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一脱硫石灰石湿法


一 绪论
1.1.1 设计背景及意义 我国是世界上少数几个以煤炭为主要能源的国家之一。燃煤造成的大气污染 十分突出, 大气污染物浓度在许多城市居高不下。燃煤设施烟尘控制一直是大气 污染控制的主要任务。我国长江以南广大地区已经发展成为世界第三大酸雨区, 其形成和燃煤引起大气污染关系十分明显。为了控制酸雨和二氧化硫污染,国家 制定了双控区行动计划, 重点是控制二氧化硫的排放

中国是燃煤大国,煤炭约占 一次能源消费总量的 75%。 世界燃煤电厂控制 SO2 排放最有效、应用最广的技术为燃烧后脱硫即烟气脱 硫(Flue gas desulfurization,缩写 FGD)。该法可达到很高的脱硫率,技术比较

成熟, 是目前世界上已经完成大规模商业化应用的主要脱硫技术之一。烟气脱硫 技术可分为湿法、半干法和干法三类工艺。湿法脱硫技术以其脱硫效率高,运行 稳定可靠及没有二次污染独占鳌头。在发达国家,90%以上的烟气脱硫采用湿法 脱硫技术, 湿法脱硫技术已成为我国燃煤电厂烟气脱硫的首选工艺。湿式石灰石 -石膏法烟气脱硫工艺是目前世界上燃煤电厂应用最广泛、 技术最成熟的湿法脱 硫技术。该技术采用石灰石(CaCO3)浆液作洗涤剂,在反应塔(吸收塔)中对烟气进 行洗涤,从而除去烟气中的 SO2。 目前,控制二氧化硫排放的工艺除了采用洗煤、型煤、循环流化床燃烧等技术 措施外, 烟气脱硫技术是最为广泛采用的一种技术,其他方法还不能在技术成熟 程度和经济的承受能力等方面与之竞争。烟气脱硫工艺技术颇多,湿式脱硫除尘 技术是其中的一种工艺, 它是在传统的湿式除尘技术的基础上发展起来的一种符 合中国国情的实用技术,特别适用于大、中型工业锅炉烟气的除尘和脱 硫。 湿法脱硫技术是采用液体吸收剂如水或碱溶液洗涤含 SO2 的烟气,通过吸收去 除烟气中 SO2 的技术。该技术具有所用设备简单,操作容易,脱硫效率高,运行 可靠,应用广泛等优点,是目前国内外研究最多,应用最广的脱硫技术。但它也 存在脱硫后烟气温度较低,于烟囱排烟扩散不利,以及设备腐蚀、堵塞、结垢和 废水后处理等问题。 1.1.2 发展现状 第一套湿式洗涤烟气脱硫装置出现在 70 年代。在发展初期,湿式石灰/石灰石

