CN114432851A - 一种烟气脱so3系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种烟气脱SO3系统及方法。所述系统包括烟道密封板和镶嵌在烟道密封板上的若干混合构件，所述的混合构件包括导流筒、混合筒、双流体雾化喷嘴和扰流元件；烟道密封板设置于烟道内，且与烟气流动方向近乎垂直；导流筒为倒置的圆台形结构，所述混合筒为圆筒形结构，混合筒上端与导流筒下端固定连接；所述双流体雾化喷嘴与导流筒、混合筒同轴布置，双流体雾化喷嘴分别同吸收液管线和压缩风管线连通；所述混合筒内部沿烟气流动方向，在双流体雾化喷嘴的正下方设置扰流元件。本发明的烟气脱SO3系统混合效果更好，混合距离短。
Description
技术领域
本发明涉及烟气处理领域，特别涉及一种烟气脱SO3系统及方法。
背景技术
电力、冶金和石化等各行业生产过程中产生大量含SO2和SO3的烟气。目前，普遍采用的脱硫装置对SO2表现出良好的脱除效果，但对SO3几乎没有脱除作用。现有资料表明，电力行业中，一般燃煤锅炉中0.5%~1.5%的硫分会被氧化为SO3；在富氧再生条件下，催化裂化再生烟气中SO3约占硫氧化物总量的5%~10%；钢铁行业中，烧结烟气中SO3的排放量占总硫氧化物排放量的1%~2%。在普遍采用V2O5系活性组分的SCR脱硝装置中，也会将部分SO2氧化为SO3，转化率约为0.5%~1.5%，尤其是在SCR反应器低负荷运行时SO2转化为SO3的转化率会急剧增加。
SO3具有强腐蚀性，会与烟气中的水蒸汽结合形成硫酸，在露点温度下凝结在金属部件表面，引起后续余热锅炉、CO锅炉、空预器等设备的腐蚀穿孔，并影响装置的长周期运行；SO3会与SCR脱硝系统逃逸氨反应生成具有黏性的硫酸氢铵，大量生成的硫酸氢铵在低温时沉积在催化剂孔道，粘附飞灰，容易导致催化剂孔道堵塞而降低催化剂的活性，还会随烟气进入后续余热锅炉、CO锅炉、空预器等下游设备并粘附在换热元件表面，引起积灰、结垢、堵塞和腐蚀；另外，为避免烟气中SO3产生露点腐蚀，锅炉排烟温度普遍较高一般在180℃以上，造成烟气热量的极大浪费。排出烟囱的SO3还会与大气中的水蒸汽形成H2SO4气溶胶，而H2SO4气溶胶是PM2.5的前驱体，造成雾霾的元凶之一，可被人体吸入进入肺泡，沉积在人体内难以排出，因而对人体健康的危害极大。
当含有气态SO3的烟气通过湿法烟气脱硫系统时，由于烟气被急速冷却到酸露点之下，SO3通过均相成核和以颗粒物为凝结核的异质成核作用，快速形成难于捕集的亚微米级的H2SO4气溶胶。一般来说，烟气中颗粒较大的雾滴是可以被吸收塔除去的，但是对亚微米级的H2SO4气溶胶，吸收塔则无能为力，形成的H2SO4亚微米级气溶胶只能通过烟囱排入大气，在烟囱口形成“蓝烟”现象。
据报道，美国已有22个州对燃煤电厂烟气中SO3提出排放限值，其中14个州的指标要求低于6mg/m3，德国将SO2和SO3混合浓度排放标准设定为50 mg/m3，日本将SO3/H2SO4纳入烟尘总量控制。我国尚未对烟气中SO3的排放浓度做出明确规定，但在《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014~2020年）》中提出支持同步开展大气污染物联合协同脱除，控制SO3、汞、砷等污染物排放。《上海市地大气污染物综合排放标准》（DB 31 933-2015）规定，硫酸雾最高允许排放浓度为5mg/m3，最高允许排放速率为1.1kg/h；杭州市《锅炉大气污染物排放标准（征求意见稿）》规定，新建锅炉烟气SO3排放限值为5mg/m3，现有锅炉烟气SO3排放限值为10mg/m3。随着地方标准对SO3排放限值提出具体要求，烟气中SO3的脱除已是大势所趋。
