CN101433801B

CN101433801B - 一种脉冲电场活化干式喷钙烟气脱硫方法和装置

Info

Publication number: CN101433801B
Application number: CN2008102354448A
Authority: CN
Inventors: 吴春笃; 依成武; 储金宇; 欧红香; 陈志刚; 汪松美
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2008-12-02
Filing date: 2008-12-02
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2028-12-02
Also published as: CN101433801A

Abstract

一种脉冲电场活化干式喷钙烟气脱硫方法和装置，属环境工程技术领域。本方法将Ca(OH)₂作为脱硫剂，在喷射单元中以高速喷入一级除尘器后的烟气输送管道中(二级除尘器前)与含有SO₂烟气混合，再通过施加在烟气输送管道中高压脉冲电场，使Ca(OH)₂与烟气中的SO₂反应生成CaSO₃及少量CaSO₄颗粒物质，然后被后部的二级除尘设备除去，从而达到脱去烟气中SO₂的目的。在输送管道中脉冲电场活化干式喷钙烟气脱硫***还有助于清除超微细粉尘(PM₁₀，粒径≤10μm)。由于在烟气输送管道中施加高压脉冲电场，对于超微细粉尘起到预荷电的作用，有利于二级静电除尘器的净化，提高了粉尘的净化效率。

Description

一种脉冲电场活化干式喷钙烟气脱硫方法和装置

技术领域

本发明涉及环境工程技术领域，特指一种在输送管道中脉冲电场活化干式喷钙烟气脱硫方法和装置。

背景技术

燃煤电厂等工业锅炉的排烟中含有大量的SO₂，不但污染大气环境，同时可形成酸雨，严重破坏生态环境。所以，去除烟气中的SO₂，解决对大气环境的污染和酸雨问题，已引起世界范围的关注和重视，成为全球性的亟需解决的环境问题之一。

国内外对烟气脱硫技术(FGD)已做了大量的研究工作，根据脱硫剂类型和最终产物干湿状态的不同，按工艺特点，烟气脱硫方法通常有湿法、半干法和干法。湿法烟气脱硫技术脱硫率高，技术成熟、应用最广，但投资成本和运行费用较高。随着我国经济的快速发展，我国的环保形势越来越严重，开发高效、低成本的干式烟气脱技术，研究开发具有自主知识产权的高效、低成本的干式烟气脱硫技术显得任重道远。

荷电干式吸收剂喷射脱硫技术(CDSI)，由于具有投资低、占地少，适用于老电厂烟气脱硫改造；工艺简单、操作方便、易于国产化，便于在国内电厂加以应用和维护管理等特点近几年受到人们的关注。CDSI法是20世纪90年代由美国阿兰柯环境资源公司(Alanco Environmental Resources Corporation)开发的一种干式烟气脱硫方法。其脱硫原理是把Ca(OH)₂作为脱硫剂，在喷射单元中以高速通过高压直流电晕荷电区后，再进入一级除尘器后的烟气输送管道中(二级除尘器前)与烟气混合，使Ca(OH)₂与烟气中的SO₂反应生成CaSO₃及少量CaSO₄颗粒物质，然后被后部的二级除尘设备除去。脱硫剂经过高压直流电晕荷电区后在其表面上形成静电荷，由于同种电荷相互排斥，使脱硫剂颗粒很快在烟气中扩散，形成均匀的悬浮状态，从而增加与SO₂反应的机会。此外由于放电电场作用，可增强其活性，缩短反应所需滞留时间(一般为2s左右)，从而有效提高了脱硫效率。该***自1994年初进入中国市场以来，在治理发电厂SO₂方面取得了一定的成效。但该法存在的缺点是，采用直流电晕放电产生的电子平均能量较低，通常为1.5eV左右，使脱硫剂获得的能量较低，因此脱硫率低，仅为60％-70％，无法满足较高浓度SO₂脱除的需要。此外，脱硫所需要的Ca/S比较高，为1.5，存在脱硫剂利用率不足的问题，增加了脱硫设备的运行成本。为了解决存在的问题，2006年陈志刚和储金宇等人在CDSI方法的基础上，用正极性窄脉冲电晕放电替代直流电晕放电。当Ca/S比为1.5，停留时间为2.8s时，SO₂脱除率达到80％。该法虽然提高了SO₂脱除率，但没有有效降低Ca/S比和停留时间，仍然存在脱硫剂利用率低，运行费用高的问题。

