CN107020004A - 一种等离子体辅助氨水吸收燃煤烟气同时脱硫脱硝脱碳的装置和方法 - Google Patents

一种等离子体辅助氨水吸收燃煤烟气同时脱硫脱硝脱碳的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种等离子体辅助氨水吸收燃煤烟气同时脱硫脱硝脱碳的装置和方法，装置包括顺次设置在锅炉烟气流向下游的降温洗涤塔、等离子体反应器、吸收塔和烟囱，所述吸收塔的塔釜浆液入口外接氨水罐、塔釜浆液出口接入所述降温洗涤塔内的喷淋装置。本发明将等离子体作为NO的氧化手段，结合介质阻挡放电和电晕放电的优势，在气相中先将NO高效氧化，再和SO2、CO2一起在液相中实现同时脱硫脱硝脱碳。不仅能够利用原有的湿法脱硫装置，实现烟气脱硫脱硝脱碳一体化，而且不会造成二次污染，不失为一种经济环保的烟气综合处理方法，达到工艺设备简单、降低能耗、处理费用低、节省空间等效果。

Description

一种等离子体辅助氨水吸收燃煤烟气同时脱硫脱硝脱碳的装 置和方法
技术领域
本发明属于大气污染净化技术领域，具体涉及一种用于等离子体辅助氨水吸收燃煤烟气同时脱硫脱硝脱碳系统和方法。
背景技术
燃煤锅炉会排放大量的SO2、氮氧化物(NOx)和CO2气体等，SO2、NOx是大气污染的主要成分，也是形成酸雨和光化学烟雾的主要物质，而CO2等温室气体引起的温室效应等环境问题，不仅破坏了生态系统而且还危害了人体健康。这些环境问题带来的经济社会风险和重大损失，无疑已成为关系我国经济可持续发展甚至社会和谐稳定的重大问题。
目前我国SO2排放量的90％，NOx排放量的67％和CO2的70％均来自于燃煤。随着大气污染日益严重，烟气污染物控制标准日益提高，新的脱硫脱硝脱碳技术的开发和应用尤为重要。
现阶段，脱硫技术在国内日益成熟，但脱硝技术仍有提升空间。对SO2的控制，目前较为成熟的技术是石灰石石膏法，系统运行稳定，脱除效率可达95％以上。而对于NOx的控制，常采用选择性催化还原法(SCR)，脱除效率可达90％以上，但其存在投资及运行成本高、催化剂易失活难再生、可能造成二次污染等问题。目前国内燃煤锅炉脱硫脱硝普遍采用的是湿式烟气脱硫(FGD)和NH3选择性催化还原脱硝(SCR)的组合技术。该技术的脱硫脱硝效率虽然高，但是系统复杂，投资和运行成本高，对运行企业来讲无论从管理上和经济上都造成不小的压力。而脱碳方面，传统方式多采用先脱硫脱硝再脱碳的布局，所以如果按照目前的一套设备只针对一种污染物的烟气治理方法，随着未来污染物治理种类的进一步增加，治理要求进一步提高，势必造成系统复杂性高、设备投资大、运行成本高、占地面积多等问题。为此，研发高效经济的脱硫脱硝脱碳一体化技术已成为国内外诸多研究机构的关注热点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃煤烟气同时脱硫脱硝脱碳的新技术，降低燃煤电厂污染治理系统的复杂性和投资运行成本，减少二次污染，同时实现吸收副产物的资源化，提出了一种等离子体辅助氨水吸收燃煤烟气同时脱硫脱硝脱碳系统和方法。
一种等离子体辅助氨水吸收燃煤烟气同时脱硫脱硝脱碳的装置，包括顺次设置在锅炉烟气流下游的降温洗涤塔、等离子体反应器、吸收塔和烟囱，所述吸收塔的塔釜浆液入口外接氨水罐、塔釜浆液出口接入所述降温洗涤塔内的喷淋装置。
