CN107029546A - 基于碱性吸收剂细小颗粒的so3脱除系统及其脱除方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及烟气脱SO3系统技术领域，公开了一种基于碱性吸收剂细小颗粒的SO3脱除系统及其脱除方法。本发明空气加热器进气口与风机连通、出气口通过管道与尿素热解炉的进气口连通；尿素热解炉的进气口下方均匀设置有混合溶液喷枪，混合溶液喷枪通过输送泵与溶液储罐连接；溶液储罐内的混合溶液为尿素与碱性吸收剂；热解气管道另一端通过喷氨管与燃煤烟气烟道连接；喷氨管的出气口下方倾斜设置有涡流混合器，燃煤烟气烟道的进气口与省煤器的烟气出口连接、出气口与SCR反应器连接。本发明提高能源利用率、碱性吸收剂颗粒粒径细小、不需要外加设备、运行成本低。
Description
技术领域
本发明涉及烟气脱SO3系统技术领域，特别是涉及一种基于碱性吸收剂细小颗粒的SO3脱除系统及其脱除方法。
背景技术
煤炭燃烧产生的烟气中含有一定浓度的SO2和SO3，其中SO2是煤炭在锅炉中燃烧产生，浓度为1500～18000mg/m3，主要集中在3000～6000mg/m3；而SO3来源于两部分，一部分是在锅炉内直接燃烧产生，浓度约占SO2浓度的0.5％-1.5％；另一部分是SO2经过SCR脱硝反应器后被氧化成SO3，这部分的转化率约占SO2浓度的0.5％-1.5％。因此，在SCR反应器出口烟气中SO3浓度约占SO2浓度的1％-3％。
在通常的湿法脱硫过程中，只有一少部分SO3能被脱除，大部分还是被直接排入大气中， SO3的大气排放目前尚未制定统一的排放标准，由于SO3在烟气中主要以气溶胶的形式存在，造成烟囱最终排放“蓝烟”、“烟羽拖尾”现象；SO3会加重雾霾和温室效应；而且SCR脱硝过程中未反应的氨与SO3反应会生成硫酸氢铵，硫酸氢铵极易附着在空预器表面，吸附飞灰，造成空预器的压降增大，排烟温度升高，机组效率下降，运行成本增加，这种现象在负荷较低时尤为显著，即便在高负荷下由于氨逃逸以及部分SO2催化转化为SO3，同样会生成硫酸氢铵，长期运行积累也会危及空预器正常运行。此外，SO3在空预器的低温段造成烟气中酸露点升高，空预器的低温腐蚀严重，在SCR运行条件下，设备寿命下降。
目前，烟气中SO3的控制技术有：燃用低硫煤、混煤，使用低低温电除尘器，采用湿式静电除尘器，炉内或炉后喷碱性吸收剂等。使用低硫煤、混煤简单、直接，但是提高运行成本。使用低低温电除尘器或湿式静电除尘器对SO3的脱除率高，但由于处于环保岛的末端，无法解决空预器积灰、腐蚀、堵塞等问题，不能降低空预器出口烟气温度，锅炉热效率低，投资成本高。
向炉内喷射碱性吸收剂，如Mg(OH)2，浆液迅速蒸发变成MgO颗粒，然后与SO3反应生成MgSO4，可有效脱除燃烧过程中产生的SO3，降低SCR反应器入口烟气中SO3的浓度，但是锅炉内的温度较高，有700-1000℃，技术控制上难度较大，碱性吸收剂在进入锅炉内时瞬时蒸发成细小颗粒，分散效果差，对烟气中SO3的脱除效率不高，造成碱性吸收剂的消耗量较大，运行成本较高，而且对SCR中产生的SO3的脱除效率相对较低。
在炉后烟气中喷入碱性吸收剂，如MgO、NaHSO3、Na2CO3、天然碱等，若直接喷入碱性吸收剂颗粒，颗粒较大，利用效率不高；若雾化后干燥为细小颗粒，需额外增加配套的干燥设备，提高运行成本；且喷入位置一般在省煤器或SCR与空气预热器之间，可有效降低SO3的浓度，但是碱性吸收剂的喷射量较高，而钙基的吸收剂会增加飞灰的比电阻，会降低电除尘器的效率；在空预器后喷入碱性吸收剂则不能避免空预器的积灰、腐蚀和堵塞问题，空预器出口的烟气温度较高，锅炉的热效率低下。
发明内容
