SHF20-25型锅炉高硫无烟煤烟气湿式石灰法除尘脱硫一体化系统设计

课程设计说明书第1页共26页1文献综述1.1前言针对发展中国家投入到烟气脱硫的资金不多，特别是面广量大的中小型锅炉用户，对排烟脱硫费用承受能力有限又不便于集中统一管理的实际情况，而开发一些投资省，运行费用低，便于维护的，适合我国国情的除尘脱硫装置，即一台设备同时除尘又脱硫，从而减低系统的投资费用和占地面积。对此原则是：首先要求主体设备“地租高效”，在不增加动力的前提下，对细微尘粒有较高的补集率和较强的脱硫功能；其次是源于价格低廉的脱硫剂：包括可利用的碱性废渣，废水等，从而降低运行费用。本课程设计主要介绍湿式石灰脱硫功能及对除尘的处理，目前世界各地用于烟气脱硫的方法，主要有石灰石/石灰洗涤法，双碱法，韦尔曼洛德法，氧化法及氨法等。这些方法大致可分为两类：一类为干法，即采用粉状或粒状吸收剂，吸附剂或催化剂来脱除烟气中的二氧化硫；另一类为湿法，即采用液体吸收剂洗涤烟气，以及吸收烟气中的二氧化硫。1.2反应原理1.2.1吸收原理吸收液通过喷嘴雾化喷入吸收塔，分散成细小的液滴并覆盖吸收塔的整个断面。这些液滴与塔内烟气逆流接触，发生传质与吸收反应，烟气中的SO2、SO3及HCl、HF被吸收。SO2吸收产物的氧化和中和反应在吸收塔底部的氧化区完成并最终形成石膏。为了维持吸收液恒定的pH值并减少石灰石耗量，石灰石被连续加入吸收塔，同时吸收塔内的吸收剂浆液被搅拌机、氧化空气和吸收塔循环泵不停地搅动，以加快石灰石在浆液中的均布和溶解。1.2.2化学过程强制氧化系统的化学过程描述如下：（1）吸收反应烟气与喷嘴喷出的循环浆液在吸收塔内有效接触,循环浆液吸收大部分SO2，反应如课程设计说明书第2页共26页下：SO2＋H2O→H2SO3（溶解）H2SO3⇋H＋＋HSO3－（电离）吸收反应的机理：吸收反应是传质和吸收的的过程，水吸收SO2属于中等溶解度的气体组份的吸收，根据双膜理论，传质速率受气相传质阻力和液相传质阻力的控制，吸收速率＝吸收推动力/吸收系数（传质阻力为吸收系数的倒数）强化吸收反应的措施：a)提高SO2在气相中的分压力（浓度），提高气相传质动力。b)采用逆流传质，增加吸收区平均传质动力。c)增加气相与液相的流速，高的Re数改变了气膜和液膜的界面，从而引起强烈的传质。d)强化氧化，加快已溶解SO2的电离和氧化，当亚硫酸被氧化以后,它的浓度就会降低,会促进了SO2的吸收。e)提高PH值，减少电离的逆向过程，增加液相吸收推动力。f)在总的吸收系数一定的情况下，增加气液接触面积，延长接触时间，如：增大液气比，减小液滴粒径，调整喷淋层间距等。g)保持均匀的流场分布和喷淋密度，提高气液接触的有效性。（2）氧化反应一部分HSO3－在吸收塔喷淋区被烟气中的氧所氧化，其它的HSO3－在反应池中被氧化空气完全氧化，反应如下：HSO3－＋1/2O2→HSO4－HSO4－⇋H＋＋SO42－课程设计说明书第3页共26页氧化反应的机理：氧化反应的机理基本同吸收反应，不同的是氧化反应是液相连续，气相离散。水吸收O2属于难溶解度的气体组份的吸收，根据双膜理论，传质速率受液膜传质阻力的控制。强化氧化反应的措施：a)降低PH值，增加氧气的溶解度b)增加氧化空气的过量系数，增加氧浓度c)改善氧气的分布均匀性，减小气泡平均粒径，增加气液接触面积。（3）中和反应吸收剂浆液被引入吸收塔内中和氢离子，使吸收液保持一定的pH值。中和后的浆液在吸收塔内再循环。中和反应如下：Ca2＋＋CO32－＋2H＋＋SO42－＋H2O→CaSO4·2H2O＋CO2↑2H＋＋CO32－→H2O＋CO2↑中和反应的机理：中和反应伴随着石灰石的溶解和中和反应及结晶，由于石灰石较为难溶，因此本环节的关键是，如何增加石灰石的溶解度，反应生成的石膏如何尽快结晶，以降低石膏过饱和度。中和反应本身并不困难。强化中和反应的措施：a)提高石灰石的活性，选用纯度高的石灰石，减少杂质。b)细化石灰石粒径，提高溶解速率。