CN102179130B

CN102179130B - 循环固定床烟气脱硫装置

Info

Publication number: CN102179130B
Application number: CN 201110115357
Authority: CN
Inventors: 樊越胜; 司鹏飞; 戎向阳
Original assignee: Xian University of Architecture and Technology
Current assignee: Xian University of Architecture and Technology
Priority date: 2011-05-05
Filing date: 2011-05-05
Publication date: 2013-05-22
Anticipated expiration: 2031-05-05
Also published as: CN102179130A

Abstract

本发明公开了一种循环固定床烟气脱硫装置，包括相互嵌套的同轴内圆筒和外圆筒，内圆筒置于外圆筒之中，内圆筒顶部与底部对称设有开孔圆板，内圆筒内部通过挡板沿内筒轴向将其内圆筒内部空间划分成相互独立的解吸区、吸附区和干燥区；外圆筒顶部与底部沿内筒内部挡板设置方向对应位置分别设有隔板；在外圆筒顶部与底部沿解吸区方向设置有扇形筒盖和扇形储水板，在扇形筒盖上安装有喷头和循环入水管，在扇形储水板上连接有循环出水管；吸附区沿内圆筒和外圆筒底部与烟气管进出口相连通；干燥区沿内圆筒和外圆筒底部与热风管进出口相通。本发明结构简单，能够有效将活性炭脱硫中的吸附、解吸、干燥三种操作步骤同步进行。

Description

循环固定床烟气脱硫装置

技术领域

本发明涉及一种对冶金和锅炉烟气进行净化处理技术，具体涉及一种固定床烟气脱硫装置。

背景资料

近年来，随着可持续发展战略目标的制定，环境保护的主题已经愈发提上议事日程，随着国家环保政策的日趋严格，烟气脱硫已成为我国工业在二十一世纪初亟待解决的重大问题。然而，由于经济实力的限制，目前为止，我国主要是一些从国外引进的成套生产线，还很少有采用自己的技术成熟应用于工业的脱硫工艺。

现有可用的脱硫技术，根据控制SO₂排放的工艺在煤炭燃烧过程中的位置，可将脱硫技术分为燃烧前、燃烧中和燃烧后三种。燃烧前脱硫主要是选煤、煤气化、液化和水煤浆技术；燃烧中脱硫指的是低污染燃烧、型煤和流化床燃烧技术；燃烧后脱硫也即所谓的烟气脱硫技术。

　　世界各国研究开发和商业应用的烟气脱硫技术估计超过200种。按脱硫产物是否回收，烟气脱硫可分为抛弃法和再生回收法，前者脱硫混合物直接排放，后者将脱硫副产物以硫酸或硫磺等形式回收。按脱硫产物的干湿形态，烟气脱硫又可分为湿法、半干法和干法工艺。

活性炭法烟气脱硫是一种以吸附传质作用为原理的脱硫方法。该工艺利用活性炭这种微孔材料的选择吸附特性和催化氧化特性，对烟气中的SO₂进行彻底地净化和回收。然而现有的活性炭法烟气脱硫工艺仍然存在诸多缺点，如单级***，参见图1。该活性炭床层用隔板分为4个面积相同的小区域，对于每一个小区域，脱硫过程主要由吸附和解吸两个阶段组成。吸附阶段，烟气自下而上流动，穿过活性炭层时，烟气中部分SO₂ 被吸附，净化后的烟气由引风机送入烟囱；解吸阶段，洗涤水由顶部喷下，穿过活性炭层的同时带走生成的硫酸，洗涤水流入中和池中和后循环使用。

目前采用现有活性炭脱硫固定床方式的缺点主要表现在以下几个方面：

吸附和解吸不能同步进行，造成设备庞大、运行管理复杂；初投资成本昂贵，运行费用较高；且未分为吸附、解吸、干燥等过程，使得床层的活性炭颗粒物易被水膜等覆盖，大大的减小了颗粒物的比表面积，降低了吸附性能，例如图2给出了活性炭吸附量随活性炭含水率的变化曲线。从图中可以看出在含水量较小的时候，活性炭对SO₂的吸附容量随着含水量的增加而降低，这是因为随着含水量的增加，活性炭表面逐渐润湿，形成的水膜减小了活性炭的比表面积。

针对现有技术方法上的不足，本发明提供了一种能够连续运行、管理简单且富有实效的脱硫新技术。

发明内容

为了克服上述背景技术的技术缺陷活不足，本发明提供了一种采用活性炭材料对SO₂气体进行连续吸附、解吸、干燥的内部循环脱硫固定床，先将SO₂吸附在活性炭上，再经过解吸过程，使得活性炭脱附，并将吸附的SO₂由水吸收转化成H₂SO₄，达到环保和回收有用资源的双重目的。

