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烟气脱硫吸收塔设计-管道轴流风机

  前 言

  煤炭为我国的第一能源。随着我国经济的快速发展,煤炭消耗量不断增加,二氧化硫的排放量也日趋增多,造成二氧化硫污染和酸雨的严重危害。1999年我国二氧化硫排放总量为1857万吨,其中工业来源为1460万吨,生活来源为397万吨[1]。酸雨区面积占国土面积的30%,主要分布在长江以南、青藏高原以东的广大地区及四川盆地。

  酸雨使得森林枯萎,土壤和湖泊酸化,植被,粮食、蔬菜和水果减产,金属和建筑材料被腐蚀。空气中的二氧化硫也严重地影响人们的身心健康,它还可形成硫酸酸雾,危害更大。

  我国高度重视酸雨和二氧化硫污染的防治,国务院环委会、全国常委会、国家环保局等召开了一系列酸雨和二氧化硫污染综合防治的会议并制定通过相应法律法规。国家环保局局长指出:成熟的二氧化硫污染控制技术和设备是实现两控区控制目标的关键因素。他同时指出:为了实现酸雨和二氧化硫污染控制目标,要加快国产脱硫技术和设备的研究、开发、推广和应用[2]。因此研究开发适合我国国情的烟气脱硫技术和装置,吸收消化国外先进的脱硫是当前的迫切任务。

  二氧化硫控制方法多种多样,可以分为三大类:

  ⑴ 燃烧前脱硫,如洗煤等[3];

  ⑵ 燃烧中脱硫,如型煤固硫、炉内喷钙[4]等;

  ⑶ 燃烧后脱硫,即烟气脱硫(F),是目前应用最广、效率最高的脱硫技术。

  ㈠ 烟气脱硫技术的现状

  ⒈ 烟气脱硫经典工艺

  ⑴ 湿法脱硫

  目前较成熟、运行较稳定的方法。由于是气液反应,脱硫反应速率快、效率高、脱硫剂利用率高。但其废水处理量大,运行成本也较高。目前世界上已开发的湿法烟气脱硫技术,主要有石灰石(石灰)-石膏法、双碱法、海水脱硫、氨吸收法、氧化镁法等。其中石灰石(石灰)-石膏法有以下特点:

  ① 脱硫效率高,可达95%以上。

  ② 技术成熟,运行可性高,费用低。特别是新建的大机组采用该工艺,使用寿命长,可取得良好的投资效益。

  ③ 对煤种适应范围广,采用高硫份燃煤,也能获得较高的脱硫效率,达到排放标准。

  ④ 吸收剂原料石灰石价廉易得,便于降低运行成本。

  ⑤ 副产品脱硫石膏品位好,虽不足以抵消运行费用,至少可以避免二次污染。

  ⑵ 半干法脱硫

  ⅰ炉内喷钙式活化(LIFAC)法

  在传统炉内喷钙法基础上增加了活化反应器,并促进喷水增湿。脱硫效率可达到75%-80%左右。

  ⅱ旋转喷雾干燥(SDA)法

  此法是利用喷雾干燥的原理,将吸收剂(如石灰浆液)雾化喷入吸收塔内,使得吸收剂与烟气中的SO2发生化学反应。得到的固体以废渣形式排出。

  ⑶ 干法脱硫

  传统是用石灰苏打(CaO-Na2CO3)干粉来除去烟道内废气所含的SO2。从而得到干粉状钙盐和钠盐及未反应的干燥粉尘的混合产物的方法。

  ⒉ 新工艺发展现状

  由于传统工艺存在效率低、操作复杂等特点,在科技的发展和环保要求下,许多国家已不局限于传统工艺,新工艺不断被研究开发出来。

  ⑴ 荷电干式喷射脱硫(CDSI)法

  此法是美国ALANCO公司开发的专利技术。其技术核心是吸收剂以高速通过高压静电电晕充电区,得到强大的静电荷后,被喷射到烟气中,扩散形成均匀的悬浮状态。此法投资及占地仅为传统湿法的10%~27%。但脱硫效率相对较低。

  ⑵ 电子束照射(EBA)法

  其原理是在烟气进入反应器之前先加入氨气,然后在反应器中用电子加速器产生的电子束照射烟气,使水蒸气与氧等激发产生氧化能力强的基,这些基使烟气中的SO2很快氧化,产生硫酸。再和氨气反应形成硫酸氨。其主要特点是系统简单,操作方便,过程易于控制,副产物可用于生产化肥。脱硫成本低于传统方法。但此法需要大功率、长期温度的电子枪,同时需要防辐射屏蔽。

