雙液位噴射鼓泡煙氣脫硫除塵裝置

摘 要

摘要：針對城鎮(zhèn)集中供熱鍋爐房的特點(diǎn)，提出使用鈣基脫硫劑的雙液位噴射鼓泡煙氣脫硫除塵裝置。介紹了雙液位噴射鼓泡煙氣脫硫除塵裝置的脫硫機(jī)理，實(shí)驗(yàn)分析了脫硫劑pH值對脫硫效率
摘要：針對城鎮(zhèn)集中供熱鍋爐房的特點(diǎn)，提出使用鈣基脫硫劑的雙液位噴射鼓泡煙氣脫硫除塵裝置。介紹了雙液位噴射鼓泡煙氣脫硫除塵裝置的脫硫機(jī)理，實(shí)驗(yàn)分析了脫硫劑pH值對脫硫效率的影響、沖擊管出口煙氣流速對煙氣壓力降的影響，探討了該脫硫裝置的工業(yè)應(yīng)用。使用鈣基為脫硫劑的雙液位噴射鼓泡煙氣脫硫除塵裝置，可減緩設(shè)備結(jié)垢，降低脫硫除塵成本，實(shí)現(xiàn)脫硫產(chǎn)物隨灰渣一同處理。
關(guān)鍵詞：雙液位；噴射鼓泡；煙氣脫硫除塵
Double Liquid-level Jet Bubbling Flue Gas Desulfurization and Dust Removal Device
PENG Tie-cheng
Abstract：Aimed at the characteristics of centralized heat-supply boiler room in cities and towns，a double liquid-level jet bubbling flue gas desulfurization and dust removal device using calcium-based desulfurizer is presented. The desulfurization mechanism of this device is introduced. The effect of pH value of desulfurizer on desulfurization efficiency as well as the effect of flue gas velocity at the outlet of impact tube on flue gas pressure drop are experimentally analyzed. The industrial applications of this device are discussed. This device can ease device scaling and reduce cost and achieve simultaneous treatment of desulfurization product and ash.
Key words：double liquid-level；jet bubbling；flue gas desulfurization and dust removal
1 概述
   我國是世界上工業(yè)鍋爐數(shù)量和耗煤量較多的國家。工業(yè)鍋爐的特點(diǎn)是熱功率小、排放點(diǎn)分散，在我國北方地區(qū)多用于供熱，因此供暖期內(nèi)，SO2成為大氣中主要污染物，煙氣脫硫是目前減少SO2排放的主要手段。近年來工程技術(shù)人員針對工業(yè)鍋爐煙氣脫硫做了大量工作，并相繼對氧化鎂法[1～3]、氨法[4]、雙堿法[5、6]做了大量的研究工作和分析報(bào)道。氧化鎂法、氨法的核心在于脫硫產(chǎn)物的回收和利用，對于管理水平較高、設(shè)備完善的電力鍋爐和大型工業(yè)鍋爐煙氣脫硫效果是令人滿意的。但在眾多工業(yè)鍋爐煙氣脫硫的應(yīng)用中，由于管理水平低或缺少脫硫產(chǎn)物的回收設(shè)備，造成廢水排放中含有大量硫酸鹽和亞硫酸鹽，將氣態(tài)污染轉(zhuǎn)化為水體污染。雙堿法理論上是將煙氣中二氧化硫轉(zhuǎn)化為硫酸鈣和亞硫酸鈣，是一種減少污染預(yù)防設(shè)備結(jié)垢的方法，使用過程中若要保證一定的脫硫率，液氣比要大于2，而且脫硫劑pH值不能過高。但在實(shí)際應(yīng)用過程中由于許多用戶不能保證較高的脫硫劑循環(huán)量，只能提高脫硫劑的pH值，造成設(shè)備和管道結(jié)垢，最終導(dǎo)致脫硫失效。
    國內(nèi)技術(shù)人員在日本千代田公司開發(fā)的CT-121噴射鼓泡反應(yīng)塔工藝[7]基礎(chǔ)上，利用噴射鼓泡技術(shù)對煙氣脫硫進(jìn)行了分析研究[8～10]。實(shí)踐證明，該技術(shù)在負(fù)荷穩(wěn)定的環(huán)境中，工作可靠，脫硫效率高，實(shí)現(xiàn)有效脫硫和穩(wěn)定運(yùn)行[11、12]。為了滿足工業(yè)鍋爐煙氣有效脫硫的需要，本課題組開發(fā)研制了雙液位噴射鼓泡煙氣脫硫除塵裝置，使用鈣基脫硫劑，實(shí)現(xiàn)脫硫產(chǎn)物隨灰渣一同排放，不產(chǎn)生含硫酸鹽廢水。本文對雙液位噴射鼓泡煙氣脫硫除塵裝置的實(shí)驗(yàn)研究及工業(yè)應(yīng)用進(jìn)行探討。
2 脫硫除塵機(jī)理
    雙液位噴射鼓泡煙氣脫硫除塵裝置根據(jù)撞擊流原理，強(qiáng)化過程的熱質(zhì)傳遞以促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)[11]。其機(jī)理是通過慣性碰撞和離心撞擊與攔截，強(qiáng)化煙氣脫硫除塵效果。低液位、高液位的工作流程見圖1、2。
 
