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IMA煙氣脫硫技術介紹
浏覽: 發布日期:2015-02-24
一、脫硫技術現狀
為了控制大氣中二氧化硫,早在19世紀人類就開始進行有關的研究,但大規模開展脫硫技術的研究和應用是從二十世紀50年代開始的。經過多年研究目前已開發出的200餘種SO2控制技術。這些技術按脫硫工藝與燃燒的結合點可分為:①燃燒前脫硫(如洗煤,微生物脫硫);②燃燒中脫硫(工業型煤固硫、爐内噴鈣);③燃燒後脫硫,即煙氣脫硫(Flue Gas Desulfurization,簡稱FGD)。FGD是目前世界上唯一大規模商業化應用的脫硫方式,是控制酸雨和二氧化硫污染的最主要技術手段。
煙氣脫硫技術主要利用各種堿性的吸收劑或吸附劑捕集煙氣中的二氧化硫,将之轉化為較為穩定且易機械分離的硫化合物或單質硫,從而達到脫硫的目的。FGD的方法按脫硫劑和脫硫産物含水量的多少可分為兩類:①濕法,即采用液體吸收劑如水或堿性溶液(或漿液)等洗滌以除去二氧化硫。②幹法,用粉狀或粒狀吸收劑、吸附劑或催化劑以除去二氧化硫。按脫硫産物是否回用可分為回收法和抛棄法。按照吸收二氧化硫後吸收劑的處理方式可分為再生法和非再生法(抛棄法)。
1、國外煙氣脫硫現狀
國外煙氣脫硫研究始于1850年,經過多年的發展,至今為止,世界上已有2500多套FGD裝置,總能力已達200,000MW(以電廠的發電能力計),處理煙氣量700Mm3/h,一年可脫二氧化硫近10Mt,這些裝置的90%在美國、日本和德國。
盡管各國開發的FGD方法很多,但真正進行工業應用的方法僅是有限的十幾種。其中濕式洗滌法(含抛棄法及石膏法)占總裝置數的73.4%,噴霧幹燥法占總裝置數的17.7%,其它方法占9.3%。美國的FGD系統中,抛棄法占大多數。在濕法中,石灰/石灰石法占90%以上。可見,濕式石灰/石灰石法在當今FGD系統中占主導地位。
盡管各國在FGD方面都取得了很大的進步,但運行費用相當驚人,而且各種方法均有其局限性,因此,至今許多研究者仍在不斷研究開發更先進、更經濟的FGD技術。
目前工業化的主要技術有:
①濕式石灰/石灰石—石膏法  該法用石灰或石灰石的漿液吸收煙氣中的SO2,生成半水亞硫酸鈣或再氧化成石膏。其技術成熟程度高,脫硫效率穩定,達90%以上,是目前國内外的主要方法。
②噴霧幹燥法  該法是采用石灰乳作為吸收劑噴入脫硫塔内,經脫硫及幹燥後為粉狀脫硫渣排出,屬半幹法脫硫,脫硫效率85%左右,投資比濕式石灰石-石膏法低。目前主要應用在美國。
③吸收再生法  主要有氨法、氧化鎂法、雙堿法、W-L法。脫硫效率可達95%左右,技術較成熟。
④爐内噴鈣—增濕活化脫硫法  該法是一種将粉狀鈣質脫硫劑(石灰石)直接噴入燃燒鍋爐爐膛的脫硫技術,适用于中、低硫煤鍋爐,脫硫效率約85%。
2、國内煙氣脫硫現狀
我國廢氣脫硫技術早在1950年就在硫酸工業和有色冶金工業中進行,對電廠鍋爐燃燒産生煙氣二氧化硫的脫除技術在二十世紀70年代開始起步并在國家“六五”至“九五”期間有了長足的進步。先後有60多個高校、科研和生産單位對多種脫硫工藝進行了試驗研究。
盡管我國對FGD系統的研究開始得很早,涉及的面也很寬,但大部分技術隻停留在小試或中試階段,遠未達到大面積工業化應用的程度。而投入巨資引進的示範工程雖然設備先進、運行穩定,但投資巨大,運行費用也相當高。因此加快對國外先進技術的消化吸收,使其國産化、低成本化,是當前重要而艱巨的任務。下表列出了我國引進的部分FGD裝置情況。最近十幾年來,我國加大了FGD技術研究的投入,“八五”、“九五”期間不斷有大課題立項支持這方面的研究,取得了可喜的成績,其中,旋流闆塔脫硫技術就是在這段時間研究、開發、發展起來的。