发明内容

本发明的目的是为解决荷电干式吸收剂喷射脱硫技术(CDSI)存在的脱硫率较低，Ca/S比较高，脱硫剂利用率不足以及运行费用高的问题，提供了在输送管道中脉冲电场活化干式喷钙烟气脱硫方法。该脱硫方法结合了CDSI法的特点，研制了在输送管道中脉冲电场活化干式喷钙烟气脱硫***，可直接利用原有的烟气管道设施进行技术改进，无须再进行大的厂房、设备投入，工业实用性强，特别适合于中小(电厂)企业的烟气脱硫技术改造。由于在锅炉烟气输送管道中施加高压脉冲电场，在提高脱硫剂活性的同时，也激活了烟气及SO₂，使SO₂处于激发态。因此，有效提高了脱硫率(80％以上)，降低了Ca/S比(约为1.2～1.3)，从而解决了脱硫剂利用率不足以及运行费用高的问题。

在输送管道中脉冲电场活化干式喷钙烟气脱硫方法是一种烟气脱硫新工艺，该法是对荷电干式脱硫剂喷射脱硫***(CDSI)的改进和完善。主要改进是，将CDSI中施加在喷射供料单元中的高压直流电场改为在烟气输送管道中施加高压脉冲电场，即在管道中安装3个针状电极作为放电极，以烟气管道作为接地极，形成高压脉冲放电电场。该***包括一级除尘器、喷射供料单元、烟气输送管道中高压脉冲放电单元、二级静电除尘器和检测***。

上述装置中，放电极1与放电极2和放电极2与放电极3之间的距离为150～300mm。

上述装置中，每个放电极沿烟气输送管道轴向长度分别为10～30mm。

上述装置中，每个放电极的直径均为0.5～3mm。

上述装置中，放电极与作为接地极的烟气管道平行，且在烟气管道轴线上。

上述装置中，放电极的供电电源采用高压脉冲等离子体电源，输出功率为2kW，放电极施加电压为5～25kV，供电频率为2.0kHz～20kHz。

其脱硫原理是把Ca(OH)₂作为脱硫剂，在喷射单元中以高速喷入一级除尘器后的烟气输送管道中(二级除尘器前)与含有SO₂烟气混合，再通过施加在烟气输送管道中高压脉冲电场，使Ca(OH)₂与烟气中的SO₂反应生成CaSO₃及少量CaSO₄颗粒物质，然后被后部的二级除尘设备除去，从而达到脱去烟气中SO₂的目的。其反应式如下：

SO₂+Ca(OH)₂→CaSO₄·0.5H₂O+0.5H₂O

由于烟气中还含有少量的氧气和水分，因此还可能发生以下反应：

2CaSO₃·0.5H₂O+O₂+3H₂O→2CaSO₄·2H₂O

脱硫剂经过高压脉冲电场后在其表面上形成静电荷，由于同种电荷相互排斥，使脱硫剂颗粒很快在烟气中扩散，形成均匀的悬浮状态，从而增加与SO₂反应的机会。采用高压脉冲电场气体放电后产生的非平衡等离子体将烟气中的H₂O、O₂等分子激活、裂解，产生大量活性粒子，把HO-H及O-O健打开，使之成为自由基或活化粒子，这些自由基或活化粒子与高能电子一起处理脱硫剂粒子，可引起固体表面分子化学键的断裂，提高了粒子的化学反应活性。同时，在等离子体的作用下使SO₂气体分子处于激发态，可有效降低与脱硫剂完全反应所需的滞留时间，一般在1.5s左右即可完成慢硫化反应，可有效减少反应过程所需管路的长度，以及占地面积和空间，使设备的安装和实际运行变得简单易行。

此外，在输送管道中脉冲电场活化干式喷钙烟气脱硫***还有助于清除超微细粉尘(PM₁₀，粒径≤10μm)。由于在烟气输送管道中施加高压脉冲电场，对于超微细粉尘起到预荷电的作用，有利于二级静电除尘器的净化，提高了粉尘的净化效率。

本发明的使用条件：

烟气在管道中停留时间：≥1.6s；

温度范围：室温～200℃；

钙硫比：1.2～1.3；

烟气风速：≥14m/s；

脱硫剂粒度：<50μm；

高压脉冲电场强度：5kV～20kV。

3、有益效果

(1)采用高压脉冲放电等离子体技术对脱硫剂进行活化处理，具有创新性。

传统的荷电干式脱硫剂喷射脱硫***(CDSI)主要采用高压直流电晕放电的方法，使脱硫剂表面荷电来提高其活性。由于在高压脉冲产生的等离子体中电子的平均能量高达3eV以上，可以产生大量的OH、HO₂、O(¹D)等活性粒子，使脱硫剂得以充分荷电、激活，大大提高脱硫剂的活性。一方面提高了脱硫剂的利用率，降低了Ca/S比(约为1.2～1.3)，使运行成本大幅度降低；另一方面由于脱硫剂的活性的提高，可获得较高的烟气脱硫效率(80％以上)。

