勝翔環保:脫硫技術的對比
脫硫技術對比
半乾法煙氣脫硫系統
一、半乾法脫硫工藝的介紹
1、1997年ABB低投資煙氣脫硫(FGD)技術方面的開發工作得到了廣泛的報道。這種技術將低投資與優良的效能巧妙地結合,是針對亞洲和東歐的新興市場開發的。
採用這種脫硫技術,不管燃料中的含硫量是多少,脫硫效率都有可能達到90%以上,此外,該系統適合於已有專案的改造,它的佔地面積小。幹法煙氣脫硫技術常被忽略的一個主要特點是它在不增加投資的情況下提高了除塵效率。從幹法煙氣脫硫系統排出的煙氣可不經加熱,通過已有的煙囪排出。
2、半乾法工藝過程
半乾法工藝是利用含有石灰(氧化鈣)的乾燥劑或乾燥的消石灰(氫氧化鈣)吸收二氧化硫的,這兩種吸收劑都可使用,也可以使用含適當鹼性的飛灰。 任何干法煙氣脫硫工藝中,關鍵的控制引數都是反應區內,即反應器及其後的除塵器內的煙氣溫度。在相對溼度為40%至50%時,消石灰活性增強,能夠非常有效地吸收二氧化硫。煙氣的相對溼度是利用給煙氣內噴水的方法提高的。在傳統的幹法煙氣脫硫工藝中,水和石灰是以漿液的狀態(不論是否迴圈)注入煙氣的,但水分佈在粉料微粒的表面,水在其中的含量僅佔百分之幾。這樣,吸收劑的迴圈量比傳統幹法煙氣脫硫要高得多。即,用於蒸發的表面積非常大。進入煙氣的粉料的乾燥時間非常短,所以它可以採用比傳統噴霧乾燥技術小得多的反應器。提高了煙氣的相對溼度,足以在典型的幹法脫硫操作溫度或高於飽和溫度10℃~20℃(實踐中這一溫度範圍是65℃~75℃)啟用石灰吸收劑二氧化硫。 水在增溼攪拌機中加入吸收劑,然後才注入煙氣。半乾法技術的獨到之處是所有的迴圈吸收劑都要在攪拌機中增溼,這樣做,可以最大限度的利用迴圈吸收劑。經過活化和乾燥之後,煙氣中乾燥的迴圈粉料在高效的除塵器,最好是袋式除塵器中被分離出來,進入攪拌機,補充石灰也是在這裡加入的。注入攪拌機的水量要保證恆定的煙出口溫度。控制系統以煙氣的出入口溫度為基礎,以煙氣量為輔助,採用前饋訊號控制,並有反饋微調。出口的SO2也採用類似的方法進行控
制:入口和出口的SO2濃度加上煙氣流量決定石灰的加入速率。副產品收集在除塵器灰鬥內,當達到回斗的最高料位時,副產品溢流排出。
半乾法工藝的主要特點:高迴圈率、乾燥迅速、反應器尺寸小、反應劑的利用率高:
半乾法工藝的特點是迴圈率高,這意味著最高限度地利用了反應劑。如上所述,高迴圈率獲得很大的表面積,供水分迅速蒸發,這使得半乾法工藝採用的反應/乾燥器比採用噴霧乾燥技術的幹法煙氣迴圈系統的反應器小得多。
此外,在半乾法工藝中,也儘可能少採用複雜的專用裝置:不採用高速旋轉霧化器:也不採用需要壓縮空氣的雙流體噴嘴。在攪拌機內攪拌迴圈物料和反應劑消耗的電力比傳統幹法煙氣淨化系統的相應電耗要低得多。對比可知,旋轉噴霧器和雙流體噴嘴比半乾法的攪拌機複雜得多。採用攪拌機而不採用旋轉噴霧器或噴嘴的另一個重要的優點是,所有需要操作人員關照的社備都安排在接近地面的高度,與除塵器公用外罩。這種安排在降低造成價的同時也為維修帶來了便利,此外,本系統也沒有需要特殊泵的漿液輸送系統,水是直接加入攪拌機的。高迴圈率使系統中迴圈的都是幹物料。由於沒有衝擊裝置內表面的漿液存在,也就不存在煙道接垢的可能。
二、持續的發展
1、半乾法+靜電除塵器
有一些情況下,最好用靜電除塵器作為半乾法的除塵器。對這種組合已作了一些研究與發展,包括空氣動力學模擬研究,中試和實際化學機理研究。
試驗表明,採用靜電除塵器的半乾法的脫硫效率要低幾個百分點,準確的差值與實際執行條件有關:SO2濃度,氯化物含量等。舊廠改造時,採用靜電除塵器的半乾法很有用。已有的靜電除塵器可作為半乾法+靜電除塵器的一部分。許多情況下,可能需要增加收塵面積,但是,由於粉塵的比電阻在半乾法中大大降低,也許已有的靜電除塵器已能完全滿足要求。
如果採用靜電除塵器,半乾法裝置的配置應與採用袋式除塵器時有所不同。反應器應作為靜電除塵器的入口煙道的組成部分。這就是說,迴圈飛灰要送回到靜電除塵器的入口。飛灰要經過攪拌機後,才能分佈到反應器通道里。
