CN103363537B - 一种富氧燃烧烟气净化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种富氧燃烧烟气净化装置，属于锅炉烟气净化装置，解决现有烟气脱硫脱硝装置系统复杂，能耗较高，气体提取纯度不高和高压吸收液不便利用的问题，能够在压缩过程中同时脱除富氧燃烧锅炉尾部烟气的NOx、SO2和Hg，适用于采用富氧燃烧技术的电厂。本发明包括第一冷凝器、第一气液分离器、第一级压缩机、第二冷凝器、第二气液分离器、第二级压缩机、第三冷凝器、高压反应塔、第三气液分离器和第四冷凝器。本发明不仅可以简化设备，降低运行成本，而且能保证脱除效率，硫氧化物脱除效率近100%，氮氧化物脱除效率可达到95%，对汞的脱除也有较好效果。

Description

一种富氧燃烧烟气净化装置
技术领域
本发明属于锅炉烟气净化装置，特别涉及一种富氧燃烧烟气净化装置，能够在压缩过程中同时脱除富氧燃烧锅炉尾部烟气的NOx、SO2和Hg，适用于采用富氧燃烧技术的电厂。
背景技术
富氧燃烧烟气除富含80%以上浓度的CO2外，仍含有较高浓度的SO2、NOx和Hg等污染物，其净化问题对于后续CO2的压缩液化、运输、资源化利用（EOR）与埋存至关重要。
目前，富氧燃烧锅炉烟气中对SO2的脱除主要采用比较成熟的湿法烟气脱硫技术；脱除NOx主要采用选择性催化还原技术（SCR）以及低NOx燃烧技术，但是这些技术工艺复杂，成本较高，同时显著地降低了锅炉效率。
国内外现有烟气净化装置，仅仅是简单地将脱硫装置和脱硝装置串联起来联合脱硫脱硝，脱硫、脱硝工艺基本上都是各自独立的运行系统。国内已有的针对富氧燃烧锅炉烟气回收SO2与NO的装置，采用了双级压缩，但SO2和NO分开脱除，需要两个高压反应器，系统较为复杂，没有考虑气液分离，能耗较高，且系统产生的高压吸收液不能直接利用，没有循环系统，处理纯度低。此外，传统空气燃烧烟气中零价汞对铝制设备具有较强的脆化作用，可使碳钢、合金钢、不锈钢为材质的管道和设备产生腐蚀；富氧燃烧技术由于采用烟气循环，使得烟气中汞浓度比传统空气燃烧烟气中汞浓度高，同时汞的氧化率也比空气高，使得富氧燃烧烟气中汞更容易脱除，但仍然存在零价汞。
因此，能够同时脱硫脱硝甚至包括脱汞在内的多种污染物同时脱除的新型技术将会成为今后的研究趋势。
发明内容
本发明提供一种富氧燃烧烟气净化装置，解决现有烟气脱硫脱硝装置系统复杂，能耗较高，气体提取纯度不高和高压吸收液不便利用的问题。
本发明所提供的一种富氧燃烧烟气净化装置，包括第一冷凝器、第一气液分离器、第一级压缩机、第二冷凝器、第二气液分离器、第二级压缩机、第三冷凝器、高压反应塔、第四冷凝器和第三气液分离器；其特征在于：
所述第一冷凝器通过管道连接第一气液分离器，第一气液分离器气体出口与第一级压缩机、第二冷凝器、第二气液分离器依次通过管道连接，第一气液分离器液体出口通过管道排水；
第二气液分离器气体出口与第二级压缩机、第三冷凝器、高压反应塔进口依次通过管道连接，第二气液分离器液体出口通过第一膨胀阀连接第三气液分离器入口；
所述高压反应塔内部放入水和填料，高压反应塔的底部具有进口和液体出口，高压反应塔的上部具有气体出口、补水口和液体入口，高压反应塔的液体出口通过管路分别连接第二膨胀阀和水泵，第二膨胀阀通过管路连接第三气液分离器入口，水泵与第四冷凝器、所述高压反应塔的液体入口依次通过管路连接，高压反应塔的气体出口用于排出气体；
所述第三气液分离器气体出口与第一气液分离器气体出口通过管路连接，并一起连接第一级压缩机，所述第三气液分离器液体出口通过管道排液。
利用所述富氧燃烧烟气净化装置进行富氧燃烧烟气净化时，包括下述过程：
富氧燃烧锅炉排放的烟气经过初步除尘后，进入第一冷凝器，然后依次通过第一气液分离器、第一级压缩机、第二冷凝器、第二气液分离器、第二级压缩机、第三冷凝器和高压反应塔，高压反应塔内部放入水和填料，净化后的烟气从高压反应塔的气体出口排出，
