（环境工程专业论文）喷射鼓泡脱硫除尘净化装置防腐与工艺优化设计.pdf

摘要 燃烧含硫化合物，如煤和石油，导致1 二氧化硫的释放。众所周知，二氧化硫 可以对身体和环境造成致命的伤害，因此很多国家都在致力于烟气脱硫的研究。 兰州理工大学智能人工环境研究所从1 9 8 7 年开始就致力于喷射鼓泡脱硫除尘 装置的研究丌发。喷射鼓泡脱硫除尘装置是一种高效、低阻、结构简单的设备。 在实际应用的过程中，发现系统的腐蚀比较严重，需要改善。2 0 0 4 年获得甘肃省 自然基金的资助，着手解决此问题。 为了改善系统的腐蚀状况，采取了如下措施： 优化脱硫工艺，主要包括在烟气进入喷射鼓泡前。增添了气气换热器( g g h ) 。 一方面，它能改善j b r 内部的脱硫环境，避免液体大量的蒸发；另一方面，它可 以有效的提升排放烟气的温度，避免排放气体的露点腐蚀。 对于系统的防腐蚀，为了节约开支，首先以涂片来进行防腐实验，然后才应 用在设备上。经过实验发现，在碳钢表面涂覆玻璃鳞片，不仅能够耐受高温，而 且能够在酸性环境下达到良好的防腐性能。 因此，通过优化研究，可以得出结论：该系统的防腐是成功的。同时测定了 优化后的系统的脱硫效率以及影响因素，它的脱硫效率高达9 0 ，除尘效率可以 达到9 8 。另外，由经济效益分析可以得知，j b r 成本低廉。因此，它能够满足 工业和生活锅炉需要，值得推广应用。 关键词：喷射鼓泡反应器；石灰石脱硫工艺；烟气脱硫；系统防腐蚀；性能参数； 脱硫率 a b s t r a c t t h ec o m b u s t i o np m c e s so fs u i p h u rc o n t a i n j n gf o b s 订f u e l ss u c ha sc o a ia n do i l p r o d u c e ss u l p h u rd i o x i d e ( s 0 2 ) ni sw e l lk n o w n t h a ts 0 2h a sd e t t i m e n t a le 雠c t so n h u m a i ih e a l t ha n dt h ee n v i r o n r n e n t ，s om a n yc o u n t r i e sh a v ec a r r i e do u tr c s e a r c ho n d e s u l p h u r i z a t i o n s i n c el9 8 7 ，t 1 1 ea n i f i c i a le n v i m n m e n t a ir e s e a r c hi n s t i t u t eo ft h el a n z h o u u n i v e r s i t yo ft e c l l l l o l o g yh a sd e v e l o p e dj e tb u b b l j n gr e a c t o r ( j b r ) i t sat y p eo f h i g h - e 为c i e n td u s tr e m o v a la n dd e s u i p h 丽z a t i o np u r 玲h ge q u i p m e n t t h ej b rh a s h i g hd e s u l p h u r i z a t i o ne f f i c i e n c y ，1 0 ws y s t e mo p e r a t i o n a lr e s i s t a n c ea n ds i m p l es 仃i l c t u r c b u tw ef o u n dt h ec o r m s i o no ft h es y s t e mi ss e r j o u sd u r j n gt h ea p p “c a t i o np 硎o d ， i n o r d e rt os o i v et h ep m b l e m ，i2 0 tg a f l s up r o v i n c i a ln a t u m ls c i e n c es u s t e n t a t i o nf h n di n 0 c t 2 0 0 4 i no r d e rt os o l v et h ec o r r o s i o n 口r o b k m ，s o m em e a s u r e sa r et a k e na sf 0 n o w s ： f i r s n y ，o p t i m i z et 1 1 ed e s u l p h u r i z a t i o nc r a r ，ag a s - g a s h e a t c de x c h 舭g e r ( g g h ) i s a d d e db e