2、用於迴圈流化床鍋爐的半乾法
將半乾法用於迴圈流化燃燒器(FBC)的工作處於中試階段。過程原理直接利用FBC的灰作為半乾法 系統的吸收劑。這樣,僅把少量的石灰注入FBC對付部分硫份。石灰在FNC的溫度下,不僅能夠去除硫份,它本身也能燒成CaO。這樣形成的CaO混合在FBC灰內,再在半乾法的除塵器中被分離出來。FBC灰在半乾法內迴圈的過程中,石灰因在半乾法攪拌機內加水而活化,這說明無需給半乾法系統內加額外的鹼。活化通過半乾法內反覆地增溼/乾燥迴圈完成,有因系統內
的大量迴圈而增加。
由於部分硫份已在燃燒的過程中被捕集,隨後的半乾法裝置的作用僅僅是“收尾”,以便將排放量限制在極低的水平。測試結果表明,這一原理是可行的。實驗過程中,灰在半乾法實驗裝置入口處加入煙氣中。
將FBC的脫硫能力與半乾法結合,可使脫硫率達到95%以上,應該注意到,將部分脫硫能力移到系統末端,注入FBC的石灰量會減少,FBC的燃料熱利用率可更高。
眾所周知,將石灰加入FBC會產生大量的灰渣,因為要求的脫硫效率提高了。所以,要保持低排放量,這種結合的配置實在是效率高、成本低的方案;而其主要因素即半乾法 的獨有特點,是對FBC灰進行過程中活化。
三、結論
半乾法技術是一種簡潔、低投資、高效能的脫硫系統,佔地面積小,容易接近。本系統使用於多種不同的場合,以上討論了一些,還會有很多。
PW-CFB迴圈流化床煙氣脫硫技術
PW-CFB迴圈流化床是科林公司與國際知名公司合作開發並擁有自主智慧財產權的一種新型煙氣脫硫技術。與現有的其它脫硫技術相比,該技術裝置脫硫效率高、建設投資較少、佔地小、結構簡單、易於操作,執行費用低,兼有高效除塵和脫HF、HCl功能,適用於在中小型火力發電廠及相關產業的燃煤系統上安裝使用。
科林環保工程有限責任公司結合國內外菸氣脫硫技術的應用情況和發展趨勢,以及我國燃煤電廠燃用煤種、執行條件等方面的特點,開展了大量的試驗開發研究。建立了用於迴圈流化床煙氣脫硫技術的研究開發平臺,包括熱態試驗檯
和中試試驗裝置,對反應器內的氣、固兩相流動進行模化試驗研究、對迴圈流化床煙氣脫硫的各技術環節進行全面的研究,開發出多種迴圈流化床煙氣脫硫工藝技術。
開發的脫硫工藝通過15000Nm3/h煙氣量的工業試驗,能夠滿足大型化和工程化的需要,可完成關鍵裝置和專用裝置的製造,已形成迴圈流化床煙氣脫硫技術的設計、製造和商業化能力。可根據燃煤鍋爐及工業鍋爐的不同情況和實際要求,提供具體的脫硫裝置。目前開發的各種迴圈流化床煙氣脫硫技術已申報國家專利。
工藝過程
來自鍋爐的煙氣,通過煙道進入反應器底部彎頭,經文丘裡管進入反應器。在文丘裡管的縮徑處,來自水系統的水經壓縮空氣霧化噴入反應器,使煙氣降溫至70℃左右。與此同時,迴圈灰和脫硫劑從反應器底部的一側、文丘裡管縮徑的上面迴圈到反應器入口處,在文丘裡管縮徑處所形成的高速煙氣流與迴圈灰和脫硫劑固體顆粒及液霧滴迅速混合,在反應器中形成氣-固-液三相流。迴圈灰及脫硫劑是以固體顆粒的形式迴圈流動,併產生高度返混,在外迴圈的同時,在反應器內形成內迴圈,提高了脫硫效率。在反應器中,煙氣與脫硫劑充分接觸,脫硫劑與二氧化硫的反應將二氧化硫脫除。由於迴圈流化使脫硫劑整體形成非常大的反應表面,脫硫劑與煙氣中的酸組分充分接觸,所以脫硫效率很高。煙氣離開反應器後進入旋風分離器,在此將迴圈灰分離出來,溫度降至65~75℃的煙氣進入電除塵器。迴圈灰進入迴圈灰箱經迴圈灰螺旋輸送機被再次送入反應器。脫硫劑經脫硫劑給料斗由螺旋輸送機送至迴圈灰螺旋輸送機,與迴圈灰混合後一起送入反應器。
工藝原理
•鍋爐排煙通過以脫硫劑為主要床料的迴圈流化床;
•熱煙氣與脫硫劑在湍流床內混合;
•SO2被脫硫劑吸收並轉化成亞硫酸鈣和硫酸鈣;
•通過噴水控制最佳反應溫度;
•床內粒子碰撞,使吸收劑顆粒表面發生碰撞、磨蝕,不斷地去除反應劑表面的反應產物,暴露出新的反應面;
•通過床料在床內反混及外接分離器可實現顆粒多次迴圈,以提高脫硫劑的利用率。
