CN105126460A - 脱硫除尘一体化半干式旋流脱硫塔 - Google Patents

Abstract

脱硫除尘一体化半干式旋流脱硫塔，通过设置切向进气结构，使脱硫塔内烟气形成旋转流，增强湍流强度，使含硫含尘烟气与脱硫剂颗粒充分接触，增强颗粒间及颗粒与塔壁间碰撞、摩擦，提高脱硫效率，防止粘壁、结垢现象发生；采用脱硫除尘一体化设计，设置伞罩结构并利用塔壁分隔出脱硫反应室、环形气固分离室以及循环灰回料通道，有效减少常规脱硫塔及其外置旋风分离器、回料装置所占空间，结构紧凑便于安装。

Description

脱硫除尘一体化半干式旋流脱硫塔

技术领域

本发明涉及烟气脱硫设备，特别是循环流化床半干法烟气脱硫技术。本发明通过设置切向烟气入口结构，使脱硫塔内烟气形成旋转流，增强湍流强度，脱硫剂从中心喷入，使得含硫烟气与脱硫剂颗粒充分接触，增强颗粒间及颗粒与塔壁间碰撞、摩擦，提高脱硫效率，防止粘壁、结垢现象发生；同时采用脱硫除尘一体化设计，设置伞罩结构并利用塔壁分隔出脱硫反应室、环形气固分离室以及循环灰回料通道，有效减少常规脱硫塔及其外置旋风分离器、回料装置所占空间。且设置对称循环回料入口，减弱单侧回料对脱硫塔内流场造成的偏离。

背景技术

SO₂的治理技术大致可分为燃烧前脱硫、燃烧中脱硫以及燃烧后脱硫三类。就目前技术水平而言，燃烧后烟气脱硫(FlueGasDesulfurization，缩写FGD)是降低SO₂排放量最经济、有效，也是研究最多、应用最广、技术最成熟的控制手段。按照脱硫剂和脱硫产物的形态特点，其基本工艺可分为三类：湿法、干法和半干法，其中半干法脱硫工艺兼有干法和湿法的一些特点，其最终产物为干态，易于处理且无二次污染。

烟气循环流化床脱硫工艺(CFB-FGD，circulatingfluidizedbedfluegasdesulfurization)就是半干法脱硫工艺中的典型实例。结合附图1，其原理通常是含硫含尘烟气从脱硫反应器下部通过文丘里管加速后进入反应器，并与脱硫塔底部喷出的脱硫剂和适量雾化水混合，在塔内均匀上行过程中进行脱硫反应。经脱硫反应后的烟气从塔顶流出，进入外置旋风分离器中进行气固分离，分离下来的脱硫剂颗粒一部分排出后处理，一部分经过中间灰仓和回料管返回脱硫塔中循环使用，以此实现在较低的钙硫比(Ca/S＝1.1～1.2)下达到较高的脱硫效率(90％以上)。

由于主要的脱硫反应进行于脱硫塔内，因此塔内气固两相流动特征是影响脱硫效率的主要因素之一。常规脱硫塔在流化方式上，多采用布风板或文丘里管，目的是均匀分配气流，维持流化床气固浓度均匀分布的反应特点。理想的流动状态是在不同塔截面上上行气流分布尽可能均匀、对称，充分发挥脱硫塔内的有效空间，充分利用脱硫剂完成脱硫反应，提高脱硫效率。此外，现有的半干法循环流化床烟气脱硫塔，大多采用外置旋风分离器进行一级气固分离并实现部分脱硫剂循环使用，脱硫反应与除尘过程在两个设备中独立进行。

但这种反应过程和装置安排存在以下不足：

1.目前工业上所需的脱硫装置，常要在现有设备(区域)进行改造加装，而常规的半干法循环流化床烟气脱硫工艺惯为脱硫塔和旋风分离器两器布置，导致工艺设备整体占地面积大，设备尺寸高，较难实现在现有设备上进行合理改造。

2.流化方式采用文丘里管和布风板的脱硫塔内为均匀上行气流，截面内气流分布较为均匀，充分利用脱硫塔内反应空间。但均匀上行气流剪切力较小，湍流强度低，含硫含尘烟气与脱硫剂混合不充分，脱硫反应未能得到强化。

3.由于脱硫塔内气固之间的剪切力比较小，颗粒之间的摩擦碰撞不激烈，脱硫剂颗粒表面的反应产物保留下来，干燥停止反应即停止，阻碍了外部烟气与颗粒内部的脱硫剂继续进行反应，脱硫剂得不到充分利用。

