CN1112955C - 从燃烧废气中清除硫的氧化物的湿式洗气喷射装置与方法 - Google Patents

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Abstract

由于一种喷射集流管系和各喷嘴的排列允许在减小各喷射层之间间距(比如0.5至1.25米)的情况下易于出入而从事维修，因此可以节省资金和运转成本而有效地从燃烧废气中清洗硫的氧化物(SOx)。在一喷射区的至少两级喷射层包括许多喷射集流管，排列成平行于在一喷射层之内的其他各喷射集流管，并沿竖直方向平行于在至少一相邻喷射层之中的各喷射集流管。每一喷射层包括许多从所述各喷射集流管伸出的喷射喷嘴。大多数在一基准喷射层上的喷嘴设置得以致在它们之间所画的直线形成各喷嘴位于各正方形尖角处的多个正方形图案。另外，大多数在一相邻喷射层上的喷嘴设置得在由基准喷射层上每四只喷嘴形成的各正方形中心的上方。本发明的其他各项优点之中，还有通过使两相邻集流管一起形成一自支承结构的桁架或者通过不干扰出入以从事维修的沿竖直方向悬挂的各吊架来支承各喷射集流管的能力。

Description

从燃烧废气中清除硫的氧化物的 湿式洗气喷射装置与方法
本发明涉及有助于维护浆液喷射装置和更加有效地从燃烧废气中清除硫的氧化物(SOx)的各项改进。
全世界各国政府都在严密地控制包括化石燃料和废弃物在内的含有大量硫分的含碳物质的燃烧。硫和氧的自由基在一定的高温下被释放出来并化合起来以生成种种硫的氧化物，称作SOx一族。许多国家中的规定要求减少释放到大气中的硫的氧化物数量以缓解与酸雨相关联的各种问题。
目前正采取许多策略来减少SOx向大气的排放。其中有用于在燃烧之前从燃料中清除硫分的方法、用于在燃烧期间以化学方式冻结硫分的方法，以及用于从燃烧废气中清除硫的氧化物的方法。在用于处理燃烧废气以清除SOx的方法中，有湿式和干式洗气法。湿式洗气技术经过良好的研制并卓有成效；不过，需要庞大的设备，而且成本也正比增加。
用于湿式清洗燃烧废气以清除SOx的技术以许多不同的结构形成气液接触。其中最为突出的是单和双循环逆流喷射塔和采用回流和逆流两部分的喷射塔。
采用碳酸钙与SOx反应的单循环、开式塔系统在结构和操作上最为简单。这些系统往往是优选的，因为它们可在低压降的情况下运作并具有很低的结垢和堵塞趋向。不过，它们在简单性和可靠性方面的优点由于其很大的尺寸而在某些情况下被抵消了。比如，由于它们不采用任何塔盘或填料来增强废气与洗气液之间的接触，塔高度一般很大并且要采用多层喷射喷管以确保良好的气-液接触。泵送作业是主要费用所在，此项费用随着必须泵送的液体压头而增大，因而，较高的塔将增大结构和操作的成本。
塔高度与喷射层的多少和各层之间的间距密切相关。已知的喷嘴排列使得维修成为一项相当大的问题，因为这种排列减少了一名想要在种种管道和喷嘴之间容易活动以找到故障并予以修理的维修工的进出通道。现有技术一般一直是通过增大各层之间的间距来提供额外的自由空间以致一次可以维修一级喷级层而不必围着各管道和各喷嘴爬上爬下。为了自由空间而增大间距可以减少维修成本，但加大了结构和泵送的成本。
需要一些手段和方法来减小喷射层间隔和塔高度而不损害维修喷射塔使之能够迅速地重新投入使用的能力。
利用石灰石的单循环、逆流喷射塔在Rader和Bakke在华盛顿特区1991年9月12日举行的IGCI(以前是Industrial Gas Cleaning Institute，现在是Institute of Clean Air Companies，华盛顿特区)论坛上提出的报告“结合全尺寸试验从事先进的石灰石湿式FGD设计(Incorporating Full-ScaleExperience Into Advanced Limestone Wet FGD Designs”中有所说明。开式喷射塔(亦即那些不具有填料、塔盘或其他用于促进气-液接触的手段的塔)结构简单并具有很高的可靠性。它们在烧煤电站中尤其有用，在这些电站中氯化物的析出造成了许多问题，包括降低了洗气溶液的活性和严重腐蚀了洗气装置的内部。有利于使用开式喷射塔的另一有利因素是它们固有的低压力损失，并因此节约了鼓送动力。
