CN108404643A - 燃煤电站锅炉压缩空气雾化钙基浆液脱除so3的装置及方法 - Google Patents

燃煤电站锅炉压缩空气雾化钙基浆液脱除so3的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于燃煤锅炉烟气脱硫脱硝技术领域的燃煤电站锅炉压缩空气雾化钙基浆液脱除SO3的装置及方法。该装置在脱硝反应区与空气预热器之间设置雾化喷嘴，添加有醋酸钠、静电除尘器落下中飞灰的石灰石改性浆液在压缩空气的推动下，自混合加压加速器经雾化喷嘴雾化为20～40μm粒径的微雾，以高弥散性喷射到脱硝反应区和空气预热器之间的烟道内，进而高效脱除烟气中的SO3，实现了低成本、低能耗脱除烟气中SO3，且脱硫效率高达70％左右的技术效果。

Description

燃煤电站锅炉压缩空气雾化钙基浆液脱除SO3的装置及方法
技术领域
本发明属于燃煤锅炉烟气脱硫脱硝技术领域，特别涉及燃煤电站锅炉压缩空气雾化钙基浆液脱除SO3的装置及方法。
背景技术
燃煤电厂运行过程中，烟气中会有少量的SO3生成，煤中所含硫的多少对SO3的浓度有一定的影响，低含硫煤的SO3可以是很少的10-6量级，而高含硫煤可使SO3达到30～40μL/L甚至更高。随着环保标准的日益严格，燃煤电站锅炉配备了选择性催化剂(SCR)烟气脱硝、除尘(静电除尘/布袋除尘)、湿法烟气脱硫(WFGD)等污染物控制设施，对燃煤过程中产生的NOx、烟尘、SO2等常规污染物进行了有效的脱除。
但是，煤燃烧过程中生成的SO2约0.5％～2％的SO2被进一步氧化为SO3，炉膛火焰温度越高，烟气在高温区的停留时间越长，SO3的生成量就越多。
在省煤器区域(427～593℃)，当烟气经过对流受热面时，烟气中的飞灰或受热面上的积灰中，氧化铁、氧化硅、氧化铝、氧化钠等对SO2都有一定的催化作用；在430～620℃的温度范围内，V2O5会催化SO2生成SO3，在590℃左右，Fe2O3也可对SO2的氧化产生催化作用。
当烟气经过SCR装置时，会不可避免地催化SO2生成SO3，一般工程中，SO2的转化率为0.6％～3％。随着SCR运行温度的升高，催化剂对SO2的氧化率升高，SO3一方面会与烟气中NH3反应生成硫酸铵，当温度低于硫酸铵的分解温度时，硫酸铵会沉积在催化表面，降低催化剂的表面积，覆盖SCR反应的活性位，从而导致催化剂失活。烟气离开脱硝反应器进入空预器后在烟温较低的空预器冷端，SO3易生成气态的H2SO4，加速与SCR逃逸的氨发生如下反应：
2NH3+H2SO4→(NH4)2SO4
NH3+H2SO4→NH4HSO4
生成凝结成块的硫酸铵和硫酸氢铵，通常硫酸铵和硫酸氢铵的凝结也是发生在空气预热器的冷端受热面，生成一种不易清理的黏稠液体，会加剧腐蚀和堵塞，影响设备的正常持续运行。
对于采用WFGD和SCR装置的电厂中，如果不加任何处理措施，烟气中便会形成粒径很小的硫酸酸雾气溶胶，这些气溶胶排入大气时，会对光线产生散射作用，呈现蓝羽现象，增加排烟的不透明度。
