CN102000490A - 氨法烟气脱硫中气溶胶的控制方法及脱硫主塔 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氨法烟气脱硫中气溶胶的控制方法及脱硫主塔,具体是烟气经高压水雾或预洗涤降温冷却至相对湿度为90~100%、温度60~80℃后进入脱硫主塔,通过优化脱硫操作条件减少氨法脱硫中气溶胶微粒的生成,同时使已形成的气溶胶微粒发生凝结长大并由脱硫液部分洗涤脱除。经脱硫和脱除部分气溶胶微粒的饱和烟气中注入适量蒸汽,在脱硫主塔顶部建立气溶胶微粒二次凝结长大所需的过饱和水汽环境,凝结长大的气溶胶微粒由高效除雾器脱除。本发明结合氨法烟气脱硫中气溶胶的形成机理,通过优化脱硫操作工艺条件减少气溶胶的形成,同时利用蒸汽相变原理促进已形成的气溶胶脱除,可有效解决氨法烟气脱硫中气溶胶的排放问题。
Description
技术领域
本发明属于燃煤烟气中细颗粒物的控制技术领域,特别涉及一种氨法烟气脱硫中气溶胶的控制方法。
背景技术
随着合成氨工业的不断发展以及对湿式氨法烟气脱硫工艺的不断完善和改进,近年来,氨法烟气脱硫工艺由于其气-液或气-气反应速度快、吸收剂利用率高、脱硫效率高及脱硫副产物可回收利用等优点在燃煤电厂逐步得到推广。但是该脱硫过程中容易产生大量的气溶胶微粒,这些气溶胶微粒会影响设备的正常运行,并随烟气排入大气环境中,对环境和人体健康造成严重危害;气溶胶问题已成为影响氨法脱硫工艺推广应用的技术瓶颈。东南大学鲍静静等试验发现,氨法脱硫中形成的气溶胶微粒主要介于0.07~1.0µm粒径段,在某些工况下,脱硫后颗粒物浓度可比脱硫前增加数倍以上,组成为 (NH4)2SO3、NH4HSO3、NH4HSO4、(NH4)2SO4;可通过以下两种途径形成:第一,氨水挥发逸出的气态NH3与烟气中的SO2通过气相反应形成;第二,氨水吸收烟气中SO2后的脱硫液滴,在高温烟气中蒸发析出固态晶粒(《高校化学工程学报》,2010年第24卷)。由于形成的气溶胶主要属亚微米级微粒,单靠脱硫液的洗涤作用对其难以有效捕集。因此,已有控制方法主要采用在脱硫塔烟气出口处安装湿式静电除尘器,以脱除氨法脱硫过程中形成的气溶胶微粒(如AMASOX氨法、GE氨法、US 6605363B2);但安装湿式静电除尘器投资运行费用高,不适合推广应用。目前,对于亚微米级细颗粒物的控制,技术发展的主要途径是通过物理或化学作用使其长大成较大颗粒后加以清除,以及结合现有燃煤烟气污染物控制设备进行过程优化和运用新颖合理的技术原理以提高对细颗粒物的脱除性能;其中,将蒸汽相变预处理技术与现有燃煤锅炉湿法烟气脱硫技术结合是最有可能实现工程应用的重要途径之一。依据蒸汽相变促使细颗粒物凝结长大的机理,利用蒸汽相变预调节技术,首先应建立过饱和水汽环境;因此,该技术只有与烟气水汽含量较高、烟温较低的过程结合才有实用价值。在部分湿式氨法脱硫工艺中,在脱硫吸收塔(脱硫主塔)前增设预洗涤塔或高压水雾喷淋冷却装置,烟气冷却至接近饱和温度后再进入脱硫主塔,以起到提高SO2吸收率、除尘等作用;同时,烟气经脱硫主塔后,也呈饱和状态。但在现有氨法脱硫操作条件下,无论在预洗涤塔(或水雾喷淋冷却装置)还是脱硫主塔,均达不到实现气溶胶微粒凝结长大所需的过饱和水汽环境;脱硫操作条件的选取也主要侧重于提高脱硫效率,未涉及降低气溶胶的形成。