本发明提供一种提高能源利用率、碱性吸收剂颗粒粒径细小、SO3脱出效率高、不需要额外增加设备、运行成本低的基于碱性吸收剂细小颗粒的SO3脱除系统。
解决的技术问题是：现有脱除烟气中SO3的方法，或运行成本高，或无法避免空预器的积灰、腐蚀和堵塞问题，或碱性吸收剂的利用率低下，或碱性吸收剂颗粒分散均匀性差。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明基于碱性吸收剂细小颗粒的SO3脱除系统，包括空气加热器、尿素热解炉、混合溶液喷枪和涡流混合器；所述空气加热器的进气口与风机连通、出气口通过管道与尿素热解炉的进气口连通；尿素热解炉的进气口下方均匀设置有混合溶液喷枪，混合溶液喷枪通过输送泵与溶液储罐连接，溶液储罐内的混合溶液为尿素和碱性吸收剂；所述尿素热解炉的出气口与热解气管道连接，所述热解气管道另一端通过喷氨管与燃煤烟道连接，所述喷氨管的喷射方向与烟气流动方向相反；喷氨管的出气口下方倾斜设置有涡流混合器，燃煤烟道的进气口与省煤器的烟气出口连接、出气口与SCR反应器连接。
本发明基于碱性吸收剂细小颗粒的SO3脱除系统，进一步的，所述混合溶液中尿素的质量浓度为30-52％，碱性吸收剂的质量浓度为0.5-8％。
本发明基于碱性吸收剂细小颗粒的SO3脱除系统，进一步的，所述混合溶液的喷射量为 300-3000L/h；其中控制尿素的喷射量为烟气中NOX的0.4～0.6倍摩尔量，碱性吸收剂的喷射量为烟气中SO3摩尔量的1～5倍。
本发明基于碱性吸收剂细小颗粒的SO3脱除系统，进一步的，所述混合溶液的喷射方向与热空气的流动方向一致。
本发明基于碱性吸收剂细小颗粒的SO3脱除系统，进一步的，所述涡流混合器与烟气流动方向的夹角为30-40°；所述涡流混合器固定在燃煤烟道的内侧壁上。
本发明基于碱性吸收剂细小颗粒的SO3脱除系统，进一步的，所述SCR反应器的出气口依次与空气预热器和除尘器连接。
本发明基于碱性吸收剂细小颗粒的SO3脱除系统的脱除方法，包括以下步骤：
步骤一、空气加热：空气经过加热，温度升至600-650℃；
步骤二、尿素热解和吸收剂干燥：高温空气进入尿素热解炉，与喷入的尿素与碱性吸收剂的混合溶液的雾化液滴接触，雾化液滴瞬时蒸发干燥为细小颗粒，尿素颗粒发生热解，生成NH3、HNCO和CO2；
步骤三、SO3脱除：步骤二所得细小颗粒均匀分散后先后与锅炉内直接燃烧产生以及SCR 反应器内二次转化生成的SO3反应生成硫酸盐颗粒；混合溶液的喷射量为300-3000L/h；
步骤四、除尘：经过SCR反应器处理的烟气经过除尘器过滤去除其中的硫酸盐颗粒，然后进入后续的净化处理。
本发明基于碱性吸收剂细小颗粒的SO3脱除系统的脱除方法，进一步的，步骤二中混合溶液中尿素的质量浓度为30-52％，碱性吸收剂的质量浓度为0.5-8％。
本发明基于碱性吸收剂细小颗粒的SO3脱除系统的脱除方法，进一步的，步骤二中控制尿素的喷射量为烟气中NOX的0.4～0.6倍摩尔量，碱性吸收剂的喷射量为烟气中SO3摩尔量的 1～5倍。
本发明基于碱性吸收剂细小颗粒的SO3脱除系统的脱除方法，进一步的，步骤二中所述碱性吸收剂为碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾和碳酸氢钾中的一种或几种。
本发明基于碱性吸收剂细小颗粒的SO3脱除系统及其脱除方法与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明基于碱性吸收剂细小颗粒的SO3脱除系统在尿素热解同时引入了碱性吸收剂溶液的雾化蒸发装置，利用热空气实现了尿素热解与碱性吸收剂溶液蒸发同时进行，不仅避免了配备附加的碱性吸收剂溶液输送、雾化蒸干设备和能源装置，简化了系统的构成，减少了能源的浪费，提高了能源利用率，降低了系统的运行成本；而且在尿素热解的同时能够使碱性吸收剂颗粒发生崩裂形成更多的小颗粒，制得粒径不超过40μm的碱性吸收剂细小颗粒，同时能够使碱性吸收剂颗粒变成多孔吸收剂，增大了颗粒吸收剂的比表面积，提高了吸收剂的利用效率。本发明将碱性吸收剂细小颗粒喷入SCR反应器之前的燃煤烟道中，并利用烟道内的涡流混合器，提高了吸收剂细小颗粒的分散性，大大提高了SO3的脱除效率。