为了实现上述技术任务，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种固定床烟气脱硫装置，包括相互嵌套的同轴内圆筒和外圆筒，所述的内圆筒置于外圆筒之中，内圆筒顶部与底部对称设有开孔圆板，内圆筒内部通过挡板沿内筒轴向将其内圆筒内部空间划分成相互独立的三个区；所述的外圆筒顶部与底部沿内圆筒挡板设置方向的对应位置分别设有隔板，将外圆筒内部空间也对应划分为解吸区、吸附区和干燥区；在外圆筒顶部与底部沿解吸区方向设置有扇形筒盖和扇形储水板，在扇形筒盖上安装有喷头和循环入水管，在扇形储水板上连接有循环出水管；吸附区沿内圆筒和外圆筒底部与烟气管进出口相连通；干燥区沿内圆筒和外圆筒底部与热风管进出口相通。

本发明的其他技术特点为：所述的内部圆筒为活性炭床层。

所述的与吸附区和干燥区相连通的烟气管和热风管分别与换热器相连。

所述的内圆筒和外圆筒通过转动轴相连接实现同轴转动。

所述的开孔圆板通过气体、水等流体，但不能通过活性炭颗粒物。

本发明与现有的干法固定床脱硫装置不同的是将活性炭床层分为三个区即吸附区、解吸区、干燥区，三个区同步独立进行工作，保证利用干燥的活性炭对SO₂进行吸附。当吸附区活性炭达饱和后，内圆筒进行转动，使得原来处于吸附工作的活性炭旋转到解吸区进行解吸；原来处于被解吸工作状态的活性炭旋转到干燥区进行干燥；原来处于被干燥工作状态的活性炭旋转到吸附区进行吸附工作。如此不断循环工作，从而实现吸附、解吸、干燥三种操作步骤同步进行。

此外，利用换热器对通入干燥区空气进行预热，提高的热风的温度，有利于干燥区活性炭的干燥；利用换热器对通入解吸区的烟气进行降温，有利于活性炭的吸附过程，因为活性炭对SO₂气体的吸附属于放热反应，降低被吸附烟气的温度有利于吸附过程进行，同时也有利于防止由于吸附放热而使活性炭结焦导致的比表面积减小。由于经过干燥后活性炭含水率大大降低，根据图2给出的活性炭吸附量随活性炭含水率的变化曲线，可知其吸附效率会提高。

附图说明

图1为现有活性炭法烟气脱硫工艺的单级***，其中各图标分别表示1、电磁阀、2、洗涤喷头、2、活性碳床层、4、烟气进口、5、中和池、6、清水池、7、循环水泵、8、烟气出口。

图2活性炭吸附量随活性炭含水率的变化曲线图。

图3为本发明的结构示意图。

图4为本发明的外筒仰视图。

图5为本发明的内筒结构示意图。

图6为本发明烟气与空气换热装置图。

图7为湿态下活性炭脱硫吸附过程示意图。

以下结合附图对本发明的具体内容作进一步详细说明。

具体实施方式

参见图3—图6本发明的一种固定床烟气脱硫装置，包括相互嵌套的同轴内圆筒3和外圆筒2，内圆筒3置于外圆筒2之中，内部圆筒3为活性炭床层，放置活性炭材料。内圆筒3和外圆筒2通过转动轴9相连接实现同轴转动。内圆筒3顶部与底部对称设有开孔圆板8，内圆筒3内部通过挡板7沿内筒轴向将其内圆筒3内部空间划分成相互独立的三个区；所述的外圆筒2顶部与底部沿内筒3内部挡板7设置方向的对应位置分别设有隔板4，将外圆筒2内部空间也对应划分为解吸区Ⅰ、吸附区Ⅱ和干燥区Ⅲ；在外圆筒2顶部与底部沿解吸区Ⅰ方向设置有扇形筒盖10和扇形储水板11，在扇形筒盖10上安装有喷头5和循环入水管6，在扇形储水板11上连接有循环出水管1；吸附区Ⅱ沿内圆筒3和外圆筒2底部与烟气管进出口相连通。干燥区Ⅲ沿内圆筒3和外圆筒（2）底部与热风管进出口相通。

