多次反应集成的干法烟气脱硫工艺及其系统 技术领域
本发明涉及燃煤电站的烟气脱硫技术，具体地指一种多次反应集成的干法烟气脱硫工艺及其系统。
背景技术
我国是世界上少数几个以煤炭为主要能源的国家之一，煤炭在我国一次能源的生产和消耗比例中一直在70％以上，燃煤产生的二氧化硫排放已形成了巨大的环境污染，从根本上治理二氧化硫排放所造成的污染已势在必行。
目前，用于燃煤电站烟气脱硫的技术一般有湿法、半干法和干法脱硫。炉内喷钙是20世纪60年代发展起来的一种干法脱硫技术，由于其使用廉价的石灰石即碳酸钙CaCO3作为脱硫剂，具有投资少、工艺简单等特点，而在20世纪70年代受到欧洲、美国、日本等国家的重视和开发，并相继在15～700MW的燃煤电站上进行了应用。但该脱硫方法中钙的利用率不高，脱硫效率也只有30％左右，故如何回收利用烟气中未反应的氧化钙CaO来提高脱硫效率一直是科研人员探索的焦点。芬兰Tempella公司研究开发了LIFAC脱硫方法，该方法除了在炉内喷入石灰石粉外，还在电除尘器前增设一活化反应装置，使未反应的氧化钙CaO遇水生成氢氧化钙Ca(OH)2，氢氧化钙Ca(OH)2在活化反应器中与二氧化硫SO2反应，来达到烟气脱硫的目的。采用该脱硫方法，可以使烟气脱硫效率有较大的提高，脱硫效率可达70％左右，但其所采用地脱硫系统较为复杂。为了进一步提高系统的脱硫效率，芬兰Tempella公司、美国B&W公司还分别开发了干灰及灰浆再循环的LIFAC和LIDS脱硫方法，上述两种方法的工艺过程基本相同，即将电除尘器、活化反应器中所收集的飞灰、氧化钙CaO和氢氧化钙Ca(OH)2送回活化反应器再循环，以进一步提高其脱硫效率和钙利用率。虽然干灰及灰浆再循环的LIFAC和LIDS脱硫方法能够提高系统脱硫效率，但脱硫效率也只有80％左右，还不能使钙利用率有很大提高，且其脱硫系统仍然庞大复杂。
循环流态化烟气脱硫方法是20世纪80年代发展起来的一种半干法烟气脱硫技术，由于该技术具有投资少、占地面积小、设备简单、脱硫效率高等特点，故成为电力环保行业中研究开发和推广的重点。然而，循环流态化烟气脱硫方法也存在如下不足：该方法使用的脱硫剂是高品质的氢氧化钙Ca(OH)2或需经过消化系统处理的氧化钙CaO，一方面由于高品质的氢氧化钙Ca(OH)2或氧化钙CaO的价格也高，使整个脱硫系统的运行成本大幅增加；另一方面由于增加了消化系统，使整个脱硫系统的结构复杂，运行费用高昂，且消石灰颗粒的表面活性不易保证。此外，由于氢氧化钙Ca(OH)2或氧化钙CaO对人体健康有一定的危害，因此采用它作为脱硫剂时，必须保证运输过程以及脱硫系统具有良好的密封和安全措施，使得系统结构更为复杂化，运行成本无法降低。
发明内容
本发明的目的就是要克服上述现有技术所存在的缺陷，提供一种多次反应集成的干法烟气脱硫工艺及其系统，采用该工艺及系统能提高脱硫剂的利用率，达到满意的脱硫效率，并且其工艺流程简单，耗水量较少，系统结构简化，初投资及运行成本低廉。
为实现此目的，本发明所设计出的多次反应集成的干法烟气脱硫工艺，采用炉内喷射石灰石粉、烟道内增湿活化、循环流态化烟气脱硫相结合的方法，来协同作用分层次脱硫。其操作过程依次包括如下步骤：
