排烟脱硫方法及装置 【技术领域】
本发明是关于排烟脱硫方法及装置，更详细讲，是关于将排气中以含二氧化硫为代表的硫氧化物转变成粉体氨化合物，进行捕集的排烟脱硫方法及装置。技术背景
在将氨水喷雾注入锅炉燃烧排气等含硫氧化物(SOx)排气中进行排烟脱硫的方法中，使氨水和硫氧化物进行反应，生成氨化合物、特别是，SOx中的主要成分二氧化硫(SO2)与氨水(m·NH3+n·H2O)及氧(O2)进行反应，作为反应副产物生成硫铵((NH4)2SO4)，化学反应式如式(1)。
(1)
如上式(1)所代表的，氨水和硫氧化物反应生成氨化合物的反应是放热反应，喷雾注入氨水中的水，如上式(1)左边所示反应中，被消耗掉，同时进行蒸发带走反应热。一般讲，如式(1)的脱硫反应，由于排气温度低，易于反应进行，所以气化热被氨水中的水蒸发所带走，反应热引起排气温度上升，从而防碍了脱硫反应的进行，因此，为了防止反应消耗的量及排气温度上升到适宜脱硫反应的温度以上，必须将以氨水进行喷雾注入的水量控制在所需的总计量，可使氨水中的水在反应器内能完全蒸发掉。
但是，这种水的总需量和上式(1)脱硫反应所必需的氨量，在氨水浓度不能很好平衡时，所谓氨水可以气体氨注入，也将水喷雾注入。这样的氨水，喷雾注入的水和/或气体氨，也根据上述式(1)等与SO2进行反应。
这样，硫铵等反应生成物在反应器内转变成干燥的粉体，这种粉体由干式电收集装置等副产品捕集装置进行捕集。捕集到的粉体副产品，由于是硫铵等氨的化合物，所以可用作肥料。这和利用石灰浆吸收硫氧化物的湿式脱硫方法不同，其优点是不产生排放水。
因此，在将氨水喷雾注入含硫氧化物地排气中，以干燥粉体捕集硫氧化物的排烟脱硫方法中，一般SOx，特别是SO2的去除效率不很高。以氨水注入的氨，一部分没有与SOx反应，这部分残余的氨随着水的蒸发变成气状，所说的氨水，另行注入的气体氨，一部分没有与SOx反应的残余氨，最终一起与处理后的排气排放到大气环境中。为了抑制这种泄漏的氨，必须减少氨的注入量(以氨水喷雾注入的氨和所谓氨水另行注入气体氨的总量)，这样一来，SOx，特别是SO2的去除效率会进一步降低。由于这部分未反应的氨的出现，其结果，产生的问题是注入氨量的减少部分不可很低。
另一方面，增加水的注入量(以氨水喷雾注入的水和所谓氨水另行喷雾注入水的总量)，降低了排气温度，虽然也能促进脱硫反应，但这时，在反应器出口附近的排气温度也达到水饱和温度(不足水饱和温度加5℃)。因此，氨水中的水和/或另行喷雾注入的水难以由反应热进行蒸发，为了完成蒸发，则需要庞大的反应容器，或者，水在反应器内没完全蒸发，产生排放水，等问题。
由此，通常在喷雾注入氨水后，通过照射数kGy～十数kGy的电子束，在反应器出口处排气温度比没有照射电子束时更高的温度条件(水饱和温度加5℃以上)下，进行提高SOx，特别是SO2的去除效率。这样做的目的是将上式(1)中没有去除的残余SO2，由通过电子束照射，从排气中的氧和水蒸汽等气体分子生成的O、OH、H2O等游离基，氧化成三氧化硫(SO3)或硫酸(H2SO4)，该SO3或H2SO4，根据下式(2)和(3)，与水(氨水中含的水，由氨水蒸发的水蒸汽、原本排气中含的水蒸汽)和氨(氨水中溶解的氨，由氨水蒸发的气体氨、或所谓氨水另行注入的气体氨)进行反应，以硫铵形式回收。谓氨水另行注入的气体氨)进行反应，以硫铵形式回收。
(2)
(3)
因此，为了向重量流量Q(kg/s)的排气中照射吸收剂量D的电子束(kGy)，利用下式(4)计算出消耗的电力P(kW)。
P(kW)=Q(kg/s)×D(kGy)/(η(％)/100) (4)
上式(4)中，η是投入的电力和排气中吸收的电子能量之比率，通常为50-80％。由此，为了排烟脱硫，需消耗大量的电力，从而产生的课题是降低这种电量消耗，在反应器出口排气温度高的条件(水饱和温度加5℃以上)下，实现高效率脱硫，以将泄漏氨抑制到最低。