降温洗涤塔采用吸收塔内的吸收后浆液作为吸收剂吸收SO2，一方面实现SO2的初步脱除，从而在后续的吸收塔中更加容易实现高效净化。另外利用烟气显热蒸发吸收塔中过来的吸收产物，对其进行浓缩，有助于后续的硫酸铵、硝酸铵、碳酸铵等结晶处理。同时烟气温度降低能够提高后续的NO等离子体氧化效率，以及吸收塔吸收速率。降温洗涤塔的设置对于SO2、NOx和CO2的高效脱除具有协同作用。
液相氧化直接在吸收剂中添加氧化剂，但是由于NO溶解性差，其氧化效果首先受到液膜吸收速率慢的影响，氧化效果并不好；气相氧化则是在吸收前先将氧化性物质(等离子体或者臭氧等)和NO充分接触，将NO氧化成高价态氮氧化物，然后再进行湿法吸收。气相氧化具有氧化性强，反应速度快等特点，NO能更好的被氧化成易于吸收的高价态氮氧化物。另外，与臭氧氧化相比，等离子体过程不需要专门的液氧或纯氧制备系统，而且不存在臭氧在较高温度下快速分解的问题，所以NO的等离子体直接氧化在工业应用中更具优势和前景。
本发明进一步的改进在于，所述等离子体反应器包括：
壳体，所述壳体内沿烟气流向分为介质阻挡反应段和电晕放电反应段；
设于所述介质阻挡反应段内的至少两个介质阻挡单元，相邻介质阻挡单元之间为烟气通道；
以及设于所述电晕放电反应段内的电晕放电单元。
介质阻挡放电和电晕放电是最常见的用于大气治理的等离子体发生方式。介质阻挡放电活性氧产生量大，但放电间隙小，大量布置介质阻挡层会大大增加烟气阻力，其更适合小烟气量处理；电晕放电放电间隙大，阻力小，但产生的活性氧化粒子相对介质阻挡放电要小一些，适合大烟气量处理。本发明将介质阻挡放电和电晕放电复合在一个反应器中，能在强化NO的氧化效果同时又降低整个等离子体反应器的运行阻力，为较大烟气量的NO氧化提供了新的方法和技术。
进一步优选地，所述介质阻挡单元包括相互平行的的至少两块介质阻挡板。
进一步优选地，所述电晕放电单元包括相互平行布置的若干块极板和分布于相邻极板之间的若干根极线，相邻极板之间为烟气通道，所述烟气通道的进、出口端均设置多孔气流分布板，所述若干块极板与所述介质阻挡板相互垂直布置，相邻极板之间的间距为100～200mm。
更进一步优选地，所述极线上均匀分布芒刺电极。
更进一步优选地，所述壳体为卧式壳体，所述介质阻挡板水平布置，所述电晕放电单元的极板竖直布置且与气流方向一致。
进一步优选，所述壳体为方形卧式壳体。
介质阻挡反应段与电晕放电反应段由一块多孔气流分布板隔开，电晕放电反应段与壳体出口之间也由一块多孔气流分布板隔开，电晕放电单元内的若干烟气通道的进、出口均正对对应的多孔气流分布板，进入电晕放电单元内的烟气分成与烟气通道数量对应的若干路分别流经对应的烟气通道，处理后的烟气由出口处的多孔气流分布板排出。
更进一步优选地，同一介质阻挡单元内相邻介质阻挡板之间的间距为2～5mm；介质阻挡板包括玻璃钢板和覆盖在玻璃钢板表面且厚度为0.1～0.2mm的不锈钢板。
介质阻挡放电采用高压交流电源，介质阻挡单元的两块挡板分别连接高压交流电源正负两极；电晕放电采用高压直流或脉冲电源，所述极板外接高压电源，极线接地。
优选地，所述吸收塔内由下至上依次为浆液池、若干层第一喷淋层、填料层、第二喷淋层，每个第一喷淋层的下方对应设置一个扰流层，烟气入口位于浆液池与第一喷淋层之间、且外接等离子体反应器的烟气出口，烟气出口位于第二喷淋层上方。