发明内容
发明目的:本发明结合氨法烟气脱硫中气溶胶的形成机理及烟气含湿量高、气溶胶微粒易于发生凝结长大的特点,提供一种氨法烟气脱硫中气溶胶的控制方法及脱硫主塔,通过优化脱硫操作工艺条件及利用蒸汽相变预调节技术,可有效解决氨法烟气脱硫中气溶胶排放问题。
技术方案:本发明的技术解决方案为:一种氨法烟气脱硫中气溶胶的控制方法,经高压水雾喷淋或预洗涤降温冷却的相对湿度为90~100%、温度60~80℃的烟气进入脱硫主塔中的脱硫洗涤区,在脱硫洗涤区中自下而上与自上而下喷出的脱硫液逆流接触以吸收烟气中的SO2,塔进口烟温≥喷出的脱硫液温度+20℃;操作液气比为5~10L/Nm3,脱硫液的pH值为5.0~5.5;脱硫液由设在脱硫主塔底部的脱硫液氧化区中经脱硫液循环泵泵入脱硫主塔中,由设在脱硫洗涤区顶部的脱硫液喷嘴喷出;
烟气在与脱硫液逆流接触过程中被进一步增湿冷却,达到过饱和,使已形成的气溶胶微粒发生凝结长大,并由脱硫液和凝结长大区入口除雾器脱除后进入凝结长大区,同时,常压饱和蒸汽从凝结长大区中部注入,饱和蒸汽的添加量满足烟气过饱和度S由S»1增至S=1.05~1.20,使未脱除的气溶胶微粒发生二次凝结长大,凝结长大的气溶胶微粒由凝结长大区出口除雾器脱除,凝结长大区的尺寸满足:烟气在凝结长大区中的停留时间≥水汽在气溶胶微粒表面核化凝结长大所需时间;最后处理净化后的烟气由脱硫主塔顶部的烟气出口经烟囱排放。
所述的脱硫液中的脱硫吸收剂的浓度为10~20%wt,所述脱硫吸收剂为氨气、液氨、氨水、硫酸铵或亚硫酸铵中的任意一种。
当脱硫吸收剂为液氨或氨水时,脱硫吸收剂是直接加入脱硫液氧化区中;当为脱硫吸收剂为氨气时,脱硫吸收剂与空气一起由空气管道注入塔底部的脱硫液氧化区中;当为硫酸铵或亚硫酸铵时,脱硫吸收剂直接与脱硫液氧化区中泵出的脱硫液一起通过脱硫液喷嘴喷射入脱硫洗涤区中,或者先加入脱硫液氧化区中再泵入脱硫洗涤区。
所述的水汽在气溶胶微粒表面核化凝结长大所需时间为50~200ms。
所述气溶胶包括脱硫液滴在高温烟气中蒸发析出的固态晶粒及氨水挥发逸出的气态NH3与烟气中的SO2反应形成的固态微粒,主要组成为(NH4)2SO3、NH4HSO3、NH4HSO4、(NH4)2SO4。
一种脱硫主塔,应用于所述的氨法烟气脱硫中气溶胶的控制方法中,所述的脱硫主塔为一个具有多级功能段的吸收塔,塔底部为脱硫液氧化区,中部为脱硫洗涤区,顶部为气溶胶微粒凝结长大的凝结长大区,在脱硫液氧化区设有烟气进口、空气进口、脱硫吸收剂进口和脱硫液出口;在脱硫洗涤区的顶部设有脱硫液进口;在凝结长大区的底部设有凝结长大区入口除雾器,在顶部设有凝结长大区出口除雾器,在中部设有蒸汽入口,在脱硫主塔的顶部还设有冲洗工艺水入口和烟气出口。
有益效果:
氨法烟气脱硫中,气溶胶的形成主要通过氨水挥发逸出的气态NH3与烟气中SO2发生气相反应及脱硫液滴在高温烟气中的蒸发作用析出;主要组成为(NH4)2SO3、NH4HSO3、NH4HSO4、(NH4)2SO4。同时,在设有预洗涤塔或高压水雾喷淋冷却装置的氨法烟气脱硫系统中,烟气经预洗涤或喷雾冷却后,可接近饱和,烟温降至60~80℃,易建立气溶胶微粒凝结长大所需的过饱和水汽环境。