垂直涡型循环流态化的干法烟气脱硫方法

专利名称：垂直涡型循环流态化的干法烟气脱硫方法
技术领域：
本发明属于烟气脱硫技术领域，涉及各种燃烧设备所排烟气的干法脱硫，具体地指一种垂直涡型循环流态化的干法烟气脱硫方法。
背景技术：
燃烧设备所排烟气中的二氧化硫气体污染的治理，一直是世界上大多数国家环境保护的重点，其所产生的污染物更是造成我国生态环境破坏的最大污染源，已经成为我国空气污染治理的当务之急。对烟气中二氧化硫的治理，国外通常采用湿式石灰石膏法(W-FGD)来脱硫，虽然其脱除效果较好，但存在投资巨大、耗水量大、占地面积较大、系统复杂、阻力较大、结构复杂、以及需要对水进行再处理等一系列的问题。因此，干法或半干法的烟气脱硫技术成为了国内外研究开发的重点。
对于干法或半干法烟气脱硫技术而言，影响脱硫效率的主要因素有反应温度、湿度、脱硫剂颗粒表面活性、脱硫剂与烟气接触反应时间、脱硫剂颗粒与烟气的湍流传质特性等等；对于整个干法脱硫系统而言，还必须考虑系统阻力大小、系统复杂程度、装置及设备的磨损及腐蚀、系统对负荷的适应性、耗水量大小等多方面因素的影响。
现有的干法烟气脱硫技术主要有喷雾干燥法、炉内喷钙加增湿活化法和循环流化床烟气脱硫等方法。前两种方法中脱硫剂利用率较低，烟气脱硫效率不高，同时在脱硫塔的内壁易引起腐蚀和结垢。而循环流化床烟气脱硫方法通过脱硫剂颗粒的多次再循环利用，使脱硫剂颗粒的停留时间增长，大大地提高了脱硫剂的利用率和脱硫效率，克服了前两种方法中的不足，具有适用范围广，可用于高中低硫煤等特点。
由于上述循环流化床烟气脱硫方法以循环流化床原理为基础，因此不同的循环流化方式对脱硫效率、脱硫剂的利用率、系统阻力以及整个干法烟气脱硫技术系统及装置具有很大的影响。目前，该脱硫方法大多采用底部循环流化的方式，即通过烟气引射加速装置如文丘里喷嘴从脱硫塔底部喷入烟气。在烟气引射加速装置高速冲射下，脱硫剂颗粒流态化并与烟气充分混合，烟气通过烟气引射加速装置后降速，而脱硫剂颗粒仍以高速惯性冲射，气固存在速差，强化传质，烟气与脱硫剂颗粒充分反应。如公开号为CN1401415A的中国发明专利公开说明书中所介绍的就是这种底部流化方式，它由文丘里流化段和渐扩段两部分构成，其中文丘里流化段由文丘里喷嘴组成。公开号为CN1195573A的中国发明专利公开说明书中所介绍的是由布风板和风箱组成的底部循环流化方式。又如德国Wulff公司采用的回流式循环流化床烟气脱硫技术，也是通过文丘里喷嘴的烟气引射加速装置来实现这种底部循环流化的。但是，采用这种底部循环流化方式的干法烟气脱硫技术仍存在以下的缺陷首先，其烟气流通总阻力较大，正常运行情况下通常高于2000帕，这就造成了运行费用的提高和设备磨损的加剧。其次，底部循环流化方式难以考虑由于燃烧设备负荷变化、烟气量变小可能导致流化床反应系统不能正常流化等因素的影响，负荷调节性较差。另外，随着目前燃煤电站锅炉的日益大型化，其脱硫塔截面以及高度的增加，这种底部循环流化方式的脱硫塔内部流场趋于均匀，难以保证脱硫塔内固体颗粒间的碰撞以及固体颗粒与烟气的接触，从而使得烟气和脱硫剂颗粒的混合减弱，甚至导致烟气与颗粒流场的组织失败，进而影响了脱硫剂的利用率和脱硫效率。

发明内容
本发明的目的就是要克服上述现有技术中所存在的缺陷，提供一种垂直涡型循环流态化的干法烟气脱硫方法，采用该方法能保证在较低钙硫比的情况下达到较高的脱硫效率，实现较宽的负荷调节比，并进一步降低烟气阻力，简化系统组成，降低设备投资及运行费用。
