CN101422691B

CN101422691B - 燃煤烟气多污染物脱除工艺及其设备

Info

Publication number: CN101422691B
Application number: CN2008101977314A
Authority: CN
Inventors: 韩旭; 朱敬; 徐尹生; 徐志安; 李雄浩; 严学安
Original assignee: WUHAN KAIDI ELECTRIC POWER ENVIRONMENTAL PROTECTION CO Ltd
Current assignee: WUHAN KAIDI ELECTRIC POWER ENVIRONMENTAL PROTECTION CO Ltd
Priority date: 2008-11-20
Filing date: 2008-11-20
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2028-11-20
Also published as: CN101422691A

Abstract

一种燃煤烟气多污染物脱除工艺及其设备。该工艺先用SCR脱硝法脱除烟气中的NO_X，其次用除尘器脱除烟气中的粉尘灰粒，然后用湿式钙基脱硫法消除烟气中的SO₂，再用MEA脱碳法吸收烟气中的CO₂，同时将所生成的醇胺溶液富液加热解析再生，所得醇胺溶液贫液继续循环使用，解析出的高浓度CO₂气体则经过冷却、气液分离、干燥、压缩和冷凝处理，制成高纯度工业级液体二氧化碳。其设备主要由通过管道相连的SCR脱硝反应器、除尘器、湿式钙基脱硫反应器、MEA脱碳吸收塔、再生塔、气液分离器、干燥器、压缩机和冷凝器等组成。本发明的设备整体设计简单紧凑、投资及运行成本低廉、工作稳定可靠，能够对燃煤烟气中的各种污染物进行分类集成处理、高效同步脱除。

Description

燃煤烟气多污染物脱除工艺及其设备

技术领域

本发明涉及对燃烧所排放烟气的净化处理技术，具体地指一种燃煤烟气多污染物脱除工艺及其设备。

背景技术

酸雨问题和温室效应是当今人类面临的全球性环境问题。燃煤所产生的二氧化硫SO₂和氮氧化物NO_X污染是酸雨的主要原生物，所生产的二氧化碳CO₂则是主要的温室气体，其中CO₂的排放量约占人类活动引起的CO₂总排放量的30％。我国的能源结构以煤炭为主，对燃煤烟气污染进行控制是实现经济、社会、环境协调发展的要求，也是发挥我国煤炭储量优势、实现社会自身可持续发展的要求。

目前，对燃煤烟气污染的控制技术，如脱硫、脱硝、除尘和脱碳等大多数还是单独开发的，形成各自独立的技术装备和工艺流程。国内外燃煤电厂为了达到环保排放的要求，消除烟气中的SO₂、NO_X和粉尘，至少需要采用两套以上独立的脱硫、脱硝和除尘设备。面对全球性温室效应的加剧，国内外燃煤电厂也不得不研究燃煤烟气的脱碳技术，一些大型企业甚至已经在建设独立的电厂脱碳工程。

为了解决燃煤烟气污染物分散脱除技术所存在的问题，公开号为CN2712446Y和CN274697IY的中国实用新型专利说明书分别提出了一种《烟气脱硫脱硝装置》和一种《脱硫脱硝一体化烟气净化塔》，但其脱硫脱硝设备均为体积笨大的填料装置，且直接采用氨水溶液来吸收烟气中的NO_X，不仅整个脱硫脱硝设备的阻力大幅增加，而且也不能有效除去烟气中的NO_X，因为NO_X组份中90％以上为一氧化氮NO，而NO很难溶解于水中，采用简单的洗涤法很难将NO吸收。公开号为CN1559654A的中国发明专利申请公开说明书介绍了一种《脱硫、除尘、脱氮、脱氟湿式烟气净化机组及其净化方法》，其利用碱液与烟气混合来脱除烟气中的多种污染物，但该机组及净化方法会产生大量的废水，不仅需要对废水进行再处理，而且该技术方案对NO_X的脱除效率太低，同时对设备的防腐要求也极高，导致工艺复杂、运行成本增高。