  ⑶ 脉冲电晕等离子体(PPCP)法

  是日本专家增田闪一在EBA法的基础上提出的。它是脉冲高压电源在普通反应器中形成等离子体,产生高能电子。此法设备简单,操作简便,投资是EBA法的60%。

  除以上介绍的以外,近年发展的新工艺还有ABB公司开发的新型集成半干式脱硫(NID)法,适合于海边工厂的海水脱硫工艺、常温精脱硫工艺[5]等。

  ㈡ 国外主要的几种烟气脱硫技术简介

  ⅰ LIFAC脱硫工艺[6]

  IVO公司和Tampella公司开发了LIFAC脱硫工艺,这项技术是改进的石灰石喷射工艺,进一步提高了脱硫率。它的主要优点是,耗电量小,经济效益高,工艺设备简单,投资明显低于湿式和雾化干式脱硫方法,且无废水排放。同时维修较方便,占地面积小。

  ⅱ 尿素法[7]

  尿素法净化烟气工艺由俄罗斯门捷列夫化学工艺学院等单位联合开发,可同时去除SO2和NOX,SO2的脱除率可达99%~100%,NOX脱除率大于95%。对设备无腐蚀作用, NOX、SO2的脱除率与烟气中NOX、SO2的浓度无关,尾气可直接排放,吸收液经处理后可回收硫酸铵。

  此外还有丹麦开发的SNOX技术[6,8]和微生物烟气脱硫技术。

  ㈢ 烟气脱硫技术的发展趋势与前景

  ⒈ 新工艺发展趋势

  各项资料显示,国外最新脱硫技术研究主要有以下几个特点:

  ⑴ 除尘、脱硫、脱氮一体化

  由于硫氧化物、氮氧化物同是国家排放的污染物,而分开处理明显增加了设备的投资和空间的占用。

  ⑵ 自动化技术更加明显

  最新的几个脱硫工艺更多的是向干法脱硫方向发展,而干法脱硫是最容易达到自动化目的。这也是向社会不断发展的电子技术拢。相应的,其科技含量也将越来越高。

  ⑶ 生产成本不断下降

  新工艺的脱硫成本相对较低,在这个讲究经济效益的时代要想不被淘汰,其各项成本应越低越好。

  ⒉ 烟气脱硫技术发展的前景

  在未来十几年内,循环流化床烟气脱硫装置在我国电厂脱硫应用中将会有巨大的潜力和应用前景,同时海水烟气脱硫装置在我国沿海电厂,海水资源方便的地区将会有不可替代的优势。

  微生物法用于烟气脱硫将具有不需高温、高压、催化剂,均为常温常压下操作,操作费用低、设备要求简单,利用微生物脱硫,营养要求低,无二次污染等特点。因此,微生物烟气脱硫是实用性强、技术新颖的生物工程技术,具有诱人的应用前景,应引起重视,加速开发。

  第1章 脱硫方案的选择以及塔体选型

  1.1 脱硫方案的选择

  燃烧后烟气脱硫(Flue gas desulphurization,缩写F)是目前世界上已经完成大规模商业化应用的主要脱硫技术之一,可分为湿法、半干法和干法三类工艺。在脱硫的过程中加入水的工艺称为湿法脱硫(Wet flue gas desulphurization,缩写WF),目前世界上已开发的湿法烟气脱硫技术,主要有石灰石(石灰)-石膏法、双碱法、海水脱硫、氨吸收法、氧化镁法等。

  石灰石-石膏法是用石灰石浆液与烟气中的SO2反应,在现有的烟气脱硫工艺中,这是目前世界上工艺最为成熟,运行可性最高,使用最为广泛的湿式脱硫技术。故本设计采用石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术。但是石灰石-石膏法WF的脱硫产物的处理比较麻烦,烟温降低不利于扩散,工艺较为复杂,易结垢堵塞,占地面积和投资都较大,本设计中针对这些缺点,采取了许多改进措施。