反應機理 CaO+H2O→Ca(OH)2
Ca(OH)2+SO2→CaSO3·1/2H2O+1/2H2O
Ca(OH)2+SO3→CaSO4+H2O
CaSO3·1/2H2O+3/2H2O+1/2O2→CaSO4·2H2O
Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O
Ca(OH)2+2HCl→CaCl2+2H2O
Ca(OH)2+2HF→CaF2+2H2O
技術特點•固體吸收劑粒子停留時間長;
•固體吸收劑與SO2間的傳熱傳質交換強烈;
•脫硫效率高,對高硫煤(含硫3%以上)也能達到90%以上的脫硫效率; •由於床料迴圈利用,從而提高了吸收劑的利用率;在相同的脫硫效率下,與傳統的半乾法比較,吸收劑可節省30%;
•鍋爐負荷在30~100%範圍波動,脫硫效果仍能滿足達標要求;
•操作簡單,執行可靠,反應溫度可降至煙氣露點附近;
•結構緊湊,迴圈流化床反應器不需要很大的空間;
•可實現大型化;
•脫硫產物以固態排放;
•無製漿系統;
•對改造工程的電除塵器無需改造。
主要控制迴路
控制系統通過調節加入水量的多少來保證反應器中反應的溫度及恆定的煙氣出口溫度,同時對進出口煙氣量連續監測,進口、出口SO2的濃度和煙氣流量決定了系統吸收劑的加入量。迴圈脫硫灰在除塵器的灰鬥中得到收集,當高於灰鬥最大的料面時,通過溢流方式排出。由於排出的脫硫灰含水率只有2%左右,流動性好,適宜採用氣力輸送裝置外送,也可用水力衝灰或汽車運輸等方式送至灰場。
技術經濟指標
•鈣硫比(Ca/S) <1.6
•物料迴圈次數 30—100
•脫硫效率 >80%
•SO3脫除效率 >99%
•除塵效率 >99.9%
•系統可利用率 >98%
工程應用PW-CFB迴圈流化床煙氣脫硫技術在赤峰熱電廠130T/h鍋爐上應用。脫硫主裝置位於6號鍋爐的電除塵器與7號鍋爐電除塵器之間,佔地面積約232m2。工程實施後,排空的煙氣含硫量由改造前的1400mg/Nm3降至280mg/Nm3。系統的阻力約增加2200Pa,對原有風機改造,更換風機後裝機容量增加410KW。目前整套裝置正處於試執行階段。
幹法、溼法脫硫技術介紹
福建龍淨環保股份有限公司在2001年引進德國魯奇·能捷斯·比曉夫(LLB)公司具有世界先進水平的迴圈流化床幹法煙氣脫硫(CFB-FGD)和石灰石/石膏溼法煙氣脫硫技術許可證後,龍淨環保在作為國內唯一機電一體化專業設計製造大型電除塵器、氣力輸送裝置專業廠家的基礎上,成為目前國內唯一擁有電除塵器,大型布袋除塵器,氣力輸送,幹、溼法煙氣脫硫技術研發、設計、製造、安裝綜合服務能力的高水平的專業環保企業。
一.煙氣迴圈流化床(CFB-FGD)幹法脫硫工藝
1.工藝描述
1.1工藝流程
從工藝流程圖表明(見圖1):一個典型的CFB-FGD系統由吸收塔、除塵器、吸收劑製備系統、物料輸送系統、噴水系統、脫硫灰輸送及儲存系統、電氣控制系統等構成。
來自鍋爐的空氣預熱器出來的煙氣溫度一般為120~180℃左右,通過一級除塵器(當脫硫渣與粉煤灰須分別處理時),從底部進入吸收塔,在
此處高溫煙氣與加入的吸收劑、迴圈脫硫灰充分預混合,進行初步的脫硫反應,然後通過吸收塔底部的文丘裡管的加速,吸收劑、迴圈脫硫灰受到氣流的衝擊作用而懸浮起來,形成流化床,進行第二步充分的脫硫反應。在這一區域內流體處於激烈的湍動狀態,迴圈流化床內的Ca/S值可達到40~50,顆粒與煙氣之間具有很大的滑落速度,顆粒反應介面不斷摩擦、碰撞更新,極大地強化了脫硫反應的傳質與傳熱。
在文丘裡出口擴管段設一套噴水裝置,噴入的霧化水一是增溼顆粒表面,二是使煙溫降至高於煙氣露點20℃左右,創造了良好的脫硫反應溫度,吸收劑在此與SO2充分反應,生成副產物CaSO3·1/2H2O,還與SO3、HF和HCl反應生成相應的副產物CaSO4·1/2H2O、CaF2、CaCl2等。淨化後的含塵煙氣從吸收塔頂部側向排出,然後進入脫硫除塵器(可根據需要選用布袋除塵器或電除塵器),再通過引風機排入煙囪。由於排煙溫度高於露點溫度20℃左右,因此煙氣不需要再加熱,同時整個系統無須任何的防腐。