(2)可直接利用原有的烟气管道设施进行技术改进，无须再进行大的厂房、设备投入，工业实用性强，特别适合于中小(电厂)企业的烟气脱硫技术改造。

采用等离子体处理后的脱硫剂，因其活性的增加，可有效降低同SO₂完全反应所需的滞留时间，一般在1.5秒左右即可完成慢硫化反应，可有效减少反应过程所需管路的长度，以及占地面积和空间，使设备的安装和实际运行变得简单易行。

(3)能耗低。每处理1m³烟气中SO₂仅消耗电能0.13Wh。能耗大大低于其他等离子体烟气脱硫方法，具有较强的实际应用价值。

附图说明

图1在输送管道中脉冲电场活化干式喷钙烟气脱硫***其工艺流程。

图2脉冲电场活化单元构造示意图。

图3Ca/S比值与脱硫效率的关系曲线图。

图4脱硫剂粒度与脱硫效率的关系曲线图。

图5烟气停留时间与脱硫效率的关系曲线图。

图6放电电压与脱硫效率的关系曲线图。

图7放电功率与脱硫效率的关系曲线图。

图1中：1.一级除尘器 2.高压脉冲电场 3.SO₂检测装置 4.烟气输送管道5.二级静电除尘器 6.高压直流电源 7.引风机 8.给料机 9.喷枪 10.空压机11.高压脉冲电源。

图2中：12.烟气输送管道(接地极)13.放电极1 14.放电极2 15.放电极3 16.绝缘子 17.高压脉冲电源。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图说明详细叙述本发明的具体实施例

在输送管道中脉冲电场活化干式喷钙烟气脱硫工艺流程如图1所示，脱硫剂Ca(OH)₂在喷射供料单元中以高速喷入一级除尘器1后的烟气输送管道4中(二级除尘器5前)与含有SO₂烟气混合，再通过施加在烟气输送管道中高压脉冲电场，使Ca(OH)₂与烟气中的SO₂反应生成CaSO₃及少量CaSO₄颗粒物质，然后被后部的二级除尘设备除去，从而达到脱去烟气中SO₂的目的。

步骤1：图1、图2中由高压脉冲等离子体电源11对管道中针状放电电极13、14、15施加高压脉冲电压，在放电电极和输送管道中形成高压脉冲电场，以烟气输送管道作为接地极，形成高压脉冲放电电场。

步骤2：实验中，施加在放电极上的电压为5.4kV，频率为10kHz；烟气中SO₂的原始浓度大约控制在2228×10^-6～2262×10^-6(v/v)之间，气体中含氧量为21％(v/v)，含水量为1.8％(v/v)。烟气停留时间为1.6s。在烟气流量为100m³/h的条件下做了Ca/S比值对SO₂脱除率影响的实验，试验结果如图3所示。从图中可以看出，随着烟气中Ca/S比值的增加，SO₂脱除率都不断增高。当气体中Ca/S比值为1.03时，SO₂脱除率为70.9％；随着烟气中Ca/S比值的增加，SO₂脱除率不断增高，当气体中Ca/S比值为1.23～1.34时，SO₂脱除率为81.5％～82.8％；当气体中Ca/S比值为2.0时，SO₂脱除率增加到92.1％。

步骤3：实验采用的(Ca(OH)₂)脱硫剂由山东淄博兆庆化工有限公司提供，平均粒度分别为32μm、48μm、58μm和75μm四个型号。烟气中SO₂的原始浓度大约控制在2238×10^-6～2267×10^-6(v/v)之间，气体中含氧量为21％(v/v)，含水量为1.8％(v/v)；Ca/S比值为1.3；烟气停留时间为1.6S。实验中施加在放电极上的电压为5.4kV，频率为10kHz。在气体流量为100m³/h的条件下做了脱硫剂粒度对SO₂脱除率影响的实验，试验结果如图4所示。从图中可以看出，随着脱硫剂粒度的增加，SO₂脱除率不断降低。当脱硫剂粒度为32μm时，SO₂脱除率可达86.5％；当脱硫剂粒度增加到75μm时，烟体中SO₂的脱除率仅为68.3％。可见，脱硫剂粒度越大，脱硫率越低。