f o r ct 1 1 ef l u e 鼬se n t e r e dt i l ej b r o nt l l eo n eh a n d ，i tc a nd e c r e a s et h eg a s s t e m p e r a t u r e ，t oa v o i dt h el i m e s t o n es e r o s 时v a p o r i z e su n d e rh i 曲t e m p e r a t u r e ；o nm e o t l l e rh a | 1 dt 0u p g r a d et 1 1 e 妇u e st e m p e r a t u r ew h i c hr e l e a s e 厅o mt | l ec h i m n e y ， t h e ni t c a na v o i dt h ed e wp o i n tc o r r o s i o no f t h ec t l i i i l i l e y 1 no r d e rt or c d u c ee x p e n s e s ， 锄t i s e p s i se x p c r i m e n t sw i t hs p r e a df l a k ea r ed o n e f i r s t l y ，a n dm e na p p l yi to nt 1 1 ee q u i p m e n t s p r e a dt h ev i n y le s t e rg l a s sn a k em o r t a r ( v e g no nt h ei l l i l c rs u r f a c eo f m es y s t c mi n c l u d e sg g h ，e n t 舢c ep i p e ， j b re x i t p i p ea 1 1 dc h i m n e ye t c a c c o r d i n gt h et e m p e r a t u r ea n dt l l ep h ，t h ed i f f b r e n tp a r t sa r e p a i n t e di nd i 如r e mt h i c l e s s w 色c a nf i n dt h a tm ev e g fc a np r o t e c tt l l ei n s t n 】m e n t e f f b c t i v e l yi nb o 山l l i 小t e m p e r a t u r ea n da c i dc o n d “i o n 1 1 1 r o u g ht h eo p t i m i z i n gd e s i g n ，ac o n c l u s i o nc a i lb ed r a w nt h a tt h ca n t i s e p s i si s s u c c e s s f u l t h ee f f i c i e n c yo fm ed e s u l p h u r i z a t j o n 肌dt h ei n f l u e n c ef a c t o r 姐e r o p t i m i z a t i o nj st e s t e d ，t l l ed e s u d p h 嘣z i n ge m c i e n c yc a t lr e a c ha sh i 曲a st o9 0 d u s t p 啪o v a le f n c i e n c yc 肌r e a c h9 8 b e s i d e s ，j b r sc o s t si sl o w ，s oi tc a nb eu s e di nb o t h b o i l e rf 0 ri n d u s t r ya n d1 i f 色，i ti sw o r t h yo f p o p u l a r i z i n g 1 ( e yw o r d s ：j e tb u b b i i n gr e a c t o r ，l i m e ，i i m e s t o n ec r a f t ，f l u eg a sd e s u i p h u r i s i o n ， s y s t e mc o m s i o n ，m a i p a 憎m e t e 瑙，r e m o v a l e m c i e n c ) ro fs 0 2 捅图索引 图1 】喷射鼓泡反应器 图2 1j b r 脱硫除尘工艺流程图 图2 2j b r 系统优化后的工艺流程图 图2 _ 3 喷射管布置图 图2 4 百叶窗式脱水装置简图 图2 5 扶斗设计草图 图2 6 溢流箱的设计草图 图2 7j b r 装配示意图 图3 1v e f