經除塵器捕集下來的固體顆粒,通過再迴圈系統,返回吸收塔繼續反應,如此迴圈,少量脫硫灰渣通過物料輸送至灰倉,最後通過輸送裝置外排。
1.2 迴圈流化床脫硫技術特點
1) 塔內沒有任何運動部件,磨損小,裝置使用壽命長,維護量
小。
2) 脫硫效率高、執行費用低。
3) 加入吸收塔的消石灰和水是相對獨立的,沒有噴漿系統及漿
液噴嘴,便於控制消石灰用量及噴水量,容易控制操作溫度。
4) 單塔處理能力大,已有大型化的應用業績。吸收塔入口由原
來的單文丘裡設計為7個文丘裡式複合噴嘴,增強了煙氣固體物的混合,降低了噴嘴區的安裝高度,提高了單塔的處理能力。配置7個文丘裡單塔CFB-FGD系統已在300MW燃煤機組得到成功執行。
5) 負荷適應性好。由於採用了清潔煙氣再迴圈技術,以及脫硫
灰渣迴圈等措施,可以滿足不同的鍋爐負荷要求。鍋爐負荷在10%~110%範圍內變化,脫硫系統可正常執行。
6) 無須防腐。CFB吸收塔內具有優良的傳質傳熱條件,使塔
內的水分迅速蒸發,並且可脫除幾乎全部的SO3,煙氣溫度高於露點20℃左右,因此吸收塔及其下游裝置不會產生粘結、堵塞、腐蝕。
7) 良好的操作彈性。當煤的含硫量增加或要提高脫硫效率時,
無需增加任何工藝裝置,僅增加脫硫劑的耗量就可以滿足更高的脫硫率的要求。
8) 脫硫劑利用率高、脫硫副產物排放少;脫硫副產物流動性好,
易於處理。
利用消石灰與氯離子反應機理,創造性地將吸收劑與脫硫再迴圈灰的加入口,改到吸收塔上游煙道處(參見圖1),其作用:一是使吸收劑與再迴圈脫硫灰提前與煙氣中SO2等酸性氣體反應;二是利用煙氣熱量加熱和快速乾燥再迴圈灰;三是使消石灰和氯離子在煙道內120℃以上溫度條件下反應生成吸潮性較差、不易凝結的鹼式氯化鈣(CaCl2·Ca(OH)2·H2O)。
該項技術從1996年就開始在捷克PILSEN電廠成功投入商業執行,至今已有十多套採用該項技術進行設計與應用。這一技術已申請了專利。
幹法煙氣脫硫技術應用及其進展
摘要: 本文主要論述了幹法脫除煙氣中SO2的各種技術應用及其進展情況,對煙氣脫硫技術的發展進行展望,即研究開發出優質高效、經濟配套、效能可靠、不造成二次汙染、適合國情的全新的煙氣汙染控制技術勢在必行。
關鍵詞: 煙氣脫硫 二氧化硫 幹法
前言:我國的能源以燃煤為主,佔煤炭產量75%的原煤用於直接燃燒,煤燃燒過程中產生嚴重汙染,如煙氣中CO2是溫室氣體,SOx可導致酸雨形成,NOX也是引起酸雨元凶之一,同時在一定條件下還可破壞臭氧層以及產生光化學煙霧等。總之燃煤產生的煙氣是造成中國生態環境破壞的最大汙染源之一。中國的能源消費佔世界的8%~9%,SO2的排放量佔到世界的15.1%,燃煤所排放的SO2又佔全國總排放量的87%。中國煤炭一年的產量和消費高達12億噸,SO2的年排放量為2000多噸,預計到2010年中國煤炭量將達18億噸,如果不採用控制措施,SO2的排放量將達到3300萬噸。據估算,每削減1萬噸SO2的費用大約在1億元左右,到2010年,要保持中國目前的SO2排放量,投資接近1千億元,如果想進一步降低排放量,投資將更大[1]。為此1995年國家頒佈了新的《大氣汙染防治法》,並劃定了SO2汙染控制區及酸雨控制區。各地對SO2的排放控制越來越嚴格,並且開始實行SO2排放收費制度。隨著人們環境意識的不斷增強,減少汙染源、淨化大氣、保護人類生存環境的問題正在被億萬人們所關心和重視,尋求解決這一汙染措施,已成為當代科技研究的重要課題之一。因此控制SO2的排放量,既需要國家的合理規劃,更需要適合中國國情的 低費用、低耗本的脫硫技術。
煙氣脫硫技術是控制SO2和酸雨危害最有效的手段之一,按工藝特點主要分為溼法煙氣脫硫、幹法煙氣脫硫和半乾法煙氣脫硫。