由此可见，上述技术方案对燃煤烟气的综合净化处理效果并不理想，尤其是缺少对燃煤烟气中二氧化硫、氮氧化物、粉尘和二氧化碳进行综合集成处理的研究。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种燃煤烟气多污染物脱除工艺及其设备。采用该工艺能够对燃煤烟气中的二氧化硫、氮氧化物、粉尘和二氧化碳进行分类集成处理、高效同步脱除。且该设备应具有整体设计简单紧凑、投资及运行成本低廉、工作稳定可靠的特性。

为实现上述目的，本发明所设计的燃煤烟气多污染物脱除工艺，是针对燃煤烟气中的二氧化硫、氮氧化物、粉尘和二氧化碳进行集成脱除处理的过程。该工艺包括如下步骤：

1)将燃煤锅炉所产生的烟气直接引入SCR脱硝反应器内，使烟气中气态的NO和NO₂在SCR催化剂的作用下与脱硝还原剂发生化学反应，转化为气态的N₂；

2)将经过脱硝处理后的烟气引入除尘器中，用以脱除烟气中混杂的粉尘灰粒；

3)将经过除尘器处理后的烟气引入湿式钙基脱硫反应器内，使烟气中气态的SO₂与液态的钙基脱硫剂发生化学反应，最终生成固态的CaSO₄·2H₂O；

4)将经过湿式钙基脱硫反应器处理后的烟气引入MEA脱碳吸收塔内，使烟气中的CO₂气体与醇胺溶液雾滴充分逆向接触，发生气液两相化学反应而被吸收，所得洁净烟气排入大气，同时获得醇胺溶液富液；

5)将所得醇胺溶液富液引入再生塔中，进行加热解析处理，再生获得高浓度CO₂气体和脱除了CO₂的醇胺溶液贫液；

6)将所得醇胺溶液贫液送回MEA脱碳吸收塔内继续循环，同时对所得高浓度CO₂气体进行冷却处理，使其中含有的热水蒸汽产生凝结；

7)对经过冷却处理后的高浓度CO₂气体进行气液分离处理，脱除其中的凝结水份，获得纯度高于99％的CO₂气体；

8)将所得高纯度CO₂气体进一步干燥，再经过压缩和冷凝处理，将其变成液态，即可制成工业级液态二氧化碳成品。

上述步骤1)中，SCR脱硝反应器内的烟气温度优选在350～400℃之间，以确保脱硝反应在最适宜的温度条件下进行。脱硝还原剂可以采用液氨、氨水或尿素中的一种，其在喷淋状态下与烟气充分均匀混合，能使烟气中的NO和NO₂在催化作用下发生还原反应生成N₂，从而达到良好的脱硝效果。以液氨还原剂为例，其化学反应方程式如下：

6NO₂+8NH₃＝7N₂+12H₂O

6NO+4NH₃＝5N₂+6H₂O。

上述步骤3)中，湿式钙基脱硫反应器内的烟气温度优选在70～90℃之间，钙基吸收剂采用石灰石浆液、电石渣浆液中的一种。在湿式钙基脱硫反应器内，烟气自下而上流动，与向下喷射出的钙基吸收剂浆液雾滴逆流充分接触，发生强烈的气液两相反应，烟气中的SO₂被钙基浆液雾滴吸收生成CaSO₃·1/2H₂O，然后浆液落入湿式钙基脱硫反应器的底部被强制氧化生成CaSO₄·2H₂O，从而实现烟气中SO₂的脱除，以石灰石吸收剂浆液为例，其化学反应方程式为：

CaCO₃+1/2H₂O+SO₂＝CaSO₃·1/2H₂O+CO₂

2CaSO₃·1/2H₂O+O₂+3H₂O＝2CaSO₄·2H₂O

上述步骤4)中，MEA脱碳吸收塔内的烟气温度优选在35～50℃之间，反应压力控制在2500～3000Pa的范围内。醇胺溶液是一乙醇胺(MEA)、活化剂、防腐剂和水的混合溶液，为了描述方便，用R₁R₂NH表示一乙醇胺(MEA)，其中R₁＝H，R₂＝CH₂CH₂OH。醇胺溶液与CO₂的化学反应方程式如下：