吸收塔由烟气进口、底部循环池、底部氧化风机、喷淋层、扰流层、填料层、浆液池和烟气出口组成。吸收塔烟气进口与等离子体氧化段出口连接；喷淋层设置为2～3层，扰流层布置在每个喷淋层以下，填料层布置在喷淋层之上。吸收塔的循环池中持续加入20％新鲜氨水，以维持吸收效果。
将喷淋层和填料层组合在一个吸收塔内，喷淋层可实现SO2等易吸收的气体的快速脱除，以及NOx、CO2的部分脱除，而填料层有助于较难吸收的NOx、CO2的深度吸收。同时SO2在喷淋层完全吸收后，可以减少在填料层对其他污染物吸收的影响，从而整体上提高SO2、NOx和CO2的脱除水平。将填料塔和喷淋塔复合，不仅有助于污染物的吸收，也减少了吸收塔的体积，减少了投资和运行成本。
即本发明进一步的改进在于在喷淋层与填料层之间增设一层扰流层。
所述扰流层为管框式结构，包括边框、水平布置的横管和竖直布置的竖管，所述横管与竖管之间互不嵌入，所述横管和竖管的端头与边框的连接处均滑动配合。
滑动配合可实现横管与竖管位置的移动，主要实现横管与竖管的水平移动。
当前的吸收塔基本上为空塔喷淋，虽然已经能取得90％以上的脱硫率，但是随着SO2的脱除要求越来越高，需要通过吸收塔内结构的改进来进一步提高其吸收效果。在烟气在吸收塔内设置扰流层主要目的是加强塔内的烟流分布均匀性，同时又尽可能减少阻力的增加。与传统的托盘结构相比，扰流管的阻力下降一半以上，但局部效果相当。所述横管和竖管的端头与边框的连接处采用滑动配合，更加有助于通过扰流层截面上的压力自平衡作用，获得烟气的均匀分布。
优选地，所述填料层的填料为折流式六边形结构，包括位于上、下表面的六边形和连接上下表面六边形的折流管道。
采用折流板填料层，一方面提高烟气在填料层的停留时间，同时通过折流板的惯性作用可去除与部分的液滴，提高污染物脱除效果。
第一喷淋层和第二喷淋层浆液均来自浆液池。
本发明还提供一种等离子体辅助氨水吸收燃煤烟气同时脱硫脱硝脱碳的方法，包括如下步骤：
锅炉产生的烟气经静电或布袋除尘后依次通过降温洗涤塔、等离子体反应器、吸收塔处理后由烟囱排除；
在降温洗涤塔内，喷淋层设置1～2层，烟气流速5～8m/s，采用的液气比为2～5L/m3，烟气中50％以上的SO2被脱除，烟气温度降低至100℃以下，同时烟气的显热将来自吸收塔底部的吸收产物铵盐浓缩，再将浓缩后的吸收产物铵盐送至后续的结晶单元处理；
在等离子体反应器内，介质阻挡部分加入10～20kV的交流高压电，在电晕放电部分加上30～40kV的直流高压电。烟气中的70～80％NO被氧化成NO2、HNO2和HNO3；
在吸收塔内，烟气自下而上逆向接触吸收液，喷淋层部分设置2～3层，采用氨水作为吸收剂，吸收液pH值8.5～9；喷淋部分的烟气流速3～4m/s，液气比控制在8～12L/m3；填料层部分液气比5～10L/m3，烟气停留时间控制在2～3s。通过整个系统的运行，实现SO2的深度脱除，以及NOX和CO2的高效吸收。
本发明的方法包括脱硫过程、NO氧化过程、脱硝过程、脱碳过程；所述脱硫过程，即烟气中的SO2和氨水发生吸收反应：
SO2+NH3+H2O＝NH4HSO3
SO2+2NH3+H2O＝(NH4)2SO3
(NH4)2SO3+H2O+SO2＝2(NH4)2SO3
(NH4)2SO3+SO2＝(NH4)2SO3；
所述NO氧化过程：在等离子体复合反应器中NO被氧化成NO2，也有可能是其他价态的氮氧化物，如HNO2或HNO3。主要反应为：
NO+O＝NO2
NO+O3＝NO2+O2
