CN103239985B - 高效燃煤烟气脱硫脱汞方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

一种烟气脱硫脱汞的新方法及其装置，通过锅炉中低压水蒸汽将石灰和飞灰活化，增强脱硫脱汞效果。首先采用中低压水蒸汽将作为脱硫脱汞吸收剂的石灰或Ca(OH)2活化并与烟气混合，同时采用中低压水蒸汽将部分飞灰循环送入反应塔的顶部与烟气混合；在烟气分布器的下部向反应塔内喷水雾，烟气温度降低有利于提高SO2与Ca(OH)2的反应活性，烟气湿度有利于提高吸收剂的利用率，提高脱硫脱汞剂对汞蒸气的吸收性能。烟气在反应塔实现脱硫脱汞后进入袋式或电袋复合除尘器，收集的部分飞灰输送到反应塔循环使用，进一步提高吸收剂的利用率；净化后的烟气通过引风机送入烟囱排出。该装置运行成本较低，与袋式除尘器或电袋复合除尘设备配合使用，可达到较高的脱硫脱汞效果。

Description

高效燃煤烟气脱硫脱汞方法及其装置
技术领域
本发明属于环境污染控制技术领域，特别涉及一种燃煤烟气脱硫脱汞的方法及其装置。
背景技术
我国是世界上SO2和汞排放量最多的国家，其中75％的SO2和65％的汞是燃煤排放产生的，因燃煤引起的污染形势十分严峻，我国除了对燃煤SO2和颗粒物污染重点治理外，对汞为主的重金属污染防治也非常关注。目前国内外对不同的污染物控制大多采用单项技术，如美国能源技术实验室(NETL)开发的烟气脱汞技术采用活性炭喷射和除尘技术对汞的脱除率高达90％左右，但投资高，活性炭成本高，同时活性炭的洗脱困难，难以工业化推广应用，另外，由于治理不同的污染物而采用不同的治理设备，容易产生各种设备之间的不匹配、综合投资高、占地面积大、运行费高、维修不便等问题。
随即技术人员致力于研究能够同时脱除SO2和汞的多项技术的组合。美国福斯特能源公司发明的一种从热烟道气中除去汞类物质的方法，通过向烟道中喷入氯化物盐溶液使烟气中的汞被氧化成为HgCl2，结合烟气脱硝和湿法脱硫技术可实现对NOx和SO2的同时脱除。但该技术对零价汞的氧化效率不稳定，目前这项技术还没有工业化应用方面的报道。
日本荏原制作所发明一种电子束照射法的新型烟气净化技术，通过利用高能电子束的能量使烟气中的N2、O2和H2O产生大量的自由基，可氧化烟气中的SO2和零价汞，利用氨与酸反应生成硫铵，回收反应产物。但需要有放射线防护设施，运行费用较高、能耗大、维护量较大，目前工业化应用较困难。
国内开发利用静电除尘器产生的O3将烟气中的零价汞氧化为可溶性的二价汞，结合湿法脱硫技术可实现脱硝脱硫脱汞的多污染物联合控制，目前这项技术正在研发阶段，还需要对脱汞效率的稳定性进一步研究。
由美国Dravo公司研究开发的湿式烟气脱硫(FGD)加金属螯合物多污染物控制技术，通过对传统的湿法FGD的溶液中加入金属螯合物实现脱硫脱汞，并将三价铁螯合物还原即可实现吸收剂再生。但该工艺吸收液的再生工艺复杂，运行成本高，同时对零价汞蒸气的去除效果较差，目前还没有实现工业化应用。
因而如何充分利用现有污染物控制技术，研究开发出一项适合我国国情的多污染物控制实用技术成为一个重大课题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种煤烟气脱硫脱汞的方法，其具有高效、投资低和运行成本低的优点。