1)炉膛内喷射石灰石粉对烟气进行第一次脱硫处理：将石灰石粉喷射到燃煤设备炉膛上方的烟气中，使石灰石粉中的碳酸钙在高温环境中分解成为氧化钙颗粒和二氧化碳气体，氧化钙颗粒随即与烟气中的二氧化硫气体发生反应生成硫酸钙，其脱硫效率为20～30％。
2)增湿烟道内喷水对烟气进行第二次脱硫处理：将步骤1)中没有发生脱硫反应的氧化钙颗粒、飞灰、一次脱硫产物以及烟气通过燃煤设备尾部烟道导入增湿烟道中，并向增湿烟道中喷射雾化水，使烟气中的氧化钙颗粒遇水增湿活化，反应生成氢氧化钙颗粒，氢氧化钙颗粒随即与烟气中的二氧化硫气体发生反应生成亚硫酸钙，其脱硫效率为20～30％。
3)循环流态化脱硫塔内喷水对烟气进行第三次脱硫处理：将步骤2)中没有发生脱硫反应的氢氧化钙颗粒和剩余的氧化钙颗粒、飞灰、一次和二次脱硫产物以及烟气从增湿烟道后部出口导入循环流态化脱硫塔内，并向脱硫塔内再次喷射雾化水，使氢氧化钙颗粒与烟气中的二氧化硫气体在潮湿环境中充分接触，且使剩余的氧化钙颗粒与水反应转化为氢氧化钙颗粒，最终氢氧化钙颗粒与烟气中的二氧化硫气体反应生成亚硫酸钙；同时通过外置电除尘器将部分未反应的氢氧化钙颗粒再次送回脱硫塔内循环吸收二氧化硫气体，由于在此之前已经进行了两次脱硫反应，本次的脱硫效率仅为50～60％，最终分离获得洁净的烟气。
上述工艺的步骤1)中，优选将石灰石粉喷射到燃煤设备炉膛上方温度范围为950～1150℃的烟气中，在此温度范围内石灰石粉中的碳酸钙最容易分解成为氧化钙颗粒和二氧化碳气体，有利于提高石灰石粉的利用率。
上述工艺的步骤2)中，最好通过向增湿烟道中喷射适量的雾化水滴，使其中的烟气温度保持在85～95℃的范围内，在此温度条件下氧化钙颗粒遇水迅速活化而生成氢氧化钙颗粒，氢氧化钙颗粒与烟气中的二氧化硫气体具有很高的反应速率，从而可将二氧化硫气体迅速吸收。
上述工艺的步骤3)中，最好通过向脱硫塔内喷射雾化水，使其中的烟气温度控制在60～75℃的范围内，烟气含湿量控制在11～15％的范围内，此时氢氧化钙脱硫剂颗粒与烟气中的二氧化硫气体的反应环境条件达到最佳状态，可有效提高烟气脱硫效率和脱硫剂颗粒的利用率。
为实现上述工艺而专门设计的多次反应集成的干法烟气脱硫系统，包括通过烟气输送管道和循环物料管道连接在一起组成循环流态化脱硫体系的脱硫塔、外部电除尘器、引风机及烟囱，还包括新增加的石灰石粉喷射装置和增湿烟道。石灰石粉喷射装置的石灰石粉喷嘴布置在燃煤设备的炉膛上方，可向其中喷射石灰石粉。增湿烟道内设置有增湿水雾化喷嘴，可向增湿烟道中均匀喷射雾化水滴。增湿烟道的前部进口与燃煤设备的尾部烟道相连，增湿烟道的后部出口与上述脱硫塔的烟气进口烟道相连。从燃煤设备排放出的含硫烟气在燃煤设备的炉膛上方进行第一次脱硫，在增湿烟道中进行第二次脱硫，在循环流态化脱硫塔中进行第三次脱硫。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