在Rader和Bakke所说明的类型的单循环、逆流、开式洗气塔中，一种由碳酸钙、硫酸钙、亚硫酸钙和其它一些非反应固体组成的洗气浆液向下流动，而载有SOx的废气向上流动。SOx，主要是SO2，被吸收在下降的洗气浆液之中并被收集入反应罐，在其中形成亚硫酸钙和硫酸钙。最好是，反应罐充以氧气以促使生成的硫酸盐超过亚硫酸盐。当硫酸盐结晶长成到足够的大小，它们就从反应罐中除去并从浆液中分离开来。这篇参考文献以及随后的一篇全文引作参考，用于说明已知的湿式洗气技术。
Rader和Bakke指出，泵送成本占大约50％的系统总动力需求。他们说明了彼此相对成锐角取向的各级喷射层并建议各层之间的间距为5到6英尺。此间距拘泥于在现有技术中被认为是对于约束集流管和支承系统来说适当的间距。在倾斜取向的各喷射层之间采用所建议数值的间距时，塔高度和泵送成本将会增加。采用较小的间距，维修将变得非常困难。
在Johnson等人的美国专利第3995006号中，描述了一种在废气脱硫系统中设计成可以代替多层喷射的单层喷射。所述的装置具有许多喷射集流管，全都并联地排列在一共同的水平平面之内。这种所有的喷头在一个平面上的装置不能保证各种喷射型式的交错以成功地处理气体穿过或沟流问题。
现有技术没有谈到必需降低用于减少SOx的湿式洗气器的塔高度的观点，只是谈到了以高效方式从事维修的问题。
本发明的一项目的是提供用于湿式清洗燃烧废气以清除硫的氧化物的改进型装置和工艺方法。
本发明的另一项目的是易于从事湿式洗气器中喷射装置的维修。
本发明的一项更为具体的目的是减小单循环、开式塔、逆流石灰石湿式洗气装置的尺寸。
本发明的再一项目的是改进湿式洗气塔中喷射装置的设计和布置。
本发明一优选实施例的又一项目的是，通过在一高度减小的洗气区之内实现有效的液-气接触而提高单循环、开式塔、逆流石灰石湿式洗气装置的处理效率。
这些和其他一些目的均由提供了湿式洗气的改进型工艺方法和装置的本发明予以实现。
在一个方面上，本发明提供了一种用于减小废气中SOx浓度的改进型湿式洗气装置，所述装置的所属类型包括废气入口、废气出口、位于入口与出口之间的喷射区，其中改进之处包括在所述喷射区之中具有至少两级喷射层，每一喷射层包括许多喷射集流管，排列得平行于在一喷射层之内的其他各喷射集流管并在竖直方向上平行于在间隔小于1.25米的至少一级相邻喷射层中的各喷射集流管。
在本发明的另一方面上，这一类型洗气装置的改进之处包括在喷射区中采用至少两级喷射层，每一喷射层包括许多喷射喷嘴，其中大多数在一基准喷射层上的喷嘴设置得以致在它们之间所画的直线形成多个正方形图案，各喷嘴位于各正方形的尖角处，而大多数在一相邻喷射层上的喷嘴设置成位于由基准喷射层上的每四只喷嘴形成的各正方形的中心上方。
最好是，每一喷射层由一向此喷射层上所有喷射集流管供应浆液的一进给集流管独立地予以进给。本发明的优点是，各喷射集流管可以是借助于形成桁架以自我支承或是由在竖直方向悬挂的各吊架予以悬吊而不干扰维修或要求由现有技术湿式洗气装置所要求的5至6英寸间距。
在另一方面上，本发明改进了一种类型的工艺方法，其中包含SOx的废气气流通过一直立的洗气塔被引向上方，SOx减除剂的含水浆液射流从喷射区之内的许多喷射层被送入以接触废气，同时与废气气流相反而下降通过塔，浆液被收集起来而其一部分被重新循环以接触废气，其中改进之处在于：在所述喷射区之中设置至少两级喷射层，每一喷射层包括许多喷射集流管，排列得平行于在一喷射层之内的其他各喷射集流管并在竖直方向上平行于在间隔小于1.25米的至少一级相邻喷射层之中的各喷射集流管。
从以下详细说明中，特别是在结合附图阅读时，本发明将得到更好的了解，而其各项优点将得到更好的理解，附图中：
图1是本发明一项优选实施例的示意透视图，此实施例采用在单循环、开式塔、逆流石灰石湿式洗气器之中的一种新型喷嘴结构；
图2是从图1中断开的透视图，示出两级相邻喷射层的一种优选喷嘴结构的细节；
图3是沿着图1中平面3-3所取的剖视图；
图4是沿着图1中平面4-4所取的剖视图；
图5是沿着图1中平面5-5所取的剖视图；
