CN1281297C - 一种变异结构的干法烟气脱硫反应塔 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种变异结构的干法烟气脱硫反应塔，包括脱硫塔底部的烟气混合室、烟气引射装置、脱硫塔下部的流化区间、脱硫塔中部的主反应区间和脱硫塔的上部区间及塔体上的新鲜脱硫剂颗粒的入口、外部再循环颗粒的入口、雾化水喷嘴、烟气出口，其脱硫塔中部的主反应区间和/或脱硫塔上部区间采用变异结构。脱硫塔中部的主反应区间由多个变异结构的脱硫塔子段构成，每个脱硫塔子段的出口截面形状与进口截面形状不同，下一段的出口就是上一段的入口；脱硫塔中部的主反应区间每个脱硫塔子段的出口截面积为其进口截面积的1.1～1.5倍。
Description
技术领域
本发明涉及一种变异结构的干法烟气脱硫反应塔，属于烟气脱硫技术领域，涉及干法烟气脱硫技术领域的一种大型化塔体设计，特别针对单塔多床的循环流态化大型干法烟气脱硫工艺。
背景技术
二氧化硫气体污染的治理一直是世界大多数国家环境保护的重点，其所产生污染物更是造成我国生态环境破坏的最大污染源，目前已经成为了我国空气污染治理的当务之急。
目前对二氧化硫的治理，国外一般主要采用湿式石灰石膏法(W-FGD)，采用上述方法，虽然脱除效果较好，但其存在投资巨大、耗水量大，占地面积较大、系统复杂、阻力较大、结构复杂，以及需要对水进行再处理等等一系列问题。因此干式或半干式的高效烟气脱硫技术成为了国内外研究开发的重点。
特别针对我国火力发电单台装机容量基本为600MW的烟气脱硫市场需要，特别针对西北部地区电力环保的特殊要求，以及国家对水资源利用保护的加强。同时根据国际上烟气脱硫技术发展和市场的客观规律，先进的大型化(可适用于600MW以上火力发电机组)干法烟气脱硫技术将成为国内外电力环保技术及市场的主力。
对于目前所有的干法(半干法)脱硫技术以及专利技术，它们虽然都在烟气脱硫反应过程的某一些方面具有自己的技术特色，但都没有考虑当机组大型化以后，由于脱硫反应塔截面以及高度的增加，将导致整个脱硫反应由于烟气与颗粒流场的组织失败而达不到脱硫技术要求。
特别对于目前应用的烟气循环流化床方法的干法脱硫技术，大都利用消化后的石灰(浆)作为吸收剂，用吸收剂和外部分离器分离出来的物料作为循环床料，在流化床反应塔中通过强烈的气固液三相作用来脱出烟气中的有害气体。如专利CN86108755A，CN1307926等等，又如德国Wulff公司的“回流式循环流化床烟气脱硫技术”等，都是采用一个类似于流化床的脱硫反应塔，通过烟气、脱硫剂颗粒以及喷水等在塔中的接触反应而实现脱硫目的，并且都为单塔单床设计，都存在大型化后的大截面单塔设计不能满足循环流态化的基本技术要求。
从上述背景技术介绍中可见，在循环流化的烟气脱硫系统中，塔内的多相流场组织能否满足设计的流化要求是脱硫反应能否顺利进行的关键因素。而目前所有的流态化干法脱硫技术都存在当机组容量较大时，不能满足大型化烟气脱硫反应的流态化要求。
发明内容
针对现有技术存在的不足和缺陷，本发明的目的和任务是提供一种新型的循环流态化干法烟气脱硫技术中的脱硫塔。通过一种多床复杂变异结构的循环流态化烟气脱硫反应塔的结构设计，使其能保证在较高的锅炉机组负荷下(＞＝600MW)满足大截面脱硫塔的均衡流化过程。并且通过塔体截面的复杂变异结构，改变烟气在塔体内各截面位置的流动状态，使烟气在塔内的任何一个截面位置都呈现各个方向的多个涡流区的组合流动形式，加强烟气与脱硫剂颗粒的混合强度，沿烟气上升方向，阶梯降低塔内烟气的空截面速度，并且由于各位置的涡流区的存在，极大的提高脱硫剂颗粒在塔体内的内循环量，减轻外部再循环的脱硫剂颗粒比率，减轻了分离器的运行负担。本发明不仅提高了塔内烟气脱硫反应效率，更解决了影响大型化烟气脱硫技术所面临的外部颗粒分离设备(如静电除尘器等)颗粒分离荷载过大等技术问题。