鈉鈣雙堿法是較為常用的脫硫方法之一,該法在國外(如日本、美國)已有大型化成功應用,在日本和美國至少有50套雙堿法脫硫裝置,成功應用于電站和工業鍋爐,較大規模的有美國 Central Illinois Public Service, Newtow 1#, 575MW。
 
二、工藝選擇
目前國内外脫硫技術應用最廣泛的是濕式石灰石—石膏法,但該技術工程投資大、運行成本高,設備和管路系統易磨損和堵塞。
雙堿法是先用可溶性的堿性清液作為吸收劑吸收SO2,然後再用石灰乳或石灰對吸收液進行再生,由于在吸收和吸收液處理中,使用了不同類型的堿,故稱為雙堿法。鈉鈣雙堿法是以碳酸鈉或氫氧化鈉溶液為第一堿吸收煙氣中的SO2,然後再用石灰或熟石灰作為第二堿,處理吸收液,再生後的吸收液送回吸收塔循環使用。由于采用鈉堿液作為吸收液,不存在結垢和漿料堵塞問題,且鈉鹽吸收速率比鈣鹽速率快,所需要的液氣比低很多,可以節省動力消耗。
因此,本工程采用鈉鈣雙堿法脫硫工藝。
1、 鈉鈣雙堿法工藝反應原理
雙堿法煙氣脫硫工藝同石灰石/石灰等其他濕法脫硫反應機理類似,主要反應為煙氣中的SO2先溶解于吸收液中,然後離解成H+和HSO3—;
             SO2(g)= = = SO2
       SO2(aq)+H2O(l) = = =H++HSO3— = = = 2H++SO32-;
式(1)為慢反應,是速度控制過程之一。
然後H+與溶液中的OH—中和反應,生成鹽和水,促進SO2不斷被吸收溶解。具體反應方程式如下:
2NaOH + SO2 → Na2SO3 + H2O
Na2SO3 + SO2 + H2O → 2NaHSO3
    脫硫後的反應産物進入再生池内用另一種堿,一般是Ca(OH)2進行再生,再生反應過程如下:
Ca(OH)2 + Na2SO3  → 2 NaOH + CaSO3$ U-
Ca(OH)2 + 2NaHSO3 → Na2SO3 + CaSO3·1/2H2O +1/2H2O
( F存在氧氣的條件下,還會發生以下反應:
Ca(OH)2 + Na2SO3 + 1/2O2 + 2 H2O → 2 NaOH + CaSO4·H2O
脫下的硫以亞硫酸鈣、硫酸鈣的形式析出,然後将其用泵打入石膏脫水處理系統或直接堆放、抛棄。再生的NaOH可以循環使用。
本工程選擇鈉鈣雙堿法為脫硫工藝,以石灰作為主脫硫劑,鈉堿為助脫硫劑。由于在吸收過程中以鈉堿為吸收液,脫硫系統不會出現結垢等問題,運行安全可靠。且由于鈉堿吸收液和二氧化硫反應的速率比鈣堿快很多,能在較小的液氣比條件下,達到較高的二氧化硫脫除率。
2、低阻高效噴霧脫硫工藝
噴淋塔也成為噴霧塔,是在吸收塔内上部布置幾層噴嘴,脫硫劑通過噴嘴噴出形成液霧,通過液滴與煙氣的充分接觸,來完成傳質過程。空塔噴淋吸收塔主體為矩形塔體,塔體内配置有多個高效噴嘴及高效除霧裝置,漿液在吸收塔内通過高效霧化噴嘴霧化,霧化覆蓋面積可達200%,形成良好的氣液接觸反應界面,煙氣進入塔内之後,在塔内勻速上升,與霧狀噴液進行全面高效混合接觸,脫除SO2等酸性氣體。根據燃煤含硫量、脫硫效率等,一般在脫硫塔内布置幾層噴嘴。噴嘴形式和噴淋壓力對液滴直徑有明顯的影響。減少液滴直徑,可以增加傳質表面積,延長液滴在塔内的停留時間,兩者對脫硫效率均起到積極的作用。液滴在塔内的停留時間與液滴直徑、噴嘴出口速度和煙氣流動方向有關。帶霧點的煙氣上升至高效除霧裝置時,通過除霧裝置的作用,氣液進行接觸二次吸收并同時得到有效分離,從而避免煙氣夾帶霧沫,最大限度地減少煙氣帶水現象。