为实现此目的，本发明经深入研究而提出的垂直涡型循环流态化的干法烟气脱硫方法，包括脱硫剂的制备消化、脱硫反应塔内的脱硫反应、外部脱硫剂颗粒的分离和再循环，其特殊之处在于将需要脱硫的烟气分为两路，一路烟气通过烟气引射加速装置，从脱硫塔下部区域前后两侧的不同高度位置分别喷入脱硫塔中，其中上层烟气的射流方向在垂直平面上与水平轴的夹角为-5°～-45°，下层烟气的射流方向在垂直平面上与水平轴的夹角为+15°～-55°，烟气射流方向以水平轴为基准向上为正，向下为负，上下两层烟气的射流速度为30～100m/s。另一路烟气通过烟气布风装置，从脱硫塔下部区域的底部向上以0.1～10m/s的流速向脱硫塔内均匀给风，使烟气在脱硫塔下部区域内作垂直的涡旋运动，形成具有垂直涡旋结构的塔内脱硫反应流场，从而使烟气与脱硫剂颗粒在脱硫塔中发生剧烈混合反应。
上述方法中，上下两层烟气的喷入位置的高度差最好是脱硫塔前后两侧深度的1.0～1.5倍。
上述方法中，上层烟气的射流方向在垂直平面上与水平轴的较佳夹角为-10°～-20°，下层烟气的射流方向在垂直平面上与水平轴的较佳夹角为+5°～-5°，上下两层烟气的较佳射流速度为40～80m/s。
上述方法中，通过烟气引射加速装置喷入脱硫塔下部区域中的一路烟气量占需脱硫的烟气总量的60～95％，通过烟气布风装置吹入脱硫塔下部区域底部的另一路烟气量占需脱硫的烟气总量的5～40％。调节两路烟气量，可使脱硫塔内达到正常流态化的需求，且脱硫塔底部不粘结灰尘，以保证脱硫塔底部的颗粒正常流动。
上述方法中，脱硫塔下部区域的深度是脱硫塔上部区域深度的1.0～2.0倍，脱硫塔上部区域采用截面形状可任意变化的变异结构。其截面形状可为圆形、多边形、椭圆形或其它形状组合，由于其截面与截面之间相互变异，可进一步增加烟气的湍流强度。
上述方法中，可将新鲜脱硫剂颗粒、再循环脱硫剂颗粒、以及雾化水从脱硫塔下部区域喷入脱硫塔中。
上述方法中，可采用分段喷水方式，在脱硫塔下部区域、以及上部区域的中下段，沿半径方向在单侧或两侧设置1～4层分段降温增湿的水雾化喷嘴，其中上部区域中下段的最下层喷嘴的位置与脱硫塔下部区域顶部的距离为300～2000mm，各层喷嘴之间的距离为800～1500mm。水雾化喷嘴可采用固定式或可伸缩摆动式的结构，并且喷出的水颗粒的雾化粒径可根据需要随时调节。
上述方法中，可采用组合烟气射流方式，在脱硫塔上部区域的中下段沿半径方向在单侧或者两侧布置1～4层向下的烟气射流喷嘴，将10～30％的经外部除尘器分离后的洁净含湿烟气作为介质，以30～180m/s的流速喷入脱硫塔中，以加强脱硫中后期的烟气湍流强度。
上述方法中，烟气引射加速装置可采用低阻力的拉法尔喷管及其组合，其喷嘴在塔内可以采用伸缩并方向可调节的形式，以提高其引射的速度和引射的效率。
与现有技术相比，本发明的优点在于首先，由于采用了垂直涡型的烟气循环流化方式，大部分的烟气在脱硫塔下部区域的前后两侧位置，以设定的高度差、设定的倾斜角度和设定的流速喷入，产生垂直的涡旋运动，必然在脱硫塔下部区域形成垂直涡旋流动的烟气流场。同时剩余的烟气从脱硫塔下部区域的底部以设定的流速向上均匀给风，加上从脱硫塔下部区域喷入的脱硫剂颗粒和雾化冷却水，三相物质可在脱硫塔内强烈混合反应，形成较好的流态化及颗粒内部再循环特性，从而极大地提高了其脱硫反应的能力，增强了脱硫剂颗粒的活化特性，也大幅提高了脱硫剂的利用率。
其次，在大型化烟气脱硫设备中，采用这种垂直涡旋流场的脱硫塔，其流态化特点可以通过在脱硫塔宽度方向上的延伸而得到很好的满足，并且垂直涡旋流场的循环流化方式使得脱硫塔下部的气流和脱硫剂颗粒的混合卷吸作用非常剧烈，降低了脱硫剂颗粒正常流态化时对烟气量需求的依赖程度，从而很容易实现脱硫系统负荷变化的宽调节特性。因此，它具有大型化机组烟气脱硫技术应用的特长和宽调节比特性，可以满足300MW～1000MW火力发电机组从20％到110％负荷变化的高效脱硫要求。