本发明的技术方案：
本发明的变异结构的干法烟气脱硫反应塔包括脱硫塔底部的烟气混合室、烟气引射装置、脱硫塔下部的流化区间、脱硫塔中部的主反应区间和脱硫塔的上部区间及塔体上的新鲜脱硫剂颗粒的入口、外部再循环颗粒的入口、雾化水喷嘴、烟气进出口，其特征是脱硫塔中部的主反应区间和/或脱硫塔上部区间采用沿塔体高度方向不同高度位置的塔体横截面形状不同的变异结构；脱硫塔中部的主反应区间由多个变异结构的脱硫塔子段构成，每个脱硫塔子段的出口截面形状与进口截面形状不同，下一段的出口就是上一段的入口；脱硫塔中部的主反应区间每个脱硫塔子段的出口截面积为其进口截面积的1.1～1.5倍。
所述的变异结构的干法烟气脱硫反应塔，变异的脱硫塔子段的进、出口截面沿设备的宽度方向长为X，沿设备的深度方向长为Y，当一个截面为长形即X≥1.5Y时，则另一个截面为近似正形即X＝0.8～1.2Y。
所述的变异结构的干法烟气脱硫反应塔，变异的脱硫塔子段的进口与出口之间为自然过渡面。
所述的变异结构的干法烟气脱硫反应塔，脱硫塔子段的进、出口截面中，一个截面是长形，即由矩形的两个长边和用圆弧代替两个短边的组合形状，则另一个截面是近似正形即多边形状或圆形形状。
所述的变异结构的干法烟气脱硫反应塔脱硫塔的上部区间的入口采用圆形截面，其向上变异成一个矩形三边与圆弧段组合的塔体截面，两口之间是自然过渡面，构成上部区间的变异段，该变异段的出口截面积为其入口截面的1.1～2.0倍。
所述的变异结构的干法烟气脱硫反应塔，脱硫塔下部的流化区间分成2个或2个以上独立的流化子床，这些流化子床有两种布置方式，一个是沿着塔体的宽度方向均匀布置；另一种为沿着塔体的圆周方向均匀布置，并且由这些流化子床构成了脱硫塔的流化区间。
所述的变异结构的干法烟气脱硫反应塔，在脱硫塔塔体中部布置有再循环洁净烟气的组合射流入口，形成脱硫塔中部的高强度湍流混合区，加强总体脱硫反应的强度。
所述的变异结构的干法烟气脱硫反应塔，在脱硫塔底部的烟气混合室中布置有烟气导流板，将烟气均匀分配到各流化子床的烟气引射装置中。
本发明的优点：
首先，本发明同样可以采用了单塔多床的流态化技术，解决了单塔大型化后的脱硫剂颗粒的流化问题、多相化学反应过程的流场组织问题。本发明适用于200-1000MW火电机组，特别适用于600MW左右的火电机组的单塔多床烟气脱硫技术及性能要求，脱硫塔内的颗粒内循环率可保证在30％-75％之间，系统在Ca/S＝1.1-1.3的情况下达到较高的脱硫效率(90％-92％以上)；脱硫塔烟气流动阻力小于1800Pa。
第二，本发明在主反应区以及脱硫塔上部区域采用变异结构，加强了脱硫反应需要的多相混合及湍流强度，提高了脱硫反应效率。
第三，本发明的变异塔体设计形成了塔体内部各位置的多方向流动和涡流区，极大地提高了脱硫塔的颗粒内循环效率，颗粒内循环率最高可达整个颗粒再循环的75％左右，这不仅提高了脱硫反应效率，更解决了外部颗粒再循环量过大所造成的颗粒分离装置(如静电除尘器、布袋除尘器、惯性分离器或它们的组合形式)的负担。特别针对大型化600MW及以上机组的烟气干法脱硫设备，解决了影响大型化脱硫系统设计和运行的关键的颗粒再循环技术问题、三相湍流流场的组织问题，和关键的除尘器辅机的除尘能力限制问题。
