过立体网状气孔造成的，经实验测得该级过滤压力损失为800Pa左右。这样两级过滤的总的压强损失不多，可完全由烟囱抽力提供，因此此二级过滤过程不需动力装置。

干法过滤分为两级过滤的直接有益效果就是烟尘颗粒过滤效率高达99％以上，蒸气硫单质实现100％回收并吸附部分SO₂，实现资源回收再利用；过滤介质SiC多孔陶瓷过滤片可直接对高温强腐蚀烟气进行过滤，并能循环使用，节约过滤成本。

更好的，本发明采用在一次和二次过滤装置之间用热交换器来降低燃煤烟气的温度同时回收其中的能量进行利用。

经一级过滤后高温烟气温度有时可达1000℃以上，通过热交换器，烟尘中显热可以转化成水热，一部分能量进入锅炉蒸汽循环系统，使热量重复利用；另一部分能量用来加热湿法脱硫后的气体，使烟囱顺利排烟并产生抽力；热交换器出口温度控制在150℃左右是为了保证骤热时直接升华的部分单质硫仍然以细小固相颗粒形式悬浮于高温烟气中，进入二次过滤装置进行回收。

位置设计上，将热交换器放在一级过滤装置之后，避免了大量颗粒进入热交换器，有效提高热交换效率和热交换器使用寿命；而置于二级过滤装置之前，能够实现出口温度的可控化，利于二级过滤对硫蒸气的回收。

干法过滤后的燃煤烟气，基本除去了其中的烟尘颗粒、单质硫以及约20％的二氧化硫。之后是湿法脱除二氧化硫的工艺，利用碳酸钙浆液与烟气中的二氧化硫反应最终生成石膏。

具体的，经过二次过滤而来的烟气温度已基本降至100℃左右，冷却了的烟气进入吸收塔，烟气中的SO₂被碳酸钙浆液洗涤并与之发生反应，反应生成的CaSO₃在吸收塔底部的循环浆料池中被氧化，生成石膏。石膏浆液进入固液分离池，脱水处理得到高纯石膏，脱出的水循环使用。

其中配制碳酸钙浆液时，最好控制石灰石粒径不超过50μm，浆液浓度以10％-15％为宜；由于浆液对二氧化硫的吸收速率主要决定于溶液的pH值，因此控制pH值是脱硫反应的关键，较好的，控制浆液的pH在4.0～5.4之间。

更进一步，本发明还设计了燃煤烟气脱碳的工艺，主要是利用湿法脱除二氧化硫后的烟气与氢氧化钙悬浮液充分混合的方法来实现。

较为具体的，可以将氢氧化钙悬浮液作为雾化液，将湿法脱除二氧化硫后的燃煤烟气通入喷雾塔与雾化液充分接触生成碳酸钙。

更好的，可在Ca(OH)₂悬浮液中加入适量添加剂，充分混匀后用浆泵抽入喷雾塔顶部的雾化器中，在雾化器高速旋转产生的巨大离心力作用下，Ca(OH)₂乳液被雾化为微细的雾滴从喷头喷出；湿法脱硫后的烟气由塔底进入，经气体分布器均匀分散在塔中，雾滴在塔内同烟气进行瞬时接触发生化学反应生成纳米CaCO₃。所述的添加剂可选择十二烷基苯磺酸钠(LAS)、十二烷基二甲基苄基溴化铵(1227)等，添加的量为悬浮液质量的1.0％～2.5％。

其中，配制Ca(OH)₂悬浮液时，温度宜控制在55～65℃之间以60℃为佳，Ca(OH)₂的含量应该避免悬浮液粘度过大而影响雾化效果。

湿法脱碳工艺避免了直接将CO₂排放到大气中，并利用CO₂生成高附加值的副产品，变废为宝；节约能源、降低成产成本。

最优的，所述的燃煤烟气的处理方法按照以下步骤进行：将燃煤烟气通过孔径不大于100μm的SiC多孔陶瓷过滤片进行一次过滤，一次过滤后的烟气进入热交换器，控制热交换器气体出口温度在150～200℃，再通过孔径为10μm的SiC多孔陶瓷过滤片进行二次过滤，之后烟气冷却至100℃左右，通入吸收塔中与pH为4.0～5.4的碳酸钙浆液充分反应脱除二氧化硫，生成的亚硫酸钙氧化后进行后处理得到高纯石膏；脱除二氧化硫后的烟气进入以氢氧化钙悬浮液为雾化液的喷雾塔与雾化液充分接触，生成碳酸钙，控制氢氧化钙悬浮液温度在55～65℃，喷雾塔出来的烟气排空。

本发明采用干湿法相结合的工艺对燃煤烟气进行处理，干法过滤实现对烟尘颗粒的回收、硫单质的回收和部分SO₂的吸附；湿法对SO₂、CO₂回收利用并生产出高附加值的高纯石膏和纳米CaCO₃。解决了以往干法过滤不彻底和湿法不能回收余热等缺点。本方法主要适用于火电厂、钢铁冶炼和焦炭冶炼等行业的高温脱硫、净化高温烟尘。

