CN102671531A - 以氨水为吸收剂的烟气污染物吸收方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于烟气净化技术领域，特别涉及一种以氨水为吸收剂的烟气污染物吸收方法及装置。该方法以氨水作为基础吸收剂，构建了能源-化工-肥料三者耦合的烟气污染物控制新模式。该方法所利用装置的核心是烟气吸收塔，该吸收塔分为底部的采用喷射鼓泡器使氨水与烟气接触吸收二氧化硫以及氯化氢的脱硫段器，以及上部的采用氨水逆流与烟气接触吸收脱硫后的烟气中的二氧化碳的脱碳段。在两个吸收段之间设置浆液分割器，使上下两部分浆液分割，形成独立的浆液回路。本工艺可以在一个洗涤塔内同时去除二氧化硫、二氧化碳，并副产有价值的农业肥料，具有高效、简约的特点，适用于燃煤电站等燃烧设备烟气污染物控制。

Description

以氨水为吸收剂的烟气污染物吸收方法及装置

技术领域

本发明属于烟气净化技术领域，特别涉及一种高效低能耗同时脱除电厂烟气中的硫碳氧化物以及副产物回收资源化的以氨水为吸收剂的烟气污染物吸收方法及装置。

背景技术

我国大气污染物排放量巨大。据统计，我国每年的CO₂排放超过70亿吨，SO₂年排放量超过2000万吨，居世界首位。SO₂是大气污染的重要指标，是酸雨的前体物之一，人体吸入后对眼及呼吸道粘膜有强烈的刺激作用。CO₂则被认定是对温室效应增强贡献最大的温室气体。我国是《联合国气候变化框架公约》的签字国，发展清洁的能源利用技术，减少燃烧过程中污染物排放，是实现我国可持续发展的重要组成部分。

目前，对于减少和抑制燃煤电厂气态污染物的排放已有多种方法。其中钙基湿法脱硫和一乙醇胺（MEA）脱碳是目前占主导地位的脱硫脱碳技术，但钙基湿法脱硫存在系统复杂、操作控制难度高、投资和运行成本高、设备占地大、脱硫副产品利用困难和产生二次污染物等缺陷。MEA脱碳也存在着吸收成本高，吸收速率慢，吸收负荷小，设备腐蚀率高，烟气中的SO₂、O₂使其失效降解等缺陷。

通过研究发现，氨水对二氧化硫和二氧化碳有较好的吸收效果，同时吸收产生的副产物为硫酸铵和碳酸氢铵可作为化肥用于农业生产，不但可以给电厂带来经济效益，弥补烟气污染控制费用支出，还能实现二氧化硫和二氧化碳的土壤和生物固定。

在相关技术领域的专利中，专利CN 101972595 A提出了烟气联合脱硫脱碳及副产品回收的构想，但该工艺采用了镁-氨组合作为吸收剂和两塔式单独脱除的构想，在吸收剂和工艺路线的选择上都比较复杂，与本专利有重大差别。而专利CN 102172470 A中虽然在吸收剂的选择上做出了优化，选择氨水作为烟气脱硫脱碳的吸收剂，但是依然采用了两塔单独脱除硫碳氧化物的设计，结构较复杂。同时两专利中的脱碳产物碳酸氢铵都采用了解吸的路径分离出二氧化碳然后封存，并没有实现脱碳产物的资源化。专利CN 201423237 Y中提出了鼓泡塔氨水脱除烟气中二氧化硫和生产硫酸铵的设计构想，但其设计中并没对吸收液进行强制氧化，使得二氧化硫的吸收效率和脱硫产物硫酸铵的品质受到了影响，同时该专利中并没有提及二氧化碳脱除的有关内容，与本专利有重大区别。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种以氨水为吸收剂的烟气污染物吸收方法及装置。

本发明所述方法，其具体步骤为：

（a）经过静电除尘的100-150℃高温锅炉烟气引入预洗涤塔，利用高温烟气对脱硫工序的浆液进行加热浓缩，经过浓缩的脱硫后浆液进入化肥生产流程，用于生产硫酸铵肥料；

