烟气循环流化床脱硫技术介绍

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(1)采用流线型的底部进气结构,保证了吸收塔入口气流分布均匀 为了适应单塔处理大烟气量,必须采用多文丘里管的结构,采用多个文丘里管的
吸收塔,要求进入塔内的烟气流场分布较为均匀,否则因各个文丘里管流速差异较大, 可能导致固体颗粒物从某个喷嘴向下滑落。
为了解决布气不均匀造成塔内固体颗粒分布不均匀的问题,吸收塔进气方式采用 流线型的底部进气结构(见下图 1),避免了两股气流对撞产生涡流,从而保证了吸收 塔入口气流分布均匀。
1 发展历史
德国鲁奇能捷斯公司(LLAG)是世界上最早从事烟气治理设备研制和生产的企 业,已有一百多年的历史(静电除尘器的除尘效率计算公式——多依奇公式,就是该 公司的工程师多依奇先生发明的)。LLAG 在上世纪六十年代首先推出了循环流化床概 念,此后把循环流化床概念应用到四十多个不同的工艺。LLAG 于上世纪七十年代初, 在发明循环流化床锅炉的基础上,首创将循环流化床技术(CFB)用于工业烟气脱硫, 直至九十年代初,是世界上唯一拥有循环流化床干法脱硫技术的公司,经过三十多年 不断完善和提高,目前其烟气循环流化床干法脱硫技术居于世界领先水平。
3) 降低系统运行压降,吸收塔的压降由烟气压降和固体颗粒压降两部分组 成(见下图 3)。由于循环流化床内的固体颗粒浓度(或称固-气比)是保证流化 床良好运行的重要参数,在运行中只有通过控制吸收塔的压降来实现调节床内的固 -气比,以保证反应器始终处于良好的运行工况,从而保证了床内脱硫反应所需的 固体颗粒浓度。
(2) 吸收塔的流化床中巨大表面积的、激烈湍动的颗粒,为注水的快速汽化和
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快速可控的降温提供了根本保证,从而创造了良好的化学反应温度条件(露点以上 20~30°C),使二氧化硫与氢氧化钙的反应转化为瞬间完成离子型反应,如果没有循环 流化床中大量颗粒的参与,注入的水需要数十倍的空间来完成水份充分的挥发。
1985 年,LLAG 在 BORKEN 电厂采用循环流化床(CFB)干法脱硫装置,脱硫
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率高达 97%,燃烧褐煤产生 SO2 浓度 13g/Nm3,SO3 被几乎全部去除,达到排放标准; 1986 年,第一次把生石灰消化器应用循环流化床(CFB)烟气净化装置,同把熟
石灰直接应用相比,大大节省了运行费用,当烟气中 SO2 含量高达 50%时,循环流化 床(CFB)系统可在很短的时间里适应 SO2 浓度的剧增,达到排放标准;
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2) 利用烟气热量加热和快速干燥再循环灰,改善再循环灰的流动性; 3) 使消石灰和氯离子在烟道内 120℃以上温度下反应生成吸潮性较差、不易凝结
的碱式氯化钙(CaCl2·Ca(OH)2·H2O)。 4) 吸收塔文丘里段脱硫灰浓度高,且速度较大,其存在一定的磨损,众所周知,
直管段边壁速度为零,因此文丘里直管段磨损很小,磨损主要发生在文丘里入 口喇叭段,但龙净脱硫技术将脱硫灰和 Ca(OH)2 在文丘里管前面加入,脱 硫灰和 Ca(OH)2 较软,且一般只有 5μm,相对于中位粒径一般在几十微米 的锅炉烟尘,容易吸附在锅炉烟尘上,这样使锅炉烟气中较硬的烟尘得到软化, 对文丘里管喇叭入口的起到保护作用。 该项技术从 1996 年就开始在捷克 PILSEN 电厂成功投入商业运行,至今已有十多 套采用该项技术进行设计与应用的项目。这一技术已取得专利。 如果在吸收塔的低温段(烟温为 70~80℃)注入吸收剂和循环脱硫副产物,消石 灰与氯离子反应生成易吸潮的氯化钙(CaCl2.·2H2O),一是易造成塔内物料粘壁,二 是灰的流动性下降,不利于脱硫副产物的处置。 另外,文丘里入口喇叭段的设计采用特殊的耐磨结构和材料,最大限度地延长文 丘里管段的使用寿命。同时为了检修方便,这一耐磨结构设计成可以非常方便地更换 和维护,充分保证了脱硫系统的使用寿命,据国外运行实例证明,捷克 Pilsen 电厂的 文丘里管自 1997 年运行至今,一直保证连续正常运行。 (4)经过多年的试验和改进,已于九十年代中后期找到了正确的注水位置。 循环流化床脱硫工艺在八十年代后期已能做到脱硫效率达到 90%,之所以没有大 面积推广应用,最主要的原因是无法找到正确的注水位置。错误的注水可导致低的水 的汽化效果,在循环流化床内湿壁结灰,影响电除尘器工作,降低物料流动性及造成 物料流动通道堵塞,使脱硫系统无法可靠、稳定的运行。