第三，由于这种垂直涡旋流动的烟气流场结构是卷吸脱硫剂颗粒来实现其流态化的，其机理与底部循环流态化的方法截然不同，它大大减小了烟气引射加速装置的阻力，降低了脱硫塔的系统阻力。因此，本发明能实现较高的脱硫效率，在钙硫比Ca/S＝1.1～1.3之间可达到90～92％以上的脱硫效率；较宽的调节比，满足燃烧设备20～110％负荷变化的高效脱硫要求；以及较低阻力的脱硫技术要求，使设备趋于简化，降低运行成本。


图1为采用本发明脱硫方法的脱硫系统结构示意图；图2为图1中的脱硫塔主体以及其内部流场的结构示意图；图3为图1中的脱硫塔下部区域截面及主烟气进口的结构示意图；图中烟气预除尘装置1，主烟气进口2，脱硫塔下部区域3，组合烟气射流喷嘴4，脱硫塔上部区域5，底部烟气进口6，脱硫塔烟气出口7，烟气除尘装置8，外部再循环颗粒回料口9，灰渣仓10，主引风机11，水雾化喷嘴12，烟囱13，脱硫剂制备消化系统14，脱硫剂颗粒喷入口15。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的垂直涡型循环流态化的干法烟气脱硫方法作进一步的详细描述如图所示，采用本发明脱硫方法的脱硫系统中，起主导作用的脱硫塔由下部区域3(垂直涡流反应区)和上部区域5组成。下部区域3的深度是上部区域5的深度的1.0～2.0倍，上部区域5采用截面形状可任意变化的变异结构。从燃烧设备排出的需脱硫烟气首先经过一个烟气预除尘装置1，如静电除尘器、布袋除尘器、惯性分离除尘器等进行预处理。经过预除尘处理后的烟气分为两路，一路70～90％的烟气通过安装在主烟气进口2处的烟气引射加速装置，从脱硫塔下部区域3前后两侧不同高度位置分别喷入脱硫塔中。烟气引射加速装置可采用5～35根低阻力的拉法尔喷管组成。烟气引射加速装置在脱硫塔前后两侧安装位置的高度差，即上下两层烟气喷入位置的高度差是脱硫塔前后两侧深度的1.0～1.5倍。其中，上层烟气的射流方向在垂直平面上与水平轴的夹角为-10°～-20°，下层烟气的射流方向在垂直平面上与水平轴的夹角为+5°～-5°，上下两层烟气的射流速度为40～80m/s。另一路10～30％的烟气通过安装在底部烟气进口6处的烟气布风装置，从脱硫塔下部区域3的底部向上以0.5～5m/s的流速向脱硫塔内均匀给风，烟气量可以根据需要调节，使脱硫塔内达到正常流态化的需求，以保证脱硫塔底部颗粒正常流动。因此，在主烟气射流的引导作用下，脱硫塔下部反应区形成了具有垂直顺时针或逆时针涡旋流场结构的塔内脱硫反应流场。塔内涡旋的大小、强弱可通过调节主烟气射入速度和射入角度来调节。
同时，将脱硫剂原料CaO粉送入脱硫剂制备消化系统14中，经消化反应生成高活性的Ca(OH)2脱硫剂颗粒。将消化后粒径范围为1～10μm的脱硫剂颗粒，由脱硫塔下部区域3前侧壁上的脱硫剂颗粒喷入口15喷入脱硫塔中。在脱硫塔下部区域3的后侧壁上高于脱硫剂颗粒喷入口15的位置，布置有与烟气除尘装置8相连的外部再循环颗粒回料口9，将从烟气除尘装置8分离出的再循环脱硫剂颗粒从此处喷入脱硫塔中。在脱硫塔下部区域3的侧壁，布置有水雾化喷嘴12，其所喷出的雾化冷却水可使脱硫剂颗粒与雾化水颗粒发生强烈的湍流传热传质交换，一方面降低脱硫反应塔内的温度，另一方面在脱硫剂颗粒表面形成一层水膜，保持其表面较高的反应活性。