4.受脱硫塔的基础支撑结构的限制和烟气管道布置的需要，烟气管道通常由脱硫塔底部一侧水平进入，通过90°弯管上行进入脱硫塔，增加了脱硫塔的整体高度。且受到气体惯性的影响，使进入脱硫塔的烟气速度分布不均匀，塔内流场存在偏流，近入口一侧易出现回流区。虽然通过单个文丘里管或多个文丘里管可以调整一部分偏流，但受耗能的限制，可调整范围有限，尤其是大直径脱硫塔，难以维持脱硫塔内的烟气速度均匀分布。

5.半干法循环流化床烟气脱硫工艺中塔内垢的形成以含湿灰的黏壁为主，其形成主要受塔内流场与温度场、塔的结构尺寸、脱硫剂喷嘴雾化角及操作条件的影响。赵旭东等研究表明(文献1赵旭东，项光明，姚强等，循环流化床烟气脱硫吸收塔内结垢现象及机理分析，化工学报，2006年2月，第57卷第2期：397～402；2赵旭东，吴少华，马春元等，循环流化床烟气脱硫中过湿现象的实验研究与分析，动力工程，2002年6月，第22卷第3期：1815～1818)循环流化床烟气脱硫反应塔内，流场速度分布和温度分布均为中间高，靠近壁面低，壁面附近存在涡流滞流区，该区内烟气湿度大；气固两相滑移速度较大，固体颗粒随气流上升、回窜并在壁面附近下降回流；锅炉低负荷运行烟气流速未高于2m·s^-1等都易造成脱硫塔内结垢，影响装置正常运行。

6.不均匀度的概念是为考察气体速度沿脱硫塔高度的变化发展，是对不同高度截面上气体分布状况进行的量化分析，其值为测量线上所考察参数的均方根。经胡金榜(文献3胡金榜，李艳平，陈安新等，循环流化床脱硫反应器入口结构对气体流动影响数值模拟，化学工程，2005年2月，第33卷第1期：20～23)等人研究表明，由于循环灰回料口的存在，气体流至回流管处，其轴向速度会发生较大变化，导致脱硫塔内回料口周围区域气体速度分布不均匀度加大。

中国实用新型专利CN201320702217.8提供一种湿式脱硫除尘一体化装置，在脱硫塔顶部净烟气通道上设置一连通烟道，并于连通烟道上端安装一竖式湿式电除尘器，该设计减少了装置占地面积，且将湿式电除尘器的喷淋、冲洗水引流回脱硫塔重复利用，但脱硫塔中仍为均匀上行气流，且脱硫除尘仍分两器进行。

中国发明专利CN200910143297.6提出一种半干式循环流化床切流与直流复合进气脱硫塔，该装置通过在脱硫塔内安装烟气切向进口结构，与安装在脱硫塔底部的气流分配室相复合，在脱硫塔内形成一个直流与旋流共存的流场，解决了脱硫塔内流场剪切力较小，气流湍流强度不高，气固混合不充分等问题。但是该装置仍采用两器布置，在脱硫塔一侧设置旋风分离器实现气固分离。

中国发明专利CN200410101852.6提出一种循环流化床烟气脱硫除尘一体化方法及装置，在脱硫塔底部设置预分离室，预分离室采用双向切向进气结构在预分离室形成旋转流，但目的是实现烟气的缓冲和烟气中固体颗粒的预分离，没有进行脱硫反应，分离后烟气再经过过渡段进入脱硫塔，过渡段形式类似文丘里管束，作用仍是分配气流，脱硫塔内的气流流场是均匀上行的。

发明内容

本发明是在脱硫塔内构建一个旋转流场实现烟气的充分混合接触，脱硫塔底部采用切向进气结构，将脱硫塔内的均相反应过程改为非均相反应过程，其目的是改善脱硫塔内流场剪切力较小、湍流强度不高的问题，增强含硫含尘烟气与脱硫剂的混合，强化塔内脱硫反应过程，提高脱硫剂利用率。

本发明采用脱硫除尘一体化设计，在脱硫塔顶部提供一种伞罩结构并利用塔壁分隔出脱硫反应室、环形气固分离室以及对称循环灰回料通道，环形气固分离室沿脱硫塔筒体外壁设置对称螺旋斜坡，利于分离下的循环灰落入回料通道，有效减少常规脱硫塔及其外置旋风分离器、回料装置所占空间。