烟气的压力在第一级压缩机中被压缩到0.5Mpa～1.5Mpa，在第二级压缩机被压缩到2Mpa～3Mpa，通入高压反应塔进行NOx和SO2的化学吸收，在高压反应塔中发生的反应包括气相反应、气液反应和液相反应；
气相反应包括：
2Hg(g)+O2(g)→2HgO(s,g)，
Hg(g)+NO2(g)→HgO(s,g)+NO(g)，
气液反应包括：
Hg(g)+4HNO3(l)→2NO2(g)+2H2O(l)+Hg(NO3)2(l)，
6Hg(g)+8HNO3(l)→2NO(g)+4H2O(l)+3Hg2(NO3)2(l)，
液相反应包括：
NO2(l)+H2SO3(l)→NO(g)+H2SO4(l)，
2NO2(l)+H2O(l)→HNO3(l)+HNO2(l)，
N2O3(l)+H2O(l)→2HNO2(l)，
N2O4(l)+H2O(l)→HNO3(l)+HNO2(l)，
3HNO2(l)→HNO3(l)+2NO(g)+H2O(l)，
上述反应可简化为如下化学反应方程式：
2Hg(g)+O2(g)→2HgO(s,g)，
Hg(g)+NO2(g)→2HgO(s,g)+NO(g)，
Hg+4HNO3→2NO2+2H2O+Hg(NO3)2，
6Hg+8HNO3→2NO+4H2O+3Hg2(NO3)2；
上述各反应式中，（g）代表气相，（l）代表液相，（s）代表固相。
高压反应塔中的压力为2MPa～4MPa，温度为10℃～30℃。压力越高且温度越低越有利于NO和SO2的脱除；压力主要考虑的是在能够保证脱除率的条件下，能够在低压下脱除酸性气体NO和SO2，脱除易发生金属脆化的Hg，优选压力为3MPa；温度主要考虑的是反应在常温条件下进行，既保证了脱除率，又能节省保温材料，简化系统，优选温度为25℃。
本发明工作时，净化后的烟气从高压反应塔气体出口排出，CO2纯度大大提高，可对CO2进行下一步压缩液化，部分稀硝酸和稀硫酸的混合吸收液从高压反应塔液体出口排出，进入第二膨胀阀、第三分离器，气体循环至第一级压缩机再进行再分离，常压下的吸收液可以直接回收利用，避免了以前装置生成的高压吸收液泄压处理过程中吸收气释放造成的二次污染，同时从高压反应器补水口加入适量的补充水，整个过程中保证水循环装置的开启。
高压反应塔中所有的进出口处流量和压力都由阀门来控制，循环率可根据需要适当调整。
高压反应塔的底部具有进口和液体出口，高压反应塔的上部具有气体出口、补水口和液体入口，高压反应塔设置液体循环装置、补水口、吸收液循环和排出口，这些措施利于提高脱除率。
整个高压反应塔的平衡过程可以通过调节液体循环量、液体出口的排出量和补水口的补充水量，维持高压反应塔中的水位在合适的高度。
第一冷凝器、第二冷凝器、第三冷凝器和第四冷凝器的冷却水经过换热升温后，可以作为锅炉给水加以利用，提高能源的利用率。
经过各冷凝器冷凝的温度控制在常温，节省能量，补充水为常温水。
SO2最终可以转化为稀硫酸，NOx最终可以转化为稀硝酸，同时吸收部分汞。稀硫酸和稀硝酸通过气液分离，气体重新进入系统循环，常压的吸收液可以直接回收达到资源化利用。净化后的高浓度CO2气体可以直接压缩液化埋存或资源化利用（EOR）。
NO被氧化为NO2的反应速度最慢，是制约整个化学反应的重要因素，提高反应压力促进化学反应向正方向进行。NO2和HNO3都具有强氧化性，促进SO2和汞的氧化。
本发明只需要一个高压反应塔，简化了多级压缩、多级脱除的装置，省去单独的烟气脱硫和脱硝装置，也不需要采用低NOx燃烧器，一定浓度的NOx反而促进高压反应塔中的反应，降低了制造成本和运行能耗；采用两级压缩机，主要考虑的是一级压缩需要的压缩比大，功耗较大，两级压缩能够降低总体的功耗，实现节能；
采用多个气液分离器和膨胀阀，实现了气液分开处理，最大限度的降低处理能耗，提高了气体处理的纯度，同时吸收产生的液体为常压状态，可以直接回收利用，实现了废液和废气的最大利用，近乎实现了“零排放”。