溼法脫硫是採用液體吸收劑洗滌SO2煙氣以脫除SO2。常用方法為石灰/石灰石吸收法、鈉鹼法、鋁法、催化氧化還原法等,溼法煙氣脫硫技術以其脫硫效率高、適應範圍廣、鈣硫比低、技術成熟、副產物石膏可做商品出售等優點成為世界上佔統治地位的煙氣脫硫方法。但由於溼法煙氣脫硫技術具有投資大、動力消耗大、佔地面積大、裝置複雜、執行費用和技術要求高等缺點,所以限制了它的發展速度。
幹法脫硫技術與溼法相比具有投資少、佔地面積小、執行費用低、裝置簡單、維修方便、煙氣無需再熱等優點,但存在著鈣硫比高、脫硫效率低、副產物不能商品化等缺點。
自20世紀80年代末,經過對幹法脫硫技術中存在的主要問題的大量研究和不斷的改進,現在已取得突破性進展。有代表性的噴霧乾燥法、活性炭法、電子射線輻射法、填充電暈法、荷電乾式吸收劑噴射脫硫技術、爐內噴鈣尾部增溼法、
煙氣迴圈流化床技術、爐內噴鈣迴圈流化床技術等一批新的煙氣脫硫技術已成功地開始了商業化執行,其脫硫副產物脫硫灰已成功地用在鋪路和制水泥混合材料方面。這一些技術的進步,迎來了幹法、半乾法煙氣脫硫技術的新的快速發展時期。
傳統的石灰石/石膏法脫硫與新的幹法、半乾法煙氣脫硫技術經濟指標的比較見表1。表1說明在脫硫效率相同的條件下,幹法、半乾法脫硫技術與溼法相比,在單位投資、執行費用和佔地面積的方面具有明顯優勢,將成為具有產業化前景的煙氣脫硫技術。
本文主要論述了噴霧乾燥法、活性炭法、電子射線輻射法、填充電暈法、荷電乾式吸收劑噴射脫硫技術、爐內噴鈣尾部增溼法、煙氣迴圈流化床技術、爐內噴鈣迴圈流化床技術等幾種幹法煙氣脫硫技術和近幾年研究出來的幾項半乾法煙氣脫硫技術及其各種方法在工業方面的應用情況及今後的發展方向。
1、噴霧乾燥法煙氣脫硫技術
噴霧乾燥法煙氣脫硫技術是一項發展最成熟的煙道氣脫硫技術之一。該技術採用了旋轉噴霧器,投資低於溼法工藝,在全世界範圍內得到廣泛應用,在西歐的德國、義大利等國家利用較多。對中高硫燃料的SO2脫硫率能達到80-90%。 該技術的基本原理是由空氣加熱器出來的煙道氣進入噴霧式乾燥器中,與高速旋轉噴嘴噴出的充分霧化的石灰、副產品泥漿液相接觸,並與其中SOX反應,生成粉狀鈣化合物的混合物,再經過除塵器和吸風機,然後再將乾淨的煙氣通過煙囪排出,其反應方程式為:
SO2 + Ca(OH)2
SO3 + Ca(OH)2
CaSO3 + H2O CaSO4 + H2O
該技術一般可分為吸收劑霧化、混合流動、反應吸收、水汽蒸發、固性物的分離五個階段,與其它乾燥技術相比其獨特之處就在於吸收劑與高溫煙氣接觸前首先被霧化成了細小的霧滴,這樣便極大增加了吸收劑的比表面積,使得反應吸
【3】收及傳熱得以快速進行。其工藝流程如圖1所示。該技術安裝費用相對較低,
一般是同等規模的石膏法煙氣脫硫系統的70%左右。但存在著石灰石用量大、吸收劑利用率低及脫硫後的副產品不能夠再利用的難題,故該技術意味著要承擔雙倍的額外費用,即必須購買更多的石灰石和處理脫硫後的副產品,然後還要將其中的一部分花錢倒掉。
2、活性炭吸附法煙氣脫硫技術
採用固體吸附劑吸附淨化SO2是幹法淨化含硫廢氣的重要方法。目前應用最多的吸附劑是活性炭,在工業上應用已較成熟。其方法原理為:活性炭對煙氣中SO2的吸附過程中及有物理吸附又有化學吸附,當煙氣中存在著氧氣和水蒸氣時,化學反應非常明顯。因為活性炭表面對SO2與O2的反應有催化作用,反應結果生成SO3,SO3 易溶於水而生成硫酸,從而使吸附量比純物理吸附時增大許多。 物理吸附過程:
SO2
O2
H2O
化學吸附過程:
SO2* + O2*
SO3*+ H2 O*
2SO3* H2SO4* SO2* O2 * H2O*
吸附SO2 的活性炭,由於其內、外表覆蓋了稀硫酸,使活性炭吸附能力下降,因此必須對其再生。再生的方法通常有洗滌再生和加熱再生兩種,前者是用水洗出活性炭微孔中的硫酸,再將活性炭進行乾燥;後者是對吸附有SO2 的活性炭加熱,使炭與硫酸發生發應,使H2 SO4還原為SO2,富集後的SO2可用來生產硫酸。