本发明的另一目的是提供一种煤烟气脱硫脱汞的装置，其具有高效、低投资和低运行费用的烟气脱硫脱汞装置，适用于处理燃煤锅炉和垃圾焚烧烟气。
为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种燃煤烟气脱硫脱汞的方法，包括以下步骤：
(1)预先向烟道内喷水雾，使烟气降温至72-78℃，烟气经增湿降温处理后进入反应塔，通过水蒸汽输送器向反应塔中喷入石灰/Ca(OH)2吸收剂与烟气混合，烟气中的SO2与石灰/Ca(OH)2反应，同时石灰/Ca(OH)2吸收剂在水蒸汽输送被水蒸汽活化成为多微孔的细颗粒，吸附烟气中的汞蒸气；反应塔底部飞灰不循环至反应塔；
大量的实验结果表明，反应塔底部收集的为粒径在100μm以上的少量石灰颗粒，这部分颗粒微孔较少，活性和脱硫脱汞性能较差；除尘器收集的主要为粒径在100μm以下的飞灰颗粒，这部分飞灰颗粒比表面积大、富含微孔。减少反应塔底水蒸汽输送器不仅可降低蒸汽的用量，更重要的是可提高吸收剂的活化率，吸收剂比表面积较同时循环反应塔底灰和除尘器底灰可提高25-35％，从而使吸收剂的脱硫效率提高8-15％，汞蒸气脱硫率提高15-20％。
(2)将烟气经脱硫脱汞后产生的飞灰通过袋式除尘器或电袋复合除尘器进行收集，由除尘器收集的部分飞灰经过水蒸汽输送器输送到反应塔的吸收剂喷入口与烟气混合后重新进入反应塔，进一步对烟气进行脱硫脱汞，其余的飞灰外运，净化后的烟气通过引风机送入烟囱排出。
所述烟气与吸收剂、循环飞灰混合后，经烟气分布器使颗粒物与烟气充分混合，以提高颗粒与SO2及汞蒸气的混合均匀度。
所述循环飞灰与石灰的重量比为100:1-200:1，输送时间2-5秒。
所述石灰/Ca(OH)2与SO2的摩尔比为1.2-1.5，石灰/Ca(OH)2的输送时间2-5秒。
大量的实验研究表明，飞灰的活化时间在2-5秒效果最佳，时间达短则形成的微孔较少，明间太长则微孔会被细小的颗粒堵塞。
所述水蒸汽输送器使用的水蒸气为0.3-0.5MPa、250-300℃的锅炉废热水蒸汽。
大量的实验研究表明，随蒸汽压力和温度影响吸收剂的活化效果。通过吸收剂活化后脱硫脱汞性能分析发现，采用0.3-0.5MPa、250-300℃的水蒸汽活化后的吸收剂脱硫脱汞效率最高。
所述反应塔的有效高度H为20-24m，烟气在反应塔脱硫脱汞的作用时间为4-6秒。
所述烟气分布器的高度为反应塔总高度的1/20。
为实现上述脱硫脱汞的方法，本发明提供一种专用于上述方法的烟气脱硫脱汞装置，包括用于烟气脱硫的反应塔，及与该反应塔连接的袋式除尘器或电袋复合除尘器，
反应塔顶部设有吸收剂喷入口、循环飞灰入口及烟道入口，燃煤机组锅炉通过烟道与该烟道入口相连，反应塔上部设有水雾喷入口；该吸收剂喷入口、循环飞灰入口设置在该水雾喷入口上部，反应塔下端设有一个烟气出口，烟气出口与袋式除尘器或电袋复合除尘器的烟气进口相连；
袋式除尘器或电袋复合除尘器下端设有两个飞灰出口，其中一个飞灰出口通过飞灰粉仓、水蒸汽输送器与该循环飞灰入口相连，另一个飞灰出口连接飞灰外运设备，袋式除尘器或电袋复合除尘器上端设有出口连接烟囱。
所述反应塔顶部的吸收剂喷入口与所述水雾喷入口之间设有烟气分布器。
所述烟气分布器的高度为所述反应塔总高度的1/20。