本发明在脱硫塔顶部设置渐缩式烟气出口，加速洁净烟气流出的同时利用惯性分离出洁净烟气中夹带的脱硫剂颗粒，使其掉落至脱硫塔中继续参加反应，延长脱硫剂停留时间，增强循环流化床内循环。

本发明通过提供双侧对称循环回料通道及入口，将分离收集的吸收剂重新加入到脱硫塔中循环利用，降低钙硫比，增加脱硫剂循环使用次数，减弱单侧回料口对脱硫塔内流场造成的偏离。

本发明脱硫除尘一体化半干式旋流脱硫塔，包括烟气进气管(1)，方圆过渡管(2)，切向进气结构(3)，对称循环灰回料入口(4)，对称循环灰回料通道(5)，脱硫反应室(6)，螺旋斜坡(7)，洁净烟气出口管(8)，塔顶渐缩段(9)，环形气固分离室(10)，脱硫灰排料口(11)，螺旋给料器(12)，脱硫剂入口管(13)；所述烟气进气管(1)通过方圆过渡管(2)与切向进气结构(3)连接，切向进气结构(3)位于脱硫反应室(6)底部，脱硫剂入口管(13)位于脱硫反应室(6)底部中心，洁净烟气出口管(8)位于脱硫反应室(6)顶部，通过塔顶渐缩段(9)与脱硫反应室(6)筒体相连，环形气固分离室(10)与脱硫反应室(6)顶部连通，由脱硫反应室(6)筒体壁面分隔，环形气固分离室(10)下部沿脱硫反应室(6)外壁对称设置螺旋斜坡(7)，并通过其与对称循环灰回料通道(5)相连接形成伞罩结构，对称循环灰回料入口(4)位于脱硫反应室(6)下部，对称循环灰回料入口(4)与脱硫反应室(6)连通处安装螺旋给料器(12)，脱硫灰排料口(11)位于对称循环灰回料通道(5)末端。

本发明脱硫除尘一体化半干式旋流脱硫塔，其特征在于：所述的切向进气结构(3)是矩形管，或是圆管。

本发明脱硫除尘一体化半干式旋流脱硫塔，其特征在于：所述的切向进气结构(3)与脱硫反应室(6)筒体直切，或蜗壳式切入。

本发明脱硫除尘一体化半干式旋流脱硫塔，其特征在于：所述的螺旋斜坡(7)沿脱硫反应室(6)外壁对称设置，共四段，两两与对称循环灰回料通道(5)连接。

本发明脱硫除尘一体化半干式旋流脱硫塔，其特征在于：所述的对称循环灰回料通道(5)外壁为弧面，其曲率同环形气固分离室(10)外壁曲率，侧壁为平面。

本发明脱硫除尘一体化半干式旋流脱硫塔，其特征在于：所述的脱硫剂入口管(13)布置在脱硫塔底部中心。

以下结合附图和具体实施方式，详细叙述本发明的技术方案。

附图说明

图1为常规循环流化床脱硫脱硝工艺流程图

图2为脱硫除尘一体化半干式旋流脱硫塔结构示意图。

图3为脱硫除尘一体化半干式旋流脱硫塔结构三视图。

图4为脱硫除尘一体化半干式旋流脱硫塔工作原理图。

具体实施方式

为克服常规循环流化床烟气脱硫塔内气流剪切力较小，气流湍流强度不高，含尘含硫烟气与脱硫吸收剂混合接触不充分，脱硫剂利用率不高的问题，结合附图2，通过在脱硫塔底部设置切向进气结构(3)，脱硫反应室(6)内形成强烈的旋转流。在旋转流的作用下，气流剪切力和湍流强度明显提高，含尘含硫烟气与脱硫吸收剂的充分混合及接触得到强化。并且在强旋流的作用下，脱硫反应室(6)内气体流场湍动强烈，气流夹带的脱硫剂颗粒之间相互碰撞和摩擦加剧，使脱硫剂颗粒表面的反应产物脱落，其内部活性高的新鲜部分继续参加反应，提高了脱硫剂的利用率。脱硫剂入口管(13)设置在脱硫反应室(6)底部中心位置，向上喷射而出的脱硫剂颗粒均匀的分布在脱硫反应室(6)内烟气形成的旋流场中，与烟气充分混合接触，避免了以往脱硫剂从塔侧壁进入产生的脱硫剂分布不均匀的问题。