    含塵煙氣進(jìn)入沖擊管，沖擊液面，質(zhì)量大的煙塵接觸液面被捕集，煙氣轉(zhuǎn)向通過由沖擊管和套管形成的通道向上流動，在通道內(nèi)流速提高，靜壓減小，套管外部液體被引射通過套管的排孔流入通道內(nèi)與上升氣流激烈混合后被加速。煙氣中的煙塵在與液體混合過程中被加濕、?；?，煙氣中的二氧化硫在與脫硫劑混合過程中被中和吸收。液氣混合物流出上升通道遇撞擊擋板后液滴與氣體分離，氣流向上流動，液滴流回液面。通過排孔進(jìn)入上升通道的液體的量與氣流速度的變化規(guī)律一致，即煙氣速度越高，產(chǎn)生的靜壓越低，引射的水量越大。
    引風(fēng)機(jī)停運(yùn)時(shí)，液位由低液位溢流管控制，低液位溢流管保證沖擊管與液位之間有一定空間，供工業(yè)爐封火狀態(tài)時(shí)煙氣通過。當(dāng)引風(fēng)機(jī)開啟后煙氣量逐漸增大，套管內(nèi)液位低于低液位溢流管，此時(shí)低液位溢流管失效，套管外液位由高液位溢流管控制，脫硫劑循環(huán)通過高液位溢流管進(jìn)行。
    正常工作時(shí)，煙氣流出沖擊管轉(zhuǎn)向流動時(shí)，在液面上部空間，動壓轉(zhuǎn)化為靜壓，在液面上部排孔兩側(cè)產(chǎn)生壓差，煙氣通過排孔進(jìn)入液相形成鼓泡，遠(yuǎn)離液位的排孔壓差較大，鼓泡劇烈。形成鼓泡的煙氣量與開孔率、套管兩側(cè)的壓力差有關(guān)，進(jìn)入上升通道的煙氣量與進(jìn)入上升通道的液體量及流速有關(guān)，通過排孔形成鼓泡的煙氣阻力與進(jìn)入上升通道的煙氣阻力是相當(dāng)?shù)摹＿M(jìn)入上升通道的煙氣量與通過排孔形成鼓泡的煙氣量的比例是通過煙氣壓力降來平衡的，即與開孔率、液氣比、氣流速度、高液位溢流管的安裝位置有關(guān)。
    低負(fù)荷時(shí)煙氣量較少，煙氣流動阻力小，低液位溢流管循環(huán)工作，液位與沖擊管出口處空間較小。因此煙氣橫掠液面流速達(dá)到8m/s時(shí)就能卷吸液面，攜帶液滴進(jìn)入上升通道加速流動，煙氣中煙塵被加濕?；?，二氧化硫被脫硫劑吸收。
    隨著負(fù)荷增加，煙氣流速提高，流動阻力加大，液面低于低液位溢流管，液面與沖擊管出口處空間增大，上升通道內(nèi)煙氣流速迅速提高、動壓加大、靜壓減小，套管兩側(cè)形成壓力差。套管外側(cè)液體通過排孔流入上升通道與上升氣流混合，煙氣中的煙塵被加濕?；?，二氧化硫被脫硫劑吸收。當(dāng)負(fù)荷繼續(xù)升高時(shí)，煙氣量增加，流動阻力增加，套管內(nèi)液位下降，套管外液位上升，高液位溢流管限制了套管外的液位。隨著負(fù)荷的進(jìn)一步提高，套管內(nèi)液位下降，當(dāng)負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)套管兩側(cè)液位固定，此時(shí)套管內(nèi)液位與沖擊管出口處之間的空間較大，下降氣流在此空間轉(zhuǎn)向流動，速度滯流動壓轉(zhuǎn)化為靜壓，在排孔兩側(cè)形成壓力差，煙氣通過排孔進(jìn)入液相形成鼓泡。總氣量分為兩部分：一部分由上升通道流出，另一部分通過排孔流出。流量比例與上升通道幾何尺寸、煙氣流速、攜帶液量、排孔開孔率以及孔排列方式有關(guān)，兩部分流動阻力相等。
3 實(shí)驗(yàn)裝置
   以石灰漿液為脫硫劑的雙液位噴射鼓泡煙氣脫硫除塵實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)見圖3，模擬煙氣垂直進(jìn)入沖擊管在出口處卷吸液體向上流動，此過程中煙氣被加濕冷卻，煙氣中的二氧化硫和煙塵與脫硫劑接觸被吸收和去除。經(jīng)除塵和脫硫后的煙氣轉(zhuǎn)向向上流動，在撞擊擋板作用下水霧被分離，凈化后的煙氣由引風(fēng)機(jī)排出。脫硫劑循環(huán)泵將脫硫劑不斷補(bǔ)入塔內(nèi)以保證塔內(nèi)液位，正常工作時(shí)脫硫劑通過高液位溢流管進(jìn)行循環(huán)。調(diào)整二氧化硫瓶的閥門，可以改變二氧化硫濃度，通過測壓管可以測得在不同煙氣流量下的裝置阻力。煙氣分析儀可以測出煙氣中二氧化硫濃度的瞬時(shí)值和積分值。實(shí)驗(yàn)規(guī)模：模擬煙氣量200～1000m3/h，煙氣進(jìn)口處二氧化硫質(zhì)量濃度700～850mg/m3，空塔流速1～3m/s。
 