本发明充分利用上述气溶胶形成机理、物性及氨法脱硫工艺特点,结合两方面解决气溶胶微粒的排放问题:一是从源头控制气溶胶的生成;采用适当提高液气比、控制脱硫液温度和浓度,以及脱硫液就地氧化、改进脱硫吸收剂(氨气、氨水、液氨)注入方式等措施;较高的液气比可降低脱硫所需的pH值,从而降低脱硫液中NH3的蒸汽压;脱硫塔底鼓入压缩空气将亚硫酸铵氧化为硫酸铵,因硫酸铵比亚硫酸铵稳定,不易挥发逸出氨;在氨注入方式上,氨气预先注入空气管道,然后随同空气迅速并溶解于脱硫液中,液氨或氨水脱硫吸收剂在塔底脱硫液氧化区注入。上述措施可有效减少氨的挥发,进而控制脱硫过程中通过气相反应形成气溶胶微粒。同时,烟气经高压水雾喷淋或预洗涤降温冷却至60~80℃后进入脱硫主塔,以及采用5~10L/Nm3的较高的液气比和30~50℃的较低的脱硫液温度,可使烟气在脱硫过程中维持相对较低温度,进而减少脱硫液滴在高温烟气中蒸发析出气溶胶微粒。二是利用蒸汽相变预调节技术促进已形成的气溶胶微粒脱除;与燃煤飞灰颗粒相比,氨法脱硫中形成的气溶胶微粒均为亲水性的可溶性无机盐,凝结长大所需的过饱和度较低;同时,烟气经高压水雾喷淋或预洗涤后已接近饱和状态,且脱硫过程中采取较低的脱硫液温度,较易实现气溶胶微粒凝结长大所需的过饱和水汽环境,使气溶胶微粒粒度增大、质量增加,进而可提高脱硫洗涤液的惯性脱除效果;未能脱除的气溶胶微粒则通过在脱硫塔顶部设置凝结长大区,因此时烟气温度进一步降低,且呈饱和状态,只要添加少量蒸汽即可建立凝结长大所需的过饱和水汽环境,二次凝结长大的气溶胶微粒由高效除雾器脱除。
本发明工艺简单,只要适当优化脱硫操作工艺条件并辅以添加适量蒸汽,即可在保证脱硫效率的前提下,有效解决氨法烟气脱硫中的气溶胶排放问题,可广泛应用于现有湿式氨法烟气脱硫装置。
附图说明
图1是本发明的工艺方法流程框图;
图2是本发明实施例1的工艺流程示意图;
图3是本发明实施例2的工艺流程示意图。
图中:1—预洗涤塔;2—预洗涤液喷嘴;3—预洗涤塔除雾器;4—脱硫主塔;5—脱硫液喷嘴;6—凝结长大区入口除雾器;7—蒸汽喷嘴;8—凝结长大区出口除雾器;9—预洗涤液循环泵;10—脱硫液循环泵;A—脱硫液氧化区;B—脱硫洗涤区;C—凝结长大区。
具体实施方式
下面结合附图1~3,对本发明作进一步说明:
如图1所示,该方法包括通过优化脱硫操作条件减少气溶胶微粒的生成及利用气溶胶微粒在过饱和水汽环境中易于凝结长大的特性促进已形成的气溶胶微粒脱除两方面;具体是烟气经如图3所示的高压水雾喷淋或如图2所示的预洗涤塔1预洗涤等常规处理方法,降温冷却至相对湿度为90~100%、烟温60~80℃后进入脱硫主塔4,并控制脱硫主塔4进口脱硫液温度至少比进口烟温低20~30℃,液气比5~10L/Nm3,脱硫液pH值5.0~5.5,脱硫液浓度10~20%wt以及调节脱硫吸收剂注入方式,以减少氨法烟气脱硫中气溶胶微粒的生成,同时实现烟气在脱硫洗涤过程中达到气溶胶微粒发生凝结长大所需的过饱和水汽环境,使气溶胶微粒粒度增大、质量增加,进而提高脱硫洗涤液的惯性脱除效果。气溶胶微粒由脱硫液和凝结长大区入口除雾器6部分脱除后进入凝结长大区C中,加入1大气压左右的常压饱和蒸汽,进而在脱硫塔顶部建立气溶胶微粒二次凝结长大所需的过饱和水汽环境,蒸汽添加量以烟气过饱和度S由S»1增至S=1.05~1.20确定,凝结长大区的尺寸以烟气在其中的停留时间不少于水汽在气溶胶微粒表面核化凝结长大所需时间确定,约 50~200ms;二次凝结长大的气溶胶微粒由凝结长大区出口除雾器8脱除。