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湿法烟气脱硫机理与效率分析


ISSN1672-9064 CN35-1272/TK

环 保 技 术

湿法烟气脱硫机理与效率分析
张 静1 张育婵 2 丁朋果 3 河南郑州 (1 河南省正大环境科技咨询工程有限公司 3 郑州易科电力技术有限公司 2 辽宁工程技术大学 辽宁阜新 123000)
摘要 关键词

450000

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介绍湿法烟气脱硫技术工艺原理,从扩散和吸收两大方面分析脱硫反应机理,提出影响脱硫效率的主要因素。 烟气脱硫 机理 效率 影响因素 文章编号:1672-9064(2010)01-0068-02 随后再返回到 GGH 加热侧,进行升温(≥70℃ )。 最后经烟道 进人烟囱排人大气中。 文献标识码:A

中图分类号:X701.1

烟气脱硫主要有吸收法、吸附法、催化法 3 种,其中吸收 法应 用最为广泛。 吸收法通 常是指采用液体吸 收烟气 中 的

SO2,因此吸收法烟气脱硫也称湿法烟气脱硫。 目前,湿法烟
气脱硫技术以 其脱硫反应速度快 、脱 硫效率高、脱硫剂利 用 率高等优点在燃煤电厂广泛使用。世界上最成熟的湿式石灰 石 / 石膏烟气脱硫技术的脱硫效率在钙硫比为 1.02 左右时可 达到 95% 以上。

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2.1

湿法烟气脱硫机理
物质传递的机理 (1)分子扩散。 当流体内部存在着某一组分的浓度差,则

因分子的无规律热运 动使该组分由浓度 较高处传递至 浓 度 较低处,这种现象称为分子扩散。分子扩散也可由温度梯度、 压力梯度产生,由温度梯度产生的分子扩散叫热扩散。 脱硫 关注的是浓度梯度引起的分子扩散。 (2)对流扩散。 在流动的流体中的传质不仅会有分子扩 散,而且还有流体的宏观运动(如涡流扩散)也将导致物质的 传递,这种现象称为对流扩散。 对流扩散是指流体与某一界 面之间的传质。 分子扩散发生在静止或滞流流体中,两处的 浓度差,便成了扩散的推动力。 对流扩散是湍流主体与相界 面之间的涡流扩散和分子扩散这 2 种传质作用的总称。

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典型湿法烟气脱硫工艺基本流程
石灰石—石膏湿 法脱硫工艺系统主 要包括:烟气 、吸 收

剂氧化、浆液制备、石膏脱 水、排空、工艺水、废水 排放、压缩 空气等 8 个系统。 脱硫工艺如图 1 所示。

2.2

吸收反应的机理 (1)物理吸收。 在吸收过程中,溶质与溶剂之间不发生显

著的化学反应, 气体溶质单纯地溶解于液相溶剂的过程,称 为物理吸收。 物理吸收的特点是随着温度的升高,被吸收气 体的吸收量减少。 物理吸收的程度,取决于气 - 液平衡,只要气相中被吸收 的分压大于液相呈平衡时该气体分压, 吸收过程就会进行。
图1 石灰石 / 石灰—石膏湿法烟气脱硫工艺流程图

由 于物理吸收过程的推 动力很小,吸收速率 较低,因而在 工 程设 计上要求被净化气体 的气相分压大于气 液平衡时 该 气 体的分压。 (2)化学吸收。 是指溶质与溶剂发生化学反应的吸收操 作,化学吸收可大幅度地提高溶剂对溶质组分的吸收能力。 在化学吸收过程中,被吸收气体与液体相组分发生化学 反应,有效地降低了溶 液表面上被吸收气 体的分压 ,增 加 了 吸收过程的推动力,既提高了吸收效率又降低了被吸收气体 的气相分压,因此,化学吸收速率比物理吸收速率大得多。烟 气脱硫技术中大量采用的是化学吸收法。 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,物理吸收和化学