其工藝流程為:對活性炭再生的方法不同,其反應的工藝流程也不同,一般採用加熱再生法流程和洗滌再生法流程。洗滌再生法是用水洗出活性炭微孔中的硫酸,再對活性炭進行乾燥。加熱再生法是對吸附SO2 的活性炭進行加熱,使炭與硫酸發生反應,將H2SO4又還原為SO2,富集後的SO2可用來生成硫酸[4]。
該方法的優點是吸附劑價廉,再生簡單;缺點是吸附劑磨損大,產生大量的細炭粒被篩出,再加上反應中消耗掉一部分炭,因此吸附劑成分較高,所用裝置龐大[5]。
3、電子射線輻射法煙氣脫硫技術
電子射線輻射法是日本荏原製作所於1970年著手研究,1972年又與日本原子能研究所合作,確立的該技術作為連續處理的基礎。1974年荏原製作所處理重油燃燒廢氣,進行了1000Nm3/h規模的試驗,探明瞭新增氨的輻射效果,穩定了脫硫脫硝的條件,成功地捕集了副產品和硝銨。80年代由美國政府和日本荏原製作所等單位分擔出資在美國印第安納州普列斯燃煤發電廠建立了一套最大處理高硫煤煙氣量為24000Nm3/h地電子束裝置,1987年7月完成,取得了較好效果,脫硫率可達90%以上,脫硝率可達80%以上。現日本荏原製作所與中國電力工業部共同實施的“中國EBA工程”已在成都電廠建成一套完整的煙氣處
3理能力為300000Nm/h的電子束脫硫裝置,設計入口SO2濃度為1800ppm,在吸
收劑化學計量比為0.8的情況下脫硫率達80%,脫硝率達10%[6]。
該法工藝由煙氣冷卻、加氨、電子束照射、粉體捕集四道工序組成,其工藝流程圖如圖2所示。溫度約為150℃左右的煙氣經預除塵後再經冷卻塔噴水冷卻道60~ 70℃左右,在反應室前端根據煙氣中SO2及NOX的濃度調整加入氨的量,然後混合氣體在反應器中經電子束照射,排氣中的SO2和NOX受電子束強烈作用,在很短時間內被氧化成硫酸和硝酸分子,被與周圍的氨反應生成微細的粉粒(硫酸銨和硝酸銨的混合物),粉粒經集塵裝置收集後,潔淨的氣體排入大氣[7]。
脫硫、脫氮反應大致可分為三個過程進行,這三個過程在反應器內相互重疊,相互影響:
a)在輻射場中被加速的電子與分子/離子發生非彈性碰撞,或者發生分子/離子之間的碰撞生成氧化物質和活性基團。
煙氣中含有O2、H2O、N2、CO2、SO2、NO、NO2等成分,當電子束照射煙氣時,在輻射場中被加速的電子與煙氣中氣體分子如O2及水分子發生非彈性碰撞,生成具有化學反應活性的活性基團或氧化性物質,可表示為:
O2、H2O + e*
O + O2 + M
b)活性基團與氣態汙染物發生反應。
活性基團或氧化性物質氧化煙氣中的SO2生成SO3,可表示為:
SO2 +·OH
SO2 + O
HSO3 +·OH
SO2 +O2++M
SO4+ + e HSO3 SO3 H2SO4 SO4++M SO3 HO、HO2、HO2· 、H、O2、O2、e O3 + M(M為N2等分子 )
生成的SO3和高價態氮氧化物與水反應生成H2SO4和HNO3。
c)硫酸銨和硝酸銨的生成。
生成的H2SO4和HNO3與加入的NH3進行中和反應,分別生成硫酸銨和硝酸銨微粒,荷電後被捕集。此外,還可能有尚未反應的SO2和NH3,SO2與NH3反應生成硫酸銨。反應為:
H2SO4 + 2NH3
HNO3 + HN3
SO2 + 2NH3+ H2O + 1/2O2
(NH4)2SO4 NH4NO3 (NH4)2SO4
該工藝能同時脫硫脫硝,具有進一步滿足我國對脫硝要求的潛力;系統簡單,操作方便,過程易於控制,對煙氣成分和煙氣量的變化具有較好的適應性和跟蹤性;副產品為硫銨和硝銨混合肥,對我國目前硫資源缺乏、每年要進口硫磺製造化肥的現狀有一定的吸引力,但在是否存在SO2汙染物轉移、脫硫後副產物捕集
[8]等問題上有待進一步討論。另外廠耗電力也比較高。
4、填充式電暈法煙氣脫硫技術