g 玻璃鳞片胶泥结构示意图 图4 1 腐蚀全浸实验 图4 2 二氧化硫腐蚀实验装置 图4 3 在蒸馏水中 图4 4 在h 2 s 0 4 ( 1 蝴) 中 图4 5 在h 2 s 0 4 ( 5 ) 中 图4 6 在n a 0 h ( 5 ) 中 图4 7 在n h 4 c l ( 5 ) 中 图4 8 空白试验 图4 9 巴氏硬度测量图 图4 1 0 填料与基料的关系 图4 1 1 温度与腐蚀速度的关系 图4 】2 腐蚀速度与时间的关系 图5 1 硫含量对脱硫效率的影响 图5 2p h 对脱硫效率的影响 图5 3 石灰浆口h 对石灰石利用率的影响 图5 4 入口二氧化硫浓度对脱硫效率的影响 l o 1 5 1 6 2 0 2 0 2 l 2 2 2 3 3 2 4 l 4 2 4 3 4 3 4 3 4 3 4 3 4 3 4 5 4 5 4 8 4 8 5 0 5 1 5 l 5 1 附表索弓 表1 1 三种典型湿法脱硫比较分析 表1 2 主要烟气脱硫方法比较 表1 3 烟气脱硫用洗涤器性能比较 表2 1 1 k 燃煤的理论需氧量 表2 2l k g 煤理论烟气组成 表2 3 链条炉的颗粒分散度 表2 4 粒径范围与除尘效率 表3 1 湿法f g d 衬里材料典型造价 表4 1 吹砂试验操作参数 表4 2 涂层孔隙率 表4 3 试样在4 0 下的腐蚀速度 表4 4 试样在6 0 下的腐蚀速度 表4 5 试样在8 0 时浸泡试验腐蚀速率 表4 6 试样在室温下浸泡腐蚀结果 表4 7 试样在s 0 2 中的腐蚀速度 表4 8 v e g f 鳞片胶泥各项性能表 表6 14 t ，l i 锅炉的些参数 表6 2j b r 石灰石脱硫操作过程中的一些参数 表6 3j b r 石灰石脱硫的经济分析 表6 44 t ，i l 锅炉用j b r 进行烟气脱硫工程基建费用简表 v 6 9 1 7 1 7 2 3 2 4 3 0 4 0 4 4 4 5 4 6 4 6 4 6 4 7 4 9 5 3 5 3 5 3 5 3 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 苏旒 ， 日期：) 犯知5 月彩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电予版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密酿 ( 请在以上相应方框内打“寸) 作者签名： 导师签名： 日期：) 彩年5 月彩日 日期：年莎月7 日 寺亏 苏殍 第l 章绪论 大气污染是随着现代工业的发展、城市人口的密集、煤炭和石油燃料使用的 迅猛增长而产生的。自从7 0 年代初r 本和美国率先实施控制s 0 2 排放战略以来， 许多国家相继制定了严格的s 0 2 排放标准和中长期战略，加速了控制s 0 2 的步伐， 大大促进了有关控制技术的发展，使s 0 2 排放在短短十多年问，得到了大幅度的 削减。同时，和s 0 2 控制技术有关的各种研究也成为了环境保护领域内的热点研 究方向，在各种刊物上发表的研究文献层出不穷i j o j 。 在找国，随着社会经济的高速发展，对能源的需求越来越大。而我国的能源 结构主要是以煤为主，因此决定了我国的大气污染主要是煤烟型，主要污染物是 二氧化硫和烟尘【6 1 。然而由于能源消耗，特别是燃煤排放s 0 2 污染同益严重，加剧 了对环境的破坏，已成为制约我国经济发展的重要因素。因此，燃煤排放的烟尘 和s 0 2 是我国大气污染的主要污染源，控制由此排放的二氧化硫己成为我国社会和 经济可持续发展迫切要求，势在必行【”。 1 1 本课题研究的背景 能源工业是国民经济的基础，对社会经济的发展和人民生活水平的提高具有 极其重要的作用。我国是世界上晟大的煤炭生产和消费国，在目前世界上少数几 个以煤为主要能源的国家中，中国几乎是唯一的经济大国。虽然目前世界各困( 包 括中国) 的能源结构巾煤炭比例已下降到2 2 4 ，低于天然气的2 5 5 1 ，但从1 9 8 0 年以来，全世界煤炭产量增加量的8 1 是由于中国增量的结果。近年来，我国能 源消费量持续增加，虽然由于能源结构的调整，煤炭占我国一次能源消费量的比 例有所下降，但是所占比例依旧很高。煤炭仍然是我国能源消费的最主要来源， 而且消费量在持续增加。据估计这一现状在未来几十年内不会有根本性的改变瞪】。 中国s 0 2 排放量与煤炭消耗量有着密切关系，1 9 8 3 1 9 9 1 年两者的相关系数 达到0 9 6 。随着我国经济的快速发展，煤炭消耗量不断增加，燃煤排放的s 0 2 也 日趋增多，造成s 0 z 严重污染和酸雨的严重危害。近年来，由于国家加大了环境 保护的力度，s 0 2 的年排放量有所减少，但是形势依然严峻。酸雨面积占国土面积 的4 0 左右，主要分布在华东、华南、华中和西南。