目前，烟气中SO3的脱除方法主要分为两种，一种是干吸收剂喷射脱除法，另一种是湿吸收剂喷射脱除法。干吸收剂为钠基吸收剂、镁基吸收剂或钙基吸收剂，采用干吸收剂喷射脱除SO3时，颗粒粒径越小，SO3的脱除效率越高。市售的碱性粉料粒径均较大，难以满足对吸收剂粒径的要求，因而需要对吸收剂进行研磨。超细粉料研磨分为干法研磨和湿法研磨两种。干法研磨最低能将粉料研磨到8μm左右，但在研磨过程中，粉料温度会急剧上升，且存在粉尘爆炸的危险；湿法研磨需使用分散剂和助剂等，并控制温度，连续研磨时间需要几个小时甚至十几个小时，研磨几十次甚至上百次，研磨设备占地面积较大且产生噪音污染，湿法研磨之后还需要进行过筛、脱水、烘干处理，过程较为繁琐。另外，干吸收剂在烟道中进行喷射时难于与烟气混合均匀，烟道内还需额外增加静态混合器。
专利CN103055684A使用天然碱作吸收剂，用量大，应用难度和成本较大。专利CN105233656A吸收液在烟道内雾化喷射的覆盖率150%～200%，造成浪费。专利CN105879641A虽在烟道内加装扰流板以实现烟气/吸收剂混合，但烟气有短路，需要较长混合距离，该技术更适合于炉外脱硝时烟气脱SO3。
发明内容
烟气脱SO3单元在锅炉流程中的位置一般包括SCR脱硝反应器入口、空预器入口及锅炉出口，在锅炉建设之初，并未考虑到烟气脱SO3，因此，若实施烟气脱SO3，其安装空间越小，对锅炉改动越小，投资就越低。烟气脱SO3属于酸碱中和反应，整个过程的控制步骤为烟气与雾化吸收液的混合过程。为保证烟气脱SO3效果，不因与SCR系统喷氨反应生成硫酸氢铵而影响SCR脱硝效率，需要烟气/雾化吸收液的快速混合，混合过程越快，烟气脱SO3系统安装空间越小，施工工程量和投资越小。SCR脱硝反应器内催化剂床层通常为“2+1”层或“3+1”层，催化剂床层上方通常预留有2000mm左右安装检修空间。
本发明的目的在于提供一种烟气脱SO3装置。本发明的装置可以改善烟气/雾化吸收液混合效果，减小烟气脱SO3系统实施时的锅炉改造投资，提高吸收剂利用率和减小吸收剂过量率。本发明特别适用于在锅炉内SCR脱硝单元入口或空预器入口等安装空间较小的烟道内实施烟气脱SO3系统改造。
根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种烟气脱SO3系统。
一种烟气脱SO3系统，所述的烟气脱SO3系统包括烟道密封板和镶嵌在烟道密封板上的若干混合构件，所述的混合构件包括导流筒、混合筒、双流体雾化喷嘴和扰流元件；
所述烟道密封板设置于烟道内，且与烟气流动方向近乎垂直；
所述导流筒为倒置的圆台形结构，所述混合筒为圆筒形结构，混合筒上端与导流筒下端固定连接；
所述双流体雾化喷嘴与导流筒、混合筒（直径为d）同轴布置，双流体雾化喷嘴分别同吸收液管线和压缩风管线连通；
所述混合筒内部沿烟气流动方向，在双流体雾化喷嘴的正下方设置扰流元件；所述扰流元件包括扩散板、扩散板外周的第一环形板，位于扩散板和第一环形板下方的第二环形板；所述扩散板与双流体雾化喷嘴正对，第二环形板与扩散板及第一环形板之间的环形间隙相对。
进一步地，所述双流体雾化喷嘴与导流筒、混合筒的轴线重合。烟气通过混合筒横截面流速一般为15～40m/s。设d为混合筒直径，则所述双流体雾化喷嘴与导流筒、混合筒同轴布置，向上延伸至导流筒内0.5d，向下深入混合筒内0.5d，以保证在烟气夹带作用下的雾化吸收液全部进入混合筒内，并最大限度减小脱SO3系统安装高度。