目前，烟气中SO3的控制技术有待开发，在我国燃煤电站中广泛使用的脱硫技术是以石灰石-石膏法为主的湿法烟气脱硫技术，但是在炉膛出口处，烟气温度降低至137～160℃时，大多SO3以气态硫酸的形态存在，在WFGD中，烟气急剧冷却，气态硫酸经历了骤凝过程转变为硫酸气溶胶，由于硫酸气溶胶粒径太小而不能被WFGD有效的脱除，以硫酸酸雾的形态排放到大气中，脱硫系统后段烟温低于酸露点后，未被脱除的硫酸气溶胶会部分凝结下来，造成烟囱的低温腐蚀，传统的WFGD系统对SO3的脱除效率仅为30％左右。
低低温电除尘技术是指在电除尘器上游设置热回收装置，使得电除尘器的入口烟气温度降低至酸露点温度90℃左右，烟气量减少，粉尘性质得到改善，从而提高了除尘器性能。烟气中的SO3与水蒸汽结合形成硫酸雾，此时由于未采取除尘措施，SO3被飞灰颗粒吸附后被电除尘器捕捉并随粉尘一起排出，SO3的去除率通常可达90％以上。但是由于烟气温度在酸露点以下，粉尘性质发生了很大的改变，比电阻大幅度降低，这有利于粉尘收集，但相应的粉尘附着力也会降低，振打二次扬尘会加剧，而且还需要对尾部烟道和现有的电除尘进行改造，投资巨大。
湿式静电除尘器(WESP)是直接将水通过喷嘴喷向放电极与电晕区，由于水的比电阻相对较小，水滴在电晕区与粉尘结合后，使得高比电阻粉尘的比电阻下降。在直流高电压的作用下水雾荷电分裂并进进一步雾化。电场力、荷电水雾通过碰撞拦截、吸附凝并，捕集粉尘粒子，粉尘粒子在电场力的驱动下到达集尘极，而喷在集尘极表面的水雾形成连续水膜，流动的水将捕获的微细颗粒物冲刷到灰斗中随水排出，SO3的脱除效率达95％以上。但是由于WESP没有批量生产，单个产品的技术成本较高，同时运行过程中除了除尘器本体消耗的电量外，辅助的循环水泵等还将消耗部分电量，冲洗水中添加的NaOH溶液也将提高一部分运行成本，设备的维护也增加了额外费用，因此WESP的总运行成本也将略高于干式除尘器，而且WESP是安装在WFGD装置之后，无法缓解WFGD前的设备如空预器等的腐蚀、积灰、堵塞。
通过向SCR出口直接喷射碱性吸收剂溶液，如Na2CO3，可有效脱除SO3，当Na/SO3摩尔比为1.5时，SO3的脱除效率可达90％。但是，这种方法喷入的碱性物质量相对太大，液滴与气体接触不好，弥散性也不好，大液滴内部无法与SO3接触，会对后续设备产生严重腐蚀、堵塞等。
发明内容
本发明的目的在于提供燃煤电站锅炉压缩空气雾化钙基浆液脱除SO3的装置及方法，具体技术方案如下：
燃煤电站锅炉压缩空气雾化钙基浆液脱除SO3的装置，包括顺次连接的锅炉1、脱硝反应区3、空气预热器5，喷氨格栅2设置在锅炉1与脱硝反应区3之间；雾化喷嘴4设置在脱硝反应区3与空气预热器5之间，并与混合加压加速器6出口管道连接；混合加压加速器6空气入口管路设置空气压缩机9、液体入口管路连接至脱硫浆液储存罐11；
所述空气压缩机9与混合加压加速器6之间设有气动调节阀8、气体涡流流量计7；
石灰石改性浆液储备罐12、储水罐13、细粉储备仓14分别管路连接至脱硫浆液储存罐11；细粉储备仓14经旋转给料器15连接至脱硫浆液储存罐11，脱硫浆液储存罐11内设置搅拌装置10。
雾化喷嘴4采用串联喷头平行布置，喷头总数n＝(4b-8A+4C)/(a-2B+C)个，喷头直径d＝(a-2B-C)/2，每个喷头上喷孔个数为πd/(0.3～0.5)个，喷雾角度与水平面成65°～85°，喷雾形状呈空心圆锥形；
