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湿法烟气脱硫的原理.pdf

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    • 1 湿法烟气脱硫的原理湿法烟气脱硫的原理1 湿法烟气脱硫的基本原理(1)物理吸收的基本原理气体吸收可分为物理吸收和化学吸收两种如果吸收过程不发生显著的化学反应,单纯是被吸收气体溶解于液体的过程,称为物理吸收,如用水吸收SO2 物理吸收的特点是,随着温度的升高,被吸气体的吸收量减少物理吸收的程度,取决于气--液平衡,只要气相中被吸收的分压大于液相呈平衡时该气体分压时,吸收过程就会进行由于物理吸收过程的推动力很小,吸收速率较低,因而在工程设计上要求被净化气体的气相分压大于气液平衡时该气体的分压物理吸收速率较低,在现代烟气中很少单独采用物理吸收法2)化学吸收法的基本原理若被吸收的气体组分与吸收液的组分发生化学反应,则称为化学吸收,例如应用碱液吸收SO2应用固体吸收剂与被吸收组分发生化学反应,而将其从烟气中分离出来的过程,也属于化学吸收,例如炉内喷钙( CaO )烟气脱硫也是化学吸收在化学吸收过程中,被吸收气体与液体相组分发生化学反应,有效的降低了溶液表面上被吸收气体的分压增加了吸收过程的推动力,即提高了吸收效率又降低了被吸收气体的气相分压因此,化学吸收速率比物理吸收速率大得多物理吸收和化学吸收,都受气相扩散速度(或气膜阻力)和液相扩散速度(或液膜阻力)的影响,工程上常用加强气液两相的扰动来消除气膜与液膜的阻力。

      在烟气脱硫中,瞬间内要连续不断地净化大量含低浓度SO2 的烟气,如单独应用物理吸收,因其净化效率很低,难以达到SO2 的排放标准因此,烟气脱硫技术中大量采用化学吸收法用化学吸收法进行烟气脱硫,技术上比较成熟,操作经验比较丰富,实用性强,已成为应用最多、最普遍的烟气脱硫技术3)化学吸收的过程化学吸收是由物理吸收过程和化学反应两个过程组成的在物理吸收过程中,被吸收的气体在液相中进行溶解,当气液达到相平衡时,被吸收气体的平衡浓度,是物理吸收过程的极限被吸收气体中的活性组分进行化学反应,当化学反应达到平衡时,被吸收气体的消耗量,是化学吸收过程的极限这里用 Ca(OH)2溶液吸收SO2 加以说明SO2(气体)|| 2 SO2(液体) +Ca(OH)2 → CaSO3+H2O← 化学吸收过程中,被吸收气体的气液平衡关系,即应服从相平衡关系,又应服从化学平衡关系4)化学吸收过程的速率及过程阻力化学吸收过程的速率,是由物理吸收的气液传质速度和化学反应速度决定的化学吸收过程的阻力,也是由物理吸收气液传质的阻力和化学反应阻力决定的在物理吸收的气液传质过程中,被吸收气体气液两相的吸收速率,主要取决于气相中被吸收组分的分压,和吸收达到平衡时液相中被吸收组分的平衡分压之差。

      此外,也和传质系数有关,被吸收气体气液两相间的传质阻力,通常取决于通过气膜和液膜分子扩散的阻力烟气脱硫通常是在连续及瞬间内进行,发生的化学反应是极快反应、快反应和中等速度的反应,如NaOH 、Na2CO3 、和 Ca(OH)2等碱液吸收SO2 为此,被吸收气体气液相间的传质阻力,远较该气体在液相中与碱液进行反应的阻力大得多对于极快不可逆反应,吸收过程的阻力,其过程为传质控制,化学反应的阻力可忽略不计例如,应用碱液或氨水吸收SO2 时,化学吸收过程为气膜控制,过程的阻力为气膜传质阻力液相中发生的化学反应,是快反应和中等速度的反应时,化学吸收过程的阻力应同时考虑传质阻力和化学反应阻力 5)碱液浓度对传质速度的影响研究得出,应用碱液吸收酸性气体时,碱液浓度的高低对化学吸收的传质速度有很大的影响当碱液的浓度较低时,化学传质的速度较低;当提高碱液浓度时,传质速度也随之增大;当碱液浓度提高到某一值时,传质速度达到最大值,此时碱液的浓度称为临界浓度;当碱液浓度高于临界浓度时传质速度并不增大为此,在烟气脱硫的化学吸收过程中,当应用碱液吸收烟气中的SO2 时,适当提高碱液的浓度,可以提高对SO2 的吸收效率。