另外，本发明的与吸附区（Ⅱ）和干燥区（Ⅲ）相连通的烟气管和热风管分别与换热器相连。利用换热器对通入干燥区空气进行预热，提高的热风的温度，有利于干燥区活性炭的干燥；利用换热器对通入解吸区的烟气进行降温，有利于活性炭的吸附过程，因为活性炭对SO₂气体的吸附属于放热反应，降低被吸附烟气的温度有利于吸附过程进行，同时也有利于防止由于吸附放热而使活性炭结焦导致的比表面积减小。

本发明的将活性炭床层分为三个区即吸附区、解吸区、干燥区，三个区同步进行工作，当吸附区活性炭达饱和后，内圆筒进行转动，使得原来处于吸附工作的活性炭旋转到解吸区进行解吸；原来处于被解吸工作状态的活性炭旋转到干燥区进行干燥；原来处于被干燥工作状态的活性炭旋转到吸附区进行吸附工作。当吸附区的循环水从上而下通过解吸区的活性炭层，将吸附的产物H₂SO₄洗脱出来，进入稀硫酸池，当池中硫酸浓度达到20％左右时，重新更换稀硫酸池中的喷淋水。如此不断循环工作，从而实现吸附、解吸、干燥三种操作步骤同步进行。

以下给出本发明的相关理论分析以及验证计算过程：

本发明的固定床烟气脱硫装置具体采用喷嘴喷淋解吸的方法，发明人按照目前现有4种不同的解吸方法进行对比分析：

方法Ⅰ：在吸附过程结束后，将吸附柱进气和排水阀门同时关闭，将1000ml蒸馏水注入吸附柱对活性炭进行3min的浸泡，在浸泡的同时，使用搅拌器对活性炭进行搅拌。

方法Ⅱ：过程同方法Ⅰ，但不加搅拌过程。

方法Ⅲ：在吸附柱内距床层0.5m高度处设置孔径为0.2mm、厚度为50mm的不锈钢孔板，吸附过程结束后关闭进气阀，开启排水阀，将1000ml蒸馏水在3分钟内均匀淋入吸附柱。

方法Ⅳ：在吸附柱内距床层0.5m高度处安装1/2''PZ5095×45J型喷嘴并用循环泵供水，水洗过程同方法Ⅲ。

四种方法在第一次吸—解吸循环中的解吸效率见表1。

由表1可知，浸泡搅拌的解吸方法具有最高的解吸效率，这是因为搅拌作用使吸附剂颗粒与流体得以充分地接触，而且在高速旋转作用下，流体产生的紊流效应使吸附质向流体中的扩散作用明显增强，传质系数大大增加，从而能够比较完全地解吸。而静态浸泡解吸效率最低的原因是：在流体静止状态下，吸附态的H₂SO₄分子只能依靠溶解作用所产生的动力从吸附剂中分离出来，随着吸附剂表面层附近溶液中H₂SO₄分子的密集，这种扩散作用逐渐减弱，当扩散动力与扩散阻力平衡时，即已不能继续解吸。

表1 不同解吸方法下MHY30型新活性炭第一次吸-解吸循环的解吸效率

（m_ac=1.5kg，V_SO2=3.0×10^-3，V_H2O=0.1，T=80℃，W_de=1L，t_de=3min）

解吸方法	方法Ⅰ	方法Ⅱ	方法Ⅲ	方法Ⅳ
					μ₁	37.1	13.5	25.7	28.4

然而现实实际应用中，浸泡的方法还难以应用于连续性的工业生产，而淋水式解吸方法则是一种比较实际的解吸方法。在两种淋水式解吸方法中，喷嘴喷淋解吸的解吸量略大于孔板淋水解吸量。这主要是因为在淋水量相同的情况下，两种解吸方法中渗流速度有着一定的差异。孔板淋水过程中，由于水流仅靠重力作用自然下流，孔板又具有较大的局部流动阻力，使水流的初速很低。而喷嘴喷淋中，由于具有一定的压头，出水具有一定的速度，本实验采用的1/2''PZ5095×45J型喷嘴，在0.1Mpa的压力下，出水速度约为2.41m/s。因此，经过实验研究发现，在淋水高度同为0.5m时，采用喷嘴喷淋解吸时的渗流速度约为孔板淋水解吸时的1.5~2.0倍。

另外，现有的湿态下活性炭脱硫吸附过程如图7所示。从图中可以看出现有的湿态下二氧化硫是通过物理吸附与化学吸附两种方式从烟气中除去。对于同种活性炭，湿态下活性炭的SO₂粒内扩散系数小于无水条件下的活性炭，从而进一步证明了有水条件下活性炭对SO₂的吸附是一种化学吸附，它具有较慢的吸附速度。