雾化喷嘴4安装在距离脱硝反应区3下边界X＝(0.15～0.2)·h处，喷头外边缘距离烟气管道平行壁面A＝(0.1～0.2)·b，喷头外边缘距离烟气管道垂直壁面B＝(0.2～0.3)·a，相邻喷头外边缘距离C＝(0.2～0.25)·a；
其中，a、b分别为空气预热器5上部接口处的宽度、长度，h为脱硝反应区3下边界与空气预热器5上部接口距离。
所述石灰石改性浆液储备罐12中为醋酸钠改性的石灰石浆液，细粉储备仓14中细粉取自静电除尘器腔室，细粉粒径为5～20μm。
基于所述装置脱除SO3的方法包括：
开启石灰石改性浆液储备罐12、储水罐13、细粉储备仓14阀门，石灰石改性浆液、水、细粉在脱硫浆液储存罐11中均匀混合；
在由空气压缩机9提供的压缩空气推动下，通过混合加压加速器6的脱硫浆液经雾化喷嘴4雾化为20～40μm粒径的微雾，并喷射到脱硝反应区3和空气预热器5之间的烟道内，雾化颗粒迅速蒸干与烟道中SO3反应。
脱硫浆液储存罐11中脱硫浆液各组分含量为：以质量百分数计，10％～25％CaCO3、0.8％～1.2％醋酸钠、1.8％～2.3％细粉和余量的水；
脱硫浆液的喷射体积流量为8m3/h～10m3/h，脱硫浆液的消耗量Y为
其中，n为钙硫摩尔比，1.6～1.8；Qv为烟气体积流量(标准状态干烟气，6％O2)，m3/h；CSO2为烟气中SO2浓度(标准状态干烟气，6％O2)，mg/m3；MCaCO3为CaCO3摩尔质量，100g/mol；MSO2为SO2摩尔质量，64g/mol；P为石灰石中碳酸钙纯度，93％～95％；X0为脱硫浆液中碳酸钙质量分数；Y为脱硫浆液消耗量，kg/h。
雾化颗粒进入烟道后从加热到蒸干时间＜0.3s。
本发明的有益效果为：本发明在石灰石浆液中加入少量醋酸钠和飞灰，并使用压缩空气雾化的喷射方式，使得脱硫浆液能够分布均匀、稳定性高、弥散性好，能够与烟气接触充分、反应迅速，解决了烟气湿法脱硫中SO3脱除率低，同时避免了因烟气中SO3含量高而造成空气预热器等后续设备的腐蚀和堵塞等问题；本发明提供的装置改造幅度小、成本低、可行性高，实现了低成本、低能耗脱除烟气中SO3，且脱硫效率高达70％左右的技术效果。
附图说明
图1为本发明提供的燃煤电站锅炉压缩空气雾化钙基浆液脱除SO3的装置示意图；
图2为实施例1脱硝反应区3烟道局部示意图的主视图A和侧视图B；
图3为实施例1雾化喷嘴4的安装位置示意图；
图4为实施例1雾化喷嘴4在烟道布置方式和喷嘴的连接方式示意图；
标号说明：1-锅炉、2-喷氨格栅、3-脱硝反应区、4-雾化喷嘴、5-空气预热器、6-混合加压加速器、7-气体涡街流量计、8-气动调节阀、9-空气压缩机、10-搅拌装置、11-脱硫浆液储存罐、12-石灰石改性浆液储备罐、13-储水罐、14-细粉储备仓、15-旋转给料器。
具体实施方式
本发明提供了燃煤电站锅炉压缩空气雾化钙基浆液脱除SO3的装置及方法，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
如图1所示的燃煤电站锅炉压缩空气雾化钙基浆液脱除SO3的装置包括锅炉1、喷氨格栅2、脱硝反应区3、雾化喷嘴4、空气预热器5、混合加压加速器6、气体涡街流量计7、气动调节阀8、空气压缩机9、搅拌装置10、脱硫浆液储存罐11、石灰石改性浆液储备罐12、储水罐13、细粉储备仓14、旋转给料器15。