本装置采用石灰/Ca(OH)2作为脱硫剂，采用循环飞灰作为辅助脱硫剂，脱硫后的烟气通过袋式除尘器，通过引风机将净化后的烟气送入烟囱排出。通过利用水蒸汽输送脱硫剂(主要成份是石灰和飞灰)，实现脱硫剂的活化，使CaO变为脱硫活性更高的Ca(OH)2，通过预先向烟道内喷水雾，烟气经降温处理后与Ca(OH)2混合并反应，提高了脱硫效果；脱硫吸收剂在水蒸汽输送过程中产生大量的多孔隙结构和活性基团，提高了对难溶性的气态零价汞的吸附能力，活性基团明显提高了对零价汞的催化吸附，提高了脱汞副产物的稳定性；同时通过喷雾使二价汞溶解到水滴中，和脱硫吸收剂碰撞后附着在颗粒表面上形成颗粒态汞；绝大部分的颗粒态汞被袋式除尘器被捕集下来，达到脱汞的目的；提高对零价汞的催化吸附，有30％以上的零价汞转化为二价汞。
与现有脱硫脱汞的方法及装置相比，本发明烟气脱硫脱汞的方法及其装置具有以下优点：
(1)本发明的方法采用石灰/Ca(OH)2作为脱硫脱汞吸收剂，采用循环飞灰作为辅助吸收剂，通过预先向烟气中喷水进行降温，有利于汞蒸气变为固态的汞，被后部的袋式除尘器等收集下来；大部分二价汞溶解到水滴中，与吸收剂及循环飞灰颗粒碰撞后附着在其表面及微孔内；由于飞灰的主要成份为飞灰，具有较大的比表面积和丰富的孔隙度，对汞蒸气有较强的吸附能力，对各种形态的汞都有很好的吸收效果；同时飞灰吸附的零价汞在MgO以及Fe2O3的催化氧化作用下有利于转化为二价汞，最终将烟气中气态的零价汞转变为溶液态或颗粒态汞，并通过袋式除尘器或电袋复合除尘器收集下来。
(2)飞灰表面的微孔容易吸附更细小颗粒，堵塞微孔通道，利用水蒸汽输送循环飞灰时，水蒸汽能够活化飞灰使得这些细小的颗粒被释放出来，生成更多的微孔；同时飞灰中存在的Ca、Si和Al在水蒸汽的作用下会发生火山灰反应，生成水合硅酸钙(CaO·SiO2·H2O)、水合硅酸二钙(2CaO·SiO2·H2O)和水合铝酸四钙(4CaO·Al2O3·13H2O)，这些物质具有较高的比表面积，同时当水合物接触到热烟气时，其中的水分释放出来，生成更多的孔隙，增加飞灰的比表面积，使得循环飞灰具有良好的脱汞能力。
(3)循环飞灰与石灰混合后，大大提高了颗粒增加了飞灰的比表面积和微孔，多微孔的颗粒有利于吸收烟气中的SO2和汞蒸气，提高脱硫脱汞效率。
附图说明
图1为本发明烟气脱硫脱汞装置***图。
图2为本发明脱硫脱汞反应塔结构的示意图。
图3为本发明脱硫脱汞流程图。
具体实施方式
以下针对一台燃煤机组锅炉，结合附图对本发明作进一步详细描述：
本发明的脱硫脱汞装置结构如下：如图1至图3所示，本发明烟气脱硫脱汞装置的结构示意图，
反应塔6顶部设有吸收剂喷入口5、循环飞灰入口16及烟道入口17，燃煤机组锅炉1通过烟道3与该烟道入口17相连，反应塔6上部设有水雾喷入口2；该水雾喷入口2通过水流计与工艺水箱相连接，脱硫脱汞吸收剂喷入口5的下方设有烟气分布器4，反应塔6下端设有一个烟气出口7，烟气出口7与袋式除尘器8的烟气进口18相连；
袋式除尘器8下端设有两个飞灰出口9、9’，其中一个飞灰出口9通过飞灰粉仓11和水蒸汽输送器10连接到循环飞灰入口16，飞灰出口9’连接飞灰外运设备13，袋式除尘器8上端设有出口19连接烟囱14。装有石灰的吸收剂粉仓11’通过水蒸汽输送器10’连接到吸收剂喷入口5。