      但是,碱液的浓度不得高于临界浓度超过临界浓度之后,进一步提高碱液的浓度,脱硫效率并不能提高可以得出,在烟气脱硫中,吸收SO2 的碱液浓度,并非愈高愈好碱液的最佳浓度为临界浓度,此时脱硫效率最高6)主要化学反应在湿法烟气脱硫中,SO2 和吸收剂的主要化学反应如下(7)同水的反应SO2 溶于水形成亚硫酸H2O+SO2 ──→ H2SO3 ──→ H+HSO3 ──→ 2H+ + SO323 ←── ←── ←── 温度升高时,反应平衡向左移动8)同碱反应SO2 及易与碱性物质发生化学反应,形成亚硫酸盐碱过剩时生成正盐;SO2 过剩时形成酸式盐2MeOH+SO2 ─→Me2SO3+H2OMe2SO3+SO2+H2O ─→ 2MeHSO3Me2SO3+MeOH ─→ Me2SO4+H2O亚硫酸盐不稳定,可被烟气中残留的氧气氧化成硫酸盐:Me2SO3+1/2O2─→MeSO4(9)同弱酸盐反应SO2 易同弱酸盐反应生成亚硫酸,继之被烟气中的氧气氧化成稳定的硫酸盐如同石灰石反应:CaCO3+SO2+1/2H2O ─→CaSO3?1/2H2O+CO2↑2CaSO3?1/2H2O+O2+3H2O ─→2CaSO4?2H2O(10)同氧化剂反应SO2 同氧化剂反应生成SO3 SO2+1/2O2 催化剂SO3 ─────→ 在催化剂的作用下, 可加速 SO2 氧化成 SO3 的反应。

      在水中,SO2 经催化剂作用被迅速氧化成SO3 ,并生成 H2SO4 :SO2+1/2O+H2O 催化剂H2SO4 ─────→ 1.6.5 同金属氧化物的反应金属氧化物,如MgO 、 ZnO 、MnO 、CuO 等,对 SO2 均有吸收能力,然后再用加热的方法使吸收剂再生,并得到高浓度的SO2 这里以 MgO 为例加以说明:MgO+H2O ─→Mg(OH)2Mg(OH)2+SO2+5H2O ─→MgSO3?6H2OMgSO 3?6H2O △ MgSO3+6H2O↑───→ MgSO3 △ MgO+SO2 ───→ 4 吸收剂再生后可循环使用,并可回收SO2 ,达到高浓度的气态SO2 经液化后得到液态SO2 2、湿法烟气脱硫用脱硫剂在化学吸收烟气脱硫中,吸收剂的性能从根本上决定了SO2 吸收操作的效率,因而对吸收剂的性能有一定的要求 1)吸收能力高要求对 SO2 具有较高的吸收能力,以提高吸收速率,减少吸收剂的用量,减少设备体积和降低能耗2)选择性能好要求对 SO2 具有良好的选择性能,对其他组分不吸收或吸收能力很低,确保对SO2 具有较高的吸收能力3)挥发性低,无毒,不易燃烧,化学稳定性好,凝固点低,不发泡,易再生,粘度小,比热小。

      4)不腐蚀或腐蚀小,以减少设备投资及维护费用5)来源丰富,容易得到,价格便宜6)便于处理及操作,不易产生二次污染完全满足上述要求的吸收剂是很难选择到的只能根据实际情况,权衡多方面的因素有所侧重地加以选择石灰(CaO ) 、氢氧化钙 [Ca(OH )2、碳酸钙( CaCO3 ) ,是烟气脱硫较为理想的吸收剂,因而在国内外烟气脱硫中获得最广泛地应用工业上利用废碱液吸收燃煤工业锅炉烟气中的SO2 ,利用锅炉冲渣水和湿法除尘循环水在除尘的同时吸收 SO2 等,已有成功的范例从资源综合利用,以废治废,避免和减轻二次水污染角度出发来选择吸收剂,具有更重要的意义3、湿法烟气脱硫的类型及工艺过程( 1)类型根据各种不同的吸收剂,湿法烟气脱硫可分为石灰石/石膏法、氨法、钠碱法、铝法、金属氧化镁法等,每一类型又因吸收剂不同2)工艺过程湿法烟气脱硫的工艺过程多种多样,但他们也具有相似的共同点:含硫烟气的预处理(如降温、增湿、除尘),吸收,氧化,富液处理(灰水处理),除雾(气水分离) ,被净化后的气体再加热,以及产品浓缩和分离等石灰石/石灰 —— 石膏法,是燃煤煤电厂应用最广泛、最多的典型的湿法烟气脱硫技术我国燃煤锅炉湿法烟气脱硫工艺过程较多,其中较典型的工艺过程为旋流塔板高效脱硫除尘工艺过程和湿法氧化镁延期脱硫工艺过程。