第四，本发明不仅具有上述优点，采用本发明进行的烟气脱硫系统设计，同样实现了高脱硫效率(在钙硫比1.1～1.3之间可达到90～92％以上的脱硫效率)、宽调节比(满足燃烧设备20％～110％负荷变化的高效脱硫要求)，低投资及运行成本、低耗水量的脱硫技术要求。
附图说明
图1为本发明的变异结构脱硫塔的主视示意图；
图2是变异结构脱硫塔的侧视示意图；
图3是脱硫塔上部区间变异段出口截面示意图；
图4～8是脱硫塔中部的主反应区间异形子段的进、出口截面示意图。
图9是脱硫塔内烟气流动示意的主视图；
图10是脱硫塔内烟气流动示意的侧视图；
图11是脱硫塔正形截面的烟气流动示意图；
图12是脱硫塔长形截面的烟气流动示意图。
图中：烟气混合室1、烟气进口1-1、低阻力烟气引射装置2、脱硫塔流化下部流化区间3、脱硫塔的中部主反应区间4、脱硫塔上部区间5、脱硫塔的烟气出口6、新鲜脱硫剂喷入口7、水雾化喷入口8、外部再循环脱硫剂颗粒的回流口9、烟气导流板10、流化子床3-1、脱硫塔的中部主反应区间子段4-1、脱硫塔上部区间的变异段5-1、组合烟气射流入口11。
具体实施方式
本发明在干法烟气脱硫领域提出了脱硫塔的复杂变异结构设计原理及技术设计方案，特别针对大型化干法烟气脱硫系统采用的单塔多床的流态化技术，在塔体设计上，通过对塔体各位置的截面采用变异设计，在塔内各空间满足流态化的三相(烟气、脱硫剂颗粒、雾化水颗粒)强烈混合，以及实现很高的湍流强度来提高脱硫反应效率，并且由于塔体截面变异，塔内烟气流动形成多方向性，塔内各截面都将有较多的回流区存在，这将会极大地提高塔内脱硫剂颗粒的内循环量，并且提高烟气与颗粒的速度滑移，从而实现高脱硫效率和高颗粒内循环率的技术要求。
本发明主要针对脱硫塔的中间主反应区间和脱硫塔上部区间。
如图1和图2所示：塔底有烟气混合室1、低阻力烟气引射装置2、脱硫塔流化下部流化区间3，在脱硫塔的流化区间3布置有新鲜脱硫剂颗粒的入口7和外部再循环脱硫颗粒的入口9，新加入的脱硫剂颗粒以及外部再循环脱硫剂颗粒回料都分别进入脱硫塔流化区间3底部，水雾化喷嘴8布置在各流化区间3的出口位置附近。对于采用单塔多床的大型循环流态化脱硫塔，即脱硫塔下部的流化区间分成2个或2个以上独立的流化子床3-1，独立的流化子床有两种布置方式，一个是沿着机组宽度方向均匀布置；另一种为沿着塔体的圆周方向均匀布置，并且由这些流化子床构成了脱硫塔的流化区间。在脱硫塔底部的烟气混合室中布置有烟气导流板10，将烟气或者烟气与再循环烟气的混合气体均匀分配到各流化子床的烟气引射装置2中。
从流化区间3出口截面开始进行变异，进入脱硫塔中间主反应区间4，主反应区间4由多个变异结构的脱硫塔子段4-1构成，每个脱硫塔子段的出口截面形状与进口截面形状不同，下一段的出口就是上一段的入口。每个脱硫塔子段的出口截面积为其进口截面积的1.1～1.5倍。其变异的脱硫塔子段的进、出口截面沿设备的宽度方向长为X，沿设备的深度方向长为Y，当一个截面为长形即X≥1.5Y时，则另一个截面为近似正形即X＝0.8～1.2Y。变异的脱硫塔子段的进口与出口之间为过渡面。变异的脱硫塔子段的进、出口截面，一个截面是长形，包括图6的长方形、图7的由矩形的两个长边和用圆弧代替两个短边的组合形状、图8的椭圆形等；则另一个截面是近似正形即如图4的多边形状、图5的圆形等。