所述气溶胶微粒包括脱硫液滴在高温烟气中蒸发析出的固态晶粒及氨水挥发逸出的气态NH3与烟气中的SO2反应形成的固态微粒,主要组成为(NH4)2SO3、NH4HSO3、NH4HSO4、(NH4)2SO4。脱硫吸收剂可为氨气、液氨、氨水或硫铵、亚硫铵;液氨或氨水由塔底部脱硫液氧化区A注入,氨气脱硫吸收剂预先注入空气管道,随同空气进入塔底部的脱硫液氧化区A中,硫酸铵与亚硫酸铵脱硫吸收剂可直接喷射入脱硫洗涤区B中或先加入脱硫液氧化区A中再泵入脱硫洗涤区B中。最后处理净化后的烟气由脱硫主塔4顶部的烟气出口经烟囱排放。
一种脱硫主塔,应用于所述的氨法烟气脱硫中气溶胶的控制方法中,所述的脱硫主塔4为一个具有多级功能段的吸收塔,塔底部为脱硫液氧化区A,中部为脱硫洗涤区B,顶部为气溶胶微粒凝结长大的凝结长大区C,在脱硫液氧化区A设有烟气进口、空气进口、脱硫吸收剂进口和脱硫液出口;在脱硫洗涤区B的顶部设有脱硫液进口,可采用空塔喷淋、塔板或填料结构;顶部为气溶胶微粒凝结长大区,凝结长大区烟气进出口设置两级除雾器,在凝结长大区C的底部设有凝结长大区入口除雾器6,采用规整填料或板波纹除雾器,用于脱硫净化烟气中夹带的雾沫。在顶部设有凝结长大区出口除雾器8,采用丝网除雾器,用于脱除凝结长大的气溶胶微粒。在中部设有蒸汽入口,在脱硫主塔的顶部还设有冲洗工艺水入口和烟气出口。
实施例
1
:
根据本发明,一种氨法烟气脱硫中气溶胶的控制方法如图2所示;高温燃煤烟气进入预洗涤塔1中,与由预洗涤液喷嘴2喷出的预洗涤液自下而上逆流接触后,烟温由100~200℃降至近饱和露点温度60~80℃,然后经预洗涤塔除雾器3脱除水雾后进入脱硫主塔4中的脱硫洗涤区B,与由脱硫液喷嘴5喷出的脱硫液逆流接触,烟气中的SO2主要在此被吸收;进口脱硫液温度控制在30~50℃,比进口烟温低20~30℃以上,操作液气比5~10L/Nm3,脱硫液pH值5.0~5.5,脱硫液浓度10~20%wt;脱硫吸收剂可为氨气、液氨、氨水或硫铵、亚硫铵。液氨与氨水由塔底部脱硫液氧化区A注入,氨气脱硫吸收剂预先注入空气管道,随同空气注入塔底部脱硫液氧化区A,硫铵与亚硫铵脱硫剂可直接喷射入脱硫洗涤区B,也可由脱硫液氧化区A加入。近饱和烟气与脱硫液逆流接触过程中被进一步增湿冷却,达到过饱和,使已形成的气溶胶微粒发生凝结长大,并由脱硫液和除雾器6脱除。经脱硫和脱除部分气溶胶微粒的饱和烟气由入口除雾器6脱除雾沫后进入凝结长大区C,注入适量常压饱和蒸汽,蒸汽添加量以烟气过饱和度S由S»1增至S=1.05~1.20确定,使未脱除的气溶胶微粒发生二次凝结长大,凝结长大的气溶胶微粒由出口除雾器8脱除,凝结长大区C的尺寸以烟气在其中的停留时间不少于水汽在气溶胶微粒表面核化凝结长大所需时间确定,约需50~200ms以上。
实施例
2
:
如图3所示,与实施例1不同的是,烟气经高压水雾喷淋冷却至接近饱和露点温度后进入脱硫主塔4的脱硫洗涤区B,其余同实施例1。
实施例
3
:
