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煙氣脫硫技術發展的歷史過程和現狀

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煙氣脫硫技術發展的歷史過程和現狀

發布日期:2015-08-19 00:00 來源:http://www.mycazn.tw 點擊:

煙氣脫硫技術的發展歷史過程和現狀
   a) 20世紀70年代,以石灰石濕法為代表第一代煙氣脫硫。  
    b) 20世紀80年代,以干法、半干法為代表的第二代煙氣脫硫。主要有噴霧干燥法、爐內噴鈣加爐后增濕活化(LIFAC)、煙氣循環流化床(CFB)、循環半干法脫硫工藝(NID)等。這些脫硫技術基本上都采用鈣基吸收劑,如石灰或消石灰等。隨著對工藝的不斷改良和發展,設備可靠性提高,系統可用率達到97%,脫硫率一般為70%~95%,適合燃用中低硫煤的中小型鍋爐。
   c) 20世紀90年代,以濕法、半干法和干法脫硫工藝同步發展的第三代煙氣脫硫。  


  由于技術和經濟上的原因,一些煙氣脫硫工藝已被淘汰,而主流工藝,如石灰石-石膏濕法、煙氣循環流化床、爐內噴鈣加爐后增濕活化、噴霧干燥法、氣體懸浮吸收脫硫工藝(GSA)以及改進后的NID卻得到了進一步的發展,并趨于成熟。這些煙氣脫硫工藝的優點是:脫硫率高(可達95%以上);系統可利用率高;工藝流程簡化;系統電耗低;投資和運行費用低。
2.脫硫塔大型化的要點2.1盡量使用單塔脫硫'
  隨著機組容量的增大,脫硫塔的直徑也隨著增大。在能使用單塔的情況下,盡量不要使用雙塔和多塔,因為單一吸收塔技術提高了系統的可靠性和脫硫率,而且初期投資費可降低30%~50%。脫硫副產品回收利用的研究開發,也拓寬了其商業應用的途徑。
2.2脫硫塔大型化的主要問題