图6是沿着图1中平面6-6所取的剖视图；以及
图7是一示意性侧视图，示出按照本发明改进的一种典型的开式塔洗气器的各主要部件。
本发明的各项改进对于锅炉废气具有最佳用途，而此实施例将为示出本发明及其优点而予以描述。本发明不限于此实施例，出自各种类型燃烧源的废气和采用组合式或其他洗气设备均在预料之中。
图1示出一种单循环、开式塔、逆流石灰石湿式洗气器，用于从燃烧废气中清除硫的氧化物，主要是SO2。另见图7，即一示意性侧视图，示出按照本发明改进的一种典型开式塔洗气器的各主要部件。这是本发明的优选实施例，但本发明也适用于并流洗气器以及其他结构和设计，包括带有既向上也向下射出洗气液流的各喷嘴的那些类型。
优选形式的湿式洗气器采用碱性SO2减除剂，包括象石灰和石灰石这样的钙化合物、象氢氧化钠和碳酸钠这样的钠化合物，以及铵化合物，由于本技术领域已经以其各种商品形式说明其可用作SOx减除剂。在自然界中发现的几乎所有可利用形式的碳酸钙都包含少量的相对惰性物质，诸如游离硅、碳酸镁或白云石、铁的氧化物、矾土，等等。石灰石是碳酸钙的一种最佳形式，但如果需要，可以另一形式代替。除石灰石以外，其他形式的碳酸钙包括砺壳、霰石、方解石、白垩、大理石、泥灰以及石灰华。这些都可以开采或制造出来。在本说明书中，碳酸钙和石灰石是可以互换的。石灰石最好是通过研磨而分得很细，达到大约小于44μ的加权平均直径，并用从大约15％到大约35％的水混合浆液。上述和所有的在此所述的百分数都基于整个混合物的重量。
图1和7的优选工艺装置示出一种废气，最好是诸如通过一种静电沉淀器或织物过滤器清除掉经由导管20通过湿式洗气塔100的颗粒，在洗气塔100中，废气向上流动，与含水浆液的喷流相反，此浆液包含在竖直洗气段110内排放的石灰石，洗气段110包括具有四级喷射层121、122、123和124的喷射区。图2-6和随之的说明将比较详细地解释此结构和间隔。从洗气段110出来，气体不断经过出气导管130。此塔设计得可导引废气气流向上通过竖直洗气段。经过清洗的废气由适当的分离器140有效地把夹带的液滴脱除掉并排出烟囱(未画出)。
通过竖直洗气段110下落的洗气浆液被收集在反应罐150之中。反应罐150具有的尺寸最好是适合于SO2与碳酸钙反应以形成石膏晶体，后者具有的加权平均直径大到足以确保它们可由诸如水力旋流器151这样的适当装置予以分离，以便从系统中清除出去。一股浆液流不断地经由管线152从罐中流出并通过水力旋流器151或其他适当的分离装置提供一股用于排出的液流153和另一股用于重新循环到洗气区的液流154。重新循环至洗气区是经由管线155-158实现的。最好是每一管线联接于一单独的泵机，比如管线158中的泵机159。这样，每一洗气层由一专用的供应集流管予以进给，比如集流管125-128。
图3示出沿竖直方向四级喷射层中平行的各喷射集流管的紧密排列和结构。图示喷射层121中喷射集流管上每一比如凸缘129的各带凸缘的端部易于连接各供应集流管125-128。图2和3还示出竖直排列和紧密相邻的各喷射层(间隔小于1.25米)如何通过在两条相邻喷射集流管之间制成一桁架结构而使自身支承各喷射层成为可能。以这种或等同的方式形成的连接在此二者之间造成一种梁式结构并大大地提高了各集流管支承重量的能力。在至少两级喷射层即两级紧密相邻的喷射层之间的最佳间距为大约0.5米至大约1.25米，更窄一些是大约0.5米至大约1米，比如在一示范实施例中大约是0.75米。这些间距从一层中一条喷射集流管的中心线到相邻层中其对应者的中心线。
参看图4，很容易看出一各维修人员如何能够由支持在一层处的脚手架或垫板无阻碍地走过洗气器的内部来维修两级喷射层。在层与层之间，如图所示，具有充分的自由空间，并且可以从洗气塔的一面塔壁到另一面塔壁的一条畅通的路径上跨过或走动而无任何阻碍。如果在最低一层以上各喷射层的高度足以使一个人站立起来-比如从层121到层123的高度是至少1.5米而最好是至少1.8米，则容易从事维修。