本发明不仅可以简化设备，降低运行成本，而且能保证脱除效率，硫氧化物脱除效率近100%，氮氧化物脱除效率可达到95%，对汞的脱除也有较好效果。
附图说明
图1为本发明富氧燃烧烟气净化装置组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明的实施例，包括第一级压缩机C1、第二冷凝器H2、第二级压缩机C2、第三冷凝器H3、高压反应塔R1，其特征在于：
还具有第一冷凝器H1、第一气液分离器S1、第二气液分离器S2、第三气液分离器S3和第四冷凝器H4；
所述第一冷凝器H1通过管道连接第一气液分离器S1，第一气液分离器S1气体出口与第一级压缩机C1、第二冷凝器H2、第二气液分离器S2依次通过管道连接，第一气液分离器S1液体出口通过管道排水；
第二气液分离器S2气体出口与第二级压缩机C2、第三冷凝器H3、高压反应塔R1进口依次通过管道连接，第二气液分离器S2液体出口通过第一膨胀阀E1连接第三气液分离器S3；
所述高压反应塔R1的底部具有进口和液体出口，高压反应塔R1的上部具有气体出口、补水口和液体入口，高压反应塔R1的液体出口通过管路分别连接第二膨胀阀E2和水泵P1，第二膨胀阀E2通过管路连接第三气液分离器S3，水泵P1与第四冷凝器H4、所述高压反应塔R1的液体入口依次通过管路连接，高压反应塔R1的气体出口用于排出气体；
所述第三气液分离器S3气体出口与第一气液分离器S1气体出口通过管路连接，并一起连接第一级压缩机C1，所述第三气液分离器S3液体出口通过管道排液。
对该实施例的工作过程进行了模拟计算。初始排放的管道烟气温度163℃，压力1atm，流速58.27kg/s，气体成分：CO288%，H2O5.00%，O23%，N23%，SO22850ppm，NOx分三种情况分别为350ppm、900ppm和1300ppm。
模拟计算结果为：
1.初始烟气中含有350ppm NOx
烟气入口 C1入口 R1入口 R1气体出 R1液体出口（非循 S3液体出
口 环） 口
温度 ℃ 163.00 30.00 25.00 25.64 27.90 25.40
压力 bar 1.01 1.01 30.00 30.00 30.00 1.01
流速 kg/s 58.27 58.12 57.14 56.72 1.61 2.55
NO ppm 350.0000 352.4905 366.9140 35.7874 0.0000 0.0000
N2O4 mol% 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
HNO2 mol% 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.1354 7.6421
HNO3 mol% 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.3124 0.1777
SO2 ppm 2850.0000 2876.2220 2970.5050 0.0000 0.0000 179.5347
H2SO4 mol% 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 5.6045 3.1891
O2 mol% 3.0000 3.0214 3.1450 3.0025 0.0019 0.0000
CO2 mol% 88.6800 89.3822 93.0192 93.6651 1.1600 0.0556
H2O mol% 5.0000 4.2522 0.3571 0.1504 92.7849 96.4832
N2 mol% 3.0000 3.0213 3.1450 3.1688 0.0010 0.0000