然而干态下活性炭对二氧化硫的吸附完全是依靠分子间吸引力把吸附质吸附在吸附剂表明的物理吸附，其与现阶段活性炭烟气脱硫理论存在本质区别。为了实现吸附、解吸、干燥过程的连续性，本发明特制作了三个循环转动的工作区。并利用由省煤器排出的烟气，先对干燥过程需要的空气进行预热，一方面降低了烟气本身的温度，促进吸附过程顺利进行，由于吸附是放热过程，降低烟气温度有利于吸附过程发生。另一方面解决了干燥过程所需要获得的热风，节省了加热热风所需要的能源。

为了验证本发明的固定床烟气脱硫装置经过换热器换热可以获得加热热风所需要的能量，特进行了如下计算加以验证：

通入固定床烟气脱硫装置的烟气经过省煤器后温度t₁为160℃，烟气中二氧化硫的浓度C₁为4500 mg/m³，烟气出口浓度为燃煤锅炉Ⅱ时段国家标准C₂为900mg/m³，即脱硫效率80%，烟气流量L为36000m³/h。由于活性炭在稳定为25℃，压力为100kpa下的平衡吸附量S为10%，所以所需活性炭质量为：

mg/h，即1296kg/h。

为了使得活性炭干燥过程顺利进行，需对空气经换热器进行预热得到热风，预热所需热量由烟气与空气流经换热器后换热得到。预热前，空气温度t₂为常温20℃，经预热后的空气温度t₃为50±5℃，相对湿度d₁为10%，经降温后烟气温度t₄为60±5℃，运用逆流原理进行换热。干燥过程中蒸发水蒸气所需的气化潜热，由流过干燥区的热空气提供，热风出口温度t₅为10℃，相对湿度d₂为100%。根据热量平衡原理：

，

式中：

——干燥过程所需提供的气化潜热，KJ/kg；

——热风质量流量，kg；

——热风进口空气焓值，70.16KJ/kg；

——热风进口温度，29.32 KJ/kg；

干燥过程所需提供的气化潜热为：

式中：

——所蒸发水蒸气的质量，kg；

——水蒸发的气化潜热，2538KJ/kg；

为了保证吸附过程的吸附量，根据活性炭吸附量随活性炭含水率的变化曲线，所以需使得经过干燥后的活性炭含水率小于5%，而本实施例现实计算取为0。活性炭经解吸后含水率为50%，则每小时需蒸发水分的质量为

kg，即648kg，蒸发所需气化潜热Q为1644624KJ，设干燥过程传热效率k为50%，所以每小时需要通入的热风量为

kg/h。由于空气的密度

为1.293kg/m₃，所以约合62289.1m3/h。设烟气温度与空气焓值一样，则所需换热器的换热效率为，

，而实际工程完全可以满足这样的换热效率，可见干燥过程所需能量完全可以由烟气与热风换热得到。

Claims

1.一种固定床烟气脱硫装置，其特征在于：包括相互嵌套的同轴内圆筒（3）和外圆筒（2），所述的内圆筒（3）置于外圆筒（2）之中，内圆筒（3）顶部与底部对称设有开孔圆板（8），内圆筒（3）内部通过挡板（7）沿内圆筒轴向将其内圆筒（3）内部空间划分成相互独立的三个工作区；所述的外圆筒（2）顶部与底部沿内圆筒（3）内部挡板（7）设置方向的对应位置分别设有隔板（4），将外圆筒（2）内部空间也对应划分为解吸区（Ⅰ）、吸附区（Ⅱ）和干燥区（Ⅲ）；在外圆筒（2）顶部与底部沿解吸区（Ⅰ）方向设置有扇形筒盖（10）和扇形储水板（11），在扇形筒盖（10）上安装有喷头（5）和循环入水管（6），在扇形储水板（11）上连接有循环出水管（1）；吸附区（Ⅱ）沿内圆筒（3）和外圆筒（2）底部与烟气管进出口相连通；干燥区（Ⅲ）沿内圆筒（3）和外圆筒（2）底部与热风管进出口相通；

所述的内圆筒（3）为活性炭床层；

与吸附区（Ⅱ）和干燥区（Ⅲ）相连通的烟气管和热风管分别与换热器相连；

所述的内圆筒（3）和外圆筒（2）通过转动轴（9）相连接实现同轴转动。

2.如权利要求1所述的固定床烟气脱硫装置，其特征在于：所述的开孔圆板（8）能够通过气体或水流体，且不能通过活性炭颗粒物。