对2 7 4 个城市的降水p h 值监 测结果统计表明，降水年均p h 值低于5 6 的有1 0 1 个城市，占统计城市的3 6 9 ， 出现酸雨的城市有1 6 1 个，占5 8 8 。削减和控制燃煤s 0 2 污染将是我国社会和 经济可持续发展的严峻挑战。 酸性气体，是目前大气污染中量大面广的一种气态污染物。它对人体危害极 大1 9 l ，单独存在时，它主要刺激粘膜，引起呼吸道感染。同时它还能与可吸入颗粒 物结合，进入人体肺部，引发各种恶性疾病。在湿度较大的空气中，s o z 可山m n 或f e s o ，等催化作用而变成硫酸烟雾，此时它的毒性比s 0 2 本身大十倍，对人和 生物造成很大的危害。历史j 二冈为s 0 2 的排放量过火造成对人体危害的习件发生 过不止一次。 目前最受关注的s 0 2 污染形式是酸雨| i 。酸雨是指由于s 0 2 及其它酸性气体 在大每中与h 2 0 反应从而导致p h 低于正常值的降水。我国有关标准规定凡是p h 低于5 6 的降水均可认为是酸雨。酸雨使得森林枯萎，土壤和湖泊酸化，植被破坏， 粮食、蔬菜和水果减产，金属和建筑材料被腐蚀。同时有关研究表明，1 9 9 5 年我 国由于酸雨和s 0 2 污染造成农作物、森林和人体健康等方面的经济损失为1 1 0 0 多 亿元，已接近当年国民生产总值的2 0 ，成为制约我国经济和社会发展的重要因 素。 为了防治s 0 2 和酸雨污染，1 9 9 0 年1 2 月，国务院环委会第1 9 次会议通过了 关于控制酸雨发展的意见。自1 9 9 2 年在贵州、广东两省，重庆、宜宾、南宁、 桂林、柳州、宜昌、青岛、杭州和长沙九个城市进行征收s 0 2 排污费的试点工作。 1 9 9 5 年8 月，全国人大常委会通过了新修订的大气污染防治法，规定在全国范 围内划分酸雨控制区和s 0 2 污染控制区，同时规定两控区内“排放s 0 2 的火电厂 和其它大中型企业，属于新建项目不能用低硫煤的，必须建设配套的控制s 0 2 排 放的措施；属于已建企业不能用低硫煤的，应当采取控制s 0 2 排放的措施”。1 9 9 6 年全国人大批准的国民经济和社会“九五”计划和2 0 l o 年远景目标纲要以及国 务院关于环境保护若干问题的决定中，都明确提出要重点治理两控区的酸雨和 s 0 2 污染。1 9 9 8 年1 月1 2f i ，国务院批准了酸雨控制区和s 0 2 污染控制区的划分 方案。1 9 9 8 年2 月1 7 日，国家环保局召开酸雨和s 0 2 污染综合防治工作会议，落 实国务院对“两控区”划分方案的批复。这都说明我国政府高度重视酸雨和s 0 2 污 染的防治。 1 2 二氧化硫的危害及治理的意义 据联合国环境规划署1 9 8 8 年公布的统计资料显示，s 0 2 已成为世界第一大污 染物，人类每年向大气排放的s 0 2 达1 8 亿t 。我国1 9 9 5 年s 0 2 排放量为2 3 4 l 万 t ，超过美国当时的2 1 0 0 力t ；1 9 9 8 年s 0 2 排放量为2 0 9 0 力t ；2 0 0 0 年s 0 2 排放 总量为1 9 9 5 万t ，已成为世界s 0 2 排放第一大国l 。s 0 2 给人类带来最严重的问 题是酸雨，它对人类生存的生态环境造成严重影响，酸雨在国外被称为“空中死 神”，其潜在的危害主要表现在4 个方面【l ”】。 1 2 1s o ，对人体健康的危害 s 0 2 是一种无色具有强烈刺激性气味的气体，易溶于人体的体液和其他黏性 液中，长期的影响会导致多种疾病，危害人类健康。大气中s 0 2 可导致多种疾病 ( 如上呼吸道炎症等) ，还可以影响青少年的生长发育，易使青少年的免疫能力下 降，抗病能力弱。s 0 2 在氧化剂、光的作用下，会生成使人致病、甚至增加病人的 死亡率。s 0 2 还易与大气中的飘尘粘附，人在呼吸时易吸入带有s 0 2 的飘尘，使 s 0 2 的毒性增加3 4 倍。 l ，2 2s 0 2 对植物的危害 研究表明，在高浓度的s 0 2 的影响下，植物产生急性危害，叶片表面产生坏 死斑，或直接使植物叶片枯萎脱落；在低浓度s 0 2 的影响下，植物的生长机能受 到影响，造成产量下降，品质变坏。据2 0 0 1 年对我国1 3 个省市2 5 个工厂企业的 统计，因s 0 2 造成的受害面积达2 3 3 万公顷，粮食减少1 8 5 万吨，蔬菜减少5 0 0 吨，危害相当严重。 1 2 3s 0 2 对金属的腐蚀 大气中的s o ：对金属的腐蚀主要是对钢结构的腐蚀。据统计，一块厚8 m m 的 普通碳钢，暴露在浓度为o 1 的s 0 2 的潮湿环境中，只需l 3 个月即可腐蚀透。 发达国家每年因金属腐蚀而带来的直接经济损失占国民经济总产值的2 4 。 由金属腐蚀造成的直接损失远大于水灾、风灾、火灾、地震造成损失的总和，且 金属腐蚀直接威胁到工业设施、生活设施和交通设施的安全，使得这些设旌要么 提前报废，要么需使用昂贵的涂敷材料进行保护。