首先，本发明采用廉价的石灰石粉作为脱硫剂，并利用它在炉内喷射生成具有一定活性的氧化钙，而氧化钙与飞灰经过增湿烟道和循环流态化脱硫塔内喷水增湿活化后，可形成具有极高表面活性的脱硫剂颗粒，增大与二氧化硫的反应速率。故其不仅可以降低烟气的脱硫成本，而且可以提高烟气的脱硫效率。
其次，本发明在燃煤设备尾部烟道后设计烟气增湿系统，一方面可使烟气中的氧化钙颗粒遇水迅速活化而生成高效的氢氧化钙脱硫剂颗粒，并将烟气中的部分二氧化硫气体迅速吸收；另一方面烟气增湿后迅速冷却，降低了其进入脱硫塔时的温度，延长了烟气与氢氧化钙脱硫剂颗粒之间的反应空间和反应时间，大幅提高了脱硫剂颗粒的利用率。
第三，本发明在燃煤设备的炉膛上方、尾部增湿烟道、以及循环流态化脱硫塔中分层次进行脱硫，各部分设备仅承担一部分脱硫工作。因而，在达到总系统高脱硫效率的前提下，本脱硫塔内的脱硫效率只需达到50～60％即可。在这种情况下，可以适当减少循环物料返回脱硫塔的质量流量，使脱硫塔内物料浓度保持在400～600g/m3的水平内，这样不仅减少了脱硫塔内的流动阻力，而且减轻了外部静电除尘器的运行负荷，从而也大幅降低了整个脱硫系统的运行负荷，进一步简化了整个工艺系统的结构。
第四，本发明集成的多次脱硫反应均是在干法状态下进行的，从而大大降低整个脱硫系统的耗水量。
综上所述，本发明具有简洁的工艺流程、简单的系统结构，低廉的运行成本，较高的脱硫效率，能在Ca/S＝1.1～1.2的较低钙流比条件下，达到93～95％以上的脱硫效率。
附图说明
图1为一种多次反应集成的干法烟气脱硫系统的结构示意图；
图2为增湿水雾化喷嘴安装在增湿烟道中心线上的结构示意图；
图3为增湿水雾化喷嘴安装在增湿烟道侧壁上的结构示意图；
图4为环状紊流发生器安装在增湿烟道中的结构示意图。
具体实施方式
以下针对一台燃煤电站锅炉，结合附图对本发明所述的多次反应集成的干法烟气脱硫工艺及其系统作进一步的详细描述：
图中所示的多次反应集成的干法烟气脱硫系统，主要由通过烟气输送管道和循环物料管道连接成为一完整脱硫体系的石灰石粉喷射装置、增湿烟道9、脱硫塔28、外部电除尘器24、引风机25及烟囱26等构成。
石灰石粉喷射装置由石灰石粉仓3、安装在石灰石粉仓3下端的旋转给粉机2、通过输粉管道4与旋转给粉机2相连的压气机1、以及安装在输粉管道4末端的石灰石粉喷嘴5组成。石灰石粉喷嘴5布置在燃煤电站锅炉6的炉膛上方。
增湿烟道9设置在燃煤电站锅炉6和脱硫塔28之间，增湿烟道9的前部进口与燃煤电站锅炉6的尾部烟道7相连，增湿烟道9的后部出口与脱硫塔28的烟气进口烟道12相连。在增湿烟道9的内壁上设置有1～3道轴向截面呈三角型的环状紊流发生器8，该环状紊流发生器8位于烟气上游的一面与增湿烟道9的内壁夹角α＝25～35°，位于烟气下游的一面与增湿烟道9的内壁夹角β＝35～45°，该环状紊流发生器8的突出深度H＝0.1～0.2D，D为增湿烟道9的内径或当量内径。用数学公式表示为：D=(4*A)/π,]]>其中A为增湿烟道9的横截面积，π为圆周率。在增湿烟道9内各道环状紊流发生器8的烟气上游位置，对应地布置有各层增湿水雾化喷嘴10。