c)降低PH值，增加石灰石溶解度，提高石灰石的利用率。d)增加石灰石在浆池中的停留时间。e)增加石膏浆液的固体浓度，增加结晶附着面，控制石膏的相对饱和度。f)提高氧气在浆液中的溶解度，排挤溶解在液相中的CO2，强化中和反应。课程设计说明书第4页共26页（4）其他副反应烟气中的其他污染物如SO3、Cl、F和尘都被循环浆液吸收和捕集。SO3、HCl和HF与悬浮液中的石灰石按以下反应式发生反应：SO3＋H2O→2H＋＋SO42－CaCO3+2HCl==CaCl2+CO2+H2OCaCO3+2HF==CaF2+CO2+H2O副反应对脱硫反应的影响及注意事项：脱硫反应是一个比较复杂的反应过程，其中一些副反应，有些有利于反应的进程，有些会阻碍反应的发生，应当在设计中予以重视如Mg的反应：浆池中的Mg元素，主要来自于石灰石中的杂质，当石灰石中可溶性Mg含量较高时（以MgCO3形式存在），由于MgCO3活性高于CaCO3会优先参与反应，对反应的进行是有利.但过多时，会导致浆液中生成大量的可溶性的MgSO3，它过多的存在，使的溶液里SO32-浓度增加,导致SO2吸收化学反应推动力的减小，而导致SO2吸收的恶化。另一方面，吸收塔浆液中Mg＋浓度增加，会导致浆液中的MgSO4(L)的含量增加，既浆液中的SO42-增加，会对导致吸收塔中的悬浮液的氧化困难，从而需要大幅度增加氧化空气量，氧化反应原理如下：HSO3－＋1/2O2→HSO4－（1）HSO4－⇋H＋＋SO42－（2）因为（2）式的反应为可逆反应，从化学反应动力学的角度来看，如果SO42-的浓度太高的话，不利于反应向右进行。因此喷淋塔一般会控制Mg＋离子的浓度，当高于5000ppm时，需要通过排出更多的废水，此时控制准则不再是CL－小于20000ppm1.3脱硫方法及优缺点干法脱硫的优点是流程短，无污水，污酸的排出，且净化后烟气温度降低很少，利课程设计说明书第5页共26页用烟囱排气扩散。但干法脱硫效率低，设备庞大，操作技术要求高，发展较慢。湿法脱硫具有设备较小，操作较容易，且脱硫效率较高的优点，但脱硫后，但烟气温度降低，不利于烟囱排气的扩散，这一缺点可通过烟气再加热的方法来解决，因此国外对湿式脱硫工艺研究较多，使用也广泛。根据国际能源机构煤炭研究组织调查统计，湿式脱硫占世界安装烟气脱硫机组总容量的85%，其中石灰石法占36.7%，其他湿法脱硫占48.7%1.4湿法石灰法烟气脱硫工艺流程将配好的石灰浆液由泵送入吸收塔顶部，与从塔顶送入的含二氧化硫烟气逆流流动经洗涤净化后的烟气从塔顶排空。石灰浆液吸收二氧化硫后成为三、硫酸钙及亚硫酸钙的混合液，将此混合液在母液槽中用硫酸调整PH值到4左右，用泵送入氧化塔并向塔内送入490千帕的压缩空气惊醒氧化。生成的石膏经稠厚器使其沉积，上清液返回吸收系统循环，石膏浆经离心泵分离的成品石膏，氧化塔排出的尾气因含有微量二氧化硫可送回吸收塔内。吸收设备由于采用石灰石或石灰浆液作为吸收剂，易在设备内造成结垢和堵塞，因此在选择和使用吸收设备时，应充分考虑这个问题。一般应选用气液间相对气速高，塔持液量大，内部构件少，阻力降小的设备，常用的吸收塔可选用筛板塔，喷雾塔及文丘里洗涤塔等，国内曾用过大孔径传流塔和湍球塔。本设计应用填料塔。工艺流程一般为如下设计：课程设计说明书第6页共26页图1-1石灰石/石灰－石膏湿法烟气脱硫工艺流程81.5湿法石灰烟气脱硫工艺系统设施简述1.5.1石灰石制备系统将石灰石粉由罐车运到料仓存储，然后通过给料机、输粉机将石灰石粉输入浆池，加水制备成固体质量分数为10%-15%的浆液。1.5.2吸收与氧化系统⑴吸收塔。吸收塔是烟气脱硫系统的核心装置，要求气液接触面积大，气体的吸收反应良好，压力损失小，并且适用于大容量烟气处理。吸收塔主要有四种类型—喷淋塔、填料塔、双回路塔和喷射鼓泡法。a．喷淋塔。它是湿法工艺的主流塔型，多采用逆流方式布置，烟气从喷淋区下部进入吸收塔，与均匀喷出的吸收浆液逆流接触。