煙氣脫硫技術 脫硫塔大型化最主要的問題是要保證塔內流場中溫度的均勻性和調節的靈敏性。 
 a) 塔內流場中溫度均勻性的要求
在塔的高度方向的各個斷面上,各點的溫度趨于一致,不能有高、低溫差異太大的情況出現。因為高溫處的SO2吸收反應效果較差,高溫時吸收劑的活性較小,反應溫度與煙氣露點溫度的差值較大(AST),反應率就低;而低溫處,尤其出現低于露點溫度,即AST<0時,容易出現局部的結露、粘連和筒壁腐蝕,這就是為什么有些脫硫工藝需要在反應塔內加裝內襯的原因,其實,這種情況的危害性較大,反應塔可以通過內襯防腐,但煙氣下游的設備和煙氣管道卻難以防腐,且花費較大。
 b) 脫硫塔調節的靈敏性要求
 隨著負荷、工況的變化,各參數的負荷應變時間短,較少滯后,使脫硫效率隨著工況的變化而變化,從而保證各種工況下脫硫率穩定。
2.3循環流化床煙氣脫硫塔
 為保證脫硫反應塔溫度的均勻性和調節靈敏性,要求塔內有良好的傳質特性。物料的傳質往往比傳熱更重要,而且能更快達到更好的效果,單純的傳熱速度較慢,而且熱力場有熱力梯度,很難使各點的溫度在短時間內很均勻,利用循環流化床的原理而設計的脫硫塔,在這一方面比較能夠達到這一要求,它使反應塔內的傳熱傳質非常強烈。
循環流化床脫硫塔的特點 根據循環流化床原理而設計制造的脫硫反應塔,其煙氣進入反應塔底部時,塔內文丘里的加速,將噴入塔內的吸收劑和循環回流的物料吹起,形成沸騰床體,氣體和物料無論處于流化床的過渡段還是穩定段,都處于強烈的紊流狀態,物料之間的碰撞、摩擦、反應、傳熱等物理化學過程非常強烈,任何工況變化所引起的波動都會在這個強烈的傳熱傳質狀態下迅速達到新的平衡。這樣,布置在塔頂的溫度測點產生假信號或幾個測點的溫度信號不一致而使控制系統無法及時進行各種物料的調節的可能性大為減少,同時也使脫硫設備出現低溫、結露、腐蝕的概率大為減少。
.3.2回流式循環流化床煙氣脫硫塔的特點
 尤其是德國WULFF公司的回流式煙氣循環流化床(RCFB),其獨特的流場和塔頂結構設計,在RCFB吸收塔中,煙氣和吸收劑顆粒的向上運動中會有一部分因回流(Reflux)而從塔頂向下返回塔中。這股向下的回流固體與煙氣的方向相反,而且,它是一股很強的內部湍流,從而增強了煙氣與吸收劑的接觸時間。實際上可以認為這是一種與外部再循環相似的內部再循環。在內部再循環的作用下,RCFB工藝的脫硫效率得到了優化。也許很多脫硫工藝都很難避免腐蝕情況的出現,但這種概率和趨向則可以把握。
2.4脫硫塔內煙氣濕度的控制
a  溫度的控制,實質上是對煙氣濕度的控制。脫硫工藝中,煙氣的濕度對脫硫效率的影響很大。例如爐內噴鈣尾部增濕工藝,其爐內噴鈣脫硫效率為25%~35%,尾部增濕效率為40%~50%,總效率為75%左右,這說明了煙氣濕度對脫硫效率的影響。在相對濕度為40%~50%時,消石灰活性增強,能夠非常有效地吸收SO2,煙氣的相對濕度是利用向爐內給煙氣**的方法來提高。半干法煙氣脫硫工藝中,水和石灰以漿液的狀態注入煙氣,漿液中固態物的質量分數為35%~50%,而干法脫硫工藝,如RCFB和NID,加入的水量相同,但水分布在粉料微粒的表面,用于蒸發的表面積很大。煙氣濕度的提高,可以使煙氣脫硫操作溫度接近或高于露點溫度10~20 ℃(實踐中,這一溫度范圍為65~75 ℃),激活消石灰吸收SO2。SO2是煙氣中反應較慢的成分,保持床溫接近露點溫度(即較高的相對濕度),可以保持微粒表面的濕膜有較長的停留時間,促進SO2和Ca2化學成分之間的反應,使吸收的程度和石灰的利用率達到最佳。SO3和鹵化酸類(HCl、HF等)的酸性比SO2強,所以SO3,HCL,HF成分在裝置中的去除率達99%,因其活性強,幾乎能全部與SO2同時被吸收,適量的鹵化酸類因鈣的吸濕性、因霧滴在濕潤環境中的干燥時間較長,有助脫除SO2,這也是采用接近露點溫度的另一好處。
3.干法脫硫工藝的運行調節
  干法脫硫工藝的系統控制和調節主要取以下3個信號,用以前饋或反饋到各個調節回路,相互配合,達到脫硫的最佳工況條件,保證脫硫的效果。
3.1控制好脫硫塔內的溫度及高度重視塔內的加水方式
  a) 監測脫硫塔內的溫度,以此來調節**系統的開度和**量的大小,保持適當的AST值,使床溫在各種負荷和工況條件下,煙氣的酸露點溫度始終保持在較高處,這樣,吸收劑的活性最佳,能夠較好地捕捉SO2,并發生化學反應,提高脫硫率。
  在大型化商業運行的脫硫塔中,溫度的控制是比較困難的,它是制約脫硫裝置大型化發展的主要因素之一。當脫硫塔直徑越來越大時,要各個大面積截面上的溫度保持均勻性,需采取大量的有效措施,目前,干法、半干法脫硫裝置還沒有在較大容量機組上使用的業績,與此有很大關系。較為成熟的脫硫技術,如旋轉噴霧法,GSA法,其單塔容量一般都在100 MW機組以下,單塔直徑4 500 mm以下,而NID法則做得更小一些。各國公司都在圍繞干法、半干法脫硫裝置大型化發展進行開發和研究,德國WULFF公司利用流化床和帶內回流的循環流化床技術(RCFB),在解決傳熱傳質這一問題上,取得了一定的成績,效果明顯。目前,RCFB單塔用于奧地利1臺300 MW機組煙氣脫硫并獲得成功。
  b) 給脫硫塔內加水的方式頗為講究。在旋轉噴霧,GSA半干法中,由于吸收劑以漿液形式噴入時帶有水,運行時又需加調節,造成由溫度信號而引起的水路調節變得復雜化,因為在噴漿工藝中,所加入的水與吸收劑的量有比例關系,使**調節受其它因素影響。NID法的水完全與吸收劑、再循環料一道加入反應塔(視垂直煙道為反應塔)。RCFB法吸收劑直接以干粉形態噴入,水路另外單獨噴入,就**調溫而言,RCFB法顯然要更方便一些。