其中燃煤烟气由反应塔6上部的烟道入口17进入，在吸收剂粉仓11’中的吸收剂石灰或Ca(OH)2经水蒸汽输送器10’送入反应塔顶部的吸收剂喷入口5，循环飞灰与反应塔顶部的循环飞灰入口16相连，烟气与石灰或Ca(OH)2及飞灰在烟气分布器4混合，增湿水通过水雾喷入口2和烟气混合，增湿后烟气在反应塔6进行脱硫脱汞反应，烟气脱硫脱汞后经反应塔的烟气出口7进入袋式除尘器的烟气进口18，烟气经袋式除尘器8后由出口19进入烟囱14排放。袋式除尘器8收集的部分循环飞灰经飞灰出口9通过水蒸汽输送器10进入反应塔顶部循环飞灰入口，另外一部分飞灰经飞灰出口9’直接外排。
在烟气脱硫脱汞过程中，首先将烟气温度降低至70-80℃后通入反应塔，同时采用250℃左右的锅炉废热水蒸汽作为输送动力源，利用水蒸汽流量计将水蒸气控制在0.8MPa以下，通过水蒸汽输送器10’将吸收剂粉仓11’中的吸收剂石灰粉输送到反应塔吸收剂喷入口处与烟气混合进入反应塔内，反应塔烟气中颗粒物的浓度可达200-300g/Nm3。另外，如图2所示，石灰通过飞灰粉仓11及水蒸汽输送器10输送到反应塔循环飞灰入口处与锅炉烟气混合，石灰在水蒸汽输送过程中同时完成石灰的活化和输送，其中大部分被水化成为强碱性的Ca(OH)2，Ca(OH)2与烟气中的SO2反应后，袋式除尘器收集的飞灰的一部分作为循环脱硫脱汞吸收剂循环利用，经螺旋给料机导入并通过水蒸汽输送器重新与烟气混合，进入塔内进一步脱除烟气中的SO2和汞；同样的，袋式除尘器中产生的另一部分飞灰也可以作为循环吸收剂使用。
本发明的脱硫脱汞装置的工作原理：石灰在水蒸汽输送过程中大部分被水化成为强碱性的Ca(OH)2，同时完成石灰的水化和输送。经降温处理后在反应塔内烟气中的SO2与脱硫剂颗粒中的Ca(OH)2反应生成CaSO3并最终氧化成为CaSO4；同时吸收剂在输送过程中产生的多孔隙结构和大比表面积有利于提高对SO2和气态汞的吸附，一部分气态的二价汞溶解到水滴中，和脱硫吸收剂碰撞后附着在颗粒表面上形成颗粒态汞；吸收剂经输送后含有大量游离的金属氧化物，实现对零价汞的催化吸附，结合袋式除尘器实现对不同形态的汞的脱除。
实施例1
在2t/h燃煤实验锅炉进行该脱硫脱汞装置实验，实验***如图3所示，烟气脱硫脱汞反应塔的尺寸为Ф1200mm×7800mm，烟气空塔流速为3.8m/s，脱硫脱汞反应塔后部配置袋式除尘器收集反应后的副产物。采用山西大同原煤进行实验研究，燃煤硫份为0.32％，煤中汞含量为0.35mg/kg。
烟气进入反应塔装置的温度为128℃，SO2浓度为578mg/Nm3，汞蒸气的浓度为21.6μg/Nm3。通过向反应塔内喷水出塔温度保持在75℃，脱硫脱汞后反应塔内颗粒物的浓度在250g/Nm3。结果表明，在Ca/S摩尔比小于1.2时，脱硫效率达89.6％，去除气态二价汞的效率达91.6％，去除气态零价汞的效率达86.8％，对气态总汞的脱除效率达89.2％，固态汞捕集率达99.3％。
实施例2
一台85t/h燃煤锅炉，燃煤含硫量为0.5％，燃煤汞含量为0.11mg/kg。出口的烟气温度为139.9℃，烟气量为234000～236000Nm3/h，烟气SO2浓度为920mg/Nm3。采用本发明申请的干法烟气脱硫脱汞装置，如图3所示，飞灰在水蒸汽输送后物化性质发生明显的变化，一部分CaO转变为结构多孔的Ca(OH)2，提高了飞灰对汞的吸附能力。脱硫除尘后烟气的温度为76～79℃，在CaO/SO2摩尔比低于1.2时，处理后烟气中SO2浓度为89mg/Nm3，脱硫效率达89.3％，采用该装置结合袋式除尘器可去除烟气中98.6％左右的汞蒸气，飞灰中汞的含量可达到1.58mg/kg。脱除各种形态汞的性能达到国外报道利用活性炭脱汞的效果，而运行成本明显低于专门的活性炭喷射脱汞技术。