这样，进入脱硫塔下部区域3的需脱硫烟气，与从脱硫剂颗粒喷入口15喷进的高活性脱硫剂颗粒、从水雾化喷嘴12喷入的雾化冷却水、以及从外部再循环颗粒回料口9进来的再循环脱硫剂颗粒混合，发生强烈的三相湍流传热传质交换。上述塔内的烟温降到55～70℃之间，高于塔内烟气露点温度5～15℃，某些情况下也可以在烟温80℃左右运行，大部分脱硫剂颗粒粒径在1～5μm之间，整个脱硫塔内呈垂直涡旋型流化悬浮态。在垂直涡型流场的作用下，一部分大颗粒物料在惯性力的作用下从烟气中分离出来，向涡流外围流动沉降到脱硫塔底部，又在脱硫塔底部流化烟气的作用下向上运动，如此往复循环流动，不仅强化了脱硫剂颗粒在脱硫塔内的内循环量，使脱硫剂颗粒内循环量可以达到30～70％。而且减小了对外部气固分离装置的负担。同时由于烟气行程较长，亦即增加了脱硫剂颗粒与烟气在脱硫反应塔内的接触反应时间，有利于脱硫剂颗粒的充分利用和脱硫效率的提高。
为了进一步提高脱硫效果，本发明还采用分段喷水方式，在脱硫塔上部区域5的中下段，沿半径方向在单侧或者两侧增设了1～2层分段增湿的水雾化喷嘴12。水雾化喷嘴12采用位置可调式雾化喷水的喷嘴，其伸缩长度、上下摆动角度和左右摆动角度均可调节。在脱硫塔上部区域5中，由于脱硫剂表面的水分已基本上蒸发为水蒸汽，使得脱硫剂表面的反应活性降低，采用上述分段喷水方式后，脱硫剂表面的反应活性得到进一步的增强。特别是在二氧化硫与脱硫剂Ca(OH)2反应中，离子之间的反应占很大的份额，通过分段喷水可以大大提高脱硫反应的完全程度，使脱硫效率显著提高。
为了加强脱硫中后期的烟气湍流强度，本发明还采用组合烟气射流方式，在脱硫塔上部区域5的中下段，沿半径方向在单侧或者两侧布置1～4层向下的组合烟气射流喷嘴4，将10～30％的经烟气除尘装置8分离后的洁净含湿烟气作为介质，以90～120m/s的流速喷入脱硫塔中，进一步形成脱硫塔中部的高强度湍流混合，加强总脱硫反应的强度，提高脱硫反应后期的反应效率。当然，也可以直接将需脱硫的烟气或脱硫后未经烟气除尘装置8分离处理的烟气作为介质使用。
当烟气进入脱硫塔上部区域5后，脱硫剂颗粒基本呈现较大的回落趋势，大部分颗粒沿侧壁附近向下运动，由于上部区域5采用复杂的截面变异结构，可进一步加强脱硫剂颗粒的内循环比率。内循环的脱硫剂颗粒回到脱硫塔下部区域3后，又将重新被烟气带动向上运动往复，在塔内形成高强度的三相湍流交换状态，发生强烈的混合、传热、传质及化学反应的复杂物理化学过程。在塔内烟气中的二氧化硫SO2与脱硫剂Ca(OH)2反应生成亚硫酸钙或硫酸钙，并可以同时脱出烟气中少量的三氧化硫SO3、以及可能存在的HCl、HF等有害气体成分，脱硫效率至少可以达到90％以上。
再后，烟气由脱硫塔上部区域5顶部的脱硫塔烟气出口7引出，进入烟气除尘装置8中。烟气除尘装置8可以是静电除尘器、布袋除尘器或它们的组合，在此烟气中携带的颗粒被分离出来，其中还含有相当一部分未完全反应的脱硫剂颗粒，为了提高脱硫剂利用率，通过外部再循环颗粒回料口9，将它们送回脱硫塔下部区域3中进行外部颗粒再循环，而已经反应完成的大部分1～2μm的小颗粒不再参与循环，即脱硫副产品及飞灰则送入灰渣仓10储存并转运走。从烟气除尘装置8出来的达标洁净烟气经主引风机11送入烟囱13，最后排入大气。
权利要求
1.一种垂直涡型循环流态化的干法烟气脱硫方法，包括脱硫剂的制备消化、脱硫反应塔内的脱硫反应、外部脱硫剂颗粒的分离和再循环，其特征在于将需要脱硫的烟气分为两路，一路烟气通过烟气引射加速装置，从脱硫塔下部区域前后两侧的不同高度位置分别喷入脱硫塔中，其中上层烟气的射流方向在垂直平面上与水平轴的夹角为-5°～-45°，下层烟气的射流方向在垂直平面上与水平轴的夹角为+15°～-55°，上下两层烟气的射流速度为30～100m/s；另一路烟气通过烟气布风装置，从脱硫塔下部区域的底部向上以0.1～10m/s的流速向脱硫塔内均匀给风，使烟气在脱硫塔下部区域内作垂直的涡旋运动，形成具有垂直涡旋结构的塔内脱硫反应流场，从而使烟气与脱硫剂颗粒在脱硫塔中发生剧烈混合反应。