CO₂+OH^-＝HCO₃ ^-

CO₂+R₁R₂NH＝R₁R₂NH⁺COO^-

R₁R₂NH⁺COO^-+R₁R₂NH＝R₁R₂NCOO^-+R₁R₂NH₂ ⁺

上述步骤5)中，对所得醇胺溶液富液进行加热解析处理的温度优选在110～120℃之间。在此温度条件下，被醇胺溶液所吸收的绝大部分CO₂将从中解析出来，获得高浓度的CO₂气体。

上述步骤6)中，将所得高浓度CO₂气体冷却处理至35～45℃，即可使其中绝大部分的水蒸汽凝结出来。

为实现上述工艺而专门设计的燃煤烟气多污染物脱除设备，包括通过管道相连的SCR脱硝反应器、除尘器、湿式钙基脱硫反应器、MEA脱碳吸收塔、再生塔、气液分离器、干燥器、压缩机和冷凝器。SCR脱硝反应器的烟气出口与除尘器的烟气进口相连，除尘器的烟气出口通过第一增压风机与湿式钙基脱硫反应器的烟气进口相连，湿式钙基脱硫反应器的烟气出口通过第二增压风机与MEA脱碳吸收塔的烟气进口相连，MEA脱碳吸收塔的下部醇胺溶液富液出口通过富液泵与再生塔的上部进口相连，再生塔的下部液体出口通过贫液泵和第一冷却器与MEA脱碳吸收塔的上部醇胺溶液贫液进口相连，再生塔的上部气体出口通过第二冷却器与气液分离器的进口相连，气液分离器的气体出口依次与干燥器、压缩机、冷凝器和液态二氧化碳储存槽串连。

进一步地，上述MEA脱碳吸收塔的下部醇胺溶液富液出口通过富液泵、贫富液换热器的吸热管与再生塔的上部进口相连，再生塔的下部液体出口通过贫富液换热器的放热管、贫液泵和第一冷却器与MEA脱碳吸收塔的上部醇胺溶液贫液进口相连。这样，可以充分利用从再生塔流出醇胺溶液贫液的余热，给进入再生塔的醇胺溶液富液预热，同时将醇胺溶液贫液冷却，实现热交换的良性循环，节省热能资源。

进一步地，上述SCR脱硝反应器的SCR催化剂层采用蜂窝式或板式结构。这样，脱硝还原剂在喷淋和穿越SCR催化剂层的过程中可与烟气充分均匀接触，实现良好的脱硝效果。

进一步地，上述湿式钙基脱硫反应器采用空塔喷淋结构，其烟气进口上方依次设置有一层多孔板和二至四层钙基吸收剂喷淋装置。多孔板上开设有许多圆形通孔，其孔面积与板面积之比率为30～40％，这样可以加大烟气流动的湍流强度，使得烟气分布更加均匀。而多层结构的钙基吸收剂喷淋装置相互叠加，可以使钙基吸收剂浆液雾滴的覆盖率达到200％以上，确保上行烟气与下行钙基吸收剂浆液雾滴充分逆流接触，从而能够有效脱除烟气中的SO₂气体。

本发明与现有技术相比具有以下突出优点：

其一，本发明对传统的燃煤锅炉尾部烟气脱硫、脱硝、除尘和脱碳各单元工艺和装置进行有机合理的组合、综合一体化的设计、高度集成化的处理，省去了各单元工艺和装置独立运行所需的庞大烟道连接***、以及相应的烟气收集和扩散分布设施，大幅减少了投资和占地面积，也有效减少了设备的烟气流动阻力，节省了大量运行费用。