空塔噴淋煙氣洗滌技術是現在國際國内技術成熟,最為前沿流行使用的空塔噴淋技術。
1、空塔噴淋是經過大型石灰石-石膏法演變而來的噴淋塔,具有很高的脫硫效率,最高時可達95%;
2、可操作彈性大,對煤種變化适應性強,含硫率在4%以下可确保二氧化硫排放濃度,在鍋爐工況110%以下均能正常等等;
3、系統阻力小,運行費用低,權為大型濕法的十分之一;
4、采用進口的除霧技術,煙氣含濕量确保符合要求;
5、不存在堵塞問題;
6、設備利用率高,保證與鍋爐同步運行達100%以上;
7、空塔投資與其它塔形相差無幾;
8、運行操作簡便,維護方便,穩定性是其它塔形的三到五倍。
除霧器可安裝在吸收塔上部,用以分離淨煙氣夾帶的霧滴。除霧器出口煙氣濕度不大于75mg/Nm3,分為兩級布置在脫硫塔上部,設置兩級四通道平闆式除霧器,一層粗除霧,一層精除霧。
除霧器型式能夠保證其具有較高的可利用性和良好的去除液滴效果,且保證脫硫後的煙氣以一定流速均勻通過除霧器,防止發生二次攜帶,堵塞除霧器。
除霧器系統的設計考慮了FGD裝置入口的飛灰濃度的影響。該系統還包括去除除霧器沉積物的沖洗和排水系統,運行時根據給定或可變化的程序,既可進行自動沖洗,也可進行人工沖洗。設計了合理的沖洗時間和沖洗水量,既能沖洗幹淨除霧器,又防止生成二次攜帶。
位于下面的第一級除霧器是一個大液滴分離器,葉片間隙稍大,用來分離上升煙氣所攜帶的較大液滴。上方的第二級除霧器是一個細液滴分離器,葉片距離較小,用來分離上升煙氣中的微小漿液液滴和除霧器沖洗水滴。煙氣流經除霧器時,液滴由于慣性作用,留在擋闆上。由于被滞留的液滴也含有固态物,因此存在擋闆上結垢的危險,同時為保證煙氣通過除霧器時産生的壓降不超過設定值,需定期進行在線清洗。為此,設置了定期運行的清潔設備,包括噴嘴系統。沖洗介質為工業水。
一級除霧器的上下面和二級除霧器的下面設有沖洗噴嘴,正常運行時下層除霧器的底面和頂面,上層除霧器的底面自動按程序輪流清洗各區域。除霧器每層沖洗可根據煙氣負荷、除霧器兩端的壓差自動調節沖洗的頻率。
沖洗水由除霧器沖洗水泵提供,沖洗水還用于補充吸收塔中的水分蒸發損失。
三、脫硫系統組成
脫硫系統的工藝流程圖和平面布置圖見附圖1和附圖2。
整個工藝由五大部分組成:
1、脫硫劑制備系統
由成品石灰(粒徑小于10mm(100%)的粉狀石灰)運至廠裡後手工加入石灰消化池進行消化,消化後的石灰漿液自流至再生池中進行脫硫液再生反應。
鈉堿由運輸車給料至鈉堿池,在池中與工藝水進行混合直至達到所需的濃度,自流到再生池。
2、煙氣系統
熱煙氣自鍋爐出來後進入吸收塔,向上流動穿過噴淋層,在此煙氣被冷卻到飽和溫度,煙氣中的SO2等污染物被脫硫液吸收。經過噴淋洗滌後的飽和煙氣,經除霧器除去水霧後,通過煙道經引風機進入煙囪排空。
從鍋爐出口至脫硫塔進口段的連接煙道采用A3鋼制作,并根據需要設置膨脹節。連接煙道上設有擋闆系統,以便于煙氣脫硫系統事故時旁路運行。擋闆采用手動抽闆閥門,包括1個入口擋闆、1個旁路擋闆和1個脫硫裝置出口擋闆。在正常運行時,入口擋闆和出口擋闆開啟,旁路擋闆關閉。在故障情況下,開啟煙氣旁路擋闆,關閉入口擋闆和出口擋闆,煙氣通過旁路煙道繞過煙氣脫硫系統直接排到煙囪。
3、SO2吸收系統
在吸收塔内,脫硫液中的氫氧化鈉與從煙氣中捕獲的SO2、SO3、HF、HCl等發生化學反應,生成亞硫酸鈉和亞硫酸氫鈉等物質。脫硫後的淨煙氣通過除霧器除去氣流中夾帶的霧滴後排出吸收塔。
采用噴淋塔作為吸收塔,噴淋塔是目前中小型鍋爐脫硫裝置中應用較為廣泛的脫硫塔,其具有氣液流通量大、壓降低、操作彈性寬、不易堵、效率穩定等優點。
吸收塔脫硫主要反應原理如下:
a)吸收