本发明基于碱性吸收剂细小颗粒的SO3脱除系统的脱除方法，在SCR反应器前的烟道中喷入碱性吸收剂细小颗粒，针对不同产生途径的SO3分别予以脱除，在燃煤烟道内，碱性吸收剂细小颗粒与烟气直接接触，与煤炭燃烧直接产生的SO3发生反应，生成对环境和系统无危害的硫酸盐固体颗粒，最终由除尘器捕集；降低了环境负担，同时减少SO3对脱硝SCR催化剂和空气预热器的影响。然后控制喷入烟气中的碱性吸收剂细小颗粒的量，使其与烟气中的SO3充分反应后仍有适量的碱性吸收剂细小颗粒，随烟气一同进入SCR反应器，可及时将在反应器中由SO2转化再次生成的SO3脱除，使得SCR反应器出口处的SO3浓度低于5ppm。将SO3分步脱除，提高了SO3的脱除率，降低了碱性吸收剂细小颗粒的喷射量，运行成本较低，更加经济环保。
下面结合附图对本发明的基于碱性吸收剂细小颗粒的SO3脱除系统及其脱除方法作进一步说明。
附图说明
图1为本发明基于碱性吸收剂细小颗粒的SO3脱除系统的结构示意图。
附图标记：
1-空气加热器；11-风机；2-尿素热解炉；3-混合溶液喷枪；31-输送泵；32- 溶液储罐；41-热解气管道；42-喷氨管；43-燃煤烟道；5-涡流混合器；61-锅炉； 62-省煤器；63-SCR反应器；64-空气预热器；65-除尘器。
具体实施方式
如图1所示，本发明基于碱性吸收剂细小颗粒的SO3脱除系统包括空气加热器1、尿素热解炉2、混合溶液喷枪3和涡流混合器5；空气加热器1的进气口与风机11连通、出气口通过管道与尿素热解炉2的进气口连通；尿素热解炉2 的进气口下方均匀设置有混合溶液喷枪3，混合溶液喷枪3的进液口通过输送泵 31与溶液储罐32连接，溶液储罐32内的混合溶液为尿素与碱性吸收剂，混合溶液中尿素的质量浓度为30-52％，碱性吸收剂的质量浓度为0.5-8％；混合溶液的喷射方向与热空气的流动方向一致或垂直热空气的流动方向；尿素热解炉2 的出气口与热解气管道41连接，热解气管道41另一端通过喷氨管42与燃煤烟道43连接，喷氨管42的喷射方向与烟气流动方向相反；燃煤烟道43的内侧壁上设置有涡流混合器5，涡流混合器5倾斜设置在喷氨管42的出气口下方与烟气流动方向的夹角为30-40°；燃煤烟道43的进气口与锅炉61后的省煤器62 的烟气出口连接、出气口依次与SCR反应器63、空气预热器64和除尘器65连接。
应用实施例
按照以下脱除方法控制SO3脱除系统，具体包括以下步骤：
步骤一、空气加热：空气经过加热，温度升至600-650℃；
步骤二、尿素热解和吸收剂干燥：高温空气进入尿素热解炉2，与喷入的尿素溶液与碱性吸收剂溶液的混合溶液的雾化液滴接触，混合溶液瞬时蒸发干燥为细小颗粒，颗粒温度继续升高，尿素颗粒发生热解，生成大量的NH3、HNCO 和CO2，同时碱性吸收剂颗粒被崩裂、变成多孔介质；形成的碱性吸收剂细小颗粒的粒径不大于40μm；部分碱性吸收剂与尿素发生化学反应，生成二氧化碳、氨气、水和异氰酸盐细小颗粒；高温空气在尿素热解炉2内的流速控制为0.8-2m/s；混合溶液中尿素的质量浓度为30-52％，碱性吸收剂的质量浓度为0.5-8％；混合溶液的喷射量为300-3000L/h；其中控制尿素喷射量为烟气中NOX的0.4～0.6倍摩尔量，碱性吸收剂的喷射量为烟气中SO3摩尔量的1～5倍；碱性吸收剂为碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾和碳酸氢钾中的一种或几种；各实施例的具体取值如表1所示；