（b）经换热后的40℃~60℃的低温烟气进入吸收塔的脱硫段，在此通过烟气在脱硫段氨液槽的鼓泡作用，脱除烟气中的二氧化硫；

（c）脱硫后的烟气进入吸收塔的脱碳段，由氨水喷淋吸收烟气中的二氧化碳；

（d）净化后的烟气通过吸收塔上部的除雾器，除去烟气中携带的小水滴后直接从吸收塔顶部的烟囱排出。

所述步骤（a）中，脱硫后浆液与高温烟气逆流接触，高温烟气携带走了脱硫后浆液中的部分水分，使脱硫后浆液得到浓缩，浓缩后浆液通过水力旋流器预浓缩，而后利用离心设备固液分离，分离出的硫酸铵晶体用于硫酸铵肥料的生产，清液打入吸收塔脱硫段循环利用。

所述步骤（b）中，吸收塔脱硫段采用鼓泡脱硫的方式，持液槽内氨水的pH值为4-6，持液槽内的亚硫酸铵被氧化风机提供的强制氧化空气氧化为硫酸铵；持液槽中浆液含固量达到5 wt%~20wt%时，由抽出泵排出，进入预洗涤塔利用高温烟气预浓缩。

所述步骤（c）中, 吸收塔脱碳段采用喷淋脱碳的方式，持液槽内氨水的pH值为 8-10，待浆液中碳酸氢铵含固量达到5 wt%~25 wt%，由抽出泵排出；抽出液进入化肥生产流程，脱碳后浆液通过水力旋流器预浓缩，而后利用离心设备固液分离，分离出的碳酸氢铵晶体用于碳酸氢铵肥料的生产，清液则打入吸收塔脱碳段循环利用。