未反应完全的SO2、氧化后的NOx和CO2随后在吸收塔中完成吸收脱除，同时可发生协同作用。发生的反应包括：
NO2+NO+NH3＝NH4NO3+NH4NO2
NH3+HNO3＝NH4NO3
NH3+HNO2＝NH4NO2
所述脱碳程：
CO2+2NH3＝NH2COONH4
NH2COONH4+H2O＝NH3+NH4HCO3
NH3+NH4HCO3＝(NH4)2CO3
CO2+H2O+(NH4)2CO3＝2NH4HCO3
本发明将各种处理技术有机结合，将等离子体作为NO的氧化手段，结合介质阻挡放电和电晕放电的优势，在较低的阻力下在气相中先将NO高效氧化，再和SO2、CO2一起在液相中实现同时脱硫脱硝脱碳。这不仅能够利用原有的湿法脱硫装置，实现烟气脱硫脱硝脱碳一体化，而且不会造成二次污染，同时可回收铵盐，不失为一种经济环保的烟气综合处理方法，达到工艺设备简单、降低能耗、处理费用低、节省空间等效果。本发明采用等离子体气相氧化达到同时脱硫脱硝脱碳一体化脱除和资源化的技术，技术简单，投资运行成本低，能够用于原有装置的改造，易于推广。
与现有技术比较，本发明具有如下的效果和优点：
(1)采用等离子体氧化SO2、NOX和CO2的一体化脱除，在一个塔内实现多种污染物的同时脱除，反应系统大大简化，投资运行成本大大降低，而且能够回收硫铵、硝铵和碳铵等副产物，实现吸收产物的资源化。
(2)采用20％新鲜氨水作为吸收剂，活性高，吸收速率远高于钙法，吸收液循环量低，烟气系统阻力小；吸收产物资源化，没有固废和废水的排出，且能高效吸收CO2，符合循环经济和低碳经济要求。
(3)降温洗涤塔的布置不仅能实现吸收产物的浓缩结晶，减少后续产物资源化处理的能耗，而且低温烟气有助于提高等离子体氧化NO和氨法吸收效果。
(4)吸收塔将喷淋和填料吸收组合，适应不同烟气污染物脱除，系统简化，投资和运行成本低。
(5)设计的介质阻挡耦合电晕放电反应器，不仅能有效产生氧原子等活性氧物质，同时能增大等离子体过程氧化烟气的处理量，在提高NO氧化效率的同时降低能耗。
附图说明
图1是本发明的主要装置系统示意图；
图2是本发明等离子体反应器的侧视结构图；
图3是本发明等离子体反应器的俯视结构图；
图4是本发明的扰流层示意图；
图5是本发明的填料层示意图；
图6是单独电晕放电、单独吸收以及电晕放电耦合吸收SO2和NOx的脱除对比图。
图中所示附图标记如下：
1-锅炉 2-降温洗涤塔 3-等离子体反应器
4-吸收塔 5-氨水罐 6-烟囱
31-进口 32-壳体 33-介质阻挡板
34-多孔气流分布板 35-极线 36-极板
37-出口
41-第一喷淋层 42-填料层 43-第二喷淋层
44-扰流层 441-横管 442-竖管
443-边框 421-折流管 422-六边形
具体实施方式
如图1所示，一种等离子体辅助氨水吸收燃煤烟气同时脱硫脱硝脱碳的装置，包括顺次设置的锅炉1、降温洗涤塔2、等离子体反应器3、吸收塔4和烟囱6。
降温洗涤塔2包括塔体和设置于塔体内的喷淋装置，塔体的塔壁上设置烟气进口，该烟气进口位于喷淋装置下方，来自锅炉的烟气经除尘后由该烟气进口进入降温洗涤塔的塔体内，降温洗涤塔的烟气出口位于塔体顶部，该烟气出口接入等离子体反应器的进口。