因此，本发明的目的是提供一种能量费用低，具有很高的脱硫效率，泄漏氨量也低的排烟脱硫方法及排烟脱硫装置。发明公开
为了达到上述目的，发明者们经过深入研究，结果发现，通过将排气冷却到适当温度，将氨水形成沙得平均粒径(Sauter′s meandiameter)很小的液滴进行喷雾，可促进上述式(1)的脱硫反应。并至此完成本发明。
上述课题根据以下方法进行解决。
本发明的排烟脱硫方法，特征是在将氨水喷雾注入含硫氧化物的排气中，将硫氧化物转变成粉状氨化合物进行收集的排烟脱硫方法中，将排气冷却到水饱和温度以上80℃以下，喷雾注入氨水，而且使氨水形成沙得平均粒径在0.5μm以上30μm以下的液滴，进行喷雾。
本发明方法的一种形态，特征是将氨水形成沙得平均粒径在0.5μm以上10μm以下的液滴进行喷雾。
本发明方法的一种形态，特征是将氨水形成沙得平均粒径在0.5μm以上5μm以下的液滴进行喷雾。
本发明方法的一种形态，特征是上述氨水是预先将氨气和水进行混合，作氨水，使该氨水与空气形成气液混合进行喷雾。
本发明方法的一种形态，特征是上述氨水，最初将氨气和空气进行混合，接着将该混合气和水进行气液混合，使混合气中的氨气一部分或全部分溶解在该水中，生成氨水，残余的该混合气和该氨水形成气液混合喷雾。
本发明方法的一种形态，特征是将氨水喷雾注入上述排气中后，照射电子束。
本发明的排烟脱硫装置，特别是在将含硫氧化物的排气导入反应器中，在该反应器入口设置氨水注入装置，将氨水进行喷雾注入，将硫氧化物转变成粉体的氨化合物，由设在反应器下游的副产品捕集装置收集该粉体氨化合物，在这样的排烟脱硫装置中，设有将反应器上游的排气冷却到水饱和温度以上80℃以下的气体冷却装置，而且，该氨水喷雾装置将该氨水形成沙得平均粒径在0.5μm以上30μm以下的微小液滴，进行喷雾。
换句话说，在具有导入含硫氧化物排气的反应器、为喷雾注入氨水将硫氧化物转变成粉体氨化合物，而设置在该反应器入口的氨水注入装置，和为捕集该粉体氨化合物而设在该反应器下游的副产品收集装置的排烟脱硫装置中，在该反应器的上游具有将排气冷却到水饱和温度以上80℃以下的气体冷却装置，而且。该氨水喷雾装置将氨水形成沙得平均粒径在0.5μm以上30μm以下微小液滴进行喷雾。
本发明装置的一种形态，特征是将上述氨水形成沙得平均粒径在0.5μm以上10μm以下液滴进行喷雾。
本发明装置的一种形态，特征是将上述氨水形成沙得平均粒径在0.5μm以上5μm以下液滴进行喷雾。
本发明装置的一种形态，特征是上述氨水喷雾装置，至少具有将氨气和水进行混合生成氨水的装置，和将氨水和空气形成气液混合喷雾的双流体喷嘴。
本发明装置的一种形态，特征是上述氨水喷雾装置至少具有将氨气和空气进行混合的气体混合器，将该混合气和水在气液混合室内进行混合，使混合气中的氨气一部分或全部溶解在该水中，生成氨水，将残余的该混合气和该氨水进行气液混合喷雾的双流体喷嘴。
本发明装置的一种形态，特征是上述氨水喷雾装置具有将由上述双流体喷嘴喷雾的液滴撞击障碍物进一步形成细小微粒的撞击微粒化装置。
本发明装置的一种形态，特征是上述氨水喷雾装置具有将撞击障碍物进一步微粒化的液滴，使用重力和/或风力选择小粒径液滴，注入排气中的微粒分级装置。
本发明装置的一种形态，特征是在上述反应器中，向上述排气中喷雾注入氨水后，照射电子束。
换句话说，特征是在上述反应器中，具有向上述排气中喷雾注入氨水后，照射电子束的电子加速器。