本发明方法实现的氨水脱硫涉及的反应式如下：

2NH₃+H₂O+SO₂=(NH₄)₂SO₃

(NH₄)₂SO₃+H₂O+SO₂=2(NH₄)HSO₃

(NH₄)HSO₃+NH₄OH=(NH₄)₂SO₃+H₂O

(NH₄)₂SO₃+ 1/2O₂=(NH₄)₂SO₄。

本发明方法实现的氨水脱碳涉及的反应式如下：

NH₃+H₂O+CO₂=NH₄HCO₃。

实际反应过程比较复杂，要经过一系列中间阶段。其反应过程大致为：

2NH₃+CO₂=NH₂COONH₄ 。

NH₂COONH₄进一步水解：

NH₂COONH₄+H₂O=NH₄HCO₃+NH₃ 。

同时，NH₃和H₂O反应生成NH₄OH：

NH₃+H₂O=NH₄OH。

水解产生的NH₄HCO₃与NH₄OH反应生成(NH₄)₂CO₃：

NH₄HCO₃+NH₄OH=(NH₄)₂CO₃+H₂O 。

(NH₄)₂CO₃吸收CO₂形成碳酸氢铵：

(NH₄)₂CO₃+H₂O+CO₂=2NH₄HCO₃ 。

本发明提供的一种基于所述方法的以氨水为吸收剂的烟气污染物吸收装置，其结构为：高温烟道、预洗涤塔、低温烟道、吸收塔依次连通；

所述吸收塔由低温烟道分隔为上部的脱碳段和下部的脱硫段，上升管穿过低温烟道，其下部伸入脱硫段，上部伸出脱碳段的液面；所述脱硫段顶部设有一排喷射管，喷射管入口与低温烟道相连，出口通入脱硫段下部的持液槽中，持液槽的下部设有氧化风机以及脱硫浆液抽出泵；氨水调制罐通过供氧泵与脱硫段连接；所述吸收塔脱碳段设有外置的碳酸氢铵浆液槽，第一脱碳浆液抽出泵连通脱硫段底部的持液槽和碳酸氢铵浆液槽；脱碳段上部设有两层碳酸氢铵循环液喷嘴，浆液循环泵连通碳酸氢铵浆液槽和碳酸氢铵循环液喷嘴；两层碳酸氢铵循环液喷嘴的上方设有除雾器，脱碳段顶部还设有烟囱；所述预洗涤塔的上部设有一层硫酸铵浆液喷嘴，通过脱硫浆液抽出泵与脱硫段的持液槽连接；预洗涤塔的底部通过预洗涤液抽出泵与第一旋流器的入口连接；第一旋流器的浓浆液出口依次与第一离心机、干燥机连接，第一旋流器的稀浆液出口通过第一返回泵与吸收塔的脱硫段连接；预洗涤液经第一旋流器浓缩后进入第一离心机进行固液分离，分离后的液体与第一旋流器的稀浆液通过第一返回泵返回吸收塔，分离后的固体由干燥机干燥后进行化肥生产。

所述碳酸氢铵浆液槽的底部通过第二脱碳浆液抽出泵与第二旋流器的入口连接，第二旋流器的浓浆液出口与第二离心机连接，第二旋流器的稀浆液出口通过第二返回泵与吸收塔的脱硫段连接；碳酸氢铵浆液经第二旋流器浓缩后进入第二离心机进行固液分离，分离后的液体与第二旋流器的稀浆液通过第二返回泵返回碳酸氢铵浆液槽，分离后的碳酸氢铵固体进行化肥生产。

所述碳酸氢铵浆液槽通过解吸液抽出泵与解吸塔上部的解吸液喷嘴连接，解吸液喷嘴的下方设置高温蒸汽换热器；解吸塔的顶部通过管道与水洗塔连接，水洗塔的底部及解吸塔的底部分别通过管道与氨水返回泵连接后，接入碳酸氢铵浆液槽；水洗塔的上部设置工艺水喷嘴及第二除雾器，其顶部通过管道与空气压缩机连接。

所述上升管的上部设置气帽。

本发明的有益效果为：

（a）在一个吸收塔中采用鼓泡和喷淋相结合的方式分段高效脱除烟气中的碳硫氧化物，实现了硫碳氧化物同步脱除，解决了当前大气气态污染物治理过程中脱硫用石灰石，脱碳用MEA所带来的诸多弊端；

（b）简化了排烟系统，直接在吸收塔顶部搭建烟囱，净化后烟气直接从吸收塔顶部排向外部环境，实现了烟塔一体化；

（c）提供了一种发电厂与化肥厂综合建设的设计思路，延长了发电行业的产业链，为脱碳副产物提供了化肥生产的工艺路线；

（d）本工艺具有高效、清洁、低能耗的特点；而且脱硫脱碳、副产物资源化系统高度整合，在燃煤电厂烟气脱硫脱碳方面具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明第一种实施方式的结构示意图；

图2是本发明第二种实施方式的结构示意图。

附图中标号含义如下：

1-高温烟道；2-预洗涤塔；3-硫酸铵浆液喷嘴；4-低温烟道；5-吸收塔；6-吸硫段；7-喷射管；8-上升管；9-气帽；10-脱碳段；11-碳酸氢铵循环液喷嘴；12-第一除雾器；13-烟囱；14-碳酸氢铵浆液槽；15-氨水调制罐；106-第一旋流器；116-第二旋流器；107-第一离心机；117-第二离心机；18-干燥机；19-氧化风机；20-脱硫浆液抽出泵；21-供氨泵；22-预洗涤液抽出泵；23-第一脱碳浆液抽出泵；24-浆液循环泵；25-第二脱碳浆液抽出泵；26-清液返回泵；27-解吸塔；28-高温蒸汽换热器；29-解吸液喷嘴；30-水洗塔；31-工艺水喷嘴；32-空气压缩机；33-氨水返回泵；34-解吸液抽出泵；35-第二除雾器。

具体实施方式

本发明提供了一种以氨水为吸收剂的烟气污染物吸收方法及装置，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

