CN101417207B - 大型双循环流化床半干法烟气脱硫塔 - Google Patents

Abstract

一种大型双循环流化床半干法烟气脱硫塔，它包括反应塔体，反应塔体自下而上依次设置有塔底储灰仓、烟气混合室、文丘里管流化段、渐扩段、中间反应段、塔顶过渡段和塔顶段。塔底储灰仓、烟气混合室、文丘里管流化段、渐扩段和中间反应段均由中间隔板分隔成两个独立腔室，烟气混合室的两个独立腔室侧面分别设置有烟气进口，文丘里管流化段的两个独立腔室上部分别设置有脱硫剂颗粒进口，渐扩段的两个独立腔室侧面分别设置有循环物料进口，中间反应段的两个独立腔室下部分别设置有雾化水喷嘴，塔顶过渡段和塔顶段合为一个独立的腔室，塔顶段的侧面设置有烟气出口。其占地空间小、工程投资少、脱硫效率高，且所适用的燃煤锅炉机组容量可翻倍增长。

Description

大型双循环流化床半干法烟气脱硫塔

技术领域

本发明涉及用于燃煤电站锅炉的烟气脱硫设备，具体地指一种大型双循环流化床半干法烟气脱硫塔。

背景技术

用于燃煤电站锅炉烟气脱硫的技术一般有湿法、半干法和干法三类。循环流化床烟气脱硫技术是20世纪80年代发展起来的一种半干法烟气脱硫技术，该技术以循环流化床原理为基础，通过钙基脱硫剂颗粒在反应塔内的多次再循环，使烟气中二氧化硫SO₂、三氧化硫SO₃、氯化氢HCl和氟化氢HF等气体与脱硫剂充分接触，从而大幅提高脱硫剂的利用率。目前，应用较为广泛的循环流化床烟气脱硫设备主要有德国的Lurgi循环流化床脱硫设备、Wulff回流式烟气循环流化床脱硫设备、丹麦的GSA烟气脱硫设备、以及瑞典的NID烟气脱硫设备。

由于循环流化床烟气脱硫设备具有投资少、占地面积小、设备简单、耗水量小、脱硫效率高等特点，特别适合我国水资源短缺的国情，故成为电力环保行业中技术研发和推广应用的重点。但是传统的循环流化床烟气脱硫塔也存在着一定的缺点，主要表现为适用的燃煤锅炉机组容量较小，一般适用的燃煤锅炉机组容量不超过300MW，严重限制了其推广应用。为了使现有循环流化床烟气脱硫塔能够应用于600MW左右的燃煤锅炉机组，通常的做法是采取一炉二塔，即对于一台600MW燃煤锅炉机组的烟气脱硫装备采用两个并列的脱硫塔同时工作。这样，虽然表面上提高了循环流化床烟气脱硫塔适用的锅炉机组容量，但实际上还是采用二套300MW机组容量的独立脱硫设备，既增加了设备占地面积，又增加了投资和运行维护费用。

为了解决上述问题，公开号为CN1442227A的中国发明专利申请公开说明书提出了一种将炉内喷钙和烟气循环流化床脱硫结合在一起的烟气脱硫方法，该方法虽然在一定程度上提高了钙基脱硫剂的利用率，但并没有提高循环流化床烟气脱硫塔所适用的机组容量。公开号为CN1698934A的中国发明专利申请公开说明书介绍了一种对冲式烟气循环流化床脱硫装置，该装置在流化床反应器内的顶部设置自带气源的对冲射流发生器，其主要特点是通过对冲射流发生器产生与塔内烟气流动方向相反的对冲射流，抑制反应颗粒随烟气的向上流动，增大颗粒和气流的接触时间，从而提高脱硫效率。但该方法同样没有解决现有循环流化床脱硫塔适用锅炉机组容量小的缺点。此外，由于添加了对冲射流发生器，也相应增加了脱硫系统阻力和能耗。