法主要采用石灰作脱硫剂。CaO 或经消化后的 PH 大于 6.0,因而对于 SO2 有很强 的吸收能力,脱硫率高,脱硫生成的主要产物是 CaSO3.CaSO3 在高 PH 时较难氧化 可排入堆场,如有堆放场地,该工艺就可得到推广和哟应用。日本和德国因缺少 堆放场地。70 年代初就开始研究将 CaSO3 氧化成 CaSO4 的方法。最初是将脱硫塔 排出的含 CaSO3 的浆液引入一个专门的压力氧化槽中,并添加 H2SO4,将 PH 值降 到 3-4 后鼓风氧化。若控制不好,易出现石膏的过饱和,系统中时常发生结垢和 堵塞问题。70 年代的商用湿式烟气脱硫装置就是采用这种体外强制氧化工艺。 此外,工艺进一步发展,将氧化系统组合在吸收塔底部的浆池内,利用大容量 浆池完成石膏的结晶过程。因亚硫酸盐(SO32-)在 PH=5.0 条件下氧化,此外的 亚硫酸盐基本以酸化的(HSO3-)的形式存在,即 Ca(HSO3)2 被氧化成 CaSO4,故 不需添加 H2SO4。这就演变成现在普通采用的吸收,氧化在同一吸收塔内进行的 工艺。 吸收塔能在 PH=4.5—5.5 范围内工作, 为利用廉价但反应速度慢的石灰石开辟 了新途径。 延长脱硫剂在浆池内的停留时间,提高石灰石研磨细度和就地强制氧 化是将石灰石利用率提高到 95%-99%的前提条件。向浆池鼓风使石灰石溶解时释 放的 CO2 从浆池中驱出,保证石灰石溶解反应不断进行。 早期的脱硫装置中设置独立的预冷却洗涤塔,采用水洗涤去除烟气中的 HCI, HF,H2SO4 和飞灰,即可提高石膏质量,也能满足工艺要求。因为烟气中的 HCl 会使脱硫系统中生成 CaCl2 (特别是当然用氯含量高的煤时) ,从而影响石灰石的 溶解速度,降低脱硫剂的碱度。现在预洗涤塔仅在个别场合小采用。当前的脱硫 吸收塔已成为集与洗涤, 冷却, 吸收, 氧化于一体的装置, 从而减少了系统投资, 运行费用和占地面积,增强了适应机组负荷变动的能力,大大提高了可靠性。 1.1.3 发展趋势 在目前和今后相当长的一段时期内,中国的能源结构是以煤为主 ,煤炭在中国 能源结构中的比重高 70%,而且中高硫煤也较多。据统计,中国 SO2 年排放量已超 过 1600 万吨,燃煤产生的 SO2 占绝大部分,其中燃煤电厂锅炉排放的 SO2 约占总排 放量的 1/4,中小型燃煤锅炉排放的 SO2 占总排放量的近 40%。中国的大气污染特 征也是由于大量燃煤而形成的煤烟型污染。 大气环境中的 SO2 及其形成的酸沉降,是当代人类面临的重大环境问题之一。 监测和研究表明,中国华南、西南地区的降水酸度上升较快,酸雨频率也在增加, 酸雨区面积仍在扩大。酸雨不仅严重腐蚀建筑物和工交设施,而且毁坏大面积的

森林和农作物 , 对生态环境产生严重的影响 , 每年给中国造成的经济损失超过 150 亿元。 为了控制酸雨污染,中国对燃煤锅炉排放的 SO2 规定了最高允许排放浓度,并开 始征收工业燃煤 SO2 排污费。对于我国煤炭含硫量和 SO2 排放量的地理分布、SO2 污染的控制战略等方面进行了深入研究[2-4],为开发和推行燃煤烟气脱硫技术, 提供了强有力的推动作用。 湿法石灰石脱硫工艺采用价廉易得的石灰石或石灰作 脱硫吸收剂,石灰石经破碎磨细成粉状与水混合搅拌成吸收浆液。当采用石灰为 吸收剂时,石灰粉经消化处理后加水搅拌制成吸收浆。 在吸收塔内,吸收浆液与烟 气接触混合,烟气中的 SO2 与浆液中的碳酸钙进行化学反应,再通过鼓入空气氧化, 最终产物为石膏。脱硫后的烟气经除雾器除去带出的细小液滴,经换热器加热升 温后排入烟囱。脱硫石膏浆经脱水装置脱水后回收。由于吸收浆液循环利用,脱 硫吸收剂的利用率很高。 目前,湿法烟气脱硫装置还占多数 ,但湿法也有不少缺点,除投资高(如石灰石 —石膏法一次性投资高达 20%~30%)外,还产生设备堵塞、结垢、腐蚀、泄漏以 及淤泥的后处理等问题。 自从丹麦 Niro 公司开发喷雾干燥法以来,该方法由于克 服了湿法脱硫的许多缺点,因而得到了迅速推广应用。 国内认为对于燃煤含硫量小于 3.5%容量小于 300MW 的电厂,喷雾干燥法是烟气脱 硫的优先选用技术和发展方向。但该工艺设备的单机容量还不够大,因为目前大 量建设的电厂,其单机容量大部分已在 300MW 以上。对于大容量和燃烧高硫煤电 站锅炉,目前仍需选用石灰石-石膏法。 1.2 课程设计任务及采用技术 1.2.1 设计任务及目的 任务:完成烟气脱硫工艺系统的设计。 烟气整体情况:烟气量 80 万/h;含硫量:1200mg/h;效率>95% 目的:通过该设计,使学生能够综合运用课堂上学过的理论知识和专业知 识。以巩固和深化课程内容;熟悉使用规范、设计手册和查阅参考资料,培养学 生分析问题、解决问题和独立工作的能力;进一步提高学生计算、绘图和编写说 明书的基本技能。