等离子体反应器3的结构示意图如图2和图3所示，包括卧式布置的壳体32，壳体采用方形壳体，一端带有进口31、另一端带有出口37，烟气由该进、出口进出等离子体反应器，壳体32内沿烟气流方向依次分为介质阻挡反应段和电晕放电反应段，介质阻挡反应段与电晕放电反应段由多孔气流分布板34分隔，电晕放电反应段与出口之间也由多孔气流分布板分隔，介质阻挡反应段内设置至少两个介质阻挡单元，相邻介质阻挡单元之前的间隙为烟气通道(图2中示出以两个介质阻挡单元为例)，电晕放电反应段内设置电晕放电单元。
介质阻挡单元包括若干平行布置的介质阻挡板33(图2中示出以每个介质阻挡单元为三块介质阻挡板为例)，同一介质阻挡单元内相邻介质阻挡板之间的间距为2～5mm，介质阻挡板材料为绝缘玻璃钢，表面覆盖0.1～0.2mm的不锈钢钢板，介质阻挡板相互平行且其板面水平布置。
介质阻挡放电采用高压交流电源，烟气由相邻介质阻挡单元之间的间隙通过。
电晕放电单元包括若干相互平行设置的极板36和均匀分布于相邻极板之间的极限35，极线上均匀分布芒刺电极，极板的板面与卧式壳体的侧面相平行，相邻极板之间的间距为100～200mm，烟气由相邻极板之间的间隙中通过，电晕放电采用高压直流或脉冲电源。
吸收塔4包括塔体，塔体内由下至上依次为浆液池、第一喷淋层41、填料层42和第二喷淋层43，第一喷淋层设置为2～3层，每个第一喷淋层下方对应设置一个扰流层44，烟气入口位于浆液池与第一喷淋层之间的塔壁上、烟气出口位于塔体顶部，烟气出口连接烟囱6，烟气入口连接等离子体反应器的出口，第一喷淋层和第二喷淋层的浆液均来自吸收塔内的浆液池。
浆液池的浆液入口外接氨水罐5，氨水罐内储存20％新鲜氨水，浆液池的浆液出口其中一路接入降温洗涤塔内的喷淋装置，降温洗涤塔内浆液达到一定浓度后去结晶装置。
扰流层44的结构示意图如图4所示，为管框式结构，包括边框443、水平布置的横管441和竖直布置的竖管442，横管和竖管均安装在边框上，横管和竖管之间相互之间不嵌入，横管和竖管均可在边框上作水平移动，该移动方式可通过常规技术实现，例如滑动配合。
填料层42由如图5所示的单个填料组成，包括分别位于填料层上、下表面的六边形422和连接上、下两个六边形的折流管421。
通过上述装置进行烟气处理的工艺流程如下：
从锅炉出来的烟气，首先经过静电或布袋除尘器脱除99％以上的粉尘，之后进入降温洗涤塔，进入降温洗涤塔的烟气温度在180℃左右。降温洗涤塔的吸收液来自吸收塔底部的循环池，降温洗涤塔内烟气流速5～8m/s，采用的液气比为2～5L/m3，降温洗涤塔出口烟温控制在100℃以下(例如80℃)；之后烟气进入等离子体反应器，等离子体反应器内烟气流速控制在3～4m/s，在介质阻挡部分加入10～20kV的交流高压电，在电晕放电部分加上30～40kV的直流高压电；烟气在等离子体反应器内充分氧化后进入吸收塔。吸收塔中的吸收剂采用氨水，吸收液pH值8.5～9，烟气流速3～4m/s，吸收塔中喷淋层的液气比控制在8～12L/m3，填料层的停留时间控制在2～3s。
本发明中的关键技术已进行了实验室研究，研究结果表明本发明等离子体耦合湿式吸收与单独等离子体放电、单独湿式吸收相比，等离子体耦合湿式吸收过程呈现出良好的协同作用，特别是对NOx的脱除。单独电晕放电过程中的NOx脱除率为14.3％，单独吸收过程中的NOx脱除率为7.7％，而电晕耦合湿式吸收过程中的NOx脱除率则达到了58.2％(如图6所示)。
以上所述仅为本发明专利的具体实施案例，但本发明专利的技术特征并不局限于此，任何相关领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (10)

