CN107158902A - 燃煤烟气中so3的前端脱除系统及其脱除方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及烟气脱硫系统技术领域，公开了一种燃煤烟气中SO3的前端脱除系统及其脱除方法。本发明空气加热器的进气口与风机连通、出气口通过管道与热解炉的进气口连通；热解炉的进气口下方均匀设置有尿素喷枪、出气口与氰酸分解反应器的进气口连接，氰酸分解反应器内装有金属氧化物催化剂，氰酸分解反应器的出气口与热解气管道连接；热解气管道内设置有碱性吸收剂喷枪，碱性吸收剂喷枪的喷射方向与热解气管道内气流方向的夹角为0‑180°；热解气管道另一端通过喷氨管与燃煤烟道连接；喷氨管的出气口下方倾斜设置有涡流混合器。本发明吸收剂利用率高、运行成本低、提高能源利用率。

Description

燃煤烟气中S O3的前端脱除系统及其脱除方法
技术领域
本发明涉及烟气脱硫系统技术领域，特别是涉及一种燃煤烟气中SO3的前端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
本发明提供一种碱性吸收剂利用率高、运行成本低、提高能源利用率、SO3脱除率高的燃煤烟气中SO3的前端脱除系统。
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：
本发明燃煤烟气中SO3的前端脱除系统，包括空气加热器、热解炉、尿素喷枪、碱性吸收剂喷枪、涡流混合器和氰酸分解反应器；所述空气加热器的进气口与风机连通、出气口通过管道与热解炉的进气口连通；热解炉的进气口下方均匀设置有尿素喷枪、出气口与氰酸分解反应器的进气口连接，氰酸分解反应器内装有金属氧化物催化剂，氰酸分解反应器的出气口与热解气管道连接；所述热解气管道内设置有碱性吸收剂喷枪，所述碱性吸收剂喷枪的喷射方向与热解气管道内气流方向的夹角为0-180°；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锅炉后省煤器的烟气出口连接、出气口依次与SCR反应器、空气预热器和除尘器连接。
本发明燃煤烟气中SO3的前端脱除系统，进一步的，所述尿素喷枪的进液口通过尿素输送泵与尿素溶液储罐连接；所述碱性吸收剂喷枪通过碱液输送泵与碱性吸收剂溶液储罐连接。
本发明燃煤烟气中SO3的前端脱除系统，进一步的，所述碱性吸收剂喷枪的数量为1-10 个，每个碱性吸收剂喷枪上带有1-10个喷嘴，碱性吸收剂喷枪沿热解气管道延伸方向并排设置。
本发明燃煤烟气中SO3的前端脱除系统，进一步的，所述金属氧化物催化剂为蜂窝状 SCR脱硝催化剂或波纹板式SCR脱硝催化剂。
本发明燃煤烟气中SO3的前端脱除系统，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。
本发明燃煤烟气中SO3的前端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：高温空气进入热解炉，与喷入的尿素溶液接触，尿素溶液发生热解，生成NH3、HNCO和CO2；
步骤三、异氰酸分解：尿素热解产物经过金属氧化物催化剂，HNCO分解为NH3和CO2；
步骤四、吸收剂干燥：碱性吸收剂溶液雾化为细小液滴后，与含有尿素二次热解产物的热气体接触，碱性吸收剂液滴瞬时蒸发干燥为细小颗粒，细小颗粒的平均粒径不大于50 μm；碱性吸收剂溶液浓度为5％～25％，碱性吸收剂的喷射量为烟气中SO3摩尔量的1～5倍；
步骤五、SO3一次脱除：步骤四所得细小颗粒均匀分散后与锅炉内直接燃烧产生的SO3和水蒸气反应生成硫酸盐颗粒；
步骤六、SO3二次脱除：步骤五中生成的硫酸盐颗粒与剩余的碱性吸收剂细小颗粒随烟气进入SCR反应器进行烟气脱硝，脱硝过程中再次生成的SO3直接与剩余的碱性吸收剂细小颗粒反应，生成硫酸盐颗粒；
步骤七、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。
本发明燃煤烟气中SO3的前端脱除系统的脱除方法，进一步的，所述步骤二中尿素溶液的浓度为30-52％，尿素喷射量为烟气中NOX的0.4～0.6倍摩尔量。
