CN102179146A - 介质阻挡放电结合碱液吸收的烟气脱硫脱硝系统及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于火力发电厂烟气处理技术领域，特别涉及一种介质阻挡放电结合碱液吸收的烟气脱硫脱硝系统及工艺。锅炉燃烧后的烟气进入介质阻挡放电反应器，在反应器内烟气中的SO₂、NO_X被放电所产生的强氧化性自由基催化氧化，生成高价态的氮氧化物、SO₃以及少量的H₂SO₄、HNO₃等，处理后的烟气进入碱液吸收塔，通过碱液对烟气进行洗涤，达到脱除氮氧化物、硫氧化物的目的。该工艺具有较好的脱除效率，相对于目前电厂中应用的脱硫脱硝工艺具有更高的经济效益，而且硝酸盐、亚硝酸盐以及硫酸盐等作为产物回收也实现了污染物的绿色回收利用。

Description

介质阻挡放电结合碱液吸收的烟气脱硫脱硝系统及工艺

技术领域

本发明属于火力发电厂烟气处理技术领域，特别涉及一种介质阻挡放电结合碱液吸收的烟气脱硫脱硝系统及工艺。

背景技术

火力发电厂烟气中的SO₂和NO_X是大气中主要的气体污染物，其不仅对人体带来各种各样的危害，而且会对动植物的生长以及对天气和气候产生很大的影响，因此必须采取措施加以控制。而一项优秀的烟气净化技术不仅需要满足高效的脱除率，而且还要考虑技术上的经济性以及系统的简单可操作性，目前众多的研究者一致认同的是SO₂和NO_X的一体化脱除。

而目前火电厂普遍采用两套装置分别对烟气进行脱硫脱硝处理，烟气脱硫主要采用的是湿法烟气脱硫工艺(Wet-FGD)，烟气脱硝则采用的是以NH₃为还原剂的选择性催化还原技术(SCR)，其中湿法烟气脱硫工艺用石灰石或石灰做脱硫吸收剂，石灰石破碎后与水混合，磨成粉状制成吸收浆液。在吸收塔内，烟气中的SO₂与浆液中的CaCO₃以及鼓入的氧化空气进行化学反应生成二水硫酸钙即石膏，使烟气中的SO₂得以脱除。湿法脱硫工艺过程中的主要反应方程式为：

2CaCO₃+H₂O+2SO₂→2CaSO₃·1/2H₂O+2CO₂↑

2CaCO₃·1/2H₂O+O₂+3H₂O→2CaSO₄·2H₂O

湿法烟气脱硫的主要缺点有：

(1)系统复杂，运行维护量大；

(2)水消耗大，且存在废水的处理问题；

(3)系统投资较大，运行费用高，装置的占地面积大。

选择性催化还原技术是指在O₂和非均相催化剂存在的条件下，以NH₃作为还原剂，在省煤器与空气预热器之间的烟气温度下将NO_X还原为无害的氮气和水。主要的反应方程式如下：

4NO+4NH₃+O₂→4N₂+6H₂O

2NO₂+4NH₃+O₂→3N₂+6H₂O

NO+NO₂+2NH₃+O₂→2N₂+3H₂O

选择性催化还原技术的主要缺点有：

(1)初期投资费用高，设备造价高昂；

(2)催化剂易中毒；

(3)燃烧高硫煤时容易造成空气预热器的积灰及堵塞。

发明内容

本发明提供了一种介质阻挡放电结合碱液吸收的烟气脱硫脱硝系统及工艺，其目的是减少设备占地面积、实现氮氧化物、硫氧化物的回收利用，简化脱硫脱硝设备和工艺流程，提高脱硫脱硝的经济效益，避免燃烧高硫煤时尾部烟道的磨损以及空预器的积灰及堵塞问题。

本发明提供的介质阻挡放电结合碱液吸收的烟气脱硫脱硝系统，其组成为：介质阻挡放电反应器一端为烟气入口，另一端与气-气加热器原烟气侧入口连接；气-气加热器原烟气侧出口通过管道与碱液吸收塔下部的烟气入口连接；碱液吸收塔的底部通过管道与碱液储液池连通，碱液吸收塔的上部设置喷淋装置，碱液储液池的出液口通过管道及蠕动泵与所述喷淋装置连通；碱液吸收塔的顶部设置出气口，通过管道与气-气加热器净烟气侧入口连接，气-气加热器净烟气侧的出口与烟囱连接。