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
   脫硫劑pH值是影響脫硫效率的一個(gè)重要參數(shù)，也是脫硫過程中可調(diào)的參數(shù)。選擇適當(dāng)?shù)膒H值，不僅能夠保證足夠高的脫硫效率，還可以降低運(yùn)行成本，保證脫硫系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)選擇的石灰脫硫劑體積分?jǐn)?shù)為10%；h為高液位溢流管管口距沖擊管出口的距離，分別取50、100mm；低液位溢流管管口距沖擊管出口的距離為20mm。脫硫劑pH值對脫硫效率的影響見圖4。由圖4可知，脫硫劑pH值為3.8～6.0時(shí)，脫硫效率隨pH值的增加變化較快；pH值＞6時(shí)，脫硫效率變化緩慢。h=100mm時(shí)，噴射速度提高，引射的液量增加，鼓泡通過液層的高度和運(yùn)動的距離增加，氣液交換的時(shí)間延長，脫硫效率較高，阻力隨之增大。
 
    沖擊管出口煙氣流速對煙氣壓力降的影響見圖5。由圖5可知，當(dāng)h=50mm、沖擊管出口煙氣流速為5.0～8.4m/s時(shí)，液位由低液位溢流管控制，氣體通過沖擊管出口與液位高度為20mm的空間發(fā)生氣體卷吸液體的現(xiàn)象。隨著流速的增大卷吸現(xiàn)象加劇，被卷吸的液體量增加，氣液接觸主要在上升通道內(nèi)進(jìn)行，氣體壓降隨流速增加。當(dāng)沖擊管出口煙氣流速超過8.4m/s時(shí)，液位開始下降，低液位溢流管失效，沖擊管出口與液位形成的空間變大，上升通道內(nèi)煙氣流速迅速提高，動壓加大、靜壓減小，套管兩側(cè)形成壓力差，套管外側(cè)液體通過排孔流入上升通道與上升氣流混合。下降氣流在此空間轉(zhuǎn)向流動，速度滯流動壓轉(zhuǎn)化為靜壓，在排孔兩側(cè)形成壓力差，煙氣通過排孔進(jìn)入液相形成鼓泡。當(dāng)沖擊管出口流速為18m/s時(shí)，煙氣壓力降為1300Pa。
 