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图 2 清洁烟气再循环示意图
清洁烟气再循环技术特点: 1) 可以满足不同的锅炉负荷要求。锅炉负荷在 10%~110%范围内变化,进
入塔内的烟气流场分布较为均匀,操作气速相对稳定,否则因各个文丘里管流速差 异较大,可能导致固体颗粒物从某个喷嘴向下滑落。
2) 吸收塔喷水点最佳位置不变,充分保证系统物料的含水率在 1%以内,从 而确保后续除尘设备及脱硫灰再循环系统的正常稳定运行
1995 年,LLAG 推出五台锅炉共用一个循环流化床(CFB)反应塔,特别有利于 老厂改造;
2002 年,LLAG 推出单机单塔 300MW 的 CFB-FGD 投入实际工业运行,处理风 量为 97.2 万 Nm3/h;
2002 年,LLAG 推出目前设计脱硫效率最高的 CFB-FGD 投入运行,设计脱硫效 率为 99.7%。
目前 LLAG 公司的 CFB-FGD 技术的应用业绩达 32 台套,居世界干法脱硫第一位, 特别是拥有目前世界上唯一真正在运行的 300MW 机组的业绩。
1970~1972 年,LLAG 公司将循环流化床(CFB)烟气净化工艺在德国 Grevenbroich 电解铝厂首次获得试验成功,用于脱除电解铝烟气中的 HF 有害气体。在电解铝烟气 净化工艺中,用氧化铝粉作吸收剂,吸收了 HF 后的氧化铝粉被送入电解炉中进行电 解,生产电解铝。1978 年,世界上第一台商业循环流化床(CFB)烟气净化装置用于 炼铝行业,吸附 HF,处理风量:2×300000Nm3/h,HF 脱除率达到 98%;
2004 年 10 月,山西华能榆社电厂 2×300MW 机组单机单塔脱硫除尘岛正式投运,, 处理风量为 110 万 Nm3/h,设计脱硫效率为 91%。目前试验脱硫效率达到 98.4%。
2 主要化学反应原理
从锅炉的空气预热器出来的一般为 120~180℃左右的烟气,从底部通过文丘里管 进入吸收塔流化床内。在文丘里管出口扩管段设一套喷水装置,创造了良好的脱硫反 应温度,在循环流化床内主要化学反应原理如下:
烟气循环流化床脱硫技术介绍
龙净环保引进循环流化床干法烟气脱硫技术发明人---世界著名环保公司德国鲁 奇 能 捷 斯 ( LLAG ) 公 司 具 有 世 界 先 进 水 平 的 第 五 代 循 环 流 化 床 干 法 烟 气 脱 硫 技 术 (CFB-FGD),是目前商业应用中单塔处理能力最大、脱硫综合效益最优的一种干法 烟气脱硫技术。该工艺已经先后在德国、奥地利、波兰、捷克、美国、爱尔兰、波多 黎哥中国等国家得到广泛应用,最大已运行单塔所配机组容量为 300MW。
1986 年,LLAG 推出世界上第一台循环流化床(CFB)烟气净化装置用于水泥行 业;
1988 年,LLAG 推出第一台循环流化床(CFB)烟气净化装置可适应负荷从 15% 到 120%变化,两台锅炉共用一台装置;
1993 年,LLAG 推出第一台循环流化床(CFB)烟气净化装置将石灰石注入锅炉, 再通过后部的循环流化床(CFB)反应器注水降温和利用产生剩余石灰进行脱硫;
3 最新技术进展
LLAG 公司于上世纪七十年代初,利用循环流化床特有的化学反应机制,首创将 循环流化床技术(CFB)用于工业烟气脱硫,至今循环流化床干法脱硫技术已经过三 十多年不断完善和提高,特别是九十年代末,LLAG 对 CFB-FGD 技术做了重大技术 革新,完全可以保证在 Ca/S 为 1.2 左右,实现高达 90%以上的脱硫率,目前火电厂脱 硫项目已实现的最高脱硫率为 97%(Ca/S 为 1.36);大大提高了脱硫装置运行的稳定 性,其最新技术进展如下:
(3) 通过颗粒的激烈湍动导致颗粒之间不断的碰撞,使脱硫剂氢氧化钙颗粒的 表面得到不断的更新,以及脱硫灰的不断再循环使用,从而大大提高了氢氧化钙的利 用率。