本发明还相应提供了实现燃煤烟气处理方法的装置。如上所述，主要是包括干法过滤装置以及湿法脱除二氧化硫的吸收塔，吸收塔连接在干法过滤装置之后，干法过滤装置中安装有陶瓷过滤材料。

最优的配置是包括一次过滤装置和二次过滤装置的干法过滤装置，一次和二次过滤装置中都装有陶瓷过滤材料，一次、二次过滤装置间连接有热交换器，之后连接二氧化硫吸收塔，其后再连接二氧化碳吸收塔。具体，完成各个任务环节的设备可针对不同SO₂、S含量的烟尘气体采用不同的组合方式，进一步提高工作效率，节约成本。

本发明相对于现有技术，有以下优点：

1)脱硫效果显著，形成的副产品具有很高的附加值，可以循环应用于其它工业领域；

2)对高温燃煤烟气的余热合理利用；

3)实现单质S的物理脱除回收，得到的高纯度硫可以再次利用；

4)同时进行脱碳处理，基本上可将＞99％的CO₂排除，避免了环境污染；

5)采用的设备易拆装、清洗和维修，设备关键组件的改进和防热腐蚀处理工艺，大大提高设备运转的可靠性和使用寿命，节约原材料资源；同时还能根据烟气含硫量的不同进行各组件的不同组合，更好的达到烟气处理的目的；

5)目前，引进国外可以达到相同效果的装置成本较高，约需8000万元一台，而按照我们的生产工艺部分更换过滤装置，费用可节省一半以上，面对我国巨大的脱硫市场的需求，从根本上解决了脱硫脱碳运行成本、运行效果的矛盾，有巨大的经济利益和应用前景。

(四)附图说明

图1为本发明的处理方法工艺流程图。

图2为SiC多孔陶瓷过滤片SEM观察到的表面显微结构；

(五)具体实施方式：

以下以具体实施例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此：

本发明采用的燃煤烟气处理装置为：分别装有气孔呈立体网状分布的SiC多孔陶瓷过滤片的一次过滤装置和二次过滤装置，一次、二次过滤装置间连接有热交换器；一次过滤装置中SiC多孔陶瓷过滤片的孔径为100微米，二次过滤装置中的为10微米；二次过滤装置后连接的是二氧化硫吸收塔，吸收塔底部有循环浆料池用于生成石膏。吸收塔后连接的是用于二氧化碳吸收的喷雾塔；喷雾塔后连接烟囱。

实施例1

火电厂的燃煤烟气，其中烟尘颗粒、硫蒸气、二氧化硫、二氧化碳的含量分别为2123mg/m³、1859mg/m³、8000mg/m³、700mg/m³，先将燃煤烟气通入一次过滤设备，过滤元件为气孔呈立体网状分布的SiC多孔陶瓷过滤片，孔径为100微米；SiC多孔陶瓷过滤片采用载体支撑，石墨垫圈密封，法兰连接。过滤截获的固体颗粒落入临时灰仓；采用脉冲反吹的方式对多孔陶瓷过滤片进行反吹处理。一次过滤装置出来的烟气含尘量降至1％，进入热交换器，回收的显热一部分进入锅炉蒸汽循环系统，一部分加热湿法脱硫后的气体；热交换器出口温度控制在150℃；从热交换器出来的烟气进入二次过滤装置；二次过滤装置过滤元件为孔径为10微米的气孔呈立体网状分布的SiC多孔陶瓷过滤片，采取载体支撑，硅胶垫圈密封，法兰连接。在过滤过程中，同样采用脉冲反吹法，定期对过滤片换片清洗。两级过滤后，烟气中的烟尘颗粒过滤效率高达100％；蒸气硫单质实现了100％回收，SO₂有60％被吸附；

二次过滤装置出来的烟气温度基本降至了100℃左右，进入吸收塔，烟气中的SO₂被质量浓度为12％的碳酸钙浆液洗涤并与之发生反应，控制碳酸钙浆液pH在5.0，反应生成的CaSO₃在吸收塔底部的循环浆料池中被氧化，生成石膏。石膏浆液进入固液分离池，经脱水处理得到高纯石膏，脱出的水循环使用。

从吸收塔出来的烟气二氧化硫的含量在200mg/m³，然后进入喷雾塔塔底，经气体分布器均匀分散在塔中；在浓度为120g/L的Ca(OH)₂悬浮液中加入含量为悬浮液质量2.0％的十二烷基苯磺酸钠(LAS)，混匀后用浆泵抽入喷雾塔顶部的雾化器中，被雾化为微细的雾滴从喷头喷出；雾滴在塔内同烟气气体反应生成纳米CaCO₃；雾化塔出来的烟气中二氧化碳含量降为100mg/m³，直接排入大气。