烟气由全自动燃煤锅炉产生,烟气量为150Nm3/h,脱硫主塔塔径150mm、塔高2500mm,内置四级喷淋,凝结长大区烟气入口除雾器为板波纹除雾器、烟气出口除雾器为丝网除雾器。燃煤锅炉产生的含尘烟气经旋风除尘器脱除粗颗粒后进入冷却装置,喷入平均粒度约为30mm的高压水雾,烟温由180℃降至近饱和露点温度(约75℃),然后进入脱硫洗涤区,与脱硫液逆流接触,进口脱硫液温度控制在31℃左右,操作液气比10L/Nm3,脱硫吸收剂为氨水,从脱硫塔底部加入脱硫氧化区,脱硫液pH值约5.2,脱硫液浓度12%wt。采用电称低压冲击器ELPI及SO2分析仪在线测试,脱硫主塔进口PM10质量浓度90mg/m3、SO2浓度1767mg/m3;脱硫主塔出口PM10质量浓度83mg/m3,SO2浓度142mg/m3,脱硫效率92%;通过在脱硫主塔凝结长大区每Nm3烟气中注入0.05kg蒸汽,PM10质量浓度降至35mg/m3,达到《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2003)规定的烟尘排放浓度小于50mg/m3的排放标准。
实施例
4
:
采用实施例3试验系统,喷入平均粒度约为30mm的高压水雾后,烟温由187℃降至近饱和露点温度(约79℃),然后进入脱硫洗涤区,与脱硫液逆流接触,进口脱硫液温度控制在34℃左右,操作液气比10L/Nm3,脱硫吸收剂为15%wt亚硫酸铵,直接喷入脱硫洗涤区,脱硫液pH值约5.3。采用电称低压冲击器ELPI及SO2分析仪在线测试,脱硫主塔进口PM10质量浓度92mg/m3、SO2浓度1762mg/m3;脱硫主塔出口PM10质量浓度73mg/m3,SO2浓度151mg/m3,脱硫效率91%;通过在脱硫主塔凝结长大区每Nm3烟气中注入0.05kg蒸汽,PM10质量浓度降至29mg/m3,达到《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2003)规定的烟尘排放浓度小于50mg/m3的排放标准。
对比例
1
:
采用实施例3试验系统,高温烟气不经喷水雾冷却直接进入脱硫主塔,与脱硫液逆流接触,进口脱硫液温度约为53℃,操作液气比10L/Nm3,脱硫吸收剂为氨水,直接喷入脱硫洗涤区,脱硫液pH值约为6.8。采用电称低压冲击器ELPI及SO2分析仪在线测试,脱硫主塔进口PM10质量浓度90mg/m3,SO2浓度1760mg/m3;脱硫主塔出口PM10质量浓度增至205mg/m3,SO2浓度98mg/m3,脱硫效率94%;通过在脱硫主塔凝结长大区每Nm3烟气中注入0.05kg蒸汽,PM10质量浓度降至81mg/m3,未能达到《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2003)规定的烟尘排放浓度小于50mg/m3的排放标准。
对比例
2
:
采用实施例4试验系统,高温烟气不经喷水雾冷却直接进入脱硫主塔,与脱硫液逆流接触,进口脱硫液温度约为55℃,操作液气比10L/Nm3,脱硫吸收剂为20%wt亚硫酸铵,直接喷入脱硫塔,脱硫液pH值约为7。采用电称低压冲击器ELPI及SO2分析仪在线测试,脱硫主塔进口PM10质量浓度96mg/m3,SO2浓度1762mg/m3;脱硫主塔出口PM10质量浓度增至187mg/m3,SO2浓度101mg/m3,脱硫效率94%;通过在脱硫主塔凝结长大区每Nm3烟气中注入0.05kg蒸汽,PM10质量浓度降至72mg/m3,未能达到《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2003)规定的烟尘排放浓度小于50mg/m3的排放标准。