其二，本发明首先对温度较高的燃煤锅炉尾烟气进行SCR脱硝工艺处理，脱除NO_X后的烟气温度明显下降，较适合于湿式钙基脱硫工艺的要求，此时再对烟气进行湿式钙基脱硫处理，脱除SO₂后的烟气温度进一步降低，更适合于MEA脱碳工艺的要求，此时不需要再单独设置烟气换热器来降低烟气温度，使得整个设备的结构更加紧凑，运行更加稳定可靠，有效降低了工程成本。

其三，本发明利用电站锅炉尾部烟气变废为宝，在有效减少含氮氧化物、二氧化硫、二氧化碳和粉尘灰粒的污染烟气排放的基础上，可获得纯度可达99.5％以上的液态CO₂，完全符合国际工业级液态二氧化碳的标准。因而，其既有利于大气环境污染的综合治理，又有利于循环经济的良性发展，可实现电站锅炉尾部烟气的无害化和资源化利用，特别适合我国以燃煤发电为主的国情。

附图说明

附图为一种燃煤烟气多污染物脱除设备的结构示意图。

具体实施方式

以下针对燃煤锅炉所排放的烟气，结合附图对本发明作进一步的详细描述：

图中所示的燃煤烟气多污染物脱除设备，主要由通过管道相连的SCR脱硝反应器2、除尘器4、湿式钙基脱硫反应器6、MEA脱碳吸收塔10、再生塔14、气液分离器20、干燥器19、压缩机18和冷凝器17等装置优化集合组成。

SCR脱硝反应器2的还原剂喷射装置1布置在SCR脱硝反应器2的烟气进口处，该还原剂喷射装置1与一个还原剂储存罐3相连。SCR脱硝反应器2的内部设置有多个SCR催化剂层201，SCR催化剂层201采用有利于还原剂与烟气充分均匀接触的蜂窝式或板式结构。SCR脱硝反应器2的烟气进口直接与燃煤锅炉的尾部烟气排放口相连，SCR脱硝反应器2的烟气出口与除尘器4的烟气进口相连。

除尘器4可以采用静电除尘器或布袋除尘器，用于清除烟气中夹杂的粉尘灰粒。要求其除尘效率达95％以上，以保证良好的粉尘脱除效果。除尘器4的烟气出口通过第一增压风机5与湿式钙基脱硫反应器6的烟气进口相连。

湿式钙基脱硫反应器6采用空塔喷淋结构，在其烟气进口和烟气出口之间自下而上依次布置有一层用于烟气均流的多孔板603、二至四层用于致密喷射的钙基吸收剂喷淋装置602、及其一至二组用于清除烟气中的钙基吸收剂液滴的除雾器601。湿式钙基脱硫反应器6的底部设置有钙基吸收剂浆液池604，钙基吸收剂浆液池604的侧面出口通过浆液循环泵8与钙基吸收剂喷淋装置602相连，浆液循环泵8的出口管道上设置有用于补充新鲜钙基浆液的吸收剂储存罐9，钙基吸收剂浆液池604的底部出口与石膏处理装置7相连。湿式钙基脱硫反应器6的烟气出口通过第二增压风机24与MEA脱碳吸收塔10的烟气进口相连。

MEA脱碳吸收塔10内布置有填料层，填料层上方设置有醇胺溶液喷淋装置，其工作原理是将醇胺溶液均匀喷洒在填料层上，使其与上行的烟气均匀充分逆流接触，有效增大气液两相的接触面积，从而使烟气中的CO₂迅速吸收。MEA脱碳吸收塔10的顶部烟气出口直接与大气相连。MEA脱碳吸收塔10的下部醇胺溶液富液出口通过富液泵12、贫富液换热器13的吸热管与再生塔14的上部进口相连。