当增湿烟道9的内腔截面设计为圆形时，各层增湿水雾化喷嘴10布置在增湿烟道9的轴心上，其喷雾方向与烟气流动方向一致。当增湿烟道9的内腔截面设计为矩形时，各层增湿水雾化喷嘴10均布在增湿烟道9的内壁上，其喷雾方向水平指向增湿烟道9的轴心。这样可以确保雾化水均匀喷射到增湿烟道9任何地方，最大限度地使氧化钙颗粒与水充分接触反应生成氢氧化钙颗粒。增湿烟道9的安装形式有两种：一种是水平安装，另一种是垂直安装，可根据整个烟气脱硫系统的实际布置需要取舍。增湿烟道9内环状紊流发生器8的设计充分利用了气体与颗粒的湍流原理，烟气经过各道环状紊流发生器8时受其倾斜面的引导而向增湿烟道9中间挤压，烟气的紊流程度逐级增大，一方面扩大了烟气中氧化钙与雾化水滴的接触面，使其充分增湿活化而生成高活性的氢氧化钙脱硫剂颗粒；另一方面延长了烟气与氢氧化钙脱硫剂颗粒的接触时间，强化了氢氧化钙脱硫剂颗粒对二氧化硫的结合吸收特性，提高了第二次脱硫的效率。
脱硫塔28依次包括塔底储灰仓11、烟气混合室13、文丘里管流化段14、渐扩锥体段15、中间反应段19、塔顶过渡段20和塔顶段21。烟气进口烟道12布置在烟气混合室13上。外部电除尘器24的循环物料入口17布置在渐扩锥体段15上。脱硫塔28的雾化水喷嘴16布置在中间反应段19的底部。脱硫塔28的中间反应段19内壁上设置有1～3道与增湿烟道9中环状紊流发生器8结构基本相同的环状湍流发生器18。环状湍流发生器18的设置，可以使脱硫塔28内的各相物质的紊流程度大幅增加，强化脱硫剂颗粒、烟气和雾化水滴三者之间的传热与传质交换，增加烟气与脱硫剂颗粒的接触时间，从而大幅提高第三次脱硫的效率。连接中间反应段19和塔顶段21的塔顶过度段20可采用由多块平面三角形板和弧面三角形板拼接围合而成的内腔截面向上渐阔的变异结构，以进一步增加烟气的紊流程度和内循环量，提高脱硫剂颗粒的利用率和脱硫效率。本脱硫塔28的结构与现有技术的区别在于：塔身上没有设置脱硫剂颗粒喷嘴，脱硫剂颗粒通过增湿烟道9直接从烟气进口烟道12进入脱硫塔28的烟气混合室13内。
本发明的多次反应集成的干法烟气脱硫系统的脱硫工艺过程是这样的：
首先，燃煤电站锅炉6炉膛内燃烧的煤粉生成高温烟气及二氧化硫SO2，并向炉膛上部流动，在炉膛上部形成950～1150℃的高温区域。此时，将石灰石粉由石灰石粉仓3经旋转给粉机2送入输粉管道4内，压气机1工作，压缩空气把石灰石粉通过石灰石粉喷嘴5喷射到炉膛上方950～1150℃的烟气中。石灰石粉喷嘴5的流速变化范围在35～50米/秒之间。喷入炉膛上方内的石灰石粉与高温烟气快速混合，快速扩散，使石灰石粉中的碳酸钙CaCO3分解成为氧化钙CaO和二氧化碳CO2，氧化钙CaO颗粒随即与烟气中的二氧化硫SO2反应生成硫酸钙CaSO4，完成第一次脱硫，约可脱除烟气中总硫量的20～30％。