填充式電暈法是近幾年發展起來的一項新技術,該方法裝置簡單、操作簡便、投資是電子束法的60%,因此成為國際上幹法脫硫的研究前沿。填充式電暈法脫硫原理為:在高壓電暈放電的情況下,由於電場的作用,在煙氣中形成大量的非平衡態等離子體。在高能電子的碰撞下,煙氣中的HO2、O2、SO2等氣體分子活化、裂解或電離,產生大量氧化性強的活化基團,如: OH·、HO2 ·、O、O3、O2+、O2*等。電暈電場的存在源源不斷的提供了這些離子的來源。而SO2在其中發生一系列的氣體等離子體化學反應,反應過程相對複雜。總體上是在這些基團的作用下,最終使二氧化硫氧化成三氧化硫【9】。
反應途徑主要如下:
其實驗流程圖如圖1所示。反應原料氣由空氣和二氧化硫混合配置而成,經流量計進入反應器進行處理,在反應器前後各設定一個取樣口,用大氣取樣器同時進行取樣。取樣的樣品用碘量法測定其濃度。
5、荷電乾式吸收劑噴射脫硫系統(CDSI)
荷電乾式吸收劑噴射脫硫系統(CDSI)是美國最新專利技術,它通過在鍋爐出口煙道噴入乾的吸收劑(通常用熟石灰),使吸收劑與煙氣中的SO2 發生反應產生顆粒物質,被後面的除塵裝置除去,從而達到脫硫的目的。乾式吸收劑噴射是一種傳統技術,但由於存在以下兩個技術問題沒能得到很好的解決,因此效果不明顯,工業應用價值不大。一個技術難題是反應溫度與滯留時間,在通常的鍋爐煙氣溫度(低於200℃)條件下,只能產生慢速亞硫酸鹽化反應,充分反應的時間在4秒以上。而煙氣的流速通常為10~15m/s,這樣就需要在煙氣進入除塵裝置之前至少有40~60m的煙道,無論從佔地面積還是煙氣溫度下降等方面考慮均是不現實的。另一個技術難題是即使有足夠長的煙道,也很難使吸收劑懸浮在煙氣中與SO2發生反應。因為粒度再小的吸收劑顆粒在進入煙道後也會重新聚集在一起形成較大的顆粒,這樣反應只發生在大顆粒的表面,反應概率大大降低;並且大的吸收劑顆粒會由於自重的原因落到煙氣的底部,對於傳統的乾式吸收劑噴射技術來說,這兩個技術難題很難解決,因此脫硫效率低,很難在工業上得到應用[10]。
CDSI系統利用先進技術使這兩個技術難題得到解決,從而使在通常煙氣溫度下的脫硫成為可能。其荷電乾式吸收劑噴射系統包括一個吸收劑噴射單元 、一個吸收劑給料系統(進料控制器,料斗裝置)等。吸收劑以高速流過噴射單元產生的高壓靜電暈充電區,使吸收劑得到強大的靜電荷(通常是負電荷)。當吸收劑通過噴射單元的噴管被噴射到煙氣流中時,由於吸收劑顆粒都帶同一符號電荷,因而相互排斥,很快在煙氣中擴散,形成均勻的懸浮狀態,使每個吸收劑粒子的表面都充分暴露在煙氣中,與SO2完全反應機會大大增加,從而提高了脫硫效率,而且吸收劑粒子表面的電暈還大大提高了吸收劑的活性,降低了同SO2完全反應所需的滯留時間,從而有效地提高了SO2的去除效率。工業應用結果表明:當Ca/S比為1.5左右時,系統脫硫效率可達60%~70%。
除提高吸收劑化學反應速率外,荷電幹吸收劑噴射系統對小顆粒的粉塵的清除也有幫助,帶電的吸收劑粒子把小顆粒吸附在自己的表面,形成較大顆粒,提高了煙氣中塵粒的平均粒徑,這樣就提高了相應除塵裝置對亞微米級顆粒的去除效率。
荷電乾式吸收劑噴射脫硫系統的優點為投資小、收效大、脫硫工藝簡單有效、可靠性強;整個裝置佔地面積小,不僅可用於新建鍋爐的脫硫,而且更適合對現有鍋爐的技術改造;CDSI是純幹法脫硫,不會造成二次汙染,反應生成物將與煙塵一起被除塵裝置除去後統一運出出廠外。其缺點是對脫硫劑要求太高,一般的石灰難以滿足其使用要求,而其指定的可用石灰則售價過高,限制了其推廣。
6、爐內噴鈣尾部增溼煙氣脫硫技術
爐內噴鈣尾部增溼也作為一種常見的幹法脫硫工藝而被廣泛應用。雖然噴鈣尾部增溼脫硫的基本工藝都是將CaCO3粉末噴入爐內,脫硫劑在高溫下迅速分解產生CaO,同時與煙氣中的SO2反應生成CaSO3。由於單純爐內噴鈣脫硫效率往往不高(低於20%~50%),脫硫劑利用率也較低,因此爐內噴鈣還需與尾部增溼配合以提高脫硫效率。該技術已在美國 、日本、加拿大和歐洲國家得到工業應用,是一種具有廣闊發展前景的脫硫技術。目前,典型的爐內噴鈣尾部增溼脫硫技術有美國的爐內噴鈣多級燃燒器(LIMB)技術、芬蘭的爐內噴石灰石及氧化鈣活化反應(LIFAC)技術、奧地利的灰迴圈活化(ARA)技術等,下面介紹一下LIFAC技術[11]。