  1.2 塔型选择

  吸收塔是烟气脱硫系统的核心装置。要求吸收塔气液接触面积大,气体吸收反应良好,压力损失小,并且适用于大容量烟气处理,主要有喷淋塔、填料塔、板式塔等类型。

  喷淋塔在全世界WF系统中占有突出的地位,是主流的塔型,多采用逆流方式布置,烟气从喷淋区的下部进入吸收塔,与均匀喷出的吸收浆液逆流接触。一般有3~4个喷淋层,每层有多个喷嘴,石灰石浆液经喷嘴雾化后均匀喷淋于塔中。烟气可与液滴紧密接触,顺流、逆流方式均可。逆流运行利于烟气和吸收液充分接触,但压力损失也大。气流带出的液态雾滴由除雾器捕获。由于塔内构件少,大大减少结垢和堵塞的机会,压力损失也小。由于本设计中采用的脱硫剂为石灰石浆液,易出现磨蚀、结垢、堵塞等情况,且塔内构件越多,结垢的性越大,故选用喷淋塔。同时借鉴筛板塔气液分布均匀的优点,在喷淋层下加装筛孔板使烟气分布均匀。

  1.3 氧化方式的选择[9]

  石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺中有强制氧化和自然氧化之分,其区别在于吸收塔底部的持液槽中是否通入强制氧化空气。在强制氧化法中,吸收浆液中的 几乎全部被持液槽底部通入的空气强制氧化成 ,脱硫产物主要为石膏(CaSO42H2O)。目前,强制氧化法已成为WF中优先选择的工艺,它不论是在脱硫效率还是在系统运行的可性方面均比自然氧化工艺优越很多。强制氧化工艺的固体产物97%以上为石膏,石膏颗粒的名义直径为32m,为较大的晶体,沉淀速率快,脱水容易,一般经旋液分离和过滤二级处理能得到含水率为10%以下的固体产物。而自然氧化的脱硫系统中经常遇到也是最严重的问题是石膏引起的结垢和堵塞问题。通过表1-1的比较,强制氧化工艺在很多方面均比自然氧化工艺更优越,故这里选择强制氧化的办法。

  表1-1强制氧化和自然氧化工艺的比较[9]

  1.4 石灰石-石膏法WF的工艺原理

  1.4.1石灰石-石膏法WF反应机理

  图1-1 WGFD物理和化学过程示意图[9]

  石灰石WF反应机理复杂,主要反应为烟气中的SO2先溶解于吸收液中,然后解离成 和 :

  (1-1)

  (1-2)

  式(2-1)为慢反应,是速度控制过程之一。在吸收塔底部的持液槽中, 被通入的空气强制氧化为 :

  (1-3)

  该氧化反应要求pH值小于5.5。石灰石的溶解度常低的( 0.015kgm-3),其溶解反应式为:

  (1-4)

  在持液中, 与部分溶解的石灰石反应:

  (1-5)

  石膏的产生使石灰石进一步溶解,同时 和 结合产生 和 :

  (1-6)

  (1-7)

  持液槽中是由石灰石、碳酸氢钙和石膏等组成的浆状混合物,其部分被强制循环,部分作为产物排出,同时补充新鲜的石灰石浆液以维持pH值的稳定。以上反应主要在吸收塔和持液槽中发生,其物理和化学过程如图2-1所示,并且可由如下总反应式表示:

  (1-8)

  由于反应为快速化学反应,因此吸收过程的总速率与SO2 /O2在气液相中的传质,石灰石(CaCO3)在水中的溶解速度有关。

  1.4.2 SO2的吸收

  SO2吸收是一个从气相到液相的相间的传质过程。对于吸收机理以双模理论模型的应用较广,如图1-2所示,把吸收过程简化为通过气膜和液膜的扩散,通过此两层膜 图1-2 双膜理论示意图

  的扩散阻力就是吸收过程的总阻力。气液两相间的传质速率取决于通过气膜和液膜的扩散速度。在气液相界面上气液平衡,并遵循亨利定律。KG和kG分别为组分A以气相分压差为推动力的总传质系数和气膜传质分系数,kmol(㎡satm)-1;KL和kL分别为组分A和以液相浓度差为推动力的总传质系数和液膜传质分系数,m/s,它们的关系如下:

  (1-9)

  (1-10)

  可见,气膜阻力和液膜阻力的大小分别取决于所吸收组分A的溶解度系数H。对于SO2吸收,H较大,总阻力近似等于气膜阻力,属于气膜控制。

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