本发明燃煤烟气中SO3的前端脱除系统的脱除方法，进一步的，所述步骤三中金属氧化物催化剂为蜂窝状SCR脱硝催化剂或波纹板式SCR脱硝催化剂。
本发明燃煤烟气中SO3的前端脱除系统的脱除方法，进一步的，步骤四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。
本发明燃煤烟气中SO3的前端脱除系统的脱除方法，进一步的，步骤四中所述碱性吸收剂溶液的浓度为1-30％。
本发明燃煤烟气中SO3的前端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：
本发明燃煤烟气中SO3的前端脱除系统在尿素热解系统后引入了碱性吸收剂溶液的雾化蒸发装置，利用尿素热解余热实现了吸收剂细小颗粒的制备，避免了配备附加的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。本发明采用热解炉与氰酸分解反应器相结合进行尿素热解，使尿素彻底分解为 NH3和CO2，降低异氰酸对碱性吸收剂的消耗，提高碱性吸收剂的利用效率，降低运行成本。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，并在烟道内设置了涡流混合器，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。
本发明燃煤烟气中SO3的前端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5 ppm。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燃煤烟气中SO3的前端脱除系统及其脱除方法作进一步说明。
附图说明
图1为本发明燃煤烟气中SO3的前端脱除系统的结构示意图。
附图标记：
1-空气加热器；11-风机；2-热解炉；3-尿素喷枪；31-尿素输送泵；32-尿素溶液储罐； 41-热解气管道；42-喷氨管；43-燃煤烟道；5-碱性吸收剂喷枪；51-碱液输送泵；52-碱性吸收剂溶液储罐；6-涡流混合器；71-锅炉；72-省煤器；73-SCR反应器；74-空气预热器；75- 除尘器；8-氰酸分解反应器。
具体实施方式
如图1所示，本发明燃煤烟气中SO3的前端脱除系统包括空气加热器1、热解炉2、尿素喷枪3、碱性吸收剂喷枪5、涡流混合器6和氰酸分解反应器8；空气加热器1的进气口与风机11连通、出气口通过管道与热解炉2的进气口连通；热解炉2的进气口下方均匀设置有尿素喷枪3，尿素喷枪3的进液口通过尿素输送泵31与尿素溶液储罐32连接，尿素喷枪3的喷射方向与热空气的流动方向一致；热解炉2的出气口与氰酸分解反应器8的进气口连接，氰酸分解反应器8内装有金属氧化物催化剂，可与氰酸和水蒸气反应生成氨气和二氧化碳，金属氧化物催化剂为蜂窝状SCR脱硝催化剂或波纹板式SCR脱硝催化剂；氰酸分解反应器8的出气口与热解气管道41连接，热解气管道41内设置有碱性吸收剂喷枪5，碱性吸收剂喷枪5通过碱液输送泵51与碱性吸收剂溶液储罐52连接，碱性吸收剂喷枪5的数量为1-10个、每个喷枪上带有1-10个喷嘴、喷枪沿热解气管道41延伸方向并排设置，碱性吸收剂喷枪5的喷射方向与热解气管道41内气流方向的夹角为0-180°；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6，涡流混合器6倾斜设置在喷氨管42的出气口下方，涡流混合器6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71后省煤器 72的烟气出口连接、出气口依次与SCR反应器73、空气预热器74和除尘器75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：高温空气进入热解炉2，与喷入的尿素溶液接触，尿素溶液发生热解，生成NH3、HNCO和CO2；尿素溶液的浓度为30-52％，尿素喷射量为烟气中NOX的 0.4～0.6倍摩尔量，高温空气在热解炉2内的流速控制为0.8-2m/s；各实施例的具体取值如表 1所示；