锅炉引风机排出的烟气通过增压风机增压、烟气换热器 (GGH )降温后由吸收塔下部进人脱硫吸收塔,新鲜的石灰石 浆液不断地加人吸收塔,吸收塔内的循环浆液通过上部喷淋 层内设置的若干个喷嘴中雾化涌出,与塔内逆流而上的原烟 气 充 分 接 触 , 烟 气 中 的 SO2、HCl 、HF 等 气 态 污 染 物 通 过 传 质、换热和氧化过 程同钙基吸收剂发生 气液接触反应 ,生成 · CaSO4 2H2O 石膏结晶、CaF 等产物。 这部分石膏浆液通过石 膏浆液泵排出,进入石 膏脱水系统(主要包 括石膏水力旋 流 器、浆液分配器和真空皮带脱水机)。脱硫后含有饱和水的净 烟气带有大量浆液雾滴,在流经顶部除雾器(ME )时被除去,

作者简介:张静(1981~ ),女,甘肃庆阳人,河南省正大环境科技咨询工程有限公司工程师,主要从事环境影响评价工作。

2010.NO.1.

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吸收的速率都受气相 扩散速度(或气膜阻 力)和 液 相 扩 散 速 度(或液膜阻力)的影响。 吸收速率 = 吸收推动力 / 吸收系数(吸收系数为传质阻力 的倒数)

灰石颗粒与烟气中 SO2 的反应,同时能有足够的时间使反应 生 成 物 CaSO3 被 氧 化 CaSO4.2H2O ,利 于 晶 体 长 大 ,形 成 均 匀 的高纯度的优质脱硫石膏。 但是过分延长浆液停留时间会使 浆液池容积增大,氧化风量和搅拌器功率增大,加大投资。 所 以一般浆液停留时间设计在 4.4min 左右为宜。

2.3

强化吸收反应的措施 根据以上机理分析,采取如下措施来强化吸收反应: (1 )提 高 SO2 在 气 相 中 的 分 压 力 (浓 度 ),提 高 气 相 传 质

3.5

烟尘含量 烟气中的飞灰在一定程度上会影响气液两相的接触面 ;

动力; (2 )采用逆流传质,增加吸收区平均传质动力; (3 )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; (4 )强化氧化反应,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; (5 )提高 pH 值,减少电离 的逆向过程,增加液 相吸收推 动力; (6 )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; (7 )保持均匀的流场 分布和喷淋密 度 ,提 高 气 液 接 触 的 有效性。

飞灰中的一些重金属 和反应生成的钙铝 氟化 物 沉 淀 在 石 灰 石表面,在液相膜表面结壳,阻碍石灰石的溶解,这都将降低 脱硫效率。 飞灰量大,影响脱硫系统含尘量排放指标,还将影 响石膏白度,降低石膏品质;大量的飞灰会堵塞喷淋层喷嘴。 脱硫前级除尘器必须达到性能指标要求,对吸收塔人口的烟 尘含量加以监测,控制入口的烟尘质量浓度小于 100mg/m3。

3.6

C1-含量
燃煤使烟气中含有 HCl , 石灰石浆液吸收 HCl 后以 C1-

的形式聚集在浆液中。 在一个封闭系统或接近封闭系统的状 态 下 ,FGD 工 艺 的 运 行 会 把 吸 收 液 从 烟 气 中 吸 收 溶 解 的 氯 化物增加到非常高的浓度。 大量的 C1-使浆液的 pH 值降低, 影响 SO2 的吸收,同时使浆液极具腐蚀性,影响设备安全。 这 些溶解的氯化物会产生高浓度的溶解钙(主要是氯化钙)。 如 果高浓度的溶解的钙离子存在于 FGD 系统中,在“同离子效 应”的作用 下,来自氯化钙的溶解 钙就会妨碍石 灰 石 中 碳 酸 钙的溶解,使石膏中石灰石含量超标,严重影响石膏品质。 超 标的 C1-使石膏板不能成型,难以综合利用。 控制 C1-的浓度在 12000-20000ppm 是 保证反应正常进 行的重要因素。 工程中将部分浆液作为废水排除来降低吸收 塔内浆液 C1-。一般将石膏 2 级旋流器的溢流作为废水排除。