再生塔14也为填料塔，塔内布置有喷嘴和填料层，与再生塔14配套的煮沸器15设置在塔底部外侧，其工作原理是将醇胺溶液富液喷洒在填料层上，使其被上升的蒸汽气提，并经煮沸器15加热，解析出高浓度的CO₂气体，同时使醇胺溶液富液还原成脱除了CO₂的醇胺溶液贫液。再生塔14的下部液体出口通过贫富液换热器13的放热管、贫液泵11和第一冷却器23与MEA脱碳吸收塔10的上部醇胺溶液贫液进口相连，贫液泵11的出口管道上设置有用于补充新鲜醇胺溶液的醇胺储罐22。

再生塔14的上部气体出口通过第二冷却器21与气液分离器20的进口相连，气液分离器20的气体出口依次与干燥器19、压缩机18、冷凝器17和液态二氧化碳储存槽16串连。

上述燃煤烟气多污染物脱除设备的工艺过程是这样的：

燃煤烟气从SCR脱硝反应器2的烟气进口输入，还原剂储存罐33中的液氨通过还原剂喷射装置1以雾滴形式喷入，在SCR催化剂层201的表面上，烟气中的NO、NO₂与液氨发生化学反应，被还原为N₂。脱硝后的烟气从SCR脱硝反应器2的烟气出口输入除尘器4中，除尘器4将烟气中95％以上的灰尘除去。

除尘后的烟气经第一增压风机5从湿式钙基脱硫反应器6的烟气进口输入，穿越多孔板603、钙基吸收剂喷淋装置602上行，与向下喷出的钙基吸收剂浆液雾滴充分逆流接触，形成具有较高湍动能的多相流动，烟气中的SO₂与钙基吸收剂雾滴发生化学反应而被脱除。钙基吸收剂浆液雾滴吸收SO₂后落入到钙基吸收剂浆液池604中，钙基吸收剂浆液池604表面的一部分浆液经浆液循环泵8重新进入钙基吸收剂喷淋装置602循环，吸收剂储存罐9中的新鲜钙基浆液也在浆液循环泵8出口处同时加入。钙基吸收剂浆液池604底部固含量较大的浆液则被排入到石膏处理装置7中。

脱硫后烟气再由第二增压风机24从MEA脱碳吸收塔10的烟气进口输入塔内，在向上流动的过程中与醇胺溶液逆流接触，烟气中的CO₂被醇胺溶液吸收，脱碳后的净烟气经MEA脱碳吸收塔10的顶部烟气出口排入大气。吸收CO₂后的醇胺溶液富液落入塔底，通过富液泵12输送到贫富液换热器13的吸热管中，被从再生塔14下部液体出口流出的脱除了CO₂的醇胺溶液贫液加热至95～100℃，再从再生塔14的上部液体进口送入塔中，醇胺溶液富液被上升的蒸汽气提，并经过煮沸器15加热至110～120℃，解析出高浓度的CO₂气体，同时使醇胺溶液富液还原成脱除了CO₂的醇胺溶液贫液。

醇胺溶液贫液自再生塔14的下部液体出口引出，经贫富液换热器13的放热管换热后，由贫液泵11、第一冷却器23输送到MEA脱碳吸收塔10中继续循环利用，醇胺储罐22中的新鲜醇胺溶液也同时在贫液泵11的出口处加入。所解析出的高浓度CO₂气体伴随着大量水蒸汽，由再生塔14的上部气体出口流出，进入到第二冷却器21中，气流在此被冷却至35～45℃，其中的水蒸汽被凝结出来。

经过第二冷却器21处理后的高浓度CO₂气体，进入气液分离器20中，通过离心作用将CO₂气体中夹带的凝结液完全分离出来，获得纯度高于99.5％的CO₂气体。所分离出的凝结液从气液分离器20的凝结液出口流出，所分离出的高纯度CO₂气体则送入干燥器19，经干燥处理后送至压缩机18，经压缩处理后，再进入冷凝器17，冷凝成液态，制成工业级液体二氧化碳成品，最后送入液态二氧化碳储存槽16中保存。