所述碱液吸收塔内，喷淋装置的上方设置除雾器。

本发明提供的一种所述系统的烟气脱硫脱硝工艺，包括以下步骤：

(1)燃烧后的烟气进入介质阻挡放电反应器，通过调节高压电源的电压、频率控制反应器内的放电功率，在反应器内发生均匀、稳定的放电，其中电压调节范围为6～20kV，频率调节范围为7～15kHz；放电产生大量的高能电子，在高能电子的作用下，烟气中的O₂、H₂O分子被激活、裂解或电离，产生包括O、O₃、OH、HO₂在内的高活性的氧化性粒子，使烟气中的NO、SO₂氧化，NO的氧化产物主要为NO₂以及少量的HNO₃、HNO₂和其他高价态的氮氧化物，SO₂的氧化产物主要为SO₃，在水蒸气含量较高的情况下会进一步生成硫酸；

(2)处理过的烟气经气-气加热器与碱液吸收后的净气进行热交换后，降低温度至40～60℃，然后进入碱液吸收塔；配置碱液，碱液通过蠕动泵由吸收塔上部经喷淋装置进入碱液吸收塔内，在碱液吸收塔内与烟气反应后由塔下部排出，进入碱液储液槽；经介质阻挡放电反应器处理的烟气由碱液吸收塔下部进入，与碱液反应后由碱液吸收塔顶部排出；

(3)从碱液吸收塔排出的低温烟气送入气-气加热器内，与高温烟气换热后送至烟囱排出。

所述步骤(2)中的碱液为包含KOH、Na₂CO₃、Ca(OH)₂、CaCO₃的NaOH溶液，其中碱液中NaOH、KOH的和与烟气中的SO₂和氧化后NO₂的和的摩尔值之比为1.8～2.6，Na₂CO₃、Ca(OH)₂、CaCO₃的和与烟气中的SO₂和氧化后NO₂的和的摩尔值之比为0.9～1.3。

所述碱液与烟气反应后，流入碱液储液槽中，得到硝酸盐、亚硝酸盐、硫酸盐混合溶液，经过蒸发、结晶、分离工序，得到相应的硝酸盐、亚硝酸盐和硫酸盐。

本发明的有益效果为：

(1)此联合脱硫脱硝工艺中烟气首先经低温等离子体氧化处理，氧化后的烟气由碱液作进一步的吸收，最后处理后的烟气排入大气，其中NO_X的脱除率可达70％以上，SO₂的脱除率可达90％以上。减少设备占地面积，简化脱硫脱硝设备和工艺流程。

(2)燃烧高硫煤时不会造成尾部烟道的磨损以及空预器的积灰及堵塞问题

(3)硫酸盐、硝酸盐以及亚硝酸盐作为产物回收，实现了资源的绿色回收利用，同时增加了经济效益。

附图说明

图1为该烟气脱硫脱硝系统的连接示意图。

图中标号：

1-介质阻挡放电反应器；2-气-气加热器；3-碱液吸收塔；4-碱液储液池；5-烟囱。

具体实施方式

本发明提供了一种介质阻挡放电结合碱液吸收的烟气脱硫脱硝系统及工艺，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，所述系统的组成为：介质阻挡放电反应器1的一端为烟气入口，另一端与气-气加热器2原烟气侧入口连接；气-气加热器2原烟气侧出口通过管道与碱液吸收塔3下部的烟气入口连接；碱液吸收塔3的底部通过管道与碱液储液池4连通，碱液吸收塔3的上部设置喷淋装置，碱液储液池4的出液口通过管道及蠕动泵与所述喷淋装置连通；碱液吸收塔3的顶部设置出气口，通过管道与气-气加热器2净烟气侧入口连接，气-气加热器2净烟气侧出口与烟囱5连接。