首先，发明者们发现，在氨水和气体的气液界面处明显促进了上述式(1)的脱硫反应，因此，通过增大单位体积气体中所含氨水液滴的总表面积Ae(m2/m3)(比表面积)，可提高SOx的去除效率。进而，向G(m3)的排气中，喷雾注入L(m2)的氨水，而且，使氨水的液滴形成粒径d(m)的个数为n个的d-n粒径分布，这时，Ae可由下式(5)计算出。Ae=Σn4π(d/2)2G=πΣnd2×(Σnd3/Σnd2)G×(Σnd3/Σnd2)]]>=πΣnd3G×d32=6×(Σn4π/3(d/2)3)G×d32=6LG×d32]]>=6(L/G)/d32----(5)]]>
其中，d32=∑nd3/∑nd2称作“沙得平均粒径(Sauter′s meandiameter)”。因此，根据上式(5)可知沙得平均粒径越小，氨水的液滴比表面积越大，这样，发明者们通过使氨水形成沙得平均粒径在30μm以下，最好在10μm以下，更好在5μm以下的细微液滴进行喷雾，可获得很高的脱硫效率，至此完成了本发明。
而且，发明者们进一步研究，结果还发现，氨水的喷雾粒径过分小时，却不能提高脱硫效率。这是因为如下理由，即，氨水液滴的粒径很小时，在如上式(1)所示的氨水液滴中，不仅由脱硫反应产生的反应热，而且由排气中和液滴表面中的水蒸汽压差引起的分子移动，促进了蒸发。由此，当液滴粒径显著变小时，如上式(1)的脱硫反应充分进行之前，在液滴表面上水分已完全蒸发，与此相伴的氨水中的氨也形成气化，氨水液滴也就消失了。同样，这以后，SOx，水蒸汽和气体氨，进而所需要的氧，由于在氨水液滴表面上的反应，使反应速度显著减慢，形成以气相状态的反应，结果，脱硫效率降低。
为了解决该问题，发明者们发明了在向排气中喷雾注入氨水前，将该排气冷却到水饱和温度以上80℃以下，最好是水饱和温度以上70℃以下。这样做是由于在喷雾注入氨水时排气中的水蒸汽变得很高，可防止因排气中和液滴表面的水蒸汽压差引起分子移动，造成氨水液滴的蒸发，氨水主要是由液滴中脱硫反应产生的反应热进行蒸发，这可以持续到液滴表面的脱硫反应充分地进行。在向排气中喷雾注入氨水之前，将排气冷却到接近水饱和温度，伴随着脱硫反应，反应热中，除了一部分热使氨水中的水进行蒸发外，其余的热则被排气吸收，使反应器出口的排出温度上升到水饱和温度加5℃以上，所以可不产生排水。
但是，在将氨水向排气喷雾注入之前，即使将排气温度控制在水饱和温度以上80℃以下，最好水饱和温度以上70℃以下，当将氨水形成沙得平均粒径不足0.5μm的细小液滴时，极难抑制排气中和液滴表面的水蒸汽压差引起分子移动而造成的蒸发，因此，氨水液滴的沙得平均粒径需要在0.5μm以上30μm以下，最好0.5μm以上10μm以下，更好0.5μm以上5μm以下。
从而，发明者们最终发明了实现高效脱硫的方法，即通过将排气冷却到水饱和温度以上80℃以下，最好水饱和温度以上70℃以下，喷雾注入氨水，而且，将氨水形成沙得平均粒径在0.5μm以上30μm以下，最好0.5μm以上10μm以下，更好0.5μm以上5μm以下的细小液滴进行喷雾，使反应器出口的排气温度在较高的条件下(水饱和温度加5℃以上)。这样可以实现，如上所述，通过增大气中所含氨水的比表面积，以促进上述式(1)的脱硫反应，由于伴随着SO2的去除，而消耗掉氨，所以能将反应残余的泄漏氨抑制到最低。
在喷雾注入氨水后，通过照射电子束，进一步提高反应器出口处排气的温度，和/或，可获得更高的脱硫效率。在这种情况下，通过将排气冷却到水饱和温度以上80℃以下，最好水饱和的温度以上70℃以下，进喷雾注入氨水，而且，使氨水形成沙得平均粒径在0.5μm以上30μm以下，最好0.5μm以上10μm以下，更好0.5μm以上5μm以下的细小液滴进行喷雾，比过去减少了所需要电子束的照射量，结果降低了电力消耗量。