发明内容

本发明的目的就是要在保证较小占地空间、较少工程投资和较高脱硫效率的基础上，提供一种适于燃煤锅炉机组容量翻倍增长的大型双循环流化床半干法烟气脱硫塔。

为实现上述目的，本发明所设计的大型双循环流化床半干法烟气脱硫塔，包括反应塔体，所述反应塔体自下而上依次设置有塔底储灰仓、烟气混合室、文丘里管流化段、渐扩段、中间反应段、塔顶过渡段和塔顶段。所述塔底储灰仓、烟气混合室、文丘里管流化段、渐扩段和中间反应段均由中间隔板分隔成两个独立腔室，所述烟气混合室的两个独立腔室侧面分别设置有烟气进口，所述文丘里管流化段的两个独立腔室上部分别设置有脱硫剂颗粒进口，所述渐扩段的两个独立腔室侧面分别设置有循环物料进口，所述中间反应段的两个独立腔室下部分别设置有雾化水喷嘴，所述塔顶过渡段和塔顶段合为一个独立的腔室，所述塔顶段的侧面设置有烟气出口。

进一步地，所述烟气混合室、文丘里管流化段和中间反应段的两个独立腔室呈圆筒形交叉布置状态；所述中间隔板位于两个圆筒形独立腔室的交界面上、且其与两个圆筒形独立腔室的轴心距离d＝0.5～0.75R，R为圆筒形独立腔室的半径。圆筒形独立腔室交叉布置的方式一方面可使双循环脱硫塔的整体结构更趋紧凑，另一方面其曲面内壁也有利于烟气流场的均匀分布。

本发明的设计思路是将两套完整的小型脱硫塔合理交叉布局、优化集合为一体，形成一个结构紧凑型的双循环脱硫塔。其优点主要体现在以下二方面：

其一、所设计的双循环脱硫塔具有两个相对独立的烟气混合室、文丘里管流化段、渐扩段和中间反应段，有利于同步、快速、大量脱除烟气中的二氧化硫，确保较高的脱硫效率，并可将循环流化床半干法脱硫技术适用的最大燃煤机组容量从300MW提高到600MW左右，从而使其更适应现代大型化燃煤锅炉发电机组的实际需要。

其二，所设计的双循环脱硫塔又具有共同的中间隔板、塔顶过渡段和塔顶段，可最大限度地简化塔体结构和工艺流程，减小塔体占地面积，减少配套设施的投入，从而大幅降低设备的投资和运行维护费用。

附图说明

图1为一种大型双循环流化床半干法烟气脱硫塔及其配套设施的连接结构示意图；

图2为图1中文丘里管流化段的A—A剖面结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

图中所示的大型双循环流化床半干法烟气脱硫塔，具有一个整体式的反应塔体12，反应塔体12自下而上依次设置有塔底储灰仓2、烟气混合室4、文丘里管流化段5、渐扩段6、中间反应段9、塔顶过渡段10和塔顶段11。其中：塔底储灰仓2、烟气混合室4、文丘里管流化段5、渐扩段6和中间反应段9均由一块中间隔板23分隔成两个独立腔室。在烟气混合室4的两个独立腔室侧面分别设置有烟气进口3，烟气进口3与布置在燃煤锅炉空气预热器出口烟道上的预除尘器1相连，预除尘器1可以采用常规的静电除尘器。在文丘里管流化段5的两个独立腔室上部分别设置有脱硫剂颗粒进口21，脱硫剂颗粒进口21与消石灰仓20相连，用以输送新鲜的氢氧化钙Ca(OH)₂颗粒。在渐扩段6的两个独立腔室侧面分别设置有循环物料进口19，循环物料进口19通过流化槽18与外循环除尘器14的物料出口相连，外循环除尘器14为静电除尘器或布袋除尘器，外循环除尘器14的渣出口与灰渣仓17相连。在中间反应段9的两个独立腔室下部分别设置有雾化水喷嘴7，用以产生脱硫反应所需的雾化水滴。上述结构使脱硫反应在两个独立的腔室内同步单独进行，可以确保较好的流化效果和较高的脱硫效率。

上述塔顶过渡段10和塔顶段11则重新合为一个共用的独立腔室，在塔顶段11的侧面设置有烟气出口13，烟气出口13与外循环除尘器14的物料进口相连，外循环除尘器14的烟气进口则通过引风机15与烟囱16相连。这样设计可以使脱硫塔的结构更加紧凑，也可以相应减少配套设施如外循环除尘器14的数量，有效减小整个脱硫系统的占地面积。