在吸收塔中,煙氣中的SO2和SO3按照以下反應式被溶液中的水吸收:
SO2 + H2O<==> H2SO3
SO3 + H2O<==> H2SO4
b)中和反應
H2SO3和H2SO4必須很快被中和以保證有效的SO2和SO3.吸收。
H2SO3、H2SO4 、HCl和HF與懸浮液中堿按以下反應式發生反應:
Na2CO3 + H2SO3 <==>Na2SO3+CO2 ­ +H2O
Na2CO3 + H2SO4 <==> Na2SO4 + CO2 ­ + H2O
Na2CO3 + HCl <==> NaCl +CO2 ­+H2O
Na2CO3 + HF <==>NaF +CO2 ­+H2O
c)副反應
煙氣中所含的氧量将把脫硫反應中生成的亞硫酸鈉(Na2SO3)氧化成硫酸鈉(Na2SO4):
2 Na2SO3+O2 <==>2 Na2SO4
4、脫硫液循環系統與脫硫渣處理系統
泵前池的脫硫液通過循環水泵泵送到脫硫塔内與煙氣接觸反應後,從脫硫裝置底部排出,排出的含有CaSO4、CaSO3及少量粉塵渣(大部分煙塵在原除塵器中除去)的混合渣漿液體進入再生池、沉澱池,與從石灰漿液池過來的石灰漿液發生再生反應,并進行脫硫副産物的沉澱,上清液流經泵前池,經沉澱後的池底渣漿由人工清出,濾液返流回泵前池,由循環水泵抽送到脫硫裝置進行脫硫循環利用。
5、電氣控制系統
①供電方式
系統内的動力設備為分散式布置,均為三相電源供電,廠内民用動力和民用照明為單路三相電源供電分配使用,設計處理系統供電采用放射式供電方式,優點是安全可靠。
②接地系統
處理系統低壓配電系統接地接零保護采用TN--C--S系統,所有電氣設備金屬外殼均需可靠接地和接零,民用動力、照明接地接零保護采用TT系統。
③低壓配電位置的确定
設計要求低壓配電位置盡可能靠近負荷中心,由于區内大功率用電設備主要為循環泵、渣漿泵等,其它動力及照明負荷較小,故在泵房内設一電控室,安裝電源總櫃、動力櫃和儀表櫃等。
④動力設備起動和控制方式
§所有動力設備均設有欠壓、短路和過載保護,電源總櫃設過流保護。
§民用動力和民用照明設有短路、過載和漏電保護。
§動力電纜采用铠裝電纜沿電纜溝暗敷設,無電纜溝地方軟電纜和信号電纜均采用穿鋼管埋地暗敷設,電纜溝支架均可靠接地,形成接地網。
脫硫系統内所有設備間電纜的設計、供貨由供方負責。供貨及島外部分(分界點為脫硫島外1米)的敷設由業主方負責。
脫硫島采用手動控制.
本工程系統涉及的所有規範、标準或材料規格(包括一切有效的補充或附錄)均為最新版本,即以合同生效之日作為采用最新版本的截止日期。
對脫硫系統及其輔助系統進行啟/停控制、正常運行的監視和調整以及異常與事故工況的報警。工藝系統和儀表、控制設備的設計、供貨能夠滿足上述要求。
 本系統供電電源均采用380V,50HZ交流電源,配電櫃和動力控制櫃根據用電負荷由設計院負責設計。
 
四、本技術工藝的主要優點
Ø  工藝先進,技術指标完全能滿足環保要求和廠家要求;
Ø 采用特制進口高效、防腐、耐磨噴頭,噴霧液滴800~1200μm,具有極大的比表面積,同時又不易引起二次夾帶;
Ø  脫硫效果好,脫硫效率達65%~95%,脫硫塔煙所出口濃度不高于130mg/m3
Ø  投資省、運行費用低,具有良好的經濟性;
Ø  防結垢、防堵性能好,運行穩定,安全性能高;
Ø  防腐性能好,使用壽命長(主體設備在20年以上);
Ø  阻力小,壓降低(濕法脫硫系統小于1000Pa);
Ø  操作彈性寬,運行管理方便,系統簡便,投資省;
Ø  可确保風機安全可靠長期運行。
 
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