二 脱硫工艺
2.1.1 该工艺采用的是湿式石灰石石膏脱硫法。

锅炉烟气经电除尘器除尘后,通过增压风机、喷淋增湿降温后进入吸收塔。 在吸收塔内烟气向上流动且被向下流动的循环浆液以逆流方式洗涤。 循环浆液则 通过喷浆层内设置的喷嘴喷射到吸收塔中,以便脱除 SO2、SO3、HCL 和 HF,与 此同时在 “ 强制氧化工艺 ” 的处理下反应的副产物被导入的空气氧化为石膏 (CaSO4?2H2O) ,并消耗作为吸收剂的石灰石。循环浆液通过浆液循环泵向上输 送到喷淋层中,通过喷嘴进行雾化,可使气体和液体得以充分接触。每个泵通常 与其各自的喷淋层相连接,即通常采用单元制。 在吸收塔中,石灰石与二氧化硫反应生成石膏,这部分石膏浆液通过石膏浆 液泵排出,进入石膏脱水系统。脱水系统主要包括石膏水力旋流器(作为一级脱 水设备) 、浆液分配器和真空皮带脱水机。 经过净化处理的烟气流经两级除雾器除雾, 在此处将清洁烟气中所携带的浆 液雾滴去除。 同时按特定程序不时地用工艺水对除雾器进行冲洗。进行除雾器冲 洗有两个目的,一是防止除雾器堵塞,二是冲洗水同时作为补充水,稳定吸收塔 液位。 在吸收塔出口,烟气一般被冷却到 46~55℃左右,且为水蒸气所饱和。通过 GGH 将烟气加热到 80℃以上,以提高烟气的抬升高度和扩散能力。 2.1.2脱硫过程主反应 1) SO2 + H2O → H2SO3 吸收 2) CaCO3 + H2SO3 → CaSO3 + CO2 + H2O 中和 3) CaSO3 + 1/2 O2 → CaSO4 氧化 4) CaSO3 + 1/2 H2O → CaSO3?1/2H2O 结晶 5) CaSO4 + 2H2O → CaSO4 ?2H2O 结晶 6) CaSO3 + H2SO3 → Ca(HSO3)2 pH 控制 同时烟气中的 HCL、HF 与 CaCO3的反应,生成 CaCl2或 CaF2。吸收塔中的 pH 值通过注入石灰石浆液进行调节与控制,一般 pH 值在5.5—6.2之间。 2.1.2 主要工艺系统设备及功能 1)烟气系统

烟气系统包括烟道、烟气挡板、密封风机和气—气加热器(GGH)等关键 设备。吸收塔入口烟道及出口至挡板的烟道,烟气温度较低,烟气含湿量较大, 容易对烟道产生腐蚀,需进行防腐处理。 烟气挡板是脱硫装置进入和退出运行的重要设备,分为 FGD 主烟道烟气挡板 和旁路烟气挡板。前者安装在 FGD 系统的进出口,它是由双层烟气挡板组成, 当关闭主烟道时,双层烟气挡板之间连接密封空气,以保证 FGD 系统内的防腐 衬胶等不受破坏。旁路挡板安装在原锅炉烟道的进出口。当 FGD 系统运行时, 旁路烟道关闭,这时烟道内连接密封空气。旁路烟气挡板设有快开机构,保证在 FGD 系统故障时迅速打开旁路烟道,以确保锅炉的正常运行。 经湿法脱硫后的烟气从吸收塔出来一般在 46—55℃左右,含有饱和水汽、 残余的 SO2、SO3、HCl、HF、NOX,其携带的 SO42-、SO32-盐等会结露,如不经 过处理直接排放,易形成酸雾,且将影响烟气的抬升高度和扩散。为此湿法 FGD 系统通常配有一套气—气换热器(GGH)烟气再热装置。气—气换热器是蓄热加 热工艺的一种,即常说的 GGH。它用未脱硫的热烟气(一般 130~150℃)去加 热已脱硫的烟气,一般加热到 80℃左右,然后排放,以避免低温湿烟气腐蚀烟 道、烟囱内壁,并可提高烟气抬升高度。烟气再热器是湿法脱硫工艺的一项重要 设备,由于热端烟气含硫最高、温度高,而冷端烟气温度低、含水率大,故气— 气换热器的烟气进出口均需用耐腐蚀材料,如搪玻璃、柯登钢等,传热区一般用 搪瓷钢。 另外,从电除尘器出来的烟气温度高达 130~150℃,因此进入 FGD 前要经 过 GGH 降温器降温,避免烟气温度过高,损坏吸收塔的防腐材料和除雾器。 2)吸收系统 吸收系统的主要设备是吸收塔,它是 FGD 设备的核心装置,系统在塔中完 成对 SO2、SO3 等有害气体的吸收。湿法脱硫吸收塔有许多种结构,如填料塔、 湍球塔、喷射鼓泡塔、喷淋塔等等,其中喷淋塔因为具有脱硫效率高、阻力小、 适应性、可用率高等优点而得到较广泛的应用,因而目前喷淋塔是石灰石 /石膏 湿法烟气脱硫工艺中的主导塔型。 喷淋层设在吸收塔的中上部,吸收塔浆液循环泵对应各自的喷淋层。每个 喷淋层都是由一系列喷嘴组成, 其作用是将循环浆液进行细化喷雾。一个喷淋层