但以一个截面由矩形的两个长边和用圆弧代替两个短边的组合形状，另一个截面为圆形最佳。这样既可满足大截面脱硫塔的均衡流化过程，又通过塔体截面的复杂变异结构，改变烟气在塔体内各截面位置的流动状态，使烟气在塔内的任何一个截面位置都呈现各个方向的多个涡流区的组合流动形式，加强了烟气与脱硫剂颗粒的混合强度，并沿烟气上升方向，阶梯降低塔内烟气的空截面速度，同时由于各位置的涡流区的存在，极大地提高脱硫剂颗粒在塔体内的内循环量，减轻外部再循环的脱硫剂颗粒比率。
脱硫塔的上部区间5的入口采用圆形截面，该入口即是中间主反应区间4的出口，向上则变异成一个矩形三边与圆弧组合的塔体截面，如图3，构成上部区间的变异段5-1，该变异段的出口截面积为其入口截面的1.1～2.0倍。这样既可满足大截面脱硫塔的均衡流化过程，又通过塔体截面的复杂变异结构，改变烟气在塔体内各截面位置的流动状态，使烟气在塔内的任何一个截面位置都呈现各个方向的多个涡流区的组合流动形式，加强了烟气与脱硫剂颗粒的混合强度，并沿烟气上升方向，阶梯降低塔内烟气的空截面速度。同时由于各位置的涡流区的存在，极大的提高脱硫剂颗粒在塔体内的内循环量，减轻外部再循环的脱硫剂颗粒比率。变异段上面有脱硫塔的烟气出口6，脱硫塔最顶端塔顶收缩，以便加强脱硫剂颗粒在脱硫塔上部的回流。
脱硫塔塔体中部，针对大型化脱硫化学反应的要求，还布置有再循环洁净烟气的组合射流入口11，以便形成脱硫塔中部的高强度湍流混合区，加强中部脱硫塔的脱硫反应强度。
下面结合附图具体说明应用本发明的系统的工艺过程：
首先，从燃烧设备排出的需脱硫处理的烟气从烟气进口1-1送入烟气混合室中1，通过布置在混合室中的导流板10均匀地分配到脱硫塔底部的烟气引射装置2中，维持烟气射流的出口速度范围为10-55米/秒，加速进入脱硫塔流化区间，或者多床设计的各流化子床底部。
同时，将脱硫剂颗粒(如Ca(OH)2)，其粒径范围为1～10μm颗粒，由脱硫剂颗粒喷入口7喷入脱硫塔的各流化区间3下部，同时在流化区间3下部的脱硫剂颗粒喷入口7位置上部布置有外部再循环脱硫剂颗粒的回流口9，烟气进入脱硫反应塔的下部与从喷嘴7喷进的高活性脱硫剂颗粒、由8喷入的雾化冷却水，和从除尘器分离出来的从喷口9进来再循环脱硫剂颗粒混合，三者发生强烈的三相湍流传热传质交换。上述塔内烟温降到55-70℃之间(高于塔内烟气露点温度5-15℃之间)，某些情况下也可以在烟温80℃左右运行，大部分脱硫剂颗粒粒径在1-6μm之间。这样烟气、水颗粒、脱硫剂颗粒和再循环颗粒在烟气射流的带动下，向上运动，整个脱硫塔内呈流化悬浮态。
在脱硫塔的主反应区间4，由于复杂变异结构设计，在塔体内部形成各截面位置的多向流动，以及形成多位置的涡流区间，其脱硫塔内烟气流动如附图9、10、11、12中所示。这样极大的强化了主反应区间的三相湍流混合强度，加强了脱硫反应速率，同时形成了高颗粒回流的塔内流场特性，提高了脱硫剂颗粒的内循环效率。
在脱硫塔的塔体中部主反应区间4，针对大型化脱硫化学反应的要求，布置有再循环洁净烟气的组合射流11，形成脱硫塔中部的高强度湍流混合区，加强脱硫塔中部的脱硫反应强度。在往上，塔内颗粒基本呈现较大的回落趋势，大部分颗粒沿侧壁附近向下运动，并到塔下部又重新被烟气带动向上运动往复，在塔内形成高强度的三相湍流交换状态，发生强烈的混合、传热、传质及化学反应的复杂物理化学过程。在塔内烟气中的SO2与脱硫剂Ca(OH)2反应生成亚硫酸钙或硫酸钙，并可以同时脱出烟气中少量的SO3以及可能存在的HCl、HF等有害气体成分，脱硫效率至少可以达到90％以上。