同时，污染环境，加速有限资 源的损耗。 1 2 4s 0 2 对生态环境的影响 s 0 2 形成的酸雨和酸雾危害也是相当的大，主要表现为对湖泊、地下水、建 筑物、森林、古文物以及人的衣物构成腐蚀。同时，长期的酸雨作用还将对土壤 和水质产生不可估量的损失。 1 2 5 治理二氧化硫的意义 自7 0 年代初闩本和美国率先实施控制s 0 2 排放战略以来，许多国家相继制定 了严格的s 0 2 排放的标准和中长期控制战略，加速了控制s 0 2 的步伐，大大的促 进了有关控制技术的发展，使s 0 2 排放在短短的十年间，得到了大幅度的削减。 因此控制和治理s 0 2 污染，是我国当前及今后相当长的一段时间内最为紧迫的环 保任务之一，不仅关系到我国社会和经济的健康的可持续发展，也由于s 0 2 和酸 雨污染是跨国界的，关系到我国的国际形象。其主要的意义在以下几点： 1 改善人类的生存环境，减轻对动植物的危害，减少因金属、非金属的腐蚀 而造成的经济损失。 2 保护生态环境。由于酸雨对生态环境的影响较为复杂，目前仍未有可靠的 数据来说明酸雨造成的损失，但可以肯定的一点是：治理的实际效益远远超出社 会代价。 3 节约资源。地球仅在其外壳存储了一部分可以利用的天然资源，而这些资 源是有限的，且随着人类的活动正在减少。长期以来，我国把天然资源看是可供 无偿使用的公共财富。在利润的驱使下，不少中小型企业应运而生，这些企业往 往设备简陋，工艺落后，才i 但浪赞大量的天然资源，而且造成严重的环境污染。 随着我围资源征税立法的加强，任何地方的经济发展不能以严重破坏、消耗 自然资源为代价，回收烟气中的s 0 2 将具有明显的宏观经济效益。所以加强对s 0 2 污染的治理，不但具有经济效益，同时，它所带来的社会效益和环境效益是不可 估量的。 1 3 国内外主要脱硫技术 大气二氧化硫污染主要是由燃煤排放引起的，二氧化硫排放的削减主要从燃 烧前、燃烧中和燃烧后脱硫三个方面着手【1 孓”i 。 l1 3 1 燃烧前脱硫技术 燃烧前脱硫技术主要是煤炭洗选技术。目前我国煤炭入选率不到1 7 ，而英 国、日本等发达国家均在9 0 以上。我国曾对微波脱硫和高硫煤强磁分离脱硫进 行过小试研究，总脱硫率达5 0 左右。但由于所需基建投资和运行费用都较高， 脱硫后的煤是水煤浆，使用上受到一定限制。因此，这两项技术没有得到有效推 广应用。发达国家正在进行摩擦电选技术脱硫降灰的研究，将煤粉通过摩擦电选 机，分离出无机质( 主要是黄铁矿硫) ，中国矿业大学正在进行了该技术的中试研究。 1 3 2 燃烧中脱硫技术 燃烧中脱硫技术是往煤中加入固硫剂，在煤的燃烧过程中，煤中的硫燃烧氧 化，再与煤中的碱性物质或固硫剂反应生成硫酸盐而留在渣中，从而减少烟气中 的二氧化硫浓度。这种方法主要在流化床，循环流化床锅炉( f b c f b ) 中实现。我国 从上个世纪7 0 年代开始进行型煤固硫的研究工作，已取得了一定的进展。目前， 美国的型煤固硫率为8 7 ，日本为9 0 左右，我国为4 0 。燃烧中脱硫技术主要 有以下几种： 1 炉内喷钙技术 炉内喷钙工艺早在上个世纪6 0 年代就已经开始研究，但由于脱硫效率不高， 一直未能得到广泛应用。进入上个世纪8 0 年代以后在炉内喷钙工艺基础上，美 国国家环保局e p a 研究了炉内喷钙多段燃烧降低氮氧化物的脱硫技术，简称 l i m b ，芬兰的t a m p e l l a 公司开发成功了炉内喷钙烟气脱硫技术( l l f a c ) ，都已经 取得了一定的成果，现在己得到了推广应用。 2 型煤固硫技术 由型煤加工厂集中制作型煤，再向用户销售。“八五”期间，我国曾在西南某 地投资上千万元建设大型型煤加工厂，但由于设备和其他技术原因等未能如期正 常生产。目前，贵阳、柳州、长沙等地有小型型煤加工厂，每厂年加工能力约3 1 0 万吨不等。在西北地区，有些地方也在小规模的加工使用。该技术的制约因素是： 制成的型煤需要干燥( 烘干或晾晒) ，干燥后的型煤又易潮解而降低强度。 1 3 3 燃烧后脱硫技术 燃烧后脱硫技术即烟气脱硫技术( f l u eg a sd e s u l p h u r j z a t i o n 简称f g d ) 技术。 f g d 技术按工艺特点分为湿法、半干法和干法三大类。按副产物的处置方式又分 回收和抛弃两种流程。 1 湿法脱硫工艺 湿法脱硫工艺应用最多，占总脱硫能力的比例是：美国为6 3 ，同本为9 8 ， 德国为9 0 。湿法工艺具有脱硫效率高、钙利用率高、技术成熟，且以最常见的 石灰或石灰石作吸收剂等优点。而其中占绝对统治地位的石灰，石灰石石膏法足 目前世界上技术最成熟，应用业绩最多，运行状况最稳定的脱硫工艺，脱硫效率 在9 0 以上己有近三十年的运行经验。副产石膏可回收利用，亦可抛弃处置。 ( 1 ) 石灰，石灰石石膏法 利用石灰或石灰石浆液作洗涤液。