步骤4：烟气停留时间与SO₂脱除率之间的实验结果如图5所示。气体中SO₂的原始浓度大约控制在2242×10^-6～2278×10^-6(v/v)左右，气体中含氧量为21％(v/v，含水量为0.6％(v/v)；Ca/S比值为1.3。实验中，施加在放电极上的电压为5.4kV，频率为10kHz。

实验数据表明，SO₂脱除率随着停留时间增加而增加，在停留时间为0.8S时，SO₂浓度从2262×10^-6减少到941×10^-6，脱除率为58.4％；在停留时间为1.55S时，SO₂浓度从2262×10^-6减少到434×10^-6，脱除率为80.8％；在停留时间为2.4S时，SO₂浓度从2242×10^-6减少到299×10^-6时，则SO₂脱除率高达87.8％。

步骤5：实验中，施加在放电极上的电压频率为10kHz；烟气中SO₂的原始浓度大约控制在2239×10^-6～2282×10^-6(v/v)左右，烟气中含氧量为21％(v/v)，含水量为1.9％(v/v)；Ca/S比值为1.3；烟气停留时间为1.6S。在气体流量为100m³/h的条件下做了放电电压对SO₂脱除率影响的实验，试验结果如图6所示。从图中可以看出，随着放电电压的增加，SO₂脱除率不断增高。在没有等离子体作用时，SO₂脱除率仅为31.8％；当外加电压为2.0kV时，SO₂脱除率为58.3％；随着外加电压的增加，SO₂脱除率呈指数增加。当外加电压为4.8kV时，SO₂脱除率可达到80.2％；之后，SO₂脱除率增加趣势变缓。当外加电压为8.8kV时，SO₂脱除率达到84.9％。

步骤6：实验中，施加在放电极上的电压频率为10kHz；气体中SO₂的原始浓度大约控制在2256×10^-6～2282×10^-6(v/v)左右，气体中含氧量为21％(v/v)，含水量为1.8％(v/v)；Ca/S比值为1.3；烟气停留时间为1.6S。在气体流量为100m³/h的条件下做了放电功率对SO₂脱除率影响的实验，试验结果如图7所示。从图中可以看出，随着放电功率的增加，SO₂脱除率不断增高。当放电功率为0.9W时，SO₂脱除率为58.3％；随着放电功率的增加，SO₂脱除率呈指数增加。当放电功率为8.7W时，SO₂脱除率可达到80.2％；之后，SO₂脱除率增加趣势变缓。当放电功率为14.0W时，SO₂脱除率达到84.9％。可见，提高放电功率，可有效增加SO₂脱除效率。

由高压脉冲电场气体放电后产生的非平衡等离子体将烟气中的H₂O、O₂等分子激活、裂解，产生大量活性粒子，把HO-H及O-O健打开，使之成为自由基或活化粒子，这些自由基或活化粒子与高能电子一起处理脱硫剂粒子，可引起固体表面分子化学键的断裂，提高了粒子的化学反应活性。同时，在等离子体的作用下使SO₂气体分子处于激发态，可有效降低与脱硫剂完全反应所需的滞留时间，可有效减少反应过程所需管路的长度，以及占地面积和空间，使设备的安装和实际运行变得简单易行。

Claims

1.一种脉冲电场活化干式喷钙烟气脱硫方法，将Ca(OH)₂作为脱硫剂，在烟气输送管道中与含有SO₂烟气混合，使Ca(OH)₂与烟气中的SO₂反应生成CaSO₃及少量CaSO₄颗粒物质，然后通过除尘设备除去，其特征在于：Ca(OH)₂与含有SO₂烟气混合反应过程中施加高压脉冲电场；烟气在管道中停留时间：≥1.6s，烟气风速：≥14m/s；脱硫温度范围：室温～200℃；钙硫比：1.2～1.3；Ca(OH)₂粒度：≤50μm，高压脉冲电场强度：5kV～20kV。

2.一种脉冲电场活化干式喷钙烟气脱硫装置，包括一级除尘器、喷射供料单元、烟气输送管道、二级静电除尘器和检测***，其特征在于：在烟气管道中安装3个针状电极作为放电极，以烟气管道作为接地极，形成高压脉冲放电电场，放电极1与放电极2和放电极2与放电极3之间的距离为150～300mm，每个放电极沿烟气输送管道轴向长度分别为10～30mm，每个放电极的直径均为0.5～3mm，放电极与作为接地极的烟气管道平行，且在烟气管道轴线上，放电极的供电电源采用高压脉冲等离子体电源，输出功率为2kW，放电极施加电压为5～25kV，供电频率为2.0kHz～20kHz。