3
3.1

影响脱硫效率因素分析
液气比 液气比是指单位 时间内吸收塔再循 环浆 液 与 吸 收 塔 出

口烟气的体积比,循环浆液单位为“L ”,烟气的单位“m3”。 液 气比决定 SO2 等气体吸收所需要的吸收表面积,提高液气比 等于增加了吸收 塔的喷淋密度,使液气 接触面积 增 大 ,脱 硫 率提高。 但在液气比过高的情况下,大的液气比会破坏晶体, 影响石膏浆液品质。 过大的液气比还会造成烟气带水增加, 增加 GGH 的工作负担。 液气比一般控制在 18L/m 就能满足
3

3.7

流速 提高吸收塔内烟气流速可以提高气液两相的湍动,减小

脱硫要求。

烟气与液滴间的隔膜 厚度,提高传质效果 ,同 时 喷 淋 液 滴 的 下降速度相对减小,增大传质面积。 但是气流增速会减小气 液 接 触 时 间 , 导 致 脱 硫 率 下 降 。 一 般 流 速 控 制 在 3.5m/s~

3.2

浆液的 pH 值 浆液 pH 值对石灰石 / 石膏脱硫率起到重要作用。 pH 值

越高,传质 系数越大,促进 SO2 的吸收 ;但较高的 pH 值会 限 制石灰石的溶解和亚硫酸钙的氧化, 还容易发生结垢问题, 堵塞系统;pH 值越小,酸性越强,有利于亚硫酸钙的氧化、提 高石灰石利 用率 ,但 不 利 于 SO2 酸 性 气 体 的 吸 收 ,造 成 脱 硫 率下降。 当 pH 值小于 4 时,系统对 SO2 几乎没有吸收作用。 一般 pH 值调整在 5.5~6.2 为宜。

4.5m/s 比较合适。 因为烟气流速增大,相对减小了吸收空间,
加大对吸收塔内物件的磨损等。

4

结语
(1 )烟 气 中 SO2 的 去 除 是 扩 散 和 吸 收 共 同 作 用 的 结 果 ,

其中尤以化学吸收为主。 (2 )影响脱硫效率的 因素非常复杂 ,而 且 相 互 作 用 相 互 关 联 ,其 中 液 气 比 和 浆 液 pH 值 对 脱 硫 影 响 最 为 突 出 ,需 要 首先考虑调整。 (3 )设计中要充分重 视浆液中氯离 子 的 影 响 ,采 取 措 施 防止氯离子的富集。 参考文献
1 2 3 4
曾庭华,廖永进,马斌 . 石灰石 / 石膏湿法烟气脱硫系统调试 . 华 北 电 力,2002 ,9(11) 曾庭华,杨华,马 斌 ,等 . 湿 法 烟 气 脱 硫 系 统 的 安 全 性 及 优 化 . 北 京 : 中国电力出版社,2004 郝吉明,王书肖,陆永琪 . 燃煤二氧化硫污染控制技术手册 . 北京:化 学工业出版社,2001 赵毅,李守信 . 有害气体控制工程 . 北京:化学工业出版社,2001

3.3

钙硫比 钙硫比是指吸收剂和吸收 SO2 的摩尔数比,反映吸收剂

和吸收 SO2 的供给关系。 钙硫比越大,吸收剂相对越 多,SO2 的吸收就越迅速,脱硫率就越高。 但是因石灰石溶解度很低, 增大石灰石吸收剂供给量会造成浆液浓度高,发生凝聚结晶 现象,使系统和管道容易堵塞,影响系统正常运行。 我们在调 试中 一 般 控 制 吸 收 塔 的 浆 液 浓 度 在 13%( 根 据 设 计 要 求 ,也 可以控制在 17%) ,钙硫比控制在 1.02~1.05 之间。

3.4

停留时间 浆液停留时间是 吸收塔氧化池浆液 最大 容 积 与 再 循 环

浆液量之比。 浆液在浆液池内停留时间长将有助于浆液中石

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