锅炉1依次连接脱硝反应区3、空气预热器5，其中喷氨格栅2设置在锅炉1与脱硝反应区3之间，用于混合烟气和喷入的氨；在脱硝反应区3与空气预热器5之间设置雾化喷嘴4，并管道连接至混合加压加速器6出口管道；其中空气预热器5上部接口处的宽度、长度分别记为a、b，脱硝反应区3下边界与空气预热器5上部接口距离记为h。
雾化喷嘴4采用二流体喷嘴，利用压缩空气高速流动使浆液微粒化，属于外部混合式，不容易堵塞，雾化效果好；雾化喷嘴4采用串联喷头平行布置，喷头总数为n＝(4b-8A+4C)/(a-2B+C)个，喷头直径为d＝(a-2B-C)/2，每个喷头上喷孔为πd/(0.3～0.5)个，喷雾角度与水平面成65°～85°，喷雾形状呈空心圆锥形，以保证雾化效果，和烟气接触更加充分；雾化喷嘴4安装在距离脱硝反应区3下边界X＝(0.15～0.2)·h处，为喷嘴下方留有足够的空间，使雾化浆液能够和烟气中的SO3充分接触，反应完全；喷头外边缘距离烟气管道平行壁面A＝(0.1～0.2)·b，喷头外边缘距离烟气管道垂直壁面B＝(0.2～0.3)·a，相邻喷头外边缘距离C＝(0.2～0.25)·a，各部分之间留有足够的距离以防止雾化液滴飞溅到壁面上腐蚀壁面。
石灰石改性浆液储备罐12、储水罐13、细粉储备仓14分别管路连接至脱硫浆液储存罐11，细粉储备仓14经旋转给料器15连接至脱硫浆液储存罐11，脱硫浆液储存罐11中设有搅拌装置10。引脱硫系统的石灰石浆液制备系统中的一部分浆液至石灰石改性浆液储备罐12中，根据石灰石乳液的质量分数和添加量，向石灰石浆液储备罐12中掺入醋酸钠溶液作为改性溶液，用于提高与烟气中SO3的反应活性。储水罐13中储存有足量的水用来稀释改性浆液；细粉储备仓14储存足量的取自静电除尘器腔室中的飞灰细粉，细粉粒径为5～20μm，细粉经旋转给料器15调节流量。
混合加压加速器6空气入口管路设置空气压缩机9、液体入口管路连接至脱硫浆液储存罐11。压缩空气自空气压缩机9引入系统，并通过设置在空气压缩机9与混合加压加速器6之间的气体涡街流量计7和气动调节阀8组成的执行机构控制驱动气源压缩空气的输送气量。脱硫浆液自脱硫浆液储存罐11进入混合加压加速器6中，在压缩空气的推动下经雾化喷嘴4雾化为液滴颗粒喷入脱硝反应区3与空气预热器5之间的烟气管道内。
利用图1所示的装置脱除SO3的具体方法为：
开启石灰石改性浆液储备罐12、储水罐13、细粉储备仓14阀门，石灰石改性浆液、水、飞灰细粉在脱硫浆液储存罐11中经搅拌装置10充分搅拌均匀混合形成脱硫浆液；
脱硫浆液通过混合加压加速器6后被加压到0.1～0.25MPa，同时在由空气压缩机9提供的空气压力为0.2～0.35MPa的压缩空气推动下，自混合加压加速器6被输送至雾化喷嘴4，被雾化为粒径20～40μm(平均粒径为30μm)的雾化颗粒，并喷射到脱硝反应区3和空气预热器5之间的烟道内，脱硫浆液的喷射体积流量为8m3/h～10m3/h；
在烟道中，雾化颗粒迅速蒸干(雾化颗粒进入烟道后从加热到蒸干时间＜0.3s)，并与烟气中SO3充分混合，发生强烈的热交换和化学反应，使得SO3被高效脱除，反应后的固体颗粒随烟气通过静电除尘器被捕捉后排出。
其中，脱硫浆液储存罐11中脱硫浆液各组分含量为：以质量百分数计，10％～25％CaCO3、0.8％～1.2％醋酸钠、1.8％～2.3％细粉和余量的水；根据脱硫浆液的消耗量Y可以计算得到石灰石改性浆液储备罐12、储水罐13、细粉储备仓14中各原料的具体添加量。