(4) 在循环流化床内,SO2 与 Ca(OH)2 的反应生成副产物 CaSO3·1/2H2O, 同时还与 SO3、HF 和 HCl 反应生成相应的副产物 CaSO4·1/2H2O、CaF2、CaCl2 等。 主要化学反应方程式如下:
(1) 在自然界垂直的气固两相流体系中,在循环流化床状态(速 4~6m/s)下可 获得相当于单颗粒滑落速度数十至上百倍的气固滑落速度。由于 SO2 与氢氧化钙的颗 粒在循环流化床中的反应过程,是一个外扩散控制的化学反应过程,通过气固间大的 滑落速度,强化了气固间的的传质、传热速率和气固混合,从而满足了二氧化硫与氢 氧化钙高效反应的条件要求。(当气速>10m/s 时,气固滑落速度相当于单颗粒滑落速 度)。
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DP
无清洁烟气再循环 有清洁烟气再循环
D Psolids loading
DPmin, gas
40 % Boiler L oad
Ug (m/s)
DP2, total DP1, total DP2, gas DP1, gas
10 0% Bo iler Load
图 3 压降与烟气流速的关系图
DP:烟气压降; DPmin,gas:最小空塔压降; DPsolids loading:脱硫反应所需的颗粒负荷; DP1 gas:有清洁烟气再循环的空塔压降; DP1 total:有清洁烟气再循环的总压降; DP2,gas:无清洁烟气再循环的空塔压降; DP2,total:无清洁烟气再循环的总压降; Ug:烟气流速。 (3)吸收剂和脱硫再循环灰的加入口改到吸收塔文丘里管下部。 龙净环保引进的脱硫技术,为了提高脱硫副产品的流动性,避免粘结效应,改善 脱硫系统的运行条件,利用消石灰与氯离子在不同反应温度段的反应生成物不同的特 点,LLAG 创造性地将吸收剂与脱硫再循环灰的加入口,改到吸收塔文丘里管下部, 其主要作用: 1) 使吸收剂与再循环脱硫灰提前与烟气中 SO2 等酸性气体接触反应;
Ca(OH)2+ SO2=CaSO3·1/2 H2O +1/2 H2O Ca(OH)2+ SO3=CaSO4·1/2 H2O +1/2 H2O CaSO3·1/2 H2O+ 1/2O2=CaSO4·1/2 H2O Ca(OH)2+ CO2=CaCO3 + H2O Ca(OH)2+ 2HCl=CaCl2·2H2O(~75℃)(强吸潮性物料) 2Ca(OH)2+ 2HCl= CaCl2·Ca(OH)2·2H2O(>120℃) Ca(OH)2+ 2HF=CaF2 + 2H2O (从上述化学方应方程可以看出,Ca(OH)2 应尽量避免在 75℃左右与 HCl 反应) (5) 循环流化床烟气脱硫区别于其它诸如烟道反应器脱硫(烟气流速在烟道反 应器内的流速高达 15m/s 以上,几乎没有滑落速度)、旋转喷雾法脱硫(颗粒粒径大于 200μm,缺少足够的表面积)的一个很大的特点是:由于吸收塔内颗粒巨大的表面积 和激烈的湍动,将烟气中的 SO3、Cl-等完全去除,保证了后续设备特别是电除尘器或 布袋除尘器不发生腐蚀。
图 1 入口结构演变与发展示意图
(2)采用独特的清洁烟气再循环技术,吸收塔内操作气速不随锅炉负荷变化而变化。 清洁烟气再循环技术原理:利用吸收塔进口烟道的静压低于引风机出口静压,不
需要另外安装抽气风机,通过再循环烟道将引风机下游的部分净化烟气,根据负荷变 化情况,调节烟道风挡来调节再循环到吸收塔进口烟道中的净化烟气的流量,使文丘 里喷嘴的流速保持相对稳定。这一技术已在 CFB-FGD 项目中得到广泛应用,特别是 调峰机组和多炉共用一个吸收塔的工艺布置。清洁烟气再循环的流程见下图 2。
1980 年,LLAG 推出了世界上第一台循环流化床(CFB)烟气净化装置用于垃圾 焚烧炉,处理 HCl/SO2,吸收剂为熟石灰,处理风量:3×97000Nm3/h,HCl 脱除率达 到 95%;
1983 年,LLAG 推出了世界上第一台循环流化床(CFB)烟气净化装置用于电站, 处理 SOx,吸收剂为熟石灰,处理风量:245000Nm3/h,所有的飞灰通过吸收塔,无 需预除尘,产物为飞灰和脱硫物的混合物;
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