再后，烟气经过脱硫塔上部5-1的变异结构，由于截面放大，烟气减速由脱硫塔顶部的出口管道6引出，并且相当一部分脱硫剂颗粒由于变异以及降速而回流进入脱硫塔的主反应区4再循环。
本发明的核心是在干法烟气脱硫领域提出了脱硫塔的变异结构设计原理及技术设计方案，特别针对大型化干法烟气脱硫系统采用的单塔多床的流态化技术，在塔体设计上，通过对塔体各位置的截面采用变异设计，在塔内各空间满足流态化的三相(烟气、脱硫剂颗粒、雾化水颗粒)强烈混合，以及实现很高的湍流强度来提高脱硫反应效率，并且由于塔体截面变异，塔内烟气流动形成多方向性，塔内各截面都将有较多的回流区存在，这将会极大地提高塔内脱硫剂颗粒的内循环量，并且提高烟气与颗粒的速度滑移，从而实现高脱硫效率和高颗粒内循环率的技术要求。因此，凡是采用脱硫塔的变异结构设计原理及技术方案，均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种变异结构的干法烟气脱硫反应塔，它包括脱硫塔底部的烟气混合室、烟气引射装置、脱硫塔下部的流化区间、脱硫塔中部的主反应区间和脱硫塔的上部区间及塔体上的新鲜脱硫剂颗粒的入口、外部再循环颗粒的入口、雾化水喷嘴、烟气进出口，其特征是脱硫塔中部的主反应区间和/或脱硫塔上部区间采用沿塔体高度方向不同高度位置的塔体横截面形状不同的变异结构；脱硫塔中部的主反应区间由多个变异结构的脱硫塔子段构成，每个脱硫塔子段的出口截面形状与进口截面形状不同，下一段的出口就是上一段的入口；脱硫塔中部的主反应区间每个脱硫塔子段的出口截面积为其进口截面积的1.1～1.5倍。
2.根据权利要求1所述的变异结构的干法烟气脱硫反应塔，其特征是变异的脱硫塔子段的进、出口截面沿设备的宽度方向长为X，沿设备的深度方向长为Y，当一个截面为长形即X≥1.5Y时，则另一个截面为近似正形即X＝0.8～1.2Y。
3.根据权利要求1或2所述的变异结构的干法烟气脱硫反应塔，其特征是变异的脱硫塔子段的进口与出口之间为自然过渡面。
4.根据权利要求2所述的变异结构的干法烟气脱硫反应塔，其特征是脱硫塔子段的进、出口截面中，一个截面是长形，即由矩形的两个长边和用圆弧代替两个短边的组合形状，则另一个截面是近似正形即多边形状或圆形形状。
5.根据权利要求1或2所述的变异结构的干法烟气脱硫反应塔，其特征是脱硫塔的上部区间的入口采用圆形截面，其向上变异成一个矩形三边与圆弧段组合的塔体截面，两口之间是自然过渡面，构成上部区间的变异段，该变异段的出口截面积为其入口截面的1.1～2.0倍。
6.根据权利要求1或2所述的变异结构的干法烟气脱硫反应塔，其特征是脱硫塔下部的流化区间分成2个或2个以上独立的流化子床，这些流化子床有两种布置方式，一个是沿着塔体的宽度方向均匀布置；另一种为沿着塔体的圆周方向均匀布置，并且由这些流化子床构成了脱硫塔的流化区间。
7.根据权利要求1或2所述的变异结构的干法烟气脱硫反应塔，其特征是在脱硫塔塔体中部布置有再循环洁净烟气的组合射流入口，形成脱硫塔中部的高强度湍流混合区，加强总体脱硫反应的强度。
8.根据权利要求6所述的变异结构的干法烟气脱硫反应塔，其特征是在脱硫塔底部的烟气混合室中布置有烟气导流板，将烟气均匀分配到各流化子床的烟气引射装置中。
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