优选的烟气混合室4、文丘里管流化段5和中间反应段9的两个独立腔室呈圆筒形交叉布置状态。中间隔板23位于两个圆筒形独立腔室的交界面上、且其与两个圆筒形独立腔室的轴心距离d＝0.5～0.75R，R为圆筒形独立腔室的半径。这样设计既保留了传统圆筒形脱硫塔中烟气流场均匀优化的特性，又最大限度地缩减了设备的占地空间。

上述文丘里管流化段5采用多根管束组合而成，优选在其两个圆筒形独立腔室内分别设置六个文丘里管22。六个文丘里管22最好呈正三角形布置状态，且该正三角形的一边与中间隔板23平行，以使反应塔体12内的烟气流场达到均匀、对称的效果。也可以改变文丘里管22在不同区域位置处的直径，总体调节原则是流速高的区域采用管径小的文丘里管22，流速低的区域采用管径大的文丘里管22。根据反应塔体12在运行中的负荷变化情况，烟气在文丘里管流化段5喉部的速度应保持在25～60m/s的范围内，在文丘里管流化段5出口的速度应控制在8～20m/s的范围内。

上述中间反应段9的两个独立腔室内壁上分别设置有一至三道横截面呈三角形的烟气紊流环8，烟气紊流环8位于烟气上游的一面与中间反应段9独立腔室内壁的夹角α＝25～35°、位于烟气下游的一面与中间反应段9独立腔室内壁的夹角β＝35～45°，烟气紊流环8的突起深度H＝0.1～0.2D，D为中间反应段9独立腔室的当量内径，用数学公式表示为： $D=\sqrt{4\×A/\mathrm{\π}},$ 其中A为中间反应段9独立腔室的横截面积，π为圆周率。这样设计可以使反应塔体12内的各相物质紊流程度大幅增加，强化脱硫剂颗粒、烟气和雾化水滴之间的传热与传质，增加烟气与脱硫剂颗粒的接触时间，从而大幅度提高脱硫效率和脱硫剂利用率。

上述塔顶过渡段10是由多块平面三角板和弧面三角板拼接围合而成的内腔界面向上渐扩的变异结构，其与中间反应段9和塔顶段11之间呈平滑连接状态。这样设计可以进一步增加烟气的紊流程度和内循环量，提高脱硫剂颗粒的利用率和脱硫效率。

本发明的大型双循环流化床半干法烟气脱硫塔的工作过程是这样的：

首先，燃煤电站锅炉空气预热器出口的烟气被均分成两路，经过预除尘器1脱除了70～80％的飞灰颗粒后，从反应塔体12两侧的烟气进口3进入烟气混合室4的两个独立腔室中。

其次，烟气经混合后进入文丘里管流化段5的两个独立腔室而被加速，根据反应塔体12在运行中的负荷变化情况，控制烟气在文丘里管流化段5喉部的速度为25～60m/s，在文丘里管流化段5出口的速度为8～20m/s。

再次，烟气经加速后在文丘里管流化段5的出口处与从脱硫剂颗粒进口21喷入的氢氧化钙Ca(OH)₂颗粒充分混合，烟气和氢氧化钙Ca(OH)₂颗粒的混合物依次进入渐扩段6的两个独立腔室、中间反应段9的两个独立腔室底部后，立即被从雾化水喷嘴7喷入的雾化水冷却，从外循环除尘器14分离出来的循环物料也经过流化槽18从循环物料进口19输送到渐扩段6的两个独立腔室中，使烟气的温度迅速降低并保持在60～75℃的范围内，烟气含湿量控制在11～15％的范围内。控制氢氧化钙颗粒的平均粒径在5～70um的范围内，烟气带动固体颗粒向上运动而呈悬浮状态。在中间反应段9的两个独立腔室内，烟气混合物经过烟气紊流环8时，各相物质的紊流程度大幅增强，强化了氢氧化钙颗粒、烟气和雾化水滴之间的传热与传质，增加烟气与氢氧化钙颗粒的接触时间，从而能大幅提高脱硫效率和脱硫剂的利用率。