烟气流速为3m/s左右，液气比与煤含硫量和脱硫率关系较大，一般在8-253/Lm。喷淋塔优点是塔内部件少，故结垢可能性小，压力损失小。逆流运行有利于烟气与吸收液充分接触，但阻力损失比顺流大。ＭGGH烟囱废水旋流器石膏旋流器真空皮带脱水机除雾器进口挡板旁路挡板出口挡板滤液水箱废水排放废水排出泵滤液泵吸収塔吸收塔排出泵吸收塔循环泵石灰石浆液泵石灰石浆液箱氧化风机增压风机锅炉排烟石灰石筒仓石灰石副产品石膏副产品深加工工序最终产品典型的工艺流程Ｍ工业用水脱硫系统（石灰石－石膏法）课程设计说明书第7页共26页b．填料塔。采用塑料格栅作填料，相对延长了气液两相的接触时间，从而保证了较高的脱硫率。格栅填料塔为顺流和逆流，顺流时气速约为4-5m/s,与逆流相比结构较紧凑。压降因格栅填充高度而异。c．双回路塔。这类吸收塔被一个集液斗分成俩个回路：下段作为预冷却区，并进行一级脱硫，控制较低的PH，有利于氧化和石灰石的溶解，防止结垢和提高吸收剂的利用率；上段为吸收区，其排水经集液斗引入塔外另设的加料槽，在此加入新鲜的石灰石浆液，维持较高的PH值，以获得较高的脱硫率。d．喷射鼓泡塔。工艺采用鼓泡反应器，烟气通过喷射分配器以一定的压力进入吸收液中，形成一定的高度的喷射气泡层，可省去再循环泵和喷淋装置。净化后烟气经上升管进入混合室，除雾后排放。此塔型的特点是系统可在低PH值下运行，生成的石膏颗粒大，易于脱水；脱硫率的高低与系统的压降有关，可通过增大喷射管的浸没深度来提高压降，提高脱硫率。脱硫率为95%时，系统压降在3000帕左右。⑵．除雾器。净烟气出口设除雾器，通常为二级除雾器，装在塔的圆筒顶部或塔出口弯道后的平直烟道上。后者允许烟气流速高于前者，并设冲洗水，间歇冲洗除雾器。冷烟气中残余水分一般不能超过1003/mgm，更不允许超过2003/mgm，否则会玷污热交换器、烟道和风机等。⑶．氧化槽。其功能是接收和储存脱硫剂，溶解石灰石，鼓风氧化亚硫酸钙，洁净生成石膏。早期的湿式石灰/石灰石法几乎都是在脱硫塔外另设氧化塔，即由脱硫塔排出的亚硫酸钙的浆液再被引入专门的压力氧化槽中，并添加硫酸，在PH为3-4的条件下鼓风氧化。这种结构易发生结垢和堵塞问题。随着工艺的发展，将氧化系统组合在塔底的浆池中，利用大容积浆池完成石膏的结晶过程，即就地强制氧化。循环的吸收剂在氧化槽内设计的停留时间为4-8分钟，与石灰石反应性能无关。石灰石反应性越差，为使之完全溶解，则要求他在池内滞留时间越长。氧化空气采用罗茨风机或离心机鼓入，压力约为44106.8105帕。1.5.3其他装置系统经过洗涤的烟气温度已经低于露点，是否需进一步再热，取决于各国的环保要求。课程设计说明书第8页共26页常规做法是烟气再加热器对洗涤后的烟气进行再加热，达到一定的温度后通过烟囱排放。德国把净化烟气引入自然通风冷却塔排放，借助烟气动量的携带热量的提高，使烟气扩散的更好。美国一般不采用烟气再加热系统，而采用对烟囱的防腐措施。装设烟气脱硫装置后，整个脱硫系统的烟气阻力约为2940帕，单靠原有锅炉引风机不足以克服这些阻力，需设助催风机，或称脱硫风机。湿式石灰石洗涤工艺管道、设备需要使用防腐材料或涂层。在烟气通道中，应采用下表：设备温度酸露点材料未净化100100非合金材料烟气管道8585鳞片状玻璃涂层8585软橡胶衬里洗涤塔85鳞片状玻璃涂层进口区域160铬镍铁合金板180耐盐酸镍合金板85软橡胶衬里洗涤塔40-60软橡胶衬里聚丙烯玻璃钢管碳化硅喷嘴净化后40-85软橡胶涂层烟气管道100100非合金钢8585鳞片状玻璃涂层表1-17防腐材料选择表课程设计说明书第9页共26页2总体设计2.1设计总原则2.1.1吸收设备的选择原则为了强化吸收过程，降低设备投资和运行费用，要求吸收设备应满足以下选择原则3：⑴．气液之间应有较大的接触面积和一定的接触时间，扰动强烈，吸收阻力低，净化效率高；⑵．结构简单，操作维修方便，造价低，操作费用低，能量消耗低；⑶．应具有相应的抗腐