脱硫浆液的消耗量Y为：
其中，n为钙硫摩尔比，1.6～1.8；Qv为烟气体积流量(标准状态干烟气，6％O2)，m3/h；CSO2为烟气中SO2浓度(标准状态干烟气，6％O2)，mg/m3；MCaCO3为CaCO3摩尔质量，100g/mol；MSO2为SO2摩尔质量，64g/mol；P为石灰石中碳酸钙纯度，93％～95％；X0为脱硫浆液中碳酸钙质量分数；Y为脱硫浆液消耗量，kg/h。
所述脱硫浆液脱除SO3的原理为：
一方面，脱硫浆液中的飞灰细粉能够使石灰石浆液在改性过程中分布更加均匀，喷射过程中和烟气中的SO3接触表面积更大，反应更加充分；另一方面，快速蒸干后的雾化颗粒因表面湿度大而弥散性好、传热传质好、与烟气充分接触，SO3被吸附在液面上，反应迅速，进而达到了高效脱除SO3的效果。反应式如下：
SO3+H2O→H2SO4
2CH3COONa+H2SO4→Na2SO4+2CH3COOH
CaCO3+H2SO4→CaSO4+H2O+CO2↑
实施例1
以660MW机组的π型锅炉为例，图2为脱硝反应区3烟道局部示意图的主视图A和侧视图B，脱硝反应区3横截面尺寸为9.9m×14.5m，空气预热器5上部接口处横截面尺寸为a×b＝5.5m×6.2m，脱硝反应区下边界距离空气预热器上部接口处h＝5.2m；该烟道部分烟气温度为290℃～410℃，烟气流速为5m/s～8m/s。
图3为雾化喷嘴4的安装位置，雾化喷嘴4安装在距离脱硝反应区3下边界X＝0.78～1.04m处。
图4为雾化喷嘴4在烟道布置方式和喷嘴的连接方式；采用串联喷头平行布置两排，喷头安装总个数6或8个，每个喷头上的喷孔个数为6～9个，其中喷孔个数由喷头直径决定，喷雾角度与水平面成65°～85°，喷雾形状呈空心圆锥形。喷头外边缘距离烟气管路平行壁面A＝0.62～1.24m，喷头外边缘距离烟气管路垂直壁面B＝1.1～1.65m，两喷头外边缘距离C＝1.1～1.375m。
石灰石改性浆液储备罐12中的原料和以15～30kg/h的输送量落入脱硫浆液储存罐11中的细飞灰配制的脱硫浆液制备量可满足5h左右的喷射，防止制料和喷吹过程出现缺料的情况。
实施例2
对于1000MW机组塔式锅炉而言，脱硝反应区3横截面尺寸为15.4m×27.9m，空气预热器5上部接口处横截面尺寸为a×b＝10.4m×12.5m，脱硝反应区3下边界距离空气预热器5上部接口处h＝12.3m。
雾化喷嘴4安装在距离脱硝反应区3下边界X＝1.845～2.46m处，为喷嘴下方留有足够的空间，使雾化浆液能够和烟气中的SO3充分接触，反应完全。雾化喷嘴4采用串联喷头平行布置两排，喷头安装总个数8～10个，每个喷头上的喷孔个数为6～11个，由喷头直径决定，喷雾角度与水平面成65°～85°，喷雾形状呈空心圆锥形。喷头外边缘距离与总管路平行壁面A＝1.25～2.5m，喷头外边缘距离与总管路垂直壁面B＝2.08～3.12m，两喷头外边缘距离C＝2.08～2.6m。
石灰石改性浆液储备罐12中的原料和以15～30kg/h的输送量落入脱硫浆液储存罐11中的细飞灰配制的脱硫浆液制备量可满足5h左右的喷射，防止制料和喷吹过程出现缺料的情况。

Claims (5)