另外，作为喷雾注入氨水的方法，有预先将氨和水进行混合制成氨水，将该氨水和压缩空气一起进行气液混合喷雾的方法，和一开始将氨气和压缩空气进行混合，接着将该混合气和水进行气液混合，使混合气中的一部分或全部氨气溶解于水中生成氨水，再将残余的混合气与氨水进行气液混合喷雾的方法。在气液混合喷雾中的氨水和水的量恒定时，前一个方法比后一个方法更能提高氨水中的氨浓度，其优点是提高了脱硫效率。然而，在前一个方法中，在将氨气和水进行混合制作氨水时，需要庞大的装置，而且带来的问题是难以通过整个处理排气的液量和排气中硫氧化物的浓度，单独地改变氨和水的注入量。而在后一个方法中，由于无法限制氨气或压缩空气的混合气中的氨全都溶解于水中，所以氨水中的氨浓度有降低的趋势，但是，氨气和压缩空气易于混合，混合气和水的气液混合喷雾以小型的双流体喷嘴即可进行，所以能很容易地单独改变氨和水的注入量。
压缩空气和氨水，或氨气和压缩空气的混合气和水的气液混合喷雾，使用双流体喷嘴即可进行。进而在双流体喷嘴中加设进一步微粒化的撞击装置，使由双流体喷嘴喷雾的液滴撞击障碍物，进一步微粒化，进而加设微粒分级装置，利用重力和风力选择水粒径的微粒注入到排气中，可使氨水的液滴粒径更小。附图说明
图1是一例具体实现本发明排烟脱硫方法的工序和装置简要说明图。
图2是另一例具体实现本发明排烟脱硫方法的工序和装置简要说明图。
图3是第三例具体实现本发明排烟脱硫方法的工序和装置简要说明图。
图4是第四例具体实现本发明排烟脱硫方法的工序和装置简要说明图。
图5是一例在工序简要说明图中使用的双流体喷嘴断面图。
图6是一例双流体喷嘴附件的断面图。
图7是表示沙得平均粒径和脱硫效率和电子束吸收剂量之间关系的曲线图。
图8是表示沙得平均粒径和脱硫效率和电子束吸收剂量之间关系的曲线图。实施本发明的最佳形式
图1是一例具体实现本发明排烟脱硫方法的工序和装置简要说明图。
将由锅炉1产生的含硫氧化物排气，用热交换器2冷却后，将排气与工业用水接触进行冷却，再用气体冷却装置3冷却后，送入反应器4内，另一方面，将由供氨设备11供给的氨和工业用水，用氨水生成装置13进行混合制成氨水，再用设在反应器入口处的双流体喷嘴12，将该氨水和压缩空气进行气液混合喷雾，再将微粒化的氨水液滴注入排气中。结果生成以硫铵为主要成分的粉体副产品，由干式电捕集装置6进行收集。
图2是另一例具体实现本发明排烟脱硫方法的工序和装置简要说明图。
将由锅炉1产生的含硫氧化物排气，用热交换器2冷却后，将排气与工业用水接触进行冷却，再用气体冷却装置3冷却后，送入反应器4内。另一方面，将由供氨设备11供给的氨和压缩空气，用管道混合器14进行混合，再将该混合气和工业用水，由设在反应器入口处的双流体喷嘴12的气液混合室进行混合，使该混合气中的一部分氨气或全部氨气溶解在该水中，生成氨水，残余的混合气和氨水由双流体喷嘴12进行气液混合喷雾，将微粒化的氨水液滴和残余气体氨注入排气中。结果生成以硫铵为主要成分的粉体副产品，由干式电捕集装置6进行收集。
图3是第三例具体实现本发明排烟脱硫方法的工序和装置简要说明图。
将由锅炉1产生的含硫氧化物排气，由热交换器2冷却后，将排气与工业用水接触进行冷却，再用气体冷却装置3冷却后，送入反应器4内。另一方面，将由供氨设备11供给的氨和工业用水，用氨水生成装置13进行混合制成氨水，再将该氨水和压缩空气，由设在反应器入口处的双流体喷嘴12进行气液混合喷雾，将微粒化的氨水液滴注入排气中。喷雾注入氨水的排气在反应器4内，进一步用电子加速器5照射电子束，结果生成以硫铵为主要成分的粉体副产品，由干式电捕集装置6进行收集。
图4是第四例具体实现本发明排烟脱硫方法的工序和装置简要说明图。