      4、湿法烟气脱硫主要设备5 湿法烟气脱硫主要设备是指脱硫塔(或洗涤塔、洗涤器)和脱硫除尘器对脱硫塔和脱硫除尘器的要求用于燃煤发电厂烟气脱硫的大型脱硫装置称为脱硫塔,而用于燃煤工业锅炉和窑炉烟气脱硫的小型脱硫除尘装置多称为脱硫除尘器在脱硫塔和脱硫尘器中,应用碱液洗涤含SO2 的烟气,对烟气中的SO2进行化学吸收为了强化吸收过程,提高脱硫效率,降低设备的投资和运行费用,脱硫塔和脱硫除尘器应满足以下的基本要求:(1)气液间有较大的接触面积和一定的接触时间;(2)气液间扰动强烈,吸收阻力小,对SO2 的吸收效率高;(3)操作稳定,要有合适的操作弹性;(4)气流通过时的压降要小;(5)结构简单,制造及维修方便,造价低廉,使用寿命长;(6)不结垢,不堵塞,耐磨损,耐腐蚀;(7)能耗低,不产生二次污染SO2 吸收净化过程,处理的是低浓度SO2 烟气,烟气量相当可观,要求瞬间内连续不断地高效净化烟气因而,SO2 参加的化学反应应为极快反应,它们的膜内转化系数值较大,反应在膜内发生,因此选用气相为连续相、湍流程度高、相界面较大的吸收塔作为脱硫塔和脱硫除尘器比较合适通常,喷淋塔、填料塔、喷雾塔、板式塔、文丘里吸收塔等能满足这些要求。

      其中,填料塔因其气液接触时间和气液比均可在较大的范围内调节,结构简单,在烟气脱硫中获得广泛地应用常见吸收塔的性能目前国内外燃煤电厂常用的脱硫塔,主要有喷淋空塔、填料塔、双回路塔及喷射鼓炮塔等四种脱硫除尘器近年来,我国许多部门对燃煤工业锅炉及窑炉烟气脱硫技术进行了研究及开发为了经济简便起见,常常将烟气除尘及脱硫一体化处理,即在同一个设备内处理为此,将脱硫除尘一体化设备成为脱硫除尘器我国中小型燃煤锅炉常用的脱硫除尘器,主要有旋流塔板脱硫除尘器、空心塔脱硫除尘器、填料塔脱硫除尘器以及流化床脱硫除尘器等5、湿法烟气脱硫技术的应用( 1)湿法烟气脱硫在燃煤发电厂及中小型燃煤锅炉上获得广泛的应用,成为当今世界上燃煤发电厂采用的脱硫主导工艺技术这是由于湿法烟气脱硫效率高、设备小、易控制、占地面积小以及适用于高中低硫煤等6 目前,在国内外燃煤发电厂中,湿法烟气硫占总烟气脱硫的85% 左右,并有逐年增加的趋势在我国中小型燃煤锅炉中,湿法烟气脱硫占98% 以上,接近100% 2)在国内外燃煤发电厂中,湿法烟气脱硫中,石灰石/石灰 —— 石膏法、石灰石/石灰抛弃法烟气脱硫,占烟气脱硫总量的83% 左右,其中石灰石/石灰 —— 石膏法占 45% 以上,并有逐年增加的趋势,而石灰石 /石灰 -石膏抛弃法呈逐年下降的趋势。

      这是由于石灰石/石灰 —— 石膏法副产建筑材料石膏,对环境不造成二次污染所致在我国中小型燃煤锅炉上,石灰抛弃法烟气脱硫占主导地位,SO2 一般不回收,多以硫酸盐或亚硫酸盐抛弃3)湿法石灰石 /石灰 —— 石膏烟气脱硫中,由于石灰石来源丰富,价格比石灰低得多,多年来形成了湿法石灰石—— 石膏烟气脱硫技术,并在国内外燃煤发电厂中获得广泛的应用,其应用量有逐年增加的趋势4)湿法石灰石/石灰工艺可适用于高中低硫煤种5)湿法烟气脱硫技术,尤其是石灰石/石灰烟气脱硫技术,除在燃煤发电厂获得广泛应用外,在硫酸工业、钢铁工业、有色冶金工业、石油化工以及燃煤工业窑炉等烟气脱硫中也获得广泛的应用6)美国烟气脱硫工程的基本建设投资费用,占电厂总投资的10~20% 我国珞璜电厂已运行的2台 36 万 KW 机组,湿法石灰石/石灰 —— 石膏法烟气脱硫总投资为2.26亿元,占电厂同期总投资的11.15% ,年运行费用为8319 万元,脱除每吨SO2 的费用为945 元可见,削减SO2 的排放量,防治大气SO2 污染,需要投入大量的资金和人力因此,实施严格的排放标准,必须以高额的环保投资为代价6、 湿法烟气脱硫存在的问题及解决。

      湿法烟气脱硫通常存在富液难以处理、沉淀、结垢及堵塞、腐蚀及磨损等等棘手的问题这些问题如解决的不好,。

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