由于吸收剂成本低廉易得，这种方法应用 最广泛，在美国电厂的排烟脱硫装置中9 0 是用此方法。国内引进的珞磺电厂脱 硫工程就采用这种工艺。可以使用各种洗涤器，如填料塔，喷淋塔，水柱塔等， 使用于各种场合。工业上还可以使用添加剂来抑制堵塞和提高脱硫效率。 ( 2 ) 双碱法 又称钠碱法，是采用钠化合物( 氢氧化钠、碳酸钠或亚硫酸钠) 和石灰或石扶石 来处理烟气。首先使用钠化合物吸收烟气中的二氧化硫，吸收二氧化硫的钠化合 物溶液与石灰或石灰石反应，生成亚硫酸钙或硫酸钙沉淀。再生后的钠化合物溶 液返回吸收塔内重新使用。此法的特点是吸收塔内或洗涤器内使用钠化合物溶液 舴吸收剂，但生成的石膏产品的品质很低。 ( 3 ) 氨吸收法 氨吸收法是一个古老的和较广泛应用的方法，可以生产氮肥，按照吸收液再 生的方法不同，可分为：氨酸法、亚硫酸氨法、碳酸氢按法。此类方法主要使 用于硫酸厂处理废气，效率比较高。 ( 4 ) 氧化镁法 又称镁乳吸收法，是利用氢氧化镁浆液作吸收剂，吸收烟气中的二氧化硫生 成亚硫酸镁和硫酸镁。将这些硫酸盐脱水和干燥，然后再煅烧分解生成高浓度的 二氧化硫气体和氧化镁。氧化镁水合后成为氢氧化镁，可以循环作为吸收剂使用。 高浓度二氧化硫气体可以制造硫酸或硫磺。目前，这种技术己经在美国有大型工 业装置。 ( 5 ) 稀硫酸法 同本千代田公司发展了稀硫酸法，在同本得到广泛应用。用2 4 的稀硫酸 吸收烟气中的二氧化硫，在其中加入f e 作为氧化催化剂，将吸收的二氧化硫氧化 成硫酸，提岛了吸收效果，并可以制造硫酸或石膏。这种方法运行时没有结垢和 堵塞之类的问题，但能耗较高。 湿法工艺中，除上述传统方法外，还柯碱式硫酸铝法、柠檬酸钠法、膜法等 均有工业化装置运行。通常根据原材料来源及副产物销路，合理选刖。此外，a b b 公司的海水脱硫工艺，因其运行费用极低，废水直排入海中自净，而在近海地区 电厂有一定的实f j 价值。 近年来，为降低运行费用，湿法脱硫： 艺在吸收剂的选用上又有新的突破口 如用废电石渣或电厂飞狄制成吸收浆液，利用其中的c a 0 等碱性物质，达到脱硫 目的，在美国也已有工业装置运行。下表1 一l 列出了三种典型的湿法脱硫除尘。 表1 1三种典型湿法脱硫比较分析 脱硫方式概要技术特点经济特性脱硫剂副产品 湿式7 i 灰7 i用彳i 灰石粉与目前最为普及，可设备建设费川比较高， 石灰 渐格最i i 膏可有效利 l 清法水混合后的泥取得高脱硫率但取得高脱硫率，脱硫 便宜，也容易州作水泥原料 浆向烟气中喷 ( 9 0 以上) 剂便宜，单位硫的去除购买但需要和建筑材料 雾成本较低磨成细粉 氧化镁法 氢氧化镁与水技术成熟，需要完 脱硫剂价格较高，单位 氢氧化镁的来氢氧化镁难大 混合喷向烟气善排水处理设备 硫的去除成本较高 源较窄规模商业席用 钠碱法j jn a o h 溶液 钠碱与s 0 2 的亲和 殴备建设费用比较高， n a o h 的价格副产品为可溶 吸收s q 力强，脱硫效率可脱硫剂费用高，单位硫较高，碱液制 性盐，易污染 达9 s ，不易结垢的去除成本较高备系统简单地下水 2 半千法脱硫工艺 半干法的工艺特点是：反应在气、固、液三相中进行，利用烟气显热蒸发吸 收液中的水分，使最终产物为干粉状。若与袋式除尘器配合使用，将能提高1 0 的脱硫效率。脱硫废渣一般抛弃处置，但最近德国将此废渣成功地用于建材生产 使半干法的应用前景更为乐观。具有代表性的有： ( 1 ) 旋转喷雾干燥法( s d a 法) 此法是美国g o y 公司和丹麦n i r o 公司联合研制出的新工艺。自1 9 7 8 年北 美安装了第一套工业装置以来，发展迅猛，己有几个国家采用，其市场占有率己 达1 0 2 9 。过去s d a 法只适合中、低硫煤，现在已研制出适合高硫煤的流程。 s d a 法的关键设备是高速旋转雾化器，通过它将吸收剂浆液雾化成细小雾滴与爆 气进行传质传热反应。其转速可达l5 0 0 0 2 0 0 0 0 r m i n 。转速与雾化效果及脱硫效 率成正比。目前其脱硫效率可达8 0 一8 5 ，虽然较湿法低，但投资及运行费用也较 低，具有较好的经济性。 ( 2 ) 炉内喷钙增湿活化法( l i f a c 法) 此法是芬兰i v o 公司和t a m p e r l l a 公司联合开发，是在炉内喷钙的基础上发 展起来。传统喷钙工艺的脱硫效率仅为2 0 3 0 ，而l i f a c 法在空气预热器和除 尘器m 加装个活化反应器，并喷水增湿，促进脱硫反应，使最终的脱硫效率达 6 到7 0 7 5 。此工艺1 9 8 5 年在芬兰建成第一套工业化装置，短短几年，就占领 2 6 的脱硫市场。l i f a c 法比较适合中、低硫煤，其投资及运行费用具有明显优 势，较具竞争力。兰州第二热电厂采用的就是这种方法，脱硫效率可以达到7 0 。 3 干法脱硫工艺 干法的工艺特点是：反应在无液相介入的完全干燥的状态下进行，反应产物 亦为干粉状，不存在腐蚀、结露等问题。