进一步地，扩散板与第一环形板在同一平面，二者圆心重合且具有环形间隙。所述的扩散板、第一环形板、第二环形板可以通过构件与导流筒内壁固定。
进一步地，第二环形板的空心与上方的扩散板相对设置。
进一步地，扩散板直径与第一环形板宽度为混合筒直径1/8～1/4；第二环形板与扩散板/第一环形板的间距为混合筒直径0.5～1.5倍。
进一步的，烟气/雾化吸收液混合构件中导流筒（倒置的圆台母线）与轴线夹角α为10～60°，优选30～50°，混合筒长度为混合筒直径1.0～3.0倍。
进一步地，所述的烟气脱SO3系统设置于锅炉内SCR脱硝反应器入口烟道、空预器/省煤器入口烟道、锅炉出口烟道或脱硫反应器入口烟道，优选设置于SCR脱硝单元入口或空预器入口等安装空间较小的烟道内。烟气温度一般为120～450℃。所述的烟道上设置有烟气流量测量装置，及三氧化硫浓度测量装置。
进一步的，喷嘴前的三氧化硫吸收剂管道上设置有压力测量仪表，以实时监测进入喷嘴的三氧化硫吸收液压力，确保三氧化硫吸收液的压力满足喷嘴高效雾化的要求，异常工况时判断喷嘴是否堵塞。
进一步的，喷嘴前的压缩空气管道上或蒸汽管道上设置有流量计和调节阀，以对进入喷嘴的压缩空气或蒸汽流量进行调节计量。
根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种烟气脱SO3方法，其中应用了前面所述的烟气脱SO3系统。
进一步的，所述的烟气脱SO3方法包括以下内容：烟气以与导流筒入口横截面垂直方向进入导流筒，吸收液在压缩空气作用下经双流体雾化喷嘴以与烟道横截面垂直的方向雾化喷入烟道，与烟气接触反应，脱除其中的SO3。
本发明方法中，烟气雾化吸收液选自氢氧化钠溶液、碳酸钠溶液、碳酸氢钠溶液、亚硫酸钠溶液或亚硫酸氢钠溶液中的一种以上。喷嘴前的吸收液管线上设置有流量计和调节阀，以对三氧化硫吸收液的流量进行调节。
本发明方法中，烟气脱SO3吸收液优选为Na2CO3/NaHCO3混合溶液或Na2SO3/NaHSO3混合溶液。其中Na2CO3/NaHCO3混合溶液的质量浓度为5%～30%，Na2SO3/NaHSO3混合溶液的质量浓度为5%～25%。吸收液加入量以SO3脱除量计，吸收液加入了为理论化学计量比（摩尔比）为1：1～3：1。
进一步的，喷入烟道中经雾化后的三氧化硫吸收液微液滴的粒径一般为0.1~200μm，优选为0.5~50μm。
本发明方法中，所述的烟气为含有SO3的烟气，如催化裂化或燃煤锅炉烟气。
本发明的方法中，脱除烟气中三氧化硫的原理如下：
（1）烟气/雾化吸收液混合原理：
在混合筒内，沿烟气流动方向依次布置有与烟气流动方向垂直的扩散板/第一环形板和第二环形板，其中扩散板和第一环形板位于同一平面，且扩散板、第一环形板和第二环形板同轴布置，并与双流体雾化喷嘴、导流筒和混合筒同轴。第二环形板位于扩散板/第一环形板下风向的距离为混合筒直径的0.5～1.5倍处。
当吸收液由双流体雾化喷嘴喷出至扩散板时，被分散到烟气中。烟气经过导流筒进入混合筒内，速度得到提升，烟气与雾化吸收液一起在经过扩散板/第一环形板时，在其背风面正下方产生负压，另部分烟气经环隙直接进入扩散板/第一环形板与第二环形板之间区域，为正压，从而在扩散板/第一环形板与第二环形板之间的横截面上不同区域产生压差。烟气流速越大，扩散板/第一环形板背风面正下方负压越大，压差越大，横截面上的横向混合作用越强烈，烟气与雾化吸收液完全混合所需的混合距离就越短。同样，在第二环形板下风向横截面不同区域也产生压差，烟气/雾化吸收液在轴向流动的同时也发生着径向迁移。而沿烟气流动方向，该压差越来越小，直至烟气/雾化吸收液均匀混合后，横截面压差为零。而通过扩散板/第一环形板和第二环形板在烟气流动方向上的交错布置，可强化透过扩散板/第一环形板环隙的烟气与雾化吸收液之间的混合，快速实现烟气/雾化吸收液的均匀混合。