本发明所述的吸收装置的结构如下：

该装置的高温烟道1、预洗涤塔2、低温烟道4、吸收塔5依次连通；所述吸收塔5由低温烟道4分隔为上部的脱碳段10和下部的脱硫段6，上升管8穿过低温烟道4，其下部伸入脱硫段6，上部伸出脱碳段10的液面，所述上升管8的上部设置气帽9；所述脱硫段6顶部设有一排喷射管7，喷射管入口与低温烟道4相连，出口通入脱硫段6下部的持液槽中，持液槽的下部设有氧化风机19以及脱硫浆液抽出泵20；氨水调制罐15通过供氧泵21与脱硫段6连接；所述吸收塔脱碳段10设有外置的碳酸氢铵浆液槽14，第一脱碳浆液抽出泵23连通脱碳段10底部的持液槽和碳酸氢铵浆液槽14；脱碳段10上部设有两层碳酸氢铵循环液喷嘴11，浆液循环泵24连通碳酸氢铵浆液槽14和碳酸氢铵循环液喷嘴11；两层碳酸氢铵循环液喷嘴11的上方设有除雾器12，脱碳段10顶部还设有烟囱13；所述预洗涤塔2的上部设有一层硫酸铵浆液喷嘴3，通过脱硫浆液抽出泵20与脱硫段6的持液槽连接；预洗涤塔2的底部通过预洗涤液抽出泵22与第一旋流器106的入口连接；第一旋流器106的浓浆液出口依次与第一离心机107、干燥机18连接，第一旋流器106的稀浆液出口通过第一返回泵206与吸收塔5的脱硫段6连接。

100-150℃烟气经过高温烟道1进入预洗涤塔2，在预洗涤塔2中降温到40-60℃后进入低温烟道4。低温烟道4出口烟气先进入吸收塔下部的脱硫段6，后经上升管8进入吸收塔上部脱碳段10，最后脱硫脱碳后烟气通过烟囱13 排出。

预洗涤塔内的预洗涤液通过预洗涤液抽出泵22送入第一旋流器106，经第一旋流器106浓缩的硫酸铵浆液进入第一离心机107进行固液分离，分离后的硫酸铵固体进入干燥机18干燥，分离后的液体与第一旋流器106的稀浆液一起通过清液第一返回泵206返回吸收塔脱硫段6的持液槽。分离后的固体由干燥机18干燥后进行化肥生产。

烟气通过喷射管7通入脱硫段6的持液槽中，在此处通过烟气在氨水浆液中鼓泡脱除烟气中的二氧化硫，其中NH₃/SO₂为2左右，浆液pH为4-6。持液槽通过氧化风机19通入空气使亚硫酸氢铵氧化为硫酸铵，待氨水含固量达到5-20wt%后由脱硫浆液抽出泵20抽出。脱硫过程中所需的氨水均由氨水调制罐15提供。

脱硫后的烟气在脱碳段被碳酸氢铵循环液喷嘴喷淋的浆液逆流洗涤脱碳。脱碳段10顶部设有第一除雾器12用于除去烟气中携带的小水滴。脱碳过程中所需的氨水均由碳酸氢铵浆液槽14的氨源提供。

碳酸氢铵浆液的处理方式有两种，第一种方式的结构见图1所示：

碳酸氢铵浆液槽14的底部通过第二脱碳浆液抽出泵25与第二旋流器116的入口连接，第二旋流器116的浓浆液出口与第二离心机117连接，第二旋流器116的稀浆液出口通过第二返回泵216与碳酸氢铵浆液槽14连接。

碳酸氢铵储槽14中NH₃/CO₂为1.4-2.0，浆液pH为8-10，待储槽中氨水含固量达到5-25wt%后由第二脱碳浆液抽出泵25抽出，进入第二旋流器116。经第二旋流器116浓缩的碳酸氢铵浆液进入第二离心机117进行固液分离，分离后的碳酸氢铵固体进行化肥生产，分离后的液体与第二旋流器116的稀浆液一起通过第二返回泵216返回碳酸氢铵浆液槽14。