1.一种等离子体辅助氨水吸收燃煤烟气同时脱硫脱硝脱碳的装置，其特征在于，包括顺次设置在锅炉烟气流下游的降温洗涤塔、等离子体反应器、吸收塔和烟囱，所述吸收塔的塔釜浆液入口外接氨水罐、塔釜浆液出口接入所述降温洗涤塔内的喷淋装置。
2.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述等离子体反应器包括：
壳体，所述壳体内沿烟气流向分为介质阻挡反应段和电晕放电反应段；
设于所述介质阻挡反应段内的至少两个介质阻挡单元，相邻介质阻挡单元之间为烟气通道；
以及设于所述电晕放电反应段内的电晕放电单元。
3.根据权利要求2所述装置，其特征在于，所述介质阻挡单元包括相互平行的的至少两块介质阻挡板。
4.根据权利要求3所述装置，其特征在于，所述电晕放电单元包括相互平行布置的若干块极板和分布于相邻极板之间的若干根极线，相邻极板之间为烟气通道，所述烟气通道的进、出口端均设置多孔气流分布板，所述若干块极板与所述介质阻挡板相互垂直布置，相邻极板之间的间距为100～200mm。
5.根据权利要求4所述装置，其特征在于，所述壳体为卧式壳体，所述介质阻挡板水平布置，所述电晕放电单元的极板竖直布置且与气流方向一致。
6.根据权利要求3所述装置，其特征在于，同一介质阻挡单元内相邻介质阻挡板之间的间距为2～5mm；介质阻挡板包括玻璃钢板和覆盖在玻璃钢板表面且厚度为0.1～0.2mm的不锈钢板。
7.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述吸收塔内由下至上依次为浆液池、若干层第一喷淋层、填料层、第二喷淋层，每个第一喷淋层的下方对应设置一个扰流层，烟气入口位于浆液池与第一喷淋层之间、且外接等离子体反应器的烟气出口，烟气出口位于第二喷淋层上方。
8.根据权利要求7所述装置，其特征在于，所述扰流层为管框式结构，包括边框、水平布置的横管和竖直布置的竖管，所述横管与竖管之间互不嵌入，所述横管和竖管的端头与边框的连接处均滑动配合。
9.根据权利要求7所述装置，其特征在于，所述填料层的填料为折流式六边形结构，包括位于上、下表面的六边形和连接上下表面六边形的折流管道。
10.一种等离子体辅助氨水吸收燃煤烟气同时脱硫脱硝脱碳的方法，其特征在于，包括如下步骤：
锅炉产生的烟气经静电或布袋除尘后依次通过降温洗涤塔、等离子体反应器、吸收塔处理后由烟囱排除；
在降温洗涤塔内，喷淋层设置1～2层，烟气流速5～8m/s，采用的液气比为2～5L/m3，烟气中50％以上的SO2被脱除，烟气温度降低至100℃以下，同时烟气的显热将来自吸收塔底部的吸收产物铵盐浓缩，再将浓缩后的吸收产物铵盐送至后续的结晶单元处理；
在等离子体反应器内，介质阻挡部分加入10～20kV的交流高压电，在电晕放电部分加上30～40kV的直流高压电，烟气中的70～80％NO被氧化成NO2、HNO2和HNO3；
在吸收塔内，烟气自下而上逆向接触吸收液，喷淋层部分设置2～3层，采用氨水作为吸收剂，吸收液pH值8.5～9；喷淋部分的烟气流速3～4m/s，液气比控制在8～12L/m3；填料层部分液气比5～10L/m3，烟气停留时间控制在2～3s。
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