（2）反应原理：
本发明烟气脱SO3为快速的酸碱中和反应，以Na2CO3为例，当向烟气中喷入Na2CO3溶液后，Na2CO3与烟气中的SO3发生如下反应：
SO3 + Na2CO3 → Na2SO4 + CO2 ①
因烟气中SO2浓度远高于SO3浓度，Na2CO3与烟气中SO2反应：
SO2 + Na2CO3 → Na2SO3 + CO2 ②
Na2SO3继续与烟气中SO3反应：
SO3 + Na2SO3 → Na2SO4 + SO2 ③
本发明中酸碱中和反应与烟气/雾化吸收液的混合过程同时发生。
与现有技术相比，本发明的脱SO3装置具有以下有益效果：
1、本发明设置导流筒与混合筒，并在混合筒内设置烟气/雾化吸收液混合构件，使得本发明兼具文丘里结构，因此，混合效果更好，混合距离更短，从而将酸碱中和反应快和烟气/雾化吸收液混合块的特点充分发挥出来，实现“快快”结合，大大提高吸收剂利用率，比未设置导流筒时压降更低，也使得吸收剂用量过量比有所减小，继而降低碱对SCR脱硝催化剂的毒副作用。
2、本发明烟气/雾化吸收液混合距离短，适用场合广泛，即可放在锅炉内，也可放在锅炉出口烟道内。当将烟气脱SO3单元设置在锅炉内烟气SCR脱硝反应器进口处时，仅需对脱硝反应器进行改造：将每层催化剂上部安装检修空间适当减小，用以安装烟气脱SO3单元。
附图说明
图1是本发明烟气脱SO3方法工艺流程示意图。
图2是本发明烟气/雾化吸收液混合构件结构示意图。
图3是本发明烟气/雾化吸收液混合构件1-1截面示意图。
图4是本发明烟气/雾化吸收液混合构件2-2截面示意图。
图5是横截面为圆形烟道内烟气脱SO3烟气/雾化吸收液混合构件布置示意图。
图6是横截面为方向烟道内烟气脱SO3烟气/雾化吸收液混合构件布置示意图。
图7是锅炉内脱硝系统与烟气脱SO3单元相对位置示意图。
其中：1-锅炉烟道，2-烟道密封板，3-导流筒，4-混合筒，5-双流体雾化喷嘴，6-扰流元件，7-压缩风，8-吸收液。
61-扩散板，62-第一环形板，63-第二环形板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明装置及方法进行详细说明，但不因此限制本发明。
如图1～4所示，本发明所述的烟气脱SO3系统包括烟道密封板2和镶嵌在烟道密封板2上的若干混合构件，所述的混合构件包括导流筒3、混合筒4、双流体雾化喷嘴5和扰流元件6，其中密封板2设置于烟道内，与烟气流动方向近乎垂直，所述导流筒3为倒置的圆台形结构，混合筒4为圆筒形结构，混合筒4上端与导流筒3下端固定连接，所述双流体雾化喷嘴5设置于导流筒3与混合筒4连接线所在平面的轴线上，向上延伸至导流筒内0.5d，向下深入混合筒内0.5d。所述双流体雾化喷嘴5分别同吸收液管线8和压缩风管线7连通，所述混合筒4内部在双流体雾化喷嘴5的下方设置扰流元件6，扰流元件6包括扩散板61、扩散板外周的第一环形板62，及位于扩散板61和第一环形板62下方的第二环形板63，所述扩散板61与双流体雾化喷嘴5正对，第二环形板62与扩散板61及第一环形板62之间的环形间隙相对。所述双流体雾化喷嘴5与导流筒3、混合筒4的轴线重合。扩散板61与第一环形板62在同一平面，二者同轴布置。所述的扩散板61、第一环形板62和第二环形板63可以通过构件与导流筒内壁固定，第二环形板63的空心与上方的扩散板61相对设置，扩散板61直径与第一环形板62宽度均为混合筒直径1/8～1/4，第二环形板63与扩散板61/第一环形板62的间距为混合筒直径0.5～1.5倍。