本发明在脱硫反应室(6)内实现了强旋转流，有效缓解脱硫反应室(6)内粘壁和结垢现象的发生。从流场角度分析：首先，强旋流改善了常规通过一侧90°弯管上行气流造成的流场偏斜，降低了粘壁情况的发生几率；其次，脱硫反应室(6)内流场湍动强烈，增强了脱硫反应传质传热效率，促进含湿颗粒的干燥。此外，从塔内垢的物理性质分析，半干式循环流化床烟气脱硫塔中塔壁及塔内构件上的结垢风干后质地坚硬，但在脱硫装置运行过程中，形成的垢由于含水量较大，相对较柔软。本发明所实现的脱硫反应室(6)内强烈旋转流，由于其离心作用，强旋转气流携带部分脱硫剂颗粒在脱硫反应室(6)内壁表面旋转，壁面附近高浓度、高速度的灰循环产生的切向动量对脱硫反应室(6)内壁，尤其是脱硫剂入口管(13)上方4～5m的环形主要结垢区域产生较强的冲刷作用，有效防止了粘壁、结垢现象的发生。

本发明采用脱硫除尘一体化设计，如附图3所示，设置伞罩结构并利用脱硫塔壁实现脱硫反应室(6)、环形气固分离室(10)及对称循环灰回料通道(5)的分隔，有效减少常规循环流化床烟气脱硫塔两器布置中外置旋风分离器和回料管所占空间。环形气固分离室(10)与对称循环灰回料通道(5)连接间设置螺旋斜坡(7)，利于分离后沉降的脱硫剂颗粒顺利进入回料通道并再次进入脱硫反应室(6)中循环利用。此外，所采用的对称循环灰回料入口(4)设置螺旋给料器(12)，方便根据脱硫反应室(6)内反应情况及含尘含硫烟气负荷的改变灵活控制回料量。同时，循环灰回料入口的对称设置相对减弱了单侧回料对脱硫塔内流场造成的流场偏离。

本发明的切向进气结构(3)为矩形管或圆管，进气形式为蜗壳式或直切式进气，相比于通过螺旋叶片进气产生旋转流，切向进气结构加工制造简单，管道更易布置。另外，由于取消了文丘里管或布风板布气，且脱硫塔内部未添加内构件，脱硫塔***的压降显著降低，节能效果明显；同时，由于取消了文丘里管和90°弯管，所采用的切向进气结构降低了设备的整体高度。

本发明在脱硫反应室(6)顶部设置塔顶渐缩段(9)连接洁净烟气出口管(8)，加速洁净烟气流出的同时利用惯性分离出其中夹带的脱硫剂颗粒，使其掉落至脱硫反应室(6)中继续参加反应，延长脱硫剂停留时间，增强循环流化床内循环。

本发明脱硫除尘一体化半干式旋流脱硫塔，其工作原理为，如附图4所示，含尘含硫烟气通过切向进气结构在脱硫塔内产生强旋流，形成三维旋转速度场，脱硫剂颗粒通过脱硫塔底部中心的入口管喷射而出，向四周均匀散射并由烟气携带旋转而上。由于气流之间存在较大剪切力，气流的湍动能显著提高，保证了脱硫剂颗粒与烟气之间的充分接触和混合的同时，促进了颗粒之间的碰撞摩擦，使颗粒表面的反应产物脱落，内部新鲜的脱硫剂继续与烟气接触参加反应，提高了脱硫剂利用率。强旋流携带颗粒向上的过程中，脱硫塔壁面附近增大的切向速度使得颗粒对壁面产生冲刷，防止了粘壁结垢现象的发生。经过2～3s，已完成脱硫反应的烟气和脱硫剂颗粒到达脱硫塔上部，一部分烟气沿塔顶渐缩段加速通过流出的同时由于离心作用，所携带的脱硫剂颗粒被分离下来落入脱硫塔中继续参加脱硫反应，实现循环流化床内循环；一部分烟气进入环形气固分离室完成气固分离，脱硫剂颗粒沿螺旋斜坡进入循环灰回料通道沉积后通过螺旋给料器返回脱硫塔中循环利用，气体从洁净烟气出口管排出进入下一级高效除尘器。对称循环灰回料通道末端设置的脱硫灰排料口，根据吸收剂的供给量以及除尘分离效率，按比例排出吸收剂，送至灰仓。