Claims (6)
1.一种氨法烟气脱硫中气溶胶的控制方法,其特征在于,经高压水雾喷淋或预洗涤降温冷却的相对湿度90~100%、温度60~80℃的烟气进入脱硫主塔(4)的脱硫洗涤区(B),在脱硫洗涤区(B)中自下而上与自上而下喷出的脱硫液逆流接触以吸收烟气中的SO2,塔进口烟温³喷出的脱硫液温度+20℃;操作液气比为5~10L/Nm3,脱硫液的pH值为5.0~5.5;脱硫液由设在脱硫主塔(4)底部的脱硫液氧化区(A)中经脱硫液循环泵(10)泵入脱硫主塔(4)中,由设在脱硫洗涤区(B)顶部的脱硫液喷嘴(5)喷出;
烟气在与脱硫液逆流接触过程中被进一步增湿冷却,达到过饱和,使已形成的气溶胶微粒发生凝结长大,并由脱硫液和凝结长大区入口除雾器(6)脱除后进入凝结长大区(C),同时,常压饱和蒸汽从凝结长大区(C)中部注入,饱和蒸汽的添加量满足烟气过饱和度S由S»1增至S=1.05~1.20,使未脱除的气溶胶微粒发生二次凝结长大,凝结长大的气溶胶微粒由凝结长大区出口除雾器(8)脱除,凝结长大区(C)的尺寸满足:烟气在凝结长大区(C)中的停留时间≥水汽在气溶胶微粒表面核化凝结长大所需时间;最后处理净化后的烟气由脱硫主塔(4)顶部的烟气出口经烟囱排放。
2.如权利要求1所述的氨法烟气脱硫中气溶胶的控制方法,其特征在于,所述的脱硫液中的脱硫吸收剂的浓度为10~20%wt,所述脱硫吸收剂为氨气、液氨、氨水、硫酸铵或亚硫酸铵中的任意一种。
3.如权利要求2所述的氨法烟气脱硫中气溶胶的控制方法,其特征在于,当脱硫吸收剂为液氨或氨水时,脱硫吸收剂是直接加入脱硫液氧化区(A)中;当脱硫吸收剂为氨气时,脱硫吸收剂与空气一起由空气管道注入塔底部的脱硫液氧化区(A)中;当为硫酸铵或亚硫酸铵时,脱硫吸收剂直接与脱硫液氧化区(A)中泵出的脱硫液一起通过脱硫液喷嘴(5)喷射入脱硫洗涤区(B)中,或者先加入脱硫液氧化区(A)中再泵入脱硫洗涤区(B)。
4. 如权利要求1所述的氨法烟气脱硫中气溶胶的控制方法,其特征在于,所述的水汽在气溶胶微粒表面核化凝结长大所需时间为50~200ms。
5. 如权利要求1所述的氨法烟气脱硫中气溶胶的控制方法,其特征在于,所述气溶胶包括脱硫液滴在高温烟气中蒸发析出的固态晶粒及氨水挥发逸出的气态NH3与烟气中的SO2反应形成的固态微粒,主要组成为(NH4)2SO3、NH4HSO3、NH4HSO4、(NH4)2SO4。
6. 一种脱硫主塔,应用于权利要求1所述的氨法烟气脱硫中气溶胶的控制方法中,其特征在于,所述的脱硫主塔(4)为一个具有多级功能段的吸收塔,塔底部为脱硫液氧化区(A),中部为脱硫洗涤区(B),顶部为气溶胶微粒凝结长大的凝结长大区(C),在脱硫液氧化区(A)设有烟气进口、空气进口、脱硫吸收剂进口和脱硫液出口;在脱硫洗涤区(B)的顶部设有脱硫液进口;在凝结长大区(C)的底部设有凝结长大区入口除雾器(6),在顶部设有凝结长大区出口除雾器(8),在中部设有蒸汽入口,在脱硫主塔的顶部还设有冲洗工艺水入口和烟气出口。
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