其次，没有反应的氧化钙CaO、飞灰、一次脱硫产物以及烟气经过燃煤电站锅炉6的省煤器、空气预热器和尾部烟道7进入其后的增湿烟道9中。烟气进入增湿烟道9后，一方面受到从增湿水雾化喷嘴10喷出的雾化水滴的冷却，使烟气温度从增湿烟道9前部进口的120～150℃迅速降低到85～95℃，通过调节雾化水滴的喷入量可使烟气始终维持在此温度范围内；另一方面受到环状紊流发生器8的挤压作用，是使烟气流中的部分固体颗粒转向，向增湿烟道9的中心处流动，加大了增湿烟道9内烟气流与固体颗粒的紊流度，延长了烟气与固体脱硫剂颗粒的接触时间。此时，烟气中的部分氧化钙CaO和雾化水H2O发生反应生成氢氧化钙Ca(OH)2，由于氢氧化钙Ca(OH)2与烟气中的二氧化硫SO2具有很高的反应速率，马上就将二氧化硫SO2吸收而生成亚硫酸钙CaSO3，完成第二次脱硫，约可再次脱除烟气中总硫量的20～30％。
再次，从增湿烟道9后部出口流出的烟气、飞灰、一次和二次脱硫产物、以及没有发生脱硫反应的氢氧化钙颗粒和剩余的氧化钙颗粒通过脱硫塔28两侧的烟气进口烟道12进入烟气混合室13中，两侧烟气混合后进入文丘里管流化段14。文丘里管流化段14可采用单管或多管组成，根据脱硫塔28在运行中的负荷变化情况，烟气在文丘里管流化段14喉部的速度保持在25～60米/秒的范围内，在文丘里管流化段14出口的速度控制在8～20米/秒的范围内。烟气混合物从文丘里管流化段14进入脱硫塔28的底部反应区渐扩锥体段15、中间反应段19底部后，立即受到雾化水喷嘴16喷出的雾化水的冷却，从外部静电除尘器24分离出来的循环物料也经流化槽22从循环物料入口17进入到渐扩锥体段15中，使烟气的温度迅速降低并保持在60～75℃的范围内，烟气含湿量控制在11～15％的范围内。前二次脱硫反应剩余的氧化钙CaO颗粒再次与雾化水H2O发生反应生成Ca(OH)2颗粒，脱硫塔28内的固体颗粒平均直径在10～80μm的范围内，烟气带动固体颗粒向上运动而呈悬浮状态。
当烟气混合物上升进入脱硫塔28上部的塔顶过渡段20和塔顶段21时，由于脱硫塔28在这部分的内腔横截面由下向上逐渐增大，烟气流速降低，同时有局部涡流产生，使烟气中较大的固体颗粒沿塔侧壁向下流动，在脱硫塔28内形成内循环。这样加大了飞灰、脱硫剂颗粒和脱硫产物之间的碰撞、颗粒表面磨损，有效地增加了脱硫剂颗粒的反应表面积。烟气中的二氧化硫SO2在与脱硫剂颗粒Ca(OH)2的反复循环接触中充分反应生成亚硫酸钙CaSO3，完成第三次脱硫，约可脱除烟气中总硫量的50～60％。与此同时，烟气中少量的三氧化硫SO3以及可能存在的盐酸HCl、氟化氢HF等有害气体也一并被吸收除去。烟气经过三次脱硫处理后，在Ca/S＝1.1～1.2的较低钙流比条件下总的脱硫效率可高达93～95％。
然后，烟气从脱硫塔28的塔顶段21上的烟气出口27流出，通过烟道进入外部静电除尘器24。在外部静电除尘器24内，烟气中的固体颗粒被分离出来，其中含有一部分未完全反应的脱硫剂颗粒。被分离下来的固体颗粒一部分通过流化槽22从循环物料入口17返回脱硫塔28中，再次进行物料循环。另一部分固体颗粒，包括脱硫副产品、飞灰等则通过循环灰排灰阀送入灰渣仓23储存、运走。从外部静电除尘器24出来的洁净烟气经引风机25送入烟囱26，最后排入大气中。落入脱硫塔28的塔底储灰仓11中的灰渣，用气体输送方法送入灰渣仓23内。