Claims

1.一种燃煤烟气多污染物脱除工艺，是针对燃煤烟气中的二氧化硫、氮氧化物、粉尘和二氧化碳进行集成脱除处理的过程，其特征在于：该工艺包括如下步骤：

1)将燃煤锅炉所产生的烟气直接引入SCR脱硝反应器内，使烟气中气态的NO和NO₂在SCR催化剂的作用下与脱硝还原剂发生化学反应，转化为气态的N₂；其中，SCR脱硝反应器内的烟气温度控制在350～400℃之间，脱硝还原剂采用液氨、氨水或尿素中的一种；

3)将经过除尘器处理后的烟气引入湿式钙基脱硫反应器内，使烟气中气态的SO₂与液态的钙基脱硫剂发生化学反应，最终生成固态的CaSO₄·2H₂O；其中，湿式钙基脱硫反应器内的烟气温度控制在70～90℃之间，钙基脱硫剂采用石灰石浆液、电石渣浆液中的一种；

4)将经过湿式钙基脱硫反应器处理后的烟气引入MEA脱碳吸收塔内，使烟气中的CO₂气体与醇胺溶液雾滴充分逆向接触，发生气液两相化学反应而被吸收，所得洁净烟气排入大气，同时获得醇胺溶液富液；其中，MEA脱碳吸收塔内的烟气温度控制在35～50℃之间，反应压力控制在2500～3000Pa之间；

2.根据权利要求1所述的燃煤烟气多污染物脱除工艺，其特征在于：所说的步骤5)中，对所得醇胺溶液富液进行加热解析处理的温度控制在110～120℃之间。

3.根据权利要求1或2所述的燃煤烟气多污染物脱除工艺，其特征在于：所说的步骤6)中，将所得高浓度CO₂气体冷却处理至35～45℃。

4.一种用于实现权利要求1所述工艺的燃煤烟气多污染物脱除设备，包括通过管道相连的SCR脱硝反应器(2)、除尘器(4)、湿式钙基脱硫反应器(6)、MEA脱碳吸收塔(10)、再生塔(14)、气液分离器(20)、干燥器(19)、压缩机(18)和冷凝器(17)，其特征在于：SCR脱硝反应器(2)的烟气出口与除尘器(4)的烟气进口相连，除尘器(4)的烟气出口通过第一增压风机(5)与湿式钙基脱硫反应器(6)的烟气进口相连，湿式钙基脱硫反应器(6)的烟气出口通过第二增压风机(24)与MEA脱碳吸收塔(10)的烟气进口相连，MEA脱碳吸收塔(10)的下部醇胺溶液富液出口通过富液泵(12)与再生塔(14)的上部进口相连，再生塔(14)的下部液体出口通过贫液泵(11)和第一冷却器(23)与MEA脱碳吸收塔(10)的上部醇胺溶液贫液进口相连，再生塔(14)的上部气体出口通过第二冷却器(21)与气液分离器(20)的进口相连，气液分离器(20)的气体出口依次与干燥器(19)、压缩机(18)、冷凝器(17)和液态二氧化碳储存槽(16)串连。

5.根据权利要求4所述的燃煤烟气多污染物脱除设备，其特征在于：所说的MEA脱碳吸收塔(10)的下部醇胺溶液富液出口通过富液泵(12)、贫富液换热器(13)与再生塔(14)的上部进口相连，再生塔(14)的下部液体出口通过贫富液换热器(13)、贫液泵(11)和第一冷却器(23)与MEA脱碳吸收塔(10)的上部醇胺溶液贫液进口相连。

6.根据权利要求4或5所述的燃煤烟气多污染物脱除设备，其特征在于：所说的SCR脱硝反应器(2)的SCR催化剂层采用蜂窝式或板式结构。

7.根据权利要求4或5所述的燃煤烟气多污染物脱除设备，其特征在于：所说的湿式钙基脱硫反应器(6)的烟气进口上方依次设置有一层多孔板(603)和二至四层钙基吸收剂喷淋装置(602)。