然后，烟气混合物上升进入塔顶过渡段10和塔顶段11中汇合，由于塔顶过渡段10的内腔横截面积由下向上逐渐增大，烟气的流速降低，同时有局部涡流产生，使烟气中较大的固体颗粒沿反应塔体12的侧壁向下流动，在其内形成内循环。这样加大了飞灰、氢氧化钙颗粒和脱硫产物之间的碰撞，颗粒表面不断磨损，有效增加了氢氧化钙颗粒的反应表面积。烟气中的二氧化硫SO₂在与氢氧化钙颗粒Ca(OH)₂的反复循环接触中充分反应生成亚硫酸钙CaSO₃。与此同时，烟气中少量的三氧化硫SO₃以及可能存在的氯化氢HCl和氟化氢HF等有害气体也一并被吸收除去。在Ca/S＝1.1～1.3的较低钙硫比条件下，系统总的脱硫效率可达95％以上。

最后，烟气从塔顶段11侧面的烟气出口13流出，进入外循环除尘器14，烟气中的固体颗粒被分离出来，其中含有一部分未完全反应的氢氧化钙颗粒。被分离下来的固体颗粒中的一部分通过流化槽18从循环物料进口19返回反应塔体12中，再次进行循环。另一部分固体颗粒，包括脱硫副产品、飞灰等则送入灰渣仓17储存、运走。落入塔底储灰仓2中的灰渣，也用气力输送方法送入灰渣仓17内。从外循环除尘器14出来的洁净烟气经过引风机15送入烟囱16，最后排入大气。

Claims (6)

1.一种大型双循环流化床半干法烟气脱硫塔，包括反应塔体(12)，所述反应塔体(12)自下而上依次设置有塔底储灰仓(2)、烟气混合室(4)、文丘里管流化段(5)、渐扩段(6)、中间反应段(9)、塔顶过渡段(10)和塔顶段(11)，其特征在于：所述塔底储灰仓(2)、烟气混合室(4)、文丘里管流化段(5)、渐扩段(6)和中间反应段(9)均由中间隔板(23)分隔成两个独立腔室，所述烟气混合室(4)的两个独立腔室侧面分别设置有烟气进口(3)，所述文丘里管流化段(5)的两个独立腔室上部分别设置有脱硫剂颗粒进口(21)，所述渐扩段(6)的两个独立腔室侧面分别设置有循环物料进口(19)，所述中间反应段(9)的两个独立腔室下部分别设置有雾化水喷嘴(7)，所述塔顶过渡段(10)和塔顶段(11)合为一个独立的腔室，所述塔顶段(11)的侧面设置有烟气出口(13)。

2.根据权利要求1所述的大型双循环流化床半干法烟气脱硫塔，其特征在于：所述烟气混合室(4)、文丘里管流化段(5)和中间反应段(9)的两个独立腔室呈圆筒形交叉布置状态；所述中间隔板(23)位于两个圆筒形独立腔室的交界面上、且其与两个圆筒形独立腔室的轴心距离d＝0.5～0.75R，R为圆筒形独立腔室的半径。

3.根据权利要求2所述的大型双循环流化床半干法烟气脱硫塔，其特征在于：所述文丘里管流化段(5)的两个圆筒形独立腔室内分别设置有六个文丘里管(22)，所述六个文丘里管(22)呈正三角形布置状态，且该正三角形的一边与中间隔板(23)平行。

4.根据权利要求1或2或3所述的大型双循环流化床半干法烟气脱硫塔，其特征在于：所述中间反应段(9)的两个独立腔室内壁上分别设置有一至三道横截面呈三角形的烟气紊流环(8)，所述烟气紊流环(8)位于烟气上游的一面与中间反应段(9)独立腔室内壁的夹角α＝25～35°、位于烟气下游的一面与中间反应段(9)独立腔室内壁的夹角β＝35～45°，所述烟气紊流环(8)的突起深度H＝0.1～0.2D，D为中间反应段(9)独立腔室的当量内径，用数学公式表示为： $D=\sqrt{4\×A/\mathrm{\π}},$ 其中A为中间反应段(9)独立腔室的横截面积，π为圆周率。

5.根据权利要求1或2或3所述的大型双循环流化床半干法烟气脱硫塔，其特征在于：所述塔顶过渡段(10)是由多块平面三角板和弧面三角板拼接围合而成的内腔界面向上渐扩的变异结构，其与中间反应段(9)和塔顶段(11)之间呈平滑连接状态。

6.根据权利要求4所述的大型双循环流化床半干法烟气脱硫塔，其特征在于：所述塔顶过渡段(10)是由多块平面三角板和弧面三角板拼接围合而成的内腔界面向上渐扩的变异结构，其与中间反应段(9)和塔顶段(11)之间呈平滑连接状态。

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