本发明提供的一种基于所述系统的烟气脱硫脱硝工艺，包括以下步骤：

(1)燃烧后的烟气进入介质阻挡放电反应器，通过调节高压电源的电压、频率控制反应器内的放电功率，在反应器内发生均匀、稳定的放电，其中电压调节范围为6～20kV，频率调节范围为7～15kHz；放电产生大量的高能电子，在高能电子的作用下，烟气中的O₂、H₂O分子被激活、裂解或电离，产生包括O、O₃、OH、HO₂在内的高活性的氧化性粒子，使烟气中的NO、SO₂氧化，NO的氧化产物主要为NO₂以及少量的HNO₃、HNO₂和其他高价态的氮氧化物，SO₂的氧化产物主要为SO₃，在水蒸气含量较高的情况下会进一步生成硫酸；相关的反应方程式如下：

NO+O+M→NO₂+M；

NO+HO₂→NO₂+OH；

NO+HO₂→HNO+O₂；

NO+OH+M→HNO₂+M；

NO₂+OH+M→HNO₃+M；

O₃+NO→NO₂+O₂；

O₃+NO₂→NO₃+O₂；

OH+SO₂→HOSO₂；

OH+HOSO₂→H₂SO₄；

HOSO₂+O₂→SO₃+HO₂；

HO₂+SO₂→SO₃+OH；

SO₂+O+O₂→SO₃+O₂；

O₃+SO₂→O₂+SO₃；

H₂O+SO₃→H₂SO₄；

(2)处理过的烟气经气-气加热器与碱液吸收后的净气进行热交换后，降低温度至40～60℃，然后进入碱液吸收塔；配置碱液，碱液为包含KOH、Na₂CO₃、Ca(OH)₂、CaCO₃的NaOH溶液，其中碱液中NaOH、KOH的和与烟气中的SO₂和氧化后NO₂的和的摩尔值之比为1.8～2.6，Na₂CO₃、Ca(OH)₂、CaCO₃的和与烟气中的SO₂和氧化后NO₂的和的摩尔值之比为0.9～1.3；碱液通过蠕动泵由吸收塔上部经喷淋装置进入碱液吸收塔内，在碱液吸收塔内与烟气反应后由塔下部排出，进入碱液储液槽；经介质阻挡放电反应器处理的烟气由碱液吸收塔下部进入，与碱液反应后由碱液吸收塔顶部排出；相关的反应式如下：

2NO₂→N₂O₄；

NO+NO₂→N₂O₃；

2NO₂+H₂O→HNO₂+HNO₃；

N₂O₄+H₂O→HNO₂+HNO₃；

N₂O₃+H₂O→2HNO₂；

SO₂+H₂O →H₂SO₃；

SO₃+H₂O →H₂SO₄；

(3)从碱液吸收塔排出的低温烟气送入气-气加热器内，与高温烟气换热后送至烟囱排出。

经碱液吸收后所生成的硝酸盐、亚硝酸盐、硫酸盐等溶液经过蒸发、结晶、分离等工序生产出合格的产品再经过包安装进行销售，创造了经济效益实现了资源的回收利用。

在碱液吸收氮氧化物的过程中，无论是在气相中的反应还是在液相中的反应基本上都是放热反应(温度对硫氧化物吸收的影响很小)，因此适当的降低反应时的温度，可以促进NO_X的吸收，经介质阻挡放电反应器处理后的烟气温度一般在120～160℃，直接进入吸收塔会使反应的温度偏高，增加气-气换热器(GGH)装置通过热交换适当降低进入吸收塔的烟气温度，确保吸收剂可以达到最佳反应温度(40～60℃)，同时提高了净气的排放温度(可达80℃以上)，利于处理后尾气的排放。吸收塔内设置除雾器，用于分离烟气中所携带的液滴，降低了对后面GGH等设置的腐蚀以及对环境的污染。

用碱液吸收NO_X时，由于溶液中有OH的存在，可以与水吸收NO_X生成的HNO₃、HNO₂迅速中和，催进了反应的进行，提高了NO_X的脱除效率。NO_X中NO与水不发生直接反应，其在水中的溶解度也相当低，而NO₂、N₂O₃以及N₂O₄可以穿过气液界面进入液膜，在液膜中与水发生反应生成HNO₃和HNO₂。NO₂、N₂O₃以及N₂O₄的水合反应是快速反应，其中N₂O₃的反应速度最快，因此在碱液吸收NO_X时，NO与NO₂的比例关系则尤为重要，可以通过调节介质阻挡放电反应器的放电功率来控制NO_X的氧化度(NO₂与NO_X的体积比)，当氧化度保持在50％～65％，碱液吸收NO_X的速率最快，可以达到更高的脱除率，其中放电功率主要依靠改变高压电源的电压(调节范围6～20kV)以及频率(调节范围7～15kHz)来调节。