具有代表性的有： ( 1 ) 荷电千式喷射脱硫法( c d s i 法) 此法是美国a l a n c o 环境公司开发研制的专利技术。第一套装置在美国亚历 桑那州运行。其核心是：吸收剂以高速通过高压静电电晕充电区，得到强大的静 电荷( 负电荷) 后被喷射到烟气流中，扩散形成均匀的悬浊状态。吸收荆粒子表面 充分暴露，增加了与二氧化硫反应的机会。同时由于粒子表现的电晕，增强了其 活性，缩短了反应所需滞留时间，有效提高了脱硫效率。对现有电厂改造尤为适 用。 ( 2 ) 等离子体法 这是7 0 年代发展起来的同时脱硫脱硝技术。被国际上认为是最有前途的新一 代f g d 技术。它主要是利用高能电子使烟气中的s o x ，n o x 等分子被激活、电离 甚至裂解、产生大量离子及自由基等活性粒子，由于它们强氧化性，使s o x 。n o x 被氧化，在注入氨的情况下，生成硫焦和硝胺化肥。根据高能电子的来源可分为 电子束照射法和脉冲电晕等离子体法。 脱硫工艺有很多，其中比较实用的、可行的、经济的技术方案仅炉内喷钙增 湿活化脱硫工艺、湿式石灰，石灰石脱硫工艺、海水脱硫工艺、简易湿法脱硫工艺、 喷雾干燥脱硫工艺、吸收剂再生脱硫工艺等十余种技术。而湿式石灰，石灰石一石 膏法烟气脱硫技术因具有脱硫效率高、操作稳定且经验多而成为目前国内外应用 最多的一种方法。表l 一2 比较了几种工艺成熟，应用较广的脱硫方法和特点。 表1 2 主要烟气脱硫方法比较 工艺流程 湿式石灰( 石) 彳i 膏法 s d a 法l i f a c 法c d s l 法 适用煤种含硫量( ) 1 51 3 8 58 0 8 5 7 0 7 56 0 6 5 设备占地面犬 中 小极小 灰渣状态湿干千千 烟气再热需无需无需无需 我国烟气脱硫研究始于5 0 年代，但进展缓慢。总的来说，目前的烟气脱硫状 况还远远不能满足我国s o ：污染控制的要求。而引进国外的技术和设备存在着投 资大、运行维护才i 方便等诸多题，国内企业难以承受。为此研究丌发适合我国 国情的高效、经济、可靠的烟气脱硫技术，是我国控制s 0 2 污染的必由之路。 1 4 本课题研究内容及意义 1 4 1 除尘脱硫装置的选取 1 燃煤锅炉对烟气脱硫装置的要求 从我国中小型燃煤锅炉烟气脱硫技术发展看，可以得出电除尘和火电厂烟气 脱硫技术对中小型燃煤锅炉来说在经济上都还难以承受，安置简单、除尘效率高、 脱硫成本低的湿法除尘脱硫一体化的技术和装备较易推广应用。因此开发和完善 新的湿法脱硫技术和装备主要有以下几个方面： 1 ) 借鉴和采用化工领域的高效传质技术和装备，如喷淋塔、旋流塔、填料塔、 泡沫塔等，改善气液接触条件，增加传质接触面积。 2 ) 采用高效的液相脱硫反应催化剂，如含铁、锰催化剂，或者各种添加剂， 进一步强化传质，提高脱硫效果。 3 ) 研究采用新型的耐磨耐腐蚀材料、防结垢材料以及设备内衬技术、高分子 材料涂覆技术提高湿法脱硫技术的投资经济性和运行的稳定性。 2 典型湿法脱硫装置性能比较 据统计，湿法脱硫系统占整个f g d 市场的8 0 的份额，而石灰石灰石湿式 洗涤系统占湿法系统中的9 0 。这是因为：其他湿法工艺如氨法、双碱法、钠基 法虽然有一些应用，但吸收剂昂贵，副产品市场有限。目前有一些单位开展了以 煤渣、矿渣或工业碱性废水为吸收剂的中小型锅炉脱硫的研究与开发，兰卅i 第二 热电厂就是采用这种方法，虽然取得了比较好的效果，但需要进一步的研究以期 提高脱硫效率和副产物的利用。石灰石灰石分布广泛容易得到，价格便宜，石狄 石灰石洗涤系统又相对于其他湿法系统工艺简单，随着对石灰石灰石湿式洗涤系 统的简化和完善，无论是针对大型的电站燃煤锅炉还是针对中小型工业锅炉，石 灰，石灰石沈涤脱除s 0 2 的工艺己成为发展的方向。 石灰，石灰石洗涤除尘脱硫需要一种这样的气体洗涤器，其结构基本要求是： 气液尽量接触，洗涤器的阻力尽量低，能防腐防堵和防垢。 经过多年的发展，人们己经尝试了多种型式的洗涤器用于烟气湿法脱硫，很 难对各种洗涤器作全面的评价。喷淋塔和填充塔是比较经典的。喷淋塔的优点在 于气液接触的空间结构上分稚稀疏，不至于引起结垢和堵塞，而填充塔由于气液 接触是在弯曲的空间中进行的，脱硫效果更好。由于要形成细微的液体颗粒，唢 淋塔需要更高的能耗。再者，浆液循环泵必须按照锅炉的启动、停炉和负荷变化 而启动制动，因而操作控制复杂。另一方面，填充塔由于需要很大的气液接触面 积，气体和吸收剂需要经过复杂的通道，容易引起堵塞，清除结垢也很困难，更 不适合除尘。此外，它们结构上不紧凑，都需要很大的占地面积。 喷射鼓泡反应器( j b 鼬是一种性能良好的气液反应器i ，集湿法烟气脱硫除尘 一体化，具有二氧化硫和粉尘去处率高：不易结垢；装置简单，维护保养方便， 占地面积小；极高的石狄石利用率，可靠性高；高效和可靠的除雾器功能；运行 成本低等优点，因此有一定的研究价值。 