    當(dāng)h=100mm、沖擊管出口煙氣流速為5.0～9.0m/s時(shí)，液位由低液位溢流管控制。當(dāng)沖擊管煙氣出口流速超過9.0m/s時(shí)，液位開始下降，低液位溢流管失效，隨著沖擊管煙氣出口流速的進(jìn)一步提高，煙氣壓力降隨之增大。當(dāng)沖擊管出口煙氣流速為18m/s時(shí)，壓力降為1800Pa?？倸饬糠譃閮刹糠郑阂徊糠钟缮仙ǖ懒鞒?，另一部分通過排孔流出。流量比例與上升通道幾何尺寸、煙氣流速、攜帶液量、排孔開孔率以及孔排列方式有關(guān)，兩部分流動阻力相等。
5 工業(yè)應(yīng)用
    某脫硫除塵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖6。煙氣進(jìn)入均壓箱后，向下進(jìn)入噴射鼓泡管，含塵煙氣進(jìn)入沖擊管，沖擊液面，質(zhì)量大的煙塵接觸液面被捕集，煙氣轉(zhuǎn)向通過由沖擊管和套管形成的通道向上流動。在通道內(nèi)流速提高，靜壓減小，套管外部液體被引射通過套管的排孔流入通道內(nèi)與上升氣流激烈混合后被加速，煙氣中的煙塵在與液體混合過程中被加濕、粒化，其中的二氧化硫在與脫硫劑混合過程中被中和吸收。液氣混合物流出上升通道遇撞擊擋板后，強(qiáng)化了氣液接觸，并使得液滴與氣體分離，氣流向上流動，液滴流回液面。除塵脫硫后的煙氣轉(zhuǎn)向向上流動進(jìn)入上升管，在擋水板的作用下，大顆粒的霧滴被除下。凈化后的煙氣經(jīng)除霧器除掉細(xì)小水滴后排出，脫硫后的脫硫劑通過排液口和高液位溢流管流回堿液循環(huán)箱，脫硫劑循環(huán)泵將脫硫劑通過脫硫劑循環(huán)管送入塔內(nèi)循環(huán)使用。煙塵及脫硫生成物的沉渣沉入池底由刮渣機(jī)清除。
 
6 結(jié)論
    ① 雙液位噴射鼓泡煙氣脫硫除塵裝置適用于集中供熱鍋爐的煙氣脫硫除塵，當(dāng)?shù)拓?fù)荷和封火狀態(tài)時(shí)，低液位溢流管能保證低液位與沖擊管出口處留有煙氣通道。
    ② 城市集中供熱鍋爐房煙氣脫硫改造時(shí)，采用該技術(shù)不需要另設(shè)沉降池，脫硫生成物和煙塵隨爐渣一同排除，解決了城區(qū)老鍋爐房面積緊張的問題。
    ③ 雙液位噴射鼓泡煙氣脫硫除塵裝置能保持鍋爐負(fù)荷變化在30%～100%時(shí)的除塵效率和脫硫效率穩(wěn)定。根據(jù)測試結(jié)果，以石灰為脫硫劑，脫硫劑的pH值可控制在4～7，體積分?jǐn)?shù)在10%左右。煙氣壓力降為1600Pa時(shí)，脫硫效率大于80%，除塵效率大于98%，設(shè)備不結(jié)垢，運(yùn)行可靠，脫硫效率穩(wěn)定。
參考文獻(xiàn)：
[1] 陳向鋒，劉曉彗.氧化鎂在煙氣脫硫中的應(yīng)用[J].海湖鹽與化工，2006，(3)：34-36.
[2] 曹霞，陳秀萍.淺談氫氧化鎂法脫硫技術(shù)[J].有色冶金設(shè)計(jì)與研究，2000，(1)：47-51.
[3] 崔可，柴明，徐康富，等.回收法氧化鎂濕法煙氣脫硫機(jī)理和工藝基礎(chǔ)研究[J].環(huán)境科學(xué)，2006，(5)：846-849.
[4] 雷士文，雷世曉，王德敏.氨法煙氣脫硫脫硝的技術(shù)特征[J].電力環(huán)境保護(hù)，2006，(2)：32-34.
[5] 張慧明，王娟.應(yīng)用煙氣脫硫技術(shù)控制燃煤工業(yè)鍋爐SO2污染[J].電力環(huán)境保護(hù)，2006，(1)：13-16.
[6] 吳忠標(biāo)，劉越，譚天恩.雙堿法煙氣脫硫工藝的研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2001，(5)：534-537.
[7] 金國根.CT-121濕式脫硫工藝的技術(shù)特點(diǎn)及調(diào)試[J].電力建設(shè)，2005，(8)：48-52.
[8] 溫冬，溫高，于曉蕾.噴射鼓泡池阻力計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008，(29)：223-223.
[9] 翟云波，魏先勛，張德見.噴射鼓泡法煙氣脫硫工藝[J].污染與防治技術(shù)，2002，(4)：37-39.
[10] 孫世利，朱曉帆，蘇仕軍，等.用噴射鼓泡反應(yīng)器進(jìn)行煙氣脫硫[J].化工環(huán)保，2005，(4)：323-326.
[11] (以色列)TARNIR A(著)，伍沅(譯).撞擊流反應(yīng)器-原理和應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1996.
[12] ZHENG Y J，KIIL S，JOHNSSON J E. Experimental investigation of a pilot-scale jet bubbling reactor for wet flue gas desulphurization[J].Chemical Engineering Science，2003，(20)：4695-4703.
 
(本文作者：彭鐵成 天津理工大學(xué)動力系 天津 300383)