图5示出一级作为例证的喷射层，各喷嘴(由在各管线比如162端部处的许多圆圈比如161表示，由喷射集流管比如121向它们供料)排列成一正方形图案。注意，在此实施例中，大多数喷嘴(最好是所有的喷嘴，除去靠近周边的那些)都在图案中各正方形的尘角处。随后参看图6，它示出相邻两层图案的叠置情况。在此，图示相邻层的各喷嘴设置得以致大多数都位于图示另一层图案中的正方形中心。这种图案在采用平行的、紧密间隔的相邻各喷射层时具有特殊的优点，因为在一层中经过各喷嘴的气流将直接地转换成为相邻一层中各喷嘴的射流。参看图7(喷嘴的排列细节另见图4和6)将有助于看出出自(比如，层124中)正方形尖角处一喷嘴的射流将如何被引向下一级紧邻的一层(在此范例中，123)，此处一喷嘴设置在每一上方的正方形中心处。传统的各层之间间距较大时，这种流动转换的效果不会出现或不会如所述那样。间距较大时，流动可能重组到可以出现下一层各喷嘴旁通(bypass)的程度。本发明之设置紧邻各层提供了比其他方式所能达到的接触更为直接，更为有力。
图7示出洗气区的高度110是罐150中液面与最上面的喷射层121之间的距离。这就是必须泵送的液体的压头。此高度要受喷射区120高度的影响。因而，由于本发明降低了喷射区120的高度，也降低了必须泵送的液体的压头。这一点是本发明的一项优点，而令人惊喜的是，在气液接触获得改进的同时，可以减少泵送成本。这些优点，在结合另外获得的在维修可实现性方面的各种改进来看时，尤其令人惊喜。
一种最佳形式的喷嘴是离心式喷嘴，它以一个范围从大约90到大约140°(最好是120°)的角度α形成一股射流。一种适当的喷嘴是可从Illinois州wheaton市。Spraping Systems公司购得的一种Whirljet300(加仑每分钟)的喷嘴。液滴尺寸最好是范围从大约100μ到大约6000μ，一般是大约2000μ。Sauter平均直径是用一种Malvern颗粒分析器来测定的。可以采用其他一些喷嘴设计，包括那些既引导洗气液流向上也引导向下的喷嘴。
以上说明目的在于启示本技术领域的一般熟练人员如何实施本发明，并不企图详述它的那些对于一旦读过此说明的熟练人员来说将是显而易见的各种明显的修正和改型。不过，所有这些明显的修正和改型都试图包括在由以下各项权利要求所确定的本发明的范畴之内。这些权利要求，除非行文中专门指出相反的情况，意欲概括有效地达到各种目的的、任何排列或顺序的所要求保护的组成和步骤。

Claims (7)

1.一种湿式洗气装置，用于减少废气中的SOx浓度，所述装置包括废气入口、废气出口、位于入口与出口之间的喷射区，此喷射区具有至少两级喷射层，喷射层包括许多喷射集流管，排列成平行于在一喷射层之内其他各喷射集流管，并且所述至少两级喷射层的喷射集流管设置成相互平行，其特征在于，一喷射层的喷射集流管各自由形成部分喷射区的壁板在一端处予以支承并由一从第二喷射层的竖直方向间隔开的喷射集流管伸出的吊架在另一端处予以支承，并且所述一喷射层和所述第二喷射层之间的竖直间隔距离小于1.25米。
2.按照权利要求1所述的湿式洗气装置，其特征在于：所述一喷射层和所述第二喷射层之间的竖直间隔距离为大约0.5到1.0米。
3.按照权利要求1或2所述的湿式洗气装置，其特征在于：所述吊架沿着所述一喷射层和所述第二喷射层的竖直间隔的喷射集流管的长度延伸。
4.按照权利要求1或2所述的湿式洗气装置，其特征在于：所述吊架包括沿着所述一喷射层和所述第二喷射层的竖直间隔的喷射集流管的长度延伸的桁架结构。
5.按照权利要求1或2所述的湿式洗气装置，其特征在于：各喷射层(121，122，123，124)包括多个喷射嘴(161)。
6.按照权利要求5所述的湿式洗气装置，其特征在于：
基准喷射层具有的大多数喷嘴(161)设置成在它们之间所画的直线形成各喷嘴位于各正方形尖角处的多个正方形图案；以及
在相邻喷射层上的大多数喷嘴(161)设置在由基准喷嘴层上每四只喷嘴形成的各正方形的中心上方。
7.按照权利要求1或2所述的湿式洗气装置，其特征在于：每一喷射层由一向此喷射层上所有喷射集流管供应浆液的进给集流管独立地予以进给。
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