1.燃煤电站锅炉压缩空气雾化钙基浆液脱除SO3的装置，其特征在于，包括顺次连接的锅炉(1)、脱硝反应区(3)、空气预热器(5)，喷氨格栅(2)设置在锅炉(1)与脱硝反应区(3)之间；雾化喷嘴(4)设置在脱硝反应区(3)与空气预热器(5)之间，并与混合加压加速器(6)出口管道连接；混合加压加速器(6)空气入口管路设置空气压缩机(9)、液体入口管路连接至脱硫浆液储存罐(11)；
所述空气压缩机(9)与混合加压加速器(6)之间设有气动调节阀(8)、气体涡流流量计(7)；
石灰石改性浆液储备罐(12)、储水罐(13)、细粉储备仓(14)分别管路连接至脱硫浆液储存罐(11)，细粉储备仓(14)经旋转给料器(15)连接至脱硫浆液储存罐(11)，脱硫浆液储存罐(11)内置搅拌装置(10)；
所述雾化喷嘴(4)采用串联喷头平行布置，喷头总数n＝(4b-8A+4C)/(a-2B+C)个，喷头直径d＝(a-2B-C)/2，每个喷头上喷孔个数为πd/(0.3～0.5)个，喷雾角度与水平面成65°～85°，喷雾形状呈空心圆锥形；雾化喷嘴(4)安装在距离脱硝反应区(3)下边界X＝(0.15～0.2)·h处，喷头外边缘距离烟气管道平行壁面A＝(0.1～0.2)·b，喷头外边缘距离烟气管道垂直壁面B＝(0.2～0.3)·a，相邻喷头外边缘距离C＝(0.2～0.25)·a；其中，a、b分别为空气预热器(5)上部接口处的宽度、长度，h为脱硝反应区(3)下边界与空气预热器(5)上部接口距离。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述石灰石改性浆液储备罐(12)中为醋酸钠改性的石灰石浆液，细粉储备仓(14)中细粉取自静电除尘器腔室，细粉粒径为5～20μm。
3.基于权利要求1或2任一项所述装置脱除SO3的方法，其特征在于，所述方法包括：
开启石灰石改性浆液储备罐(12)、储水罐(13)、细粉储备仓(14)阀门，石灰石改性浆液、水、细粉在脱硫浆液储存罐(11)中均匀混合；
在由空气压缩机(9)提供的压缩空气推动下，通过混合加压加速器(6)的脱硫浆液经雾化喷嘴(4)雾化为20～40μm粒径的微雾，并喷射到脱硝反应区(3)和空气预热器(5)之间的烟道内，雾化颗粒迅速蒸干与烟道中SO3反应。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，脱硫浆液储存罐(11)中脱硫浆液各组分含量为：以质量百分数计，10％～25％CaCO3、0.8％～1.2％醋酸钠、1.8％～2.3％细粉和余量的水；
脱硫浆液的消耗量Y为
其中，n为钙硫摩尔比，1.6～1.8；Qv为烟气体积流量，m3/h；CSO2为烟气中SO2浓度，mg/m3；MCaCO3为CaCO3摩尔质量，100g/mol；MSO2为SO2摩尔质量，64g/mol；P为石灰石中碳酸钙纯度，93％～95％；X0为脱硫浆液中碳酸钙质量分数；Y为脱硫浆液消耗量，kg/h。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，雾化颗粒进入烟道后从加热到蒸干时间＜0.3s。
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