烟气/雾化吸收液混合构件中导流筒3与轴线夹角α为10～60°，优选30～50°，混合筒长度为混合筒直径1.0～3.0倍。
本发明所述的烟气脱SO3系统设置于锅炉内SCR脱硝反应器入口烟道、空预器入口烟道、省煤器入口烟道、锅炉出口烟道或脱硫反应器入口烟道，优选设置于SCR脱硝反应器入口或空预器入口等安装空间较小的烟道内。烟气温度一般为120～450℃。所述的烟道上设置有烟气流量测量装置，及三氧化硫浓度测量装置。
在双流体雾化喷嘴前的三氧化硫吸收剂管道上设置有压力测量仪表、流量计和调节阀，在压缩空气管道上或蒸汽管道上设置有流量计和调节阀。烟气脱SO3吸收液选自氢氧化钠溶液、碳酸钠溶液、碳酸氢钠溶液、亚硫酸钠溶液或亚硫酸氢钠溶液，优选为Na2CO3/NaHCO3混合溶液或Na2SO3/NaHSO3混合溶液。其中Na2CO3/NaHCO3混合溶液的质量浓度为5%～30%，Na2SO3/NaHSO3混合溶液的质量浓度为5%～25%。吸收液加入量以SO3脱除量计，吸收液加入了为理论化学计量比（摩尔比）为1：1～3：1。喷入烟道中经雾化后的三氧化硫吸收液微液滴的粒径一般为0.1~200μm，优选为0.5~50μm。
本发明特别适用于在锅炉内SCR脱硝反应器入口或空预器入口等安装空间较小的烟道内实施烟气脱SO3系统改造。
实施例1
某燃煤锅炉烟气脱硝反应器入口烟气组成见表1。烟气脱SO3单元混合构件设置如下：密封板与烟气垂直设置。导流筒（倒置的圆台母线）与轴线夹角35°，混合筒长度为混合筒直径（设直径为d）1.5倍。双流体雾化喷嘴5设置于导流筒3与混合筒4连接处所在平面中心位置。双流体雾化喷嘴5的正下方0.5d处设置扰流元件6，扩散板61直径与第一环形板62的宽度均为混合筒直径1/6，第二环形板63与扩散板61/第一环形板62的间距为混合筒直径0.8倍，混合筒内烟气流速20m/s。烟气脱SO3单元混合构件（导流筒与混合筒）总高度0.8m。
表1 某锅炉烟气组成
操作条件：（1）以质量浓度20%碳酸钠溶液作吸收剂，溶液加入量440kg/h；（2）Na2CO3加入量与SO3脱除量摩尔比1.8：1。
效果：净化烟气中SO3浓度＜20mg/Nm3，SO3脱除率接近90%。
实施例2
某催化裂化装置锅炉烟气脱硝反应器入口烟气组成见表1。烟气脱SO3单元混合构件设置如下：密封板与烟气垂直设置。导流筒（倒置的圆台母线）与轴线夹角45°，混合筒长度为混合筒直径（设直径为d）2.0倍。双流体雾化喷嘴5设置于导流筒3与混合筒4连接处所在平面中心位置向上逆烟气流动方向0.2d处。双流体雾化喷嘴5的正下方0.3d处设置扰流元件6，扩散板61直径与第一环形板62的宽度均为混合筒直径1/7，第二环形板63与扩散板61/第一环形板62的间距为混合筒直径1.0倍，混合筒内烟气流速30m/s。烟气脱SO3单元混合构件（导流筒与混合筒）总高度0.6m。
某催化裂化装置锅炉烟气脱硝反应器入口烟气组成见表2。
表2 某锅炉烟气组成
操作条件：（1）以钠法烟气脱硫废水加入适量Na2SO3配置成质量浓度20%溶液作吸收剂加入量200kg/h；（2）Na2SO3加入量与SO3脱除量摩尔比1.55：1。
效果：净化烟气中SO3浓度＜10mg/Nm3，SO3脱除率接近90%。
Claims (16)
1.一种烟气脱SO3系统，其特征在于，所述烟气脱SO3系统包括烟道密封板和镶嵌在烟道密封板上的若干混合构件，所述的混合构件包括导流筒、混合筒、双流体雾化喷嘴和扰流元件；
所述烟道密封板设置于烟道内，且与烟气流动方向近乎垂直；