2.根据权利要求1所述的垂直涡型循环流态化的干法烟气脱硫方法，其特征在于所说的上下两层烟气的喷入位置的高度差为脱硫塔前后两侧深度的1.0～1.5倍。
3.根据权利要求1所述的垂直涡型循环流态化的干法烟气脱硫方法，其特征在于所说的上层烟气的射流方向在垂直平面上与水平轴的夹角为-10°～-20°，下层烟气的射流方向在垂直平面上与水平轴的夹角为+5°～-5°，上下两层烟气的射流速度为40～80m/s。
4.根据权利要求1或2或3所述的垂直涡型循环流态化的干法烟气脱硫方法，其特征在于所说的通过烟气引射加速装置喷入脱硫塔下部区域中的一路烟气量占需脱硫的烟气总量的60～95％，所说的通过烟气布风装置吹入脱硫塔下部区域底部的另一路烟气量占需脱硫的烟气总量的5～40％。
5.根据权利要求1或2或3所述的垂直涡型循环流态化的干法烟气脱硫方法，其特征在于所说的脱硫塔下部区域的深度是脱硫塔上部区域深度的1.0～2.0倍，脱硫塔上部区域采用截面形状可任意变化的变异结构。
6.根据权利要求1或2或3所述的垂直涡型循环流态化的干法烟气脱硫方法，其特征在于将新鲜脱硫剂颗粒、再循环脱硫剂颗粒、以及雾化水从脱硫塔下部区域喷入脱硫塔中。
7.根据权利要求1或2或3所述的垂直涡型循环流态化的干法烟气脱硫方法，其特征在于采用分段喷水方式，在脱硫塔下部区域、以及上部区域的中下段，沿半径方向在单侧或两侧设置1～4层分段降温增湿的水雾化喷嘴，其中上部区域中下段的最下层喷嘴的位置与脱硫塔下部区域顶部的距离为300～2000mm，各层喷嘴之间的距离为800～1500mm。
8.根据权利要求1或2或3所述的垂直涡型循环流态化的干法烟气脱硫方法，其特征在于采用组合烟气射流方式，在脱硫塔上部区域的中下段沿半径方向在单侧或者两侧布置1～4层向下的烟气射流喷嘴，将10～30％的经外部除尘器分离后的洁净含湿烟气以30～180m/s的流速喷入脱硫塔中。
9.根据权利要求1或2或3所述的垂直涡型循环流态化的干法烟气脱硫方法，其特征在于所说的烟气引射加速装置采用低阻力的拉法尔喷管及其组合。
10.根据权利要求7所述的垂直涡型循环流态化的干法烟气脱硫方法，其特征在于采用组合烟气射流方式，在脱硫塔上部区域的中下段沿半径方向在单侧或者两侧布置1～4层向下的烟气射流喷嘴，将10～30％的经外部除尘器分离后的洁净含湿烟气以30～180m/s的流速喷入脱硫塔中。
全文摘要
本发明公开了一种垂直涡型循环流态化的干法烟气脱硫方法，其特点是将需脱硫的烟气通过烟气引射装置从脱硫塔下部区域的前后两侧，并以一定的高度差，一定的倾斜角度喷入脱硫塔中。控制上下两层烟气的射流速度，即可形成塔内烟气的垂直涡型运动，并带动从脱硫塔下部区域喷入的脱硫剂颗粒和雾化水滴，形成强烈的气固液三相湍动涡流，发生剧烈的烟气脱硫反应。本发明与现有技术相比，首先在Ca/S＝1.1～1.3的较低钙硫比条件下可达到90～92％以上的脱硫效率；其次，具有大型化机组的烟气脱硫技术特点和宽调节比特性，可以满足300MW～1000MW火力发电机组从20％到110％负荷变化的高效脱硫要求；第三，降低了脱硫反应塔的系统阻力，降低了投资及运行成本。
文档编号B01D53/83GK1513584SQ0312529
公开日2004年7月21日 申请日期2003年8月19日 优先权日2003年8月19日
发明者胡永锋, 张泽, 李雄浩, 林冲, 张岩丰, 刘亚丽, 张颉 申请人:武汉凯迪电力股份有限公司