3.2監測SO2排放量
  監測SO2排放量信號,用于調節脫硫劑的加入量。當SO2排放量較大時,就應加入更多的吸收劑去吸收更多的SO2;當SO2的排放量較小時,就應減少吸收劑的使用,使系統運行經濟合理,降低成本。
3.3監測吸收塔的壓降
  監測吸收塔的壓降,用于調節再循環量的大小,使脫硫渣的循環量和循環次數控制在設計范圍之內,這樣既可控制下游脫硫除塵器的入口灰塵的質量濃度和煙囪煙塵質量濃度的排放,又可提高吸收劑的利用率,降低堿酸比。
  控制這三個監測量及其相關的信號去調節各運行回路,使脫硫系統的運行達到最優化,這是干法、半干法脫硫工藝控制系統的基本要求。就控制的靈敏性、可靠性而言,如果三個控制回路能完全獨立,各行其是,互不影響則最理想,而RCFB技術的控制原理最能符合這一要求,由于其吸收劑、水和脫硫渣的再循環是獨立加入到脫硫塔的,這樣就避免了其它工藝三者的互相牽連,避免了增加脫硫劑時附加了水而使溫度下降或加水降溫時附加了脫硫劑,從而增加再循環量而增大堿酸比的情況。當然,以上三個參數總是相互影響、協同調節的,但三路系統的參數分別調節,會更方便靈活一些。
4.預除塵器設置的探討
  對于是否使用預除塵器,很多文獻或資料并沒有詳細說明。據國外一些資料指出,一般干法或半干法都設有預除塵器,但國內很多電廠沒有設預除塵器。不設預除塵器,筆者認為起碼會影響以下2方面。
4.1不利于燃料灰和脫硫灰的再循環
  根據計算,鍋爐燃煤產生的燃料灰的量比較多,而用于脫硫產生的脫硫灰的量比較少,通常前者是后者的三倍左右。以200 MW機組為例,耗煤量約95 t/h,產生的燃料灰約22 t(灰分的質量分數以25%計),而脫硫灰量(硫的質量分數以0.85%計)約7 t;以300 MW機組為例,耗煤量約140 t/h,產生的燃料灰約32 t,而脫硫灰量約11 t。這就是說,如果沒有預除塵器,當脫硫灰和燃料灰混在一起再循環時,將有75%的再循環物是燃料灰,而這些大量的燃燒灰對提高脫硫率和降低堿酸比值并沒有幫助,還會減少吸收劑、脫硫灰與SO2的接觸,消耗動力,增大反應塔容量;由于再循環量變大,還會提高煙氣噴射的初始速度以達到同樣的流化狀態,這一初始速度的提高,還會帶來以下2個問題:
  a) 減小煙氣在塔內的停留時間,使氣體很快通過吸收塔,降低了塔內的反應率,將部分脫硫反應留在了下游設備中。
  b) 一般燃料灰比脫硫灰要粗一些,燃料灰的平均粒徑大致為15μm±5μm,脫硫灰的平均粒徑大致為10μm±5μm;燃料灰的體積質量一般為700~1 000 kg/m3,而脫硫灰的體積質量一般為500~1 000 kg/m3,煙氣流速的加大,將大量的細微粒帶出了反應塔,不利于吸收劑的有效利用,影響了堿酸比。
4.2影響脫硫塔下游的脫硫除塵器
  是否設置預除塵器,對脫硫塔下游的脫硫除塵器會產生較大的影響。如果沒有預除塵,大量燃煤灰混在脫硫灰中一起循環,使得循環量變大,脫硫除塵器的入口質量濃度也隨之增大,在除塵器排放指標一定的情況下,脫硫除塵器的入口質量濃度是有限度的,太高的入口粉塵質量濃度也會使除塵器的造價上升,這樣勢必減少循環次數,降低吸收劑利用率,使堿酸比值變大。如果有預除塵器,這一情況將得到改善。這就可以解釋GSA,NID脫硫工藝,在沒有預除塵器時,循環次數只有30~50次;而CFB,RCFB脫硫工藝,由于設置了預除塵器,循環次數就可以達到100~150次。