由于SO₂、SO₃易溶于水，经低温等离子体处理后烟气中的SO₂、SO₃与水反应生成H₂SO₃与H₂SO₄，之后与碱液迅速中和生成硫酸根和亚硫酸根，其中具有强还原性的亚硫酸根还会与一部分的NO₂直接反应生成亚硝酸根和硫酸根，一定程度上催进了SO₂的吸收速率，同时也显著提高了NO_X的脱除率。因此在吸收液为碱性的环境下，氮氧化物、硫氧化物的脱除具有彼此促进的效果。

Claims (5)

1.介质阻挡放电结合碱液吸收的烟气脱硫脱硝系统，其特征在于，介质阻挡放电反应器一端为烟气入口，另一端与气-气加热器原烟气侧入口连接；气-气加热器原烟气侧出口通过管道与碱液吸收塔上部的烟气入口连接。碱液吸收塔的底部通过管道与碱液储液池连通，碱液吸收塔的上部设置喷淋装置，碱液储液池的出液口通过管道及蠕动泵与所述喷淋装置连通；碱液吸收塔的顶部设置出气口，通过管道与气-气加热器净烟气侧入口连接，气-气加热器净烟气侧出口与烟囱连接。

2.根据权利要求1所述的介质阻挡放电结合碱液吸收的烟气脱硫脱硝系统，其特征在于，所述碱液吸收塔内，喷淋装置的上方设置除雾器。

3.一种基于权利要求1所述系统的烟气脱硫脱硝工艺，其特征在于，包括以下步骤：

(1)燃烧后的烟气进入介质阻挡放电反应器，通过调节高压电源的电压、频率控制反应器内的放电功率，在反应器内发生均匀、稳定的放电，其中电压调节范围为6～20kV，频率调节范围为7～15kHz；放电产生大量的高能电子，在高能电子的作用下，烟气中的O₂、H₂O分子被激活、裂解或电离，产生包括O、O₃、OH、HO₂在内的高活性的氧化性粒子，使烟气中的NO、SO₂氧化，NO的氧化产物主要为NO₂以及少量的HNO₃、HNO₂和其他高价态的氮氧化物，SO₂的氧化产物主要为SO₃，在水蒸气含量较高的情况下会进一步生成硫酸；

(2)处理过的烟气经气-气加热器与碱液吸收后的净气进行热交换后，降低温度至40～60℃，然后进入碱液吸收塔；配置碱液，碱液通过蠕动泵由吸收塔上部经喷淋装置进入碱液吸收塔内，在碱液吸收塔内与烟气反应后由塔下部排出，进入碱液储液槽；经介质阻挡放电反应器处理的烟气由碱液吸收塔下部进入，与碱液反应后由碱液吸收塔顶部排出；

(3)从碱液吸收塔排出的低温烟气送入气-气加热器内，与高温烟气换热后送至烟囱排出。

4.根据权利要求4所述的烟气脱硫脱硝工艺，其特征在于，所述步骤(2)中的碱液为包含KOH、Na₂CO₃、Ca(OH)₂、CaCO₃的NaOH溶液，其中碱液中NaOH、KOH的和与烟气中的SO₂和氧化后NO₂的和的摩尔值之比为1.8～2.6，Na₂CO₃、Ca(OH)₂、CaCO₃的和与烟气中的SO₂和氧化后NO₂的和的摩尔值之比为0.9～1.3。

5.根据权利要求4所述的烟气脱硫脱硝工艺，其特征在于，所述碱液与烟气反应后，流入碱液储液槽中，得到硝酸盐、亚硝酸盐、硫酸盐混合溶液，经过蒸发、结晶、分离工序，得到相应的硝酸盐、亚硝酸盐和硫酸盐。

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