本发明脱硫除尘一体化半干式旋流脱硫塔，其理论采用非均匀浓度反应模式，改变以往脱硫塔的均匀浓度反应模式，通过将常规脱硫塔上行进气改造为切向进气结构，将流化气动力和旋转离心力有机结合，且采用脱硫除尘一体化设计，设置伞罩结构并利用塔壁分隔出脱硫反应室、环形气固分离室以及对称循环灰回料通道，并设置对称循环灰回料入口，综上所述，具有以下有益效果：

1.采用脱硫除尘一体化设计，取消文丘里管和90°弯管的进气方式而采用切向进气结构，有效减少了脱硫装置占地面积和整体高度，便于制造安装。且切向进气结构的压降远低于文丘里管束所产生的，总体上降低了烟气流通阻力，能量消耗合理，具有节能效果。

2.脱硫塔内烟气的强烈旋转流显著提高气流剪切力及湍流强度，具有良好的气固接触、混合、湍动作用，强化脱硫反应过程。

3.由于旋转流的离心作用及增强的湍流强度，脱硫剂颗粒之间的碰撞、摩擦加剧，利于其表面的反应产物脱落，内部高活性的脱硫剂继续与烟气接触参加反应，提高了脱硫剂的利用率和脱硫效率，效果显著。

4.旋转气流的速度大于均匀上行气流单相的轴向速度，携带颗粒能力较强，且旋转气流的旋流强度受入口速度影响较小，当烟气处理量有变化时，可保证一定的旋转强度，适应负荷变化的复杂工况。

5.脱硫塔内强旋流场阻碍粘壁现象的发生，且由于旋转流的离心作用，壁面附近高浓度、高速度的灰循环产生的强烈的切向动量对脱硫塔内壁产生较强的冲刷，也可有效防止粘壁和结垢的情况发生。

6.双侧对称循环灰回料入口有效缓解单侧入口对流场造成的偏离。

Claims (6)

1.脱硫除尘一体化半干式旋流脱硫塔，包括烟气进气管(1)，方圆过渡管(2)，切向进气结构(3)，对称循环灰回料入口(4)，对称循环灰回料通道(5)，脱硫反应室(6)，螺旋斜坡(7)，洁净烟气出口管(8)，塔顶渐缩段(9)，环形气固分离室(10)，螺旋给料器(11)，脱硫灰排料口(12)，脱硫剂入口管(13)；所述烟气进气管(1)通过方圆过渡管(2)与切向进气结构(3)连接，切向进气结构(3)位于脱硫反应室(6)底部，脱硫剂入口管(13)位于脱硫反应室(6)底部中心，洁净烟气出口管(8)位于脱硫反应室(6)顶部，通过塔顶渐缩段(9)与脱硫反应室(6)筒体相连，环形气固分离室(10)与脱硫反应室(6)顶部连通，由脱硫反应室(6)筒体壁面分隔，环形气固分离室(10)下部沿脱硫反应室(6)外壁对称设置螺旋斜坡(7)，并通过其与对称循环灰回料通道(5)相连接形成伞罩结构，对称循环灰回料入口(4)位于脱硫反应室(6)下部，对称循环灰回料入口(4)与脱硫反应室(6)连通处安装螺旋给料器(11)，脱硫灰排料口(12)位于对称循环灰回料通道(5)末端。

2.根据权利要求1所述的脱硫除尘一体化半干式旋流脱硫塔，其特征在于：所述的切向进气结构(3)是矩形管，或是圆管。

3.根据权利要求1所述的脱硫除尘一体化半干式旋流脱硫塔，其特征在于：所述的切向进气结构(3)与脱硫反应室(6)筒体直切，或蜗壳式切入。

4.根据权利要求1所述的脱硫除尘一体化半干式旋流脱硫塔，其特征在于：所述的螺旋斜坡(7)沿脱硫反应室(6)外壁对称设置，共四段，两两与对称循环灰回料通道(5)连接。

5.根据权利要求1所述的脱硫除尘一体化半干式旋流脱硫塔，其特征在于：所述的对称循环灰回料通道(5)外壁为弧面，其曲率同环形气固分离室(10)外壁曲率，侧壁为平面。

6.根据权利要求1所述的脱硫除尘一体化半干式旋流脱硫塔，其特征在于：所述的脱硫剂入口管(13)布置在脱硫塔底部中心。