步骤三、SO3脱除：步骤二所得细小颗粒均匀分散后先后与锅炉61内直接燃烧产生以及SCR反应器63内二次转化生成的SO3反应生成硫酸盐颗粒；
步骤四、除尘：经过SCR反应器63处理的烟气经过除尘器65过滤取出其中的硫酸盐颗粒，然后进入后续的净化处理。
同时设置空白对照组，空白对照组中在溶液储罐中只添加了单独的尿素溶液，没有混入碱性吸收剂，其余参数和方法均与应用实施例相同。
表1 各应用实施例参数控制
| 项目 | 空白 | 应用1 | 应用2 | 应用3 |
| 混合溶液喷射量 | 600 | 300 | 600 | 3000 |
| 尿素溶液浓度％ | 45 | 52 | 48 | 30 |
| 碱性吸收剂的种类 | - | 碳酸钠 | 碳酸钠和碳酸氢钠 | 碳酸氢钾 |
| 碱性吸收剂的浓度％ | - | 5 | 8 | 0.5 |
上述各应用实施例，待系统工作稳定后，对SCR出口的烟气SO3浓度进行测量：
测量的具体结果如表2所示。
表2 SO3浓度测量结果
由表2可知，未喷射碱性吸收剂时SCR反应器出口处的SO3浓度为16.3 ppm，喷射碱性吸收剂的SCR反应器出口处的SO3浓度大幅度降低，SO3的脱除效率可达85％以上。可见，在SCR反应前喷入吸收剂，可有效的脱除烟气中的 SO3，将SCR出口处的SO3浓度控制在5ppm以内；将尿素与碱性吸收剂溶液混合后一起喷入热解炉内，混合溶液的细小雾滴瞬间蒸发干燥为细小颗粒，颗粒温度继续升高，尿素颗粒发生热解，生成大量的NH3、HNCO和CO2；同时碱性吸收剂充分利用了尿素热解时的热量，瞬间干燥的碱性吸收剂颗粒在高温下，被崩裂、变成多孔介质，被分散均匀后进入烟道，与烟气中的SO3和水蒸气反应，生成无危害的硫酸盐固体颗粒；颗粒的多孔结构增大了碱性吸收剂与烟气中的SO3的接触面积，提高了SO3的脱除效率；并且无需设计额外的碱液喷射系统，简化了系统结构，降低了生产和运行成本。
对比实施例1
以本发明上述应用实施例1为对照组，设置2个试验组，试验1组将混合溶液喷枪设置在锅炉内，其余组件设置与参数控制均与对照组相同；试验2组将混合溶液喷枪设置在SCR反应器的入口处，经过雾滴干燥装置后，直接喷入烟道内，其余参数控制均与对照组相同。
试验1组、试验2组也按照上述应用实施例中，对SCR反应器出口处的SO3浓度进行测量，并对相关设备进行观察和检修，具体的试验结果如表3所示。
表3 对比实施例的试验结果
| 项目 | 对照组2 | 试验1组 | 试验2组 |
| 混合溶液的喷射量 | 300 | 300 | 300 |
| SO3浓度ppm | 3.7 | 8.2 | 7.3 |
| 使用后喷枪状态 | 无堵塞 | 喷嘴有堵塞 | 无堵塞 |
由表3可知，试验1组在锅炉内喷射碱性吸收剂溶液，由于炉内温度高达 1000℃左右，混合溶液瞬时蒸干变成细小颗粒，容易堵塞喷嘴，造成脱除处理中断，脱除效果不易控制，此外锅炉横截面积大，吸收剂颗粒分散均匀性差，对 SO3的脱除效率低。
试验2组在SCR反应器的入口喷入混合溶液，经过雾滴干燥装置后直接进入SCR反应器，SO3的去除率低于对照组，吸收剂颗粒未经过涡流混合器直接喷入SCR反应器，形成的吸收剂颗粒分散性较差，而且装置需要配备额外的雾滴干燥装置，增加了系统的运行成本和能源消耗，造成了资源的浪费。