第二种处理方式的结构见图2所示，适用于碳酸氢铵化肥供应市场较饱和的地区：

碳酸氢铵浆液槽14通过解吸液抽出泵34与解吸塔27上部的解吸液喷嘴29连接，解吸液喷嘴29的下方设置高温蒸汽换热器28；解吸塔27的顶部通过管道与水洗塔30连接，水洗塔30的底部及解吸塔27的底部分别通过管道与氨水返回泵33连接后，接入碳酸氢铵浆液槽14；水洗塔30的上部设置工艺水喷嘴31及第二除雾器35，其顶部通过管道与空气压缩机32连接。

该方式采用解吸工艺分解脱碳产物碳酸氢铵为氨水和二氧化碳，从而实现碳酸氢铵的循环利用和二氧化碳与烟气的分离，分离后二氧化碳用于化工合成或压缩后地下封存。该实施工艺中，碳酸氢铵浆液从解吸塔27顶部喷淋与高温蒸汽换热器28换热后分解为氨水和二氧化碳，二氧化碳进入水洗塔30与水洗塔顶部的工艺水喷嘴31喷淋的工艺水逆流接触去除二氧化碳中掺杂的氨气。净化后的二氧化碳气体通过第二除雾器35除去携带的小水滴，纯净的二氧化碳通过空气压缩机32压缩后储存。解吸塔27和水洗塔30中的氨水通过氨水返回泵33返回碳酸氢铵浆液槽14中。该工艺流程的其它装置的工作原理与工作过程与第一种方式相同。

Claims (8)

1.以氨水为吸收剂的烟气污染物吸收方法，其特征在于：按如下步骤进行：

（a）经过静电除尘的100-150℃高温锅炉烟气引入预洗涤塔，利用高温烟气对脱硫工序的浆液进行加热浓缩，经过浓缩的脱硫后浆液进入化肥生产流程，用于生产硫酸铵肥料；

（b）经换热后的40℃~60℃的低温烟气进入垂直吸收塔的脱硫段，在此通过烟气在脱硫段氨液槽的鼓泡作用，脱除烟气中的二氧化硫，脱硫后的浆液经氧化空气强制氧化后得到含硫酸铵的浆液；

（c）脱硫后的烟气进入吸收塔的脱碳段，由氨水喷淋吸收烟气中的二氧化碳；

（d）净化后的烟气通过吸收塔上部的除雾器，除去烟气中携带的小水滴后直接从吸收塔顶部的烟囱排出。

2.根据权利要求1所述的一种以氨水为吸收剂的烟气污染物吸收方法，其特征在于：所述步骤（a）中，脱硫后浆液与高温烟气逆流接触，高温烟气携带走了脱硫后浆液中的部分水分，使脱硫后浆液得到浓缩，浓缩后浆液通过水力旋流器预浓缩，而后利用离心设备固液分离，分离出的硫酸铵晶体用于硫酸铵肥料的生产，清液打入吸收塔脱硫段循环利用。

3.根据权利要求1所述的一种以氨水为吸收剂的烟气污染物吸收方法，其特征在于：所述步骤（b）中，吸收塔脱硫段采用鼓泡脱硫的方式，持液槽内氨水的pH值为4-6，持液槽内的亚硫酸铵被氧化风机提供的强制氧化空气氧化为硫酸铵；持液槽中浆液含固量达到5 wt%~20wt%时，由抽出泵排出，进入预洗涤塔利用高温烟气预浓缩。

4.根据权利要求1所述的一种以氨水为吸收剂的烟气污染物吸收方法，其特征在于：其特征在于：所述步骤（c）中, 吸收塔脱碳段采用喷淋脱碳的方式，持液槽内氨水的pH值为 8-10，待浆液中碳酸氢铵含固量达到5 wt%~25 wt%，由抽出泵排出；抽出液进入化肥生产流程，脱碳后浆液通过水力旋流器预浓缩，而后利用离心设备固液分离，分离出的碳酸氢铵晶体用于碳酸氢铵肥料的生产，清液则打入吸收塔脱碳段循环利用。