步骤三、异氰酸分解：尿素热解产物经过金属氧化物催化剂，HNCO分解为NH3和CO2；其中，金属氧化物催化剂为蜂窝状SCR脱硝催化剂或波纹板式SCR脱硝催化剂；
步骤四、吸收剂干燥：碱性吸收剂溶液经过碱性吸收剂喷枪5雾化为粒径小于100μm 的细小液滴，与350-450℃的含有尿素二次热解产物的热气体接触，碱性吸收剂液滴瞬时蒸发干燥为细小颗粒，细小颗粒的平均粒径不大于50μm；碱性吸收剂溶液浓度为5％～25％，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；
步骤五、SO3一次脱除：步骤四所得细小颗粒均匀分散后与锅炉71内直接燃烧产生的烟气中的SO3和水蒸气反应生成硫酸盐颗粒；
步骤六、SO3二次脱除：步骤五中生成的硫酸盐颗粒与剩余的碱性吸收剂细小颗粒随烟气进入SCR反应器进行烟气脱硝，脱硝过程中再次生成的SO3直接与剩余的碱性吸收剂细小颗粒反应，生成硫酸盐颗粒；
步骤七、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。
表1 各应用实施例参数控制
注：1、尿素喷射量为烟气中NOX的摩尔量的倍数；
2、碱性吸收剂喷射量为烟气中SO3的摩尔量的倍数。
上述各应用实施例，待系统工作稳定后，对SCR反应器出口处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
SO3浓度，ppm 应用1 应用2 应用3 应用4
吸收剂喷入前 18.4 19.2 17.5 18.8
吸收剂喷入后 3.3 4.8 2.6 1.7
由表2可知，喷入碱性吸收剂后，SCR反应器出口处的SO3浓度控制在5ppm以内，碱性吸收剂的细小颗粒对烟气中SO3的去除率高达75-91％。
对比实施例1
以本发明上述应用实施例4为对照组，设置2个试验组，试验1组将碱性吸收剂喷枪设置在锅炉内，其余组件设置与参数控制均与对照组相同；试验2组将碱性吸收剂喷枪设置在 SCR反应器的入口烟道内，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2的试验结果
项目 应用4 试验1组 试验2组
吸收剂喷入前SO3浓度，ppm 18.8 17.5 18.3
吸收剂喷入后SO3浓度，ppm 1.7 10.2 7.12
使用后喷枪状态 喷嘴无堵塞 喷嘴2h后出现堵塞 喷嘴无堵塞
由表3可知，试验1组在锅炉内喷射碱性吸收剂溶液，由于炉内温度高于1000℃，碱性吸收剂溶液在喷枪内蒸发结晶，逐渐堵塞喷嘴。由于锅炉内温度高、含氧量高SO2与吸收剂发生后快速氧化成硫酸盐导致吸收剂的利用效率下降，导致空预器入口前SO3的脱除率降低。
试验2组在SCR反应器的入口处喷入碱性吸收剂雾化液滴，SO3的去除率为61.1％，低于对照组应用4，这是由于烟道截面积较大，喷枪在烟道内无法使吸收剂均匀分布，而应用 4中由于利用了喷氨过程的涡流混合器使得吸收剂颗粒在烟道内的均布性增强，因此在相同的吸收剂的投入量时直接在烟道内喷入吸收剂对SO3的脱除率相对较低。
对比实施例2
以本发明上述应用实施例4为对照组，设置1个试验组，试验3组中，尿素经过热解炉后的一次热解产物直接接入热解气管道，不进行氰酸分解反应器的二次热解，其余设备配制与参数控制与应用实施例2相同，并按照上述应用实施例中，对SCR出口处的SO3浓度进行测量，具体的测量结果如表4所示。
表4 对比实施例2的测量结果
SO3浓度 应用2 试验3组
SO3浓度吸收剂喷入前，ppm 18.8 19.7
SO3浓度吸收剂喷入后，ppm 1.7 2.2
脱硝效率，％ 92 87
由表4可知，与应用例4相比，未经过氰酸分解反应器二次热解的试验3组，在使用相同的碱性吸收剂的喷射量的前提下，SO3脱除效率比对照组2略低；脱硝效率也比对照组2低5个百分点。由此可知，尿素热解产物经过氰酸分解反应器二次热解后，可有效降低碱性吸收剂对异氰酸的消耗，提高碱性吸收剂的利用效率，同时不影响脱硝效率。