下表列出了几种采用湿法脱硫时，不同塔器的性能比较。 表1 3 烟气脱硫用洗涤器性能比较 洗涤器持液量逆流抗堵塞性低负荷比压力降 除尘 湍流塔好 否一般差中等好 文丘里 著否好好高好 喷淋塔差是好好 低差 喷射鼓泡塔 好 否 好一般中等 好 1 4 - 2 j b r 工艺的发展及现状 1 j b r 发展过程 1 9 7 1 年，同本千代阳( c h i y a t a ) 公司开发研制出第一代烟气脱硫设备：c t 一1 0 l 烟气脱硫工艺系统。1 9 7 6 年，千代田在c t l 叭的基础上，开发了第二代烟气脱硫 工艺系统：c t - 1 2 l 工艺系统i “】。 由于不需要预设除尘器，而其它湿法f g d 系统需要配备高性能的除尘器，因 此c t 1 2 l 比其它常规的湿法f g d 系统可以节省投资2 0 以上，由于不设循环系 统或浆液循环量低，且能使用较大粒径的石灰石灰石，c t - 1 2 l 运行费用可以比其 它系统节省5 0 【25 1 。该工艺可望减少传统的烟气脱硫( f g d ) 工艺中的问题，比如 设备复杂、化学结垢、石灰利用率低等，在1 9 9 7 年被美国能源杂志授予评选 证书，称其为第二代f g d 工艺。 2 j b r 的现状 c t 一1 2 l 是集众多脱硫工艺的优点在此基础上改进而形成的，经过运行考核试 验，已经证明c t 1 2 1 具有很好的脱硫和除尘性能。1 9 9 5 年7 月重庆市长寿化工总厂 引进日本千代用公司的c t 1 2 i 工艺技术。取得了7 0 的脱硫效果。经过改进， c t 1 2 1 工艺的烟气脱硫示装置，在美国a b b o t 燃煤脱硫效率高达9 0 ，经过一年运 行，喷射管7 0 无结垢，3 0 有少量结垢，对用玻璃纤维制造的反应容器只进行过 一次修补。1 9 9 2 年，美国乔治亚州电力公司进行了c t - 1 2 1 系统改造，1 9 9 4 年初正 常运行，脱出烟气中9 9 的大于或等于1 u m 颗粒和9 0 的小于o 5 u m 的颗粒，脱硫 效率达到9 0 ，石灰石利用率为9 7 ，设备单元可靠度超过9 8 适当处理后其脱 硫产物在建筑和农业中可以使用。但是在我国，除了南京大学的钟秦老师对此机 理和工艺有研究外【2 “，所见甚少。 1 4 3 本课题的研究内容 喷射鼓泡脱硫装置的工作过程是：烟气先进入烟气冷却烟道。在这里，烟气 是通过j b r 的循环液，辅以补充水和滤液被冷却到饱和状态。然后，烟气通过浸没 在石膏浆液儿英寸下的许多喷射管分布到浆液中去，喷入浆液的烟气产生了一个 9 气泡层，这个气泡层促进了烟气中s 0 2 的吸收。烟气从喷射管喷射进入浆液，以沸 腾状通过浆液，使气体与浆液之阳j 产生激烈的搅拌混合，保证了足够的气液接触 面积：气体的高速喷射具有冲刷作用，使设备不易堵塞。此外，j b r 在设计上将酸 性物质中和，亚硫酸盐的沉淀，亚硫酸盐氧化生成石膏以及石膏的结品等几个过 程同时在j b r 中进行【22 1 。j b r 是喷射鼓泡脱硫工艺的核心部分【23 1 。j b r 提供了高效 的气一液接触方式，可以在稳定和可靠的基础上的脱除s 0 2 和粉尘。通过鼓泡装置， 烟气均匀的扩散到浆液中，使得j b r 达到很高的性能。鼓泡塔结构简图见如图1 1 。 烟气入口 ，上 一一烟气出口 ； 1 一_ 一浆液入口 i 、”1 鼓泡区j _ j 一：鼓泡区一i ，二j 飞，l ；j ：j 。 r 二：ir 。立习 兽遵羹鬻 l：一三一墨签噬墅銎 一jr 一一一 空气入口一t 二? 二 反应区 、_ j _ i 浆液出口 灰浆 图卜1 喷射鼓泡反应器 本文认为使用喷射鼓泡反应器有望开发出适合中国国情的简易除尘脱硫一体 化技术，因此参考其工艺特点，选择喷射鼓泡反应器作为脱硫除尘的主体设备， 在资料综合的基础上开发一种实用的石灰石灰石湿法脱硫方法，和除尘脱硫一体 化的设备，建立处理烟气量为o 2 t h 的小试装置。 鉴于以上，本课题主要优化研究j b r 以下几个方面的内容： 1 喷射鼓泡脱硫除尘装置的工艺及参数性能的研究：建立实验装置，优化工 艺过等程，并进行循环浆液p h 值、循环浆液量、烟气流量、入口烟气二氧化硫浓 度对脱硫性能的影响规律的研究。 2 喷射鼓泡脱硫除尘装置结构的改进研究：在j b r 已有的基础上进一步优化 其内部结构，如喷射管的布列，除雾器的选取，溢流箱的设计等，并通过烟气脱 硫试验研究，进一步确立最佳的方案【2 ”。 3 本次设计主要是针对小型锅炉而言，因此对j b r 的结构进行了设计，并以 价廉量大的石灰石为吸收剂来进行二氧化硫的吸收。 4 喷射鼓泡脱硫除尘工艺的防腐防垢研究：在实验过程中，针对设备及系统 0 的4 i 同部位，我们进行防腐及防垢处理。以保护设备，延长其使用寿命。 i 4 4 本课题研究的意义 随着锅炉s 0 2 排放标准的只益严格，对锅炉烟气