将由锅炉1产生的含硫氧化物排气，由热交换器2冷却后，将排气与工业用水接触进行冷却，再用气体冷却装置3冷却后，送入反应器4内。另一方面，将由供氨设备11供给的氨和压缩空气，由管道混合器14进行混合，将该混合气和工业用水，由设在反应器入口处的双流体喷嘴12的气液混合室进行混合，该混合气中的一部分氨气或全部氨气溶解于该水中，生成氨水，将残余的混合气和氨水由双流体喷嘴12进行气液混合喷雾，使微粒化的氨水液滴和残余的气体氨注入排气中。喷雾注入氨水和气体氨的排气在反应器4内，由电子加速器5照射电子束，结果生成的以硫铵为主要成分的粉体副产品，由干式电捕集装置6进行收集。另外，管道混合器14构成了气体混合器。
图5是一例在图1～图4的工序简要说明图中使用的双流体喷嘴。图6是一例双流体喷嘴的附件图。由气液双重管21供给的氨和压缩空气的混合气及水，或压缩空气和氨水，在双流体喷嘴的气液混合室22内进行混合，从喷嘴23的端部进行喷雾。
以下说明使用图2和图4所示装置进行的试验，但本发明并不仅限于此。
将由锅炉1产生的1500m3N/h含850ppm硫氧化物的排气，由热交换器2冷却到150℃后，使排气与工业用水接触进行冷却，再用气体冷却装置3冷却到水饱和温度加10℃，即50℃后，送入反应器4内。另一方面，将2.3m3N/h由供氨设备11供给的氨和压缩空气，在管道混合器14内进行混合，再将该混合气与18kg/h的工业用水，由设在反应器入口处的双流体喷嘴12的气液混合室进行混合，使该混合气中的一部分氨气或全部氨气溶解于该水中，生成氨水，将残余的混合气和氨水由双流体喷嘴进行气液混合喷雾，使微粒化的氨水液体和残余的气体氨注入排气中。在使用图4装置的试验中，喷雾注入氨水和气体氨的排气在反应器4内，由电子加速器5照射电子束。在任何一种情况下，都是由干式电捕集装置6进行收集生成的以硫铵为主要成分的粉体副产品。
试验中，通过改变双流体喷嘴的种类、压缩空气的压力和流量，来改变喷雾注入的氨水液滴的沙得平均粒径(d32=∑nd3/∑nd2)，在使用图4装置的试验中，通过改变电子束的束电流值，来改变吸收剂量，以研究脱硫效率的变化。
图7示出了该结果。根据图7可知，随着氨水液滴的沙得平均粒径变小，脱硫率提高，特别是吸收剂量为零时(使用图2装置的试验)，当沙得平均粒径达到10μm时，得到50％的高脱硫率，作为硫氧化物的去除装置，在实用中，这是很好的值。从图7可知，吸收剂量为零时，沙得平均粒径达到30μm时，可获得40％的比较高的脱硫率。作为硫氧化物的去除方法，这是可实际应用的值。同样可知，沙得平均粒径超过30μm时，在100μm以下，吸收剂量为零，可获得20％以上的脱硫率。因此，在沙得平均粒径超过30μm时，喷雾氨水中的水分不会完全蒸发，由连接反应器4和反应器4的干式电捕集装置6的管道处产生排水，因此，沙得平均粒径最好在30μm以下。
取代图2和图4中的双流体喷嘴12，以双流体喷嘴中加设具有障碍物的撞击微粒装置和微粒分级装置氨水喷雾装置，使双流体喷嘴喷雾的液滴撞击障碍物进一步微粒化，利用重力和风力选择粒径小的微粒化液滴进行喷雾，进行和图7试验相同的试验。结果示于图8。根据图8可知，当氨水液滴的沙得平均粒径达到5μm时，可获得60％的高脱硫率，作为硫氧化物的去除方法，在实际应用中，这是非常好的值。根据图8进而知道，虽然沙得平均粒径达到0.5μm，越小，脱硫率越高，但是，当超过0.5μm时，脱硫率反应而降低。因此，沙得平均粒径最好在0.5μm以上。
本发明的排烟脱硫方法和装置，由于将排气冷却到水饱和温度以上80℃以下，进行喷雾注入氨水，而且，使氨水形成沙得平均粒径在0.5μm以上30μm以下、最好的0.5μm以上10μm以下、更好0.5μm以上5μm以下细小液滴进行喷雾，从而降低了能量费用，具有很高的脱硫效率，而且也降低了氨泄漏量。
在喷雾注入氨水后，通过照射电子束，进一步提高反应器出口处的排气温度，和/或，可进一步获得高脱硫率。工业应用性
本发明适于排气处理系统，可高效率地去除煤炭和石油等各种燃料燃烧排气中所含的硫氧化物。