2.初始烟气中含有950ppm NOx
3.初始烟气中含有1300ppm NOx
烟气入口 C1入口 R1入口 R1气体出 R1液体出口（非循 S3液体出
口 环） 口
温度 ℃ 163.00 30.00 121.90 25.72 28.28 25.40
压力 bar 1.01 1.01 30.00 30.00 30.00 1.01
流速 kg/s 58.27 58.12 57.13 56.67 1.66 2.60
NO ppm 1300.0000 1309.2430 1362.8160 39.1248 0.0000 0.0000
N2O4 mol% 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
HNO2 mol% 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.5351 0.3027
HNO3 mol% 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 1.2561 0.7160
SO2 ppm 2850.0000 2876.1970 2970.4790 0.0000 0.0000 179.7165
H2SO4 mol% 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 5.5825 3.1820
O2 mol% 3.0000 3.0214 3.1450 2.9558 0.0018 0.0000
CO2 mol% 88.5850 89.2863 92.9194 93.6810 1.1303 0.0548
H2O mol% 5.0000 4.2522 0.3570 0.1489 91.4930 95.7266
N2 mol% 3.0000 3.0213 3.1450 3.1728 0.0010 0.0000
比较发现：烟气中NOx含量为350ppm的净化气体中NOx含量与烟气中NOx含量为1300ppm净化气体的NOx含量相差不大。说明本装置对含有高NOx浓度的烟气脱除更有优势。烟气中CO2浓度经过处理后高达93.7%，适合进一步压缩和埋存。

Claims (1)

1.一种富氧燃烧烟气净化装置，包括第一冷凝器（H1）、第一气液分离器（S1）、第一级压缩机（C1）、第二冷凝器（H2）、第二气液分离器（S2）、第二级压缩机（C2）、第三冷凝器（H3）、高压反应塔（R1）、第四冷凝器（H4）和第三气液分离器（S3）；其特征在于： 
所述第一冷凝器（H1）通过管道连接第一气液分离器（S1），第一气液分离器（S1）气体出口与第一级压缩机（C1）、第二冷凝器（H2）、第二气液分离器（S2）依次通过管道连接，第一气液分离器（S1）液体出口通过管道排水； 
第二气液分离器（S2）气体出口与第二级压缩机（C2）、第三冷凝器（H3）、高压反应塔（R1）进口依次通过管道连接，第二气液分离器（S2）液体出口通过第一膨胀阀（E1）连接第三气液分离器（S3）入口； 
所述高压反应塔（R1）内部放入水和填料，高压反应塔的底部具有进口和液体出口，高压反应塔（R1）的上部具有气体出口、补水口和液体入口，高压反应塔（R1）的液体出口通过管路分别连接第二膨胀阀（E2）和水泵（P1），第二膨胀阀（E2）通过管路连接第三气液分离器（S3）入口，水泵（P1）与第四冷凝器（H4）、所述高压反应塔（R1）的液体入口依次通过管路连接，高压反应塔（R1）的气体出口用于排出气体； 
所述第三气液分离器（S3）气体出口与第一气液分离器（S1）气体出口通过管路连接，并一起连接第一级压缩机（C1），所述第三气液分离器（S3）液体出口通过管道排液。 
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