包括母管和支管,母管的侧向支管成对排列,喷嘴就布置在其中。喷嘴的这种布 置安排可使吸收塔断面上实现均匀的喷淋效果。 吸收塔循环泵将塔内的浆液循环打入喷淋层,为防止塔内沉淀物吸入泵体 造成泵的堵塞或损坏及喷嘴的堵塞, 循环泵前都装有网格状不锈钢滤网 (塔内) 。 单台循环泵故障时,FGD 系统可正常进行,若全部循环泵均停运,FGD 系统将保 护停运,烟气走旁路。 氧化空气系统是吸收系统内的一个重要部分,氧化空气的功能是保证吸收 塔反应池内生成石膏。 氧化空气注入不充分将会引起石膏结晶的不完善,还可能 导致吸收塔内壁的结垢, 因此, 对该部分的优化设置对提高系统的脱硫效率和石 膏的品质显得尤为重要。 3)浆液制备系统 浆液制备通常分湿磨制浆与干粉制浆两种方式 不同的制浆方 吸收系统还包括除雾器及其冲洗设备,吸收塔内最上面的

喷淋层上部设有二级除雾器, 它主要用于分离由烟气携带的液滴,采用阻燃聚丙 烯材料制成。 式所对应的设备也各不相同。至少包括以下主要设备:磨机(湿磨时用) 、 粉仓(干粉制浆时用) 、浆液箱、搅拌器、浆液输送泵。 浆液制备系统的任务是向吸收系统提供合格的石灰石浆液。通常要求粒度 为 90%小于 325 目。 4)石膏脱水系统 石膏脱水系统包括水力旋流器和真空皮带脱水机等关键设备。 水力旋流器作为石膏浆液的一级脱水设备,其利用了离心力加速沉淀分 离的原理,浆液流切进入水力旋流器的入口,使其产生环形运动。粗大颗粒富集 在水力旋流器的周边, 而细小颗粒则富集在中心。已澄清的液体从上部区域溢出 (溢流);而增稠浆液则在底部流出(底流)。 真空皮脱水机将已经水力旋流器一级脱水后的石膏浆液进一步脱水至含 固率达到 90%以上。 5)排放系统 排放系统主要由事故浆池、区域浆池及排放管路组成。

6)热工自控系统 为了保证烟气脱硫效果和烟气脱硫设备的安全经济运行, 系统装备了完整的热工 测量、自动调节、控制、保护及热工信号报警装置。其自动化水平将使运行人员 无需现场人员配合, 在控制室内即可实现对烟气脱硫设备及其附属系统的启、停 及正常运行工况的监视、控制和调节,系统同时具备异常与事故工况时的报警、 连锁和保护功能。

三、工艺设计步骤
3.1、烟气参数、煤质资料、吸收剂成份、脱硫效率;
3.1.1 已知参数: (1) 环境温度 20℃,空气中的水质量含量 1%。 (2) 石灰石品质: CaCO3 含量 98.2%, SiO2 含量 1.1%, CaO 含量 54.5%, MgO 含量 0.65%,S 含量 0.025%。 (3) 电除尘器除尘效率 99.7%。 3.1.2 设计条件: (1) 除尘器出口烟气温度 138℃。 (2) 脱硫效率 95%。 (3) 氧化倍率 2。 (4) Ca/S 摩尔比 1.03。 (5) 烟气流速 3.5m/s。 (6) 雾化区停留时间 2.5s。 (7) 液气比 14L/m3。 (8) 停留时间 5s。 (9) GGH 净烟气侧出口温度 80℃。