实施例2

火电厂的燃煤烟气，其中烟尘颗粒、硫蒸气、二氧化硫、二氧化碳的含量分别为2123mg/m³、1859mg/m³、5000mg/m³、685mg/m³，将燃煤烟气通入过滤设备，过滤元件为气孔呈立体网状分布的SiC多孔陶瓷过滤片，孔径为100μm；SiC多孔陶瓷过滤片采用载体支撑，石墨垫圈密封，法兰连接。过滤截获的固体颗粒落入临时灰仓；采用脉冲反吹的方式对多孔陶瓷过滤片进行反吹处理。过滤后，烟气中的烟尘颗粒过滤效率高达90％；蒸气硫单质实现了60％的回收，SO₂有30％被吸附。干法过滤装置出来的烟气直接进入热交换器，回收的显热一部分进入锅炉蒸汽循环系统，一部分加热湿法脱硫后的气体。

经过热交换器后烟气温度基本降至100℃以下，进入吸收塔，烟气中的SO₂被质量浓度为15％的碳酸钙浆液洗涤并发生反应，控制碳酸钙浆液pH在4.2，反应生成的CaSO₃在吸收塔底部的循环浆料池中被氧化，生成石膏。石膏浆液进入固液分离池，经脱水处理得到高纯石膏，脱出的水循环使用。

从吸收塔出来的烟气二氧化硫的含量降至300mg/m³，然后进入喷雾塔塔底，经气体分布器均匀分散在塔中；在浓度为90g/L的Ca(OH)₂悬浮液中加入含量为悬浮液质量1.5％的十二烷基二甲基苄基溴化铵(1227)，混匀后用浆泵抽入喷雾塔顶部的雾化器中，被雾化为微细的雾滴从喷头喷出；雾滴在塔内同烟气气体反应生成纳米CaCO₃；雾化塔出来的烟气中二氧化碳含量降为50mg/m³，直接排入大气。

Claims (10)

1.一种燃煤烟气的处理方法，其特征在于所述的方法为将燃煤烟气通过干法过滤脱除烟尘颗粒和硫，然后再湿法脱除二氧化硫；其中干法过滤的工艺为：将燃煤烟气通过陶瓷过滤材料；所述的湿法脱除二氧化硫的工艺为将干法处理后的燃煤烟气与碳酸钙浆液反应除去二氧化硫。

2.如权利要求1所述的燃煤烟气的处理方法，其特征在于所述的干法过滤为二级过滤，先将燃煤烟气通过孔径不大于100μm的陶瓷过滤材料进行一次过滤，待一次过滤后的烟气温度降至150～200℃，再通过孔径不大于10μm的陶瓷过滤材料进行二次过滤。

3.如权利要求2所述的燃煤烟气的处理方法，其特征在于所述的燃煤烟气进行一次过滤后经过热交换器，之后再进行二次过滤。

4.如权利要求1所述的燃煤烟气的处理方法，其特征在于将湿法脱除二氧化硫后的燃煤烟气与氢氧化钙悬浮液充分混合脱除二氧化碳。

5.如权利要求1～4之一所述的燃煤烟气的处理方法，其特征在于所述的陶瓷过滤材料为气孔呈立体网状分布的SiC多孔陶瓷过滤片。

6.如权利要求1所述的燃煤烟气的处理方法，其特征在于将燃煤烟气通过孔径不大于100微米的SiC多孔陶瓷过滤片进行一次过滤，一次过滤后的烟气进入热交换器，控制热交换器气体出口温度在150～200℃，再通过孔径不大于10μm的SiC多孔陶瓷过滤片进行二次过滤，之后通入吸收塔中与碳酸钙浆液充分反应脱除二氧化硫；脱除二氧化硫后的烟气与氢氧化钙悬浮液充分接触，处理后的烟气排空。

7.如权利要求6所述的燃煤烟气的处理方法，其特征在于二次过滤后的烟气通入吸收塔中与pH为4.0～5.4的碳酸钙浆液充分反应脱除二氧化硫，生成的亚硫酸钙氧化后进行后处理得到高纯石膏；脱除二氧化硫后的烟气进入以氢氧化钙悬浮液为雾化液的喷雾塔与雾化液充分接触，生成碳酸钙，控制氢氧化钙悬浮液温度在55～65℃，喷雾塔出来的烟气排空。

8.一种燃煤烟气处理装置，其特征在于所述的装置包括干法过滤装置以及湿法脱除二氧化硫的吸收塔，吸收塔连接在干法过滤装置之后，干法过滤装置中安装陶瓷过滤材料。

9.如权利要求8所述的燃煤烟气处理装置，其特征在于所述的干法过滤装置包括一次过滤装置和二次过滤装置，一次和二次过滤装置中都装有陶瓷过滤材料，一次、二次过滤装置间连接有热交换器。

10.如权利要求9所述的燃煤烟气处理装置，其特征在于脱除二氧化硫的吸收塔后连接有二氧化碳吸收装置。

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