5.脫硫除塵器的設置
  干法、半干法脫硫用的除塵器有別于火力發電廠的常規除塵器,大型火力發電廠一般1臺爐配2臺除塵器,而脫硫裝置如果是配單塔脫硫,則通常只配一臺除塵器。除了設備數量的不同使得脫硫除塵器變大外,其差別還主要在于除塵器入口質量濃度的不同。火力發電廠所配除塵器的入口質量濃度通常在35 g/m3左右(標準狀態),若煙塵排放標準以200 mg/m3計(標準狀態),則效率通常為99.4%左右,而脫硫除塵器的入口質量濃度由于脫硫渣的多次再循環而變得很大,通常達到0.6~1 kg/m3(標準狀態)。要達到相同的排放質量濃度,除塵效率通常要求達到99.97%以上。如使用RCFB技術的廣州恒運集團公司的以大代小1×210 MW機組的煙氣脫硫系統,脫硫除塵器的入口質量濃度為800 g/m3(標準狀態),除塵效率要求達99.975%;使用NID技術的浙江巨化股份有限公司的230 t/h煙氣脫硫用除塵器的入口質量濃度為1 kg/m3(標準狀態),除塵效率要求達99.98%。凡利用循環技術進行干法、半干法脫硫的工藝,其脫硫除塵器的入口質量濃度都很高。如GSA,NID等工藝,由于循環量較大,一般循環次數為30~40次時,脫硫除塵器的入口質量濃度便達到了1 kg/m3(標準狀態)。如采用預除塵器,由于再循環量減少了大約70%,其循環次數在100~150次左右時,脫硫除塵器的入口質量濃度可達到600~800 g/m3(標準狀態),如RCFB工藝。對于高粉塵質量濃度的除塵器,國外有用布袋式的,也有用靜電式的。由于布袋除塵價格較高,檢修強度較大,更換頻率快,且系統壓降較大,廠用電高,我國趨向于使用靜電除塵器。靜電除塵器處理高質量濃度粉塵在結構上有其特殊的地方,各種工藝所采取的辦法也不盡相同,如GSA工藝,在煙氣進靜電除塵器之前,先通過旋風分離器進行機械預除塵;NID脫硫工藝,在靜電除塵器上加一段機械預除塵和小灰斗;lurgi公司采用上進氣方式,通過煙氣回轉折流預除塵;德國WULFF公司在進口及第一電場采取預除塵措施的同時,又在振打清灰,改善放電極線形式,加大放電強度,提高放電電流強度,防止二次飛揚等方面做工作,并取得了較好的效果,獲得了很高的除塵效率。盡管脫硫除塵器的入口質量濃度很高,但由于脫硫灰分的組成主要是鈣的化合物,不會有燃煤灰中的Al2O3和游離SiO2等難以捕捉的物質,且脫硫灰的粉塵較細、比電阻較小,含濕量相對高一些、溫度較低等因素,還是對除塵有利。但是,脫硫除塵器是干法、半干法脫硫工藝一個非常主要的設備。因為不僅有部分脫硫反應在除塵器中完成,而且除塵器還與脫硫塔的再循環聯系在一起。嚴格意義上講,脫硫除塵器是干法、半干法脫硫工藝的一個組成部分,與脫硫塔密不可分,實際上,國外所講的煙氣脫硫技術工藝系統,就包括了脫硫除塵器。
6.結論
  由于干法脫硫工藝在占地、造價、操作、調節、維護、副產品無二次污染等方面的優點,這種工藝越來越受到業主方的廣泛青睞。現在各國都在積極研究干法脫硫技術,并使之逐步向設備大型化、系統簡單化、控制自動化發展,所以國內干法、半干法應用的比例也在逐步提高。隨著對干法脫硫工藝的深入認識、研究和改進以及對脫硫灰綜合利用的開發,煙氣脫硫技術將會有更加廣闊的應用前景。

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