3.1.3 设计内容: (1) 燃料灰渣计算。 (2) FGD 系统烟气量计算。 (3) 石灰石与石膏耗量计算。 (4) 除尘器出口飞灰计算。 (5) 设计计算(氧化风量、蒸发水量、脱硫反应热、吸收塔内放热、 水蒸发吸收、水平衡、石灰石用量、石膏产量、吸收塔尺寸、 氧化槽尺寸核算等) 。 (6) 对本设计的评述或有关问题的分析讨论。 (7) 吸收塔工艺流程图, 并在图上标注系统主要烟气流量与 SO2 浓度 参数。

3.2、系统流程的确定;

图 1 石灰石/石膏湿法烟气脱硫工艺流程图

图 2 吸收塔结构尺寸图

四.设计计算
4.1.1 原始数据
序 号 项目 符 号 单 位 煤种

(1)煤质资料 1 应用基碳份 Cy Hy Oy Ny Sy AY Wy QyDW % 57.65

2

应用基氢份

%

3.60
8.04 0.96

3 4

应用基氧份 应用基氮份

% %

5

应用基硫份

%

0.70
20.20 8.85 22287

6 7 8

应用基灰份 应用基水份 低位发热量

% % kJ/kg

4.1.1 除尘效率的计算
根据 2003 年《火电厂大气污染物排放标准》 ,粉尘含量≤50mg/Nm3。则: 除尘效率? ? (1 ?
C0 50 ) ? 100 % =99.16% ) ? 100% =(12100 C

4.1.2 脱硫效率的计算
根据 2003 年《火电厂大气污染物排放标准》 ,SO 2 含量≤400mg/Nm 3 。则: 烟气中 SO 2 的浓度:
C SO2 ? 1797? 10?6 m 3 / m 3烟气 ? 64 ? 103 m g / m ol ? 2377m g / m 3 ?3 3 22.4 ? 10 m / m ol

脱硫效率:? ?

CSo2 ? C CSO2

? 100% =

2377 ? 400 ? 100 % =83.2% 2377

4.2 吸收剂消耗量的计算

4.2.1 净烟气中 SO2 浓度
在 设 计 煤 种 情 况 下 , 烟 气 流 量 为 2160000Nm3/h , 烟 气 中 SO2 含 量 为 2377mg/Nm3,按脱硫效率达 95%的脱硫效率。 净烟气中 so2 含量 Cj=Cy(1- ? )=2377×(1-95%)=1188.5mg/Nm3 式中:Cj—净烟气中 SO2 含量; Cy—原烟气中 SO2 含量;

4.2.2 石灰石消耗量
?6 M cost ? ns o2 ? Rat ? M C aC O 3 ?P er cent?10

式中:
n s o2

M c ost

——吸收剂碳酸钙的耗量,t/h;

——需要脱除的 SO2 摩尔数,mol;

Rat

——钙硫比,一般为 1.02~1.05; ——碳酸钙分子量,g/mol;

M C aC O3

Pe r c e nt ——石灰石纯度。

该电厂脱硫系统所需的吸收剂是采用当地生产的石灰石粉,纯度为 92%,其 中 nso2= Cso 2 ?Vnomal ??s ? M so 2 式中:
C s o2

——吸收塔入口 SO2 的浓度,mg/Nm3;

Vnom al ——设计煤种情况下吸收塔入口干标烟气量,Nm3/h;

? s ——脱硫效率

M s o2

——SO2 分子量,g/mol。

则:NSO2= CSO2 ? V ?? s ? M SO2 = 2377×2043360×95%÷64×10 ? 6 =3794.58 mol/h 理论上 1 摩尔的石灰石与 1 摩尔的二氧化硫反应,但因石灰石块中含有一定 的杂质,经过化验石灰石成分之后,可确定钙硫比一般在 1.02~1.05 之间,本次 设计选用优化值 1.03,则:

M cos t ? 3794 .58?1.03?100? 92% ?10?6 =4.89t/h
石灰石粉设计耗量连续运行 3~7 天,按 5 天计,则石灰石粉贮量应为 4.89×24×5×1=586.8t V=586.8×103/2.61×10-3=225m3


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