与试验组相比，本发明所示的脱除系统和方法，将尿素与碱性吸收剂溶液混合后一起喷入热解炉内，形成的碱性吸收剂颗粒经过涡流混合器分散后进入SCR 反应器，分散效果好，提高了SO3的脱除率，高达85％以上；无需配备任何额外的雾化或喷射设备，降低了系统的运行成本。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.基于碱性吸收剂细小颗粒的SO3脱除系统，其特征在于：包括空气加热器(1)、尿素热解炉(2)、混合溶液喷枪(3)和涡流混合器(5)；所述空气加热器(1)的进气口与风机(11)连通、出气口通过管道与尿素热解炉(2)的进气口连通；尿素热解炉(2)的进气口下方均匀设置有混合溶液喷枪(3)，混合溶液喷枪(3)通过输送泵(31)与溶液储罐(32)连接，溶液储罐(32)内的混合溶液为尿素和碱性吸收剂；所述尿素热解炉(2)的出气口与热解气管道(41)连接，所述热解气管道(41)另一端通过喷氨管(42)与燃煤烟道(43)连接，所述喷氨管(42)的喷射方向与烟气流动方向相反；喷氨管(42)的出气口下方倾斜设置有涡流混合器(5)，燃煤烟道(43)的进气口与锅炉(61)后省煤器(62)的烟气出口连接、出气口与SCR反应器(63)连接。
2.根据权利要求1所述的基于碱性吸收剂细小颗粒的SO3脱除系统，其特征在于：所述混合溶液中尿素的质量浓度为30-52％，碱性吸收剂的质量浓度为0.5-8％。
3.根据权利要求2所述的基于碱性吸收剂细小颗粒的SO3脱除系统，其特征在于：所述混合溶液的喷射量为300-3000L/h；其中控制尿素的喷射量为烟气中NOX的0.4～0.6倍摩尔量，碱性吸收剂的喷射量为烟气中SO3摩尔量的1～5倍。
4.根据权利要求1所述的基于碱性吸收剂细小颗粒的SO3脱除系统，其特征在于：所述混合溶液的喷射方向与热空气的流动方向一致。
5.根据权利要求1所述的基于碱性吸收剂细小颗粒的SO3脱除系统，其特征在于：所述涡流混合器(5)与烟气流动方向的夹角为30-40°；所述涡流混合器(5)固定在燃煤烟道(43)的内侧壁上。
6.根据权利要求1所述的基于碱性吸收剂细小颗粒的SO3脱除系统，其特征在于：所述SCR反应器(63)的出气口依次与空气预热器(64)和除尘器(65)连接。
7.权利要求1-6任意一项所述的基于碱性吸收剂细小颗粒的SO3脱除系统的脱除方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、空气加热：空气经过加热，温度升至600-650℃；
步骤二、尿素热解和吸收剂干燥：高温空气进入尿素热解炉(2)，与喷入的尿素与碱性吸收剂的混合溶液的雾化液滴接触，雾化液滴瞬时蒸发干燥为细小颗粒，尿素颗粒发生热解，生成NH3、HNCO和CO2；
步骤三、SO3脱除：步骤二所得细小颗粒均匀分散后先后与锅炉(61)内直接燃烧产生以及SCR反应器(63)内二次转化生成的SO3反应生成硫酸盐颗粒；混合溶液的喷射量为300-3000L/h；
步骤四、除尘：经过SCR反应器(63)处理的烟气经过除尘器(65)过滤去除其中的硫酸盐颗粒，然后进入后续的净化处理。
8.根据权利要求7所述的基于碱性吸收剂细小颗粒的SO3脱除系统的脱除方法，其特征在于：步骤二中混合溶液中尿素的质量浓度为30-52％，碱性吸收剂的质量浓度为0.5-8％。
9.根据权利要求8所述的基于碱性吸收剂细小颗粒的SO3脱除系统的脱除方法，其特征在于：步骤二中控制尿素的喷射量为烟气中NOX的0.4～0.6倍摩尔量，碱性吸收剂的喷射量为烟气中SO3摩尔量的1～5倍。
10.根据权利要求9所述的基于碱性吸收剂细小颗粒的SO3脱除系统的脱除方法，其特征在于：步骤二中所述碱性吸收剂为碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾和碳酸氢钾中的一种或几种。
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