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.燃煤烟气中SO3的前端脱除系统，其特征在于：包括空气加热器(1)、热解炉(2)、尿素喷枪(3)、碱性吸收剂喷枪(5)、涡流混合器(6)和氰酸分解反应器(8)；所述空气加热器(1)的进气口与风机(11)连通、出气口通过管道与热解炉(2)的进气口连通；热解炉(2)的进气口下方均匀设置有尿素喷枪(3)、出气口与氰酸分解反应器(8)的进气口连接，氰酸分解反应器(8)内装有金属氧化物催化剂，氰酸分解反应器(8)的出气口与热解气管道(41)连接；所述热解气管道(41)内设置有碱性吸收剂喷枪(5)，所述碱性吸收剂喷枪(5)的喷射方向与热解气管道(41)内气流方向的夹角为0-180°；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(6)，燃煤烟道(43)的进气口与锅炉(71)后省煤器(72)的烟气出口连接，出气口依次与SCR反应器(73)、空气预热器(74)和除尘器(75)连接。
2.根据权利要求1所述的燃煤烟气中SO3的前端脱除系统，其特征在于：所述尿素喷枪(3)的进液口通过尿素输送泵(31)与尿素溶液储罐(32)连接；所述碱性吸收剂喷枪(5)通过碱液输送泵(51)与碱性吸收剂溶液储罐(52)连接。
3.根据权利要求1所述的燃煤烟气中SO3的前端脱除系统，其特征在于：所述碱性吸收剂喷枪(5)的数量为1-10个，每个碱性吸收剂喷枪(5)上带有1-10个喷嘴，碱性吸收剂喷枪(5)沿热解气管道(41)延伸方向并排设置。
4.根据权利要求1所述的燃煤烟气中SO3的前端脱除系统，其特征在于：所述金属氧化物催化剂为蜂窝状SCR脱硝催化剂或波纹板式SCR脱硝催化剂。
5.根据权利要求1所述的燃煤烟气中SO3的前端脱除系统，其特征在于：所述涡流混合器(6)与烟气流动方向的夹角为30-40°；所述涡流混合器(6)固定在燃煤烟道(43)的内侧壁上。
6.权利要求1-5任意一项所述的燃煤烟气中SO3的前端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：高温空气进入热解炉(2)，与喷入的尿素溶液接触，尿素溶液发生热解，生成NH3、HNCO和CO2；
步骤三、异氰酸分解：尿素热解产物经过金属氧化物催化剂，HNCO分解为NH3和CO2；
步骤四、吸收剂干燥：碱性吸收剂溶液雾化为细小液滴后，与含有尿素二次热解产物的热气体接触，碱性吸收剂液滴瞬时蒸发干燥为细小颗粒，细小颗粒的平均粒径不大于50μm；碱性吸收剂溶液浓度为5％～25％，碱性吸收剂的喷射量为烟气中SO3摩尔量的1～5倍；
步骤五、SO3一次脱除：步骤四所得细小颗粒均匀分散后与锅炉(71)内直接燃烧产生的SO3和水蒸气反应生成硫酸盐颗粒；
步骤六、SO3二次脱除：步骤五中生成的硫酸盐颗粒与剩余的碱性吸收剂细小颗粒随烟气进入SCR反应器(73)进行烟气脱硝，脱硝过程中再次生成的SO3直接与剩余的碱性吸收剂细小颗粒反应，生成硫酸盐颗粒；
步骤七、除尘：经过SCR反应器(73)处理的烟气经过除尘器(75)过滤去除其中的硫酸盐颗粒，然后进入后续的净化处理。
7.根据权利要求6所述的燃煤烟气中SO3的前端脱除系统的脱除方法，其特征在于：步骤二中尿素溶液的浓度为30-52％，尿素喷射量为烟气中NOX的0.4～0.6倍摩尔量。
8.根据权利要求6所述的燃煤烟气中SO3的前端脱除系统的脱除方法，其特征在于：步骤三中金属氧化物催化剂为蜂窝状SCR脱硝催化剂或波纹板式SCR脱硝催化剂。
9.根据权利要求6所述的燃煤烟气中SO3的前端脱除系统的脱除方法，其特征在于：步骤四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。
10.根据权利要求6所述的燃煤烟气中SO3的前端脱除系统的脱除方法，其特征在于：步骤四中所述碱性吸收剂溶液的浓度为1-30％。
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