5.一种基于权利要求1所述方法的以氨水为吸收剂的烟气污染物吸收装置，其特征在于：高温烟道（1）、预洗涤塔（2）、低温烟道（4）、吸收塔（5）依次连通；

所述吸收塔（5）由低温烟道（4）分隔为上部的脱碳段（10）和下部的脱硫段（6），上升管（8）穿过低温烟道（4），其下部伸入脱硫段（6），上部伸出脱碳段（10）的液面；

所述脱硫段（6）顶部设有一排喷射管（7），喷射管入口与低温烟道（4）相连，出口通入脱硫段（6）下部的持液槽中，持液槽的下部设有氧化风机（19）以及脱硫浆液抽出泵（20）；氨水调制罐（15）通过供氧泵（21）与脱硫段（6）连接；

所述吸收塔脱碳段（10）设有外置的碳酸氢铵浆液槽（14），第一脱碳浆液抽出泵（23）连通脱硫段（10）底部的持液槽和碳酸氢铵浆液槽（14）；脱碳段（10）上部设有两层碳酸氢铵循环液喷嘴（11），浆液循环泵（24）连通碳酸氢铵浆液槽（14）和碳酸氢铵循环液喷嘴（11）；两层碳酸氢铵循环液喷嘴（11）的上方设有除雾器（12），脱碳段（10）顶部还设有烟囱（13）；

所述预洗涤塔（2）的上部设有一层硫酸铵浆液喷嘴（3），通过脱硫浆液抽出泵（20）与脱硫段（6）的持液槽连接；预洗涤塔（2）的底部通过预洗涤液抽出泵（22）与第一旋流器（106）的入口连接；

第一旋流器（106）的浓浆液出口依次与第一离心机（107）、干燥机（18）连接，第一旋流器（106）的稀浆液出口通过第一返回泵（206）与吸收塔（5）的脱硫段（6）连接；预洗涤液经第一旋流器（106）浓缩后进入第一离心机（107）进行固液分离，分离后的液体与第一旋流器（106）的稀浆液通过第一返回泵（206）返回吸收塔（5），分离后的固体由干燥机（18）干燥后进行化肥生产。

6.根据权利要求5所述的以氨水为吸收剂的烟气污染物吸收装置，其特征在于：所述碳酸氢铵浆液槽（14）的底部通过第二脱碳浆液抽出泵（25）与第二旋流器（116）的入口连接，第二旋流器（116）的浓浆液出口与第二离心机（117）连接，第二旋流器（116）的稀浆液出口通过第二返回泵（216）与吸收塔（5）的脱硫段（6）连接；碳酸氢铵浆液经第二旋流器（116）浓缩后进入第二离心机（117）进行固液分离，分离后的液体与第二旋流器（116）的稀浆液通过第二返回泵（216）返回碳酸氢铵浆液槽（14），分离后的碳酸氢铵固体进行化肥生产。

7.根据权利要求5所述的以氨水为吸收剂的烟气污染物吸收装置，其特征在于：所述碳酸氢铵浆液槽（14）通过解吸液抽出泵（34）与解吸塔（27）上部的解吸液喷嘴（29）连接，解吸液喷嘴（29）的下方设置高温蒸汽换热器（28）；解吸塔（27）的顶部通过管道与水洗塔（30）连接，水洗塔（30）的底部及解吸塔（27）的底部分别通过管道与氨水返回泵（33）连接后，接入碳酸氢铵浆液槽（14）；水洗塔（30）的上部设置工艺水喷嘴（31）及第二除雾器（35），其顶部通过管道与空气压缩机（32）连接。

8.根据权利要求5所述的以氨水为吸收剂的烟气污染物吸收装置，其特征在于：所述上升管（8）的上部设置气帽（9）。

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