LIFAC脫硫技術是由芬蘭的Tampella公司和IVO公司首先開發成功並投入商業應用的該技術是將石灰石於鍋爐的800℃~1150℃部位噴入,起到部分固硫作用,在尾部煙道的適當部位(一般在空氣預熱器與除塵器之間)裝設增溼活化反應器,使爐內未反應的CaO和水反應生成Ca(OH)2,進一步吸收SO2,提高脫硫率。 LIFAC技術是將迴圈流化床技術引入到煙氣脫硫中來,是其開創性工作,目前該技術脫硫率可達90%以上,這已在德國和奧地利電廠的商業執行中得到實現。
LIFAC技術具有佔地小、系統簡單、投資和執行費用相對較、無廢水排放等優點,脫硫率為60%~80%;但該技術需要改動鍋爐,會對鍋爐的執行產生一定影響。我國南京下關電廠和紹興錢清電廠從芬蘭引進的LIFAC脫硫技術和裝置目前已投入執行。
7、爐內噴鈣迴圈流化床反應器煙氣脫硫技術
爐內噴鈣迴圈流化床反應器脫硫技術是由德國Sim-mering Graz
Pauker/Lurgi GmbH公司開發的。該技術的基本原理是:在鍋爐爐膛適當部位噴入石灰石,起到部分固硫作用,在尾部煙道電除塵器前裝設迴圈流化床反應器,爐內未反應的CaO隨著飛灰輸送到迴圈流化床反應器內,在迴圈硫化床反應器中大顆粒CaO被其中湍流破碎,為SO2反應提供更大的表面積,從而提高了整個系統的脫硫率。
該技術將迴圈流化床技術引入到煙氣脫硫中來,是其開創性工作,目前該技術脫硫率可達90%以上,這已在德國和奧地利電廠的商業執行中得到證實。在此基礎上,美國EEC(Enviromental Elements Corporation)和德國Lurgi公司進一步合作開發了一種新型煙氣的脫硫裝置。在該工藝中粉狀的Ca(OH)2和水分別被噴入迴圈流化床反應器內,以此代替了爐內噴鈣。在迴圈流化床反應器內,吸收劑被增溼活化,並且能充分的迴圈利用,而大顆粒吸收劑被其餘粒子碰撞破碎,為脫硫反應提供更大反應表面積。
本工藝流程的脫硫效率可達95%以上,造價較低,執行費用相對不高,是一種較有前途的脫硫工藝。
8、乾式迴圈流化床煙氣脫硫技術
乾式迴圈流化床煙氣脫硫技術是20世紀80年代後期發展起來的一種新的幹法煙氣脫硫技術,該技術具有投資少、佔地小、結構簡單、易於操作,兼有高效除塵和煙氣淨化功能,執行費用低等優點。因而,國家電站燃燒工程技術研究中心和清華大學煤的清潔燃燒技術國家重點實驗室分別對該技術的反應機理、反應過程的數學模型等進行了理論和實驗研究。其工藝流程如圖3示,從煤粉燃燒裝置產生的實際煙氣通過引風機進入反應器,再經過旋風除塵器,最後通過引風機從煙囪排出。脫硫劑為從迴轉窯生產的高品質石灰粉,用螺旋給粉機按給定的鈣硫比連續加入。旋風除塵器除下的一部分脫硫灰經迴圈灰鬥和螺旋給灰機進入反應器中再迴圈。在文丘裡管中有噴水霧化裝置,通過調節水量來控制反應器內溫度。
乾式迴圈流化床煙氣脫硫技術在煙氣中SO2濃度較低的情況下尤其適用。它具備以下特點:
(1)鍋爐飛灰作為迴圈物料,反應器內固體顆粒濃度均勻,固體內迴圈強烈,氣固混合、接觸良好,氣固間傳熱、傳質十分理想。
(2) 反應塔中由於顆粒的水分蒸發與水分吸附、固體顆粒之間的強烈接觸摩擦,造成氣 、固、液三相之間極大的反應活性和反應表面積,對於煙氣SO2的去除有非常理想的效果 。
(3) 固體物料被反應器外的高效旋風分離器和除塵器收集,再回送至反應塔,使脫除劑 反覆迴圈,在反應器內的停留時間延長,從而提高了脫除劑的利用率,降低了執行成本。
(4) 通過向反應器內噴水,使煙氣溫度降至接近水蒸汽分壓下的飽和溫度,提高脫硫效率。
(5) 反應器不易腐蝕、磨損。
(6) 系統中的粉煤灰對脫硫反應有催化作用。
該技術已經在國家電站燃燒工程技術研究中心和清華大學煤的清潔燃燒技術國家重點實驗室分別建立了煙氣迴圈流化床脫硫熱態試驗裝置,為乾式迴圈流化床煙氣脫硫技術開發提供了新的理論依據與基礎資料。並且2000年底,該項技術已成功應用於清華大學試驗電廠的煙氣脫硫工程。