所述导流筒为倒置的圆台形结构，所述混合筒为圆筒形结构，混合筒上端与导流筒下端固定连接；
所述双流体雾化喷嘴与导流筒、混合筒同轴布置，双流体雾化喷嘴别同吸收液管线和压缩风管线连通；
所述混合筒内部沿烟气流动方向，在双流体雾化喷嘴的正下方设置扰流元件；所述扰流元件包括扩散板、扩散板外周的第一环形板，位于扩散板和第一环形板下方的第二环形板；所述扩散板与双流体雾化喷嘴正对，第二环形板与扩散板及第一环形板之间的环形间隙相对。
2.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述双流体雾化喷嘴向上延伸至导流筒内0.5d，向下深入混合筒内0.5d。
3.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述扩散板与所述第一环形板在同一平面，二者圆心重合且具有环形间隙。
4.按照权利要求3所述的系统，其特征在于，所述的扩散板、第一环形板、第二环形板通过构件与导流筒内壁固定。
5.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二环形板的空心与上方的扩散板相对设置。
6.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述扩散板直径与所述第一环形板宽度为混合筒直径1/8～1/4；所述第二环形板与扩散板/第一环形板的间距为混合筒直径0.5～1.5倍。
7.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述导流筒与轴线的夹角α为10～60°，优选30～50°，所述混合筒的长度为混合筒直径1.0～3.0倍。
8.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的烟气脱SO3系统设置于锅炉内SCR脱硝反应器入口烟道、空预器/省煤器入口烟道、锅炉出口烟道或脱硫反应器入口烟道。
9.按照权利要求8所述的系统，其特征在于，所述烟道内设置有烟气流量测量装置，及三氧化硫浓度测量装置。
10.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述喷嘴前的三氧化硫吸收剂管道上设置有压力测量仪表，以实时监测进入喷嘴的三氧化硫吸收液压力。
11.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述喷嘴前的压缩空气管道上或蒸汽管道上设置有流量计和调节阀，以对进入喷嘴的压缩空气或蒸汽流量进行调节计量。
12.一种烟气脱SO3方法，其中应用了权利要求1-11任一所述的烟气脱SO3系统。
13.按照权利要求12所述的方法，其特征在于，包括以下内容：烟气以与导流筒入口横截面垂直方向进入导流筒，烟气吸收液在压缩空气作用下经双流体雾化喷嘴以与烟道横截面垂直的方向雾化喷入烟道，与烟气接触反应，脱除其中的SO3。
14.按照权利要求13所述的方法，其特征在于，所述的烟气吸收液选自氢氧化钠溶液、碳酸钠溶液、碳酸氢钠溶液、亚硫酸钠溶液或亚硫酸氢钠溶液中的一种以上。
15.按照权利要求14所述的方法，其特征在于，所述的烟气吸收液为Na2CO3/NaHCO3混合溶液或Na2SO3/NaHSO3混合溶液。
16.按照权利要求15所述的方法，其特征在于，所述Na2CO3/NaHCO3混合溶液的质量浓度为5%～30%，所述Na2SO3/NaHSO3混合溶液的质量浓度为5%～25%。
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