Claims (7)

1.一种燃煤烟气脱硫脱汞的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)预先向烟道内喷水雾，使烟气降温至72-78℃，烟气经增湿降温处理后进入反应塔，通过水蒸汽输送器向反应塔中喷入石灰/Ca(OH)2吸收剂与烟气混合，烟气中的SO2与石灰/Ca(OH)2反应，同时石灰/Ca(OH)2吸收剂在水蒸汽输送被水蒸汽活化成为多微孔的细颗粒，吸附烟气中的汞蒸气；反应塔底部飞灰不循环至反应塔；
(2)将烟气经脱硫脱汞后产生的飞灰通过袋式除尘器或电袋复合除尘器进行收集，由除尘器收集的部分飞灰经过水蒸汽输送器输送到反应塔的吸收剂喷入口与烟气混合后重新进入反应塔，进一步对烟气进行脱硫脱汞，其余的飞灰外运，净化后的烟气通过引风机送入烟囱排出；
所述烟气与吸收剂、循环飞灰混合后，经烟气分布器使颗粒物与烟气充分混合，以提高颗粒与SO2及汞蒸气的混合均匀度；所述反应塔的有效高度为20-24m，烟气在反应塔脱硫脱汞的作用时间为4-6秒；所述水蒸汽输送器使用的水蒸汽为0.3-0.5MPa、250-300℃的锅炉废热水蒸汽。
2.根据权利要求1所述的燃煤烟气脱硫脱汞的方法，其特征在于，所述循环飞灰与石灰的重量比为100:1-200:1，输送时间2-5秒。
3.根据权利要求1所述的燃煤烟气脱硫脱汞的方法，其特征在于，所述石灰/Ca(OH)2与SO2的摩尔比为1.2-1.5，石灰/Ca(OH)2的输送时间2-5秒。
4.根据权利要求1所述的燃煤烟气脱硫脱汞的方法，其特征在于，所述烟气分布器的高度为反应塔总高度的1/20。
5.一种用于权利要求1所述方法的燃煤烟气脱硫脱汞装置，其特征在于，它包括用于烟气脱硫的反应塔(6)，及与该反应塔连接的袋式除尘器或电袋复合除尘器(8)；
反应塔(6)顶部设有吸收剂喷入口(5)、循环飞灰入口(16)及烟道入口(17)，燃煤机组锅炉(1)通过烟道(3)与该烟道入口(17)相连，反应塔(6)上部设有水雾喷入口(2)；该吸收剂喷入口(5)、循环飞灰入口(16)设置在该水雾喷入口(2)上部；反应塔(6)下端设有一个烟气出口(7)，烟气出口(7)与袋式除尘器或电袋复合除尘器(8)的烟气进口(18)相连；
袋式除尘器或电袋复合除尘器(8)下端设有两个飞灰出口(9、9’)，其中一个飞灰出口(9)通过飞灰粉仓(11)、水蒸汽输送器(10)与该循环飞灰入口(16)相连，另一个飞灰出口(9’)连接飞灰外运设备(13)，袋式除尘器或电袋复合除尘器(8)上端设有出口(19)连接烟囱(14)。
6.根据权利要求5所述的燃煤烟气脱硫脱汞装置，其特征在于，所述反应塔(6)顶部的吸收剂喷入口(5)与所述水雾喷入口(2)之间设有烟气分布器(4)。
7.根据权利要求6所述的燃煤烟气脱硫脱汞装置，其特征在于，所述烟气分布器(4)的高度为所述反应塔(6)总高度的1/20。
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