一种强化气液传质反应的湿法烟气脱硫装置及方法与流程

本发明涉及湿法脱硫设备技术领域，尤其是一种强化气液传质反应的湿法烟气脱硫装置及方法。

背景技术：

中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国之一，煤炭资源在我国能源结构中一直扮演着难以替代的角色。根据国家环境保护总局的初步核算，2017年我国能源消费总量中煤炭资源所占比重60.4％，较2016年下降了1.6个百分点，但煤炭的总消耗量仍然高达44.9亿吨。煤炭作为必须的一次能源，其发热量低、含硫量高，燃烧后污染物排放量大，其中的so2作为大气的主要污染物，是引起酸雨和光化学污染等环境问题的主要物质。目前超低排放标准要求燃煤烟气排放出口so2浓度应低于35mg/m³。

在现有的脱硫技术中，80％以上的so2排放行业采用的是湿法烟气脱硫(wetfluegasdesulfurization)，简称wfgd。这种技术主要采用填料塔作为反应装置，利用喷淋层来促进脱硫剂与烟气的充分接触反应，达到脱除燃烧后的烟气中so2的目的。但脱硫工艺的占地面积大、基建和设备投资及运行成本高，且为了使其脱硫效率达到超低排放环保标准，需要进行多级喷淋处理，需要依靠多台大功率的循环泵来保证脱硫剂的正常循环，大量使用316l不锈钢作为主材，带来巨大投资与运行成本，对于“超低排放”的推广和改造也形成了巨大的阻碍。

技术实现要素：

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，特别是针对当前的中小型燃煤锅炉，提供一种结构合理强化气液传质反应的湿法烟气脱硫装置及方法，从而解决脱硫设备运行成本高、占地面积大、脱硫效率低无法达到超低排放标准的问题。

本发明所采用的技术方案如下：

一种强化气液传质反应的湿法烟气脱硫装置，包括气体压缩机，其入口端连接有烟气输送管道，出口端依次连接储气罐和文丘里射流器，文丘里射流器上端入口与脱硫剂储液罐下端的放料口连接，文丘里射流器的出口端连接有静态螺旋切割器，静态螺旋切割器的出口与气液分离罐中部的气液两相流入口相连，位于气液分离罐下部的脱硫剂回流口与脱硫剂储液罐顶端连接实现脱硫剂循环，气液分离罐上部的排气口通过管道连接至尾气吸收池；还包括烟气分析仪。

其进一步技术方案在于：

所述静态螺旋切割器包括壳体，壳体内安装有切割片安装杆，其结构为：包括一根芯轴，其头部安装有导流锥，导流锥后端的芯轴上沿径向均匀间隔安装有多条叶片，每条叶片在芯轴的轴向上成螺旋状延伸至其末端，芯轴末端面上安装有压块，所述压块通过螺母将叶片末端固定在芯轴上。

导流锥后端的芯轴上沿径向间隔安装有四条叶片，每条叶片在芯轴的轴向上按照由大变小的螺距成螺旋状延伸，并在芯轴表面与壳体之间成型四个螺旋形流道，叶片与芯轴之间间隙配合。

每条叶片采用若干切割片沿叶片回旋方向拼叠而成，每个切割片的厚度为0.08-0.1mm。

所述文丘里射流器与气液分离罐之间并联有多个静态螺旋切割器。

所述气体压缩机出口与储气罐连接的管道上安装有气体流量调节阀一；储气罐底部出口安装有电磁阀，储气罐底部出口与文丘里射流器连接的管路上安装有气体流量调节阀二和气体流量计。

文丘里射流器与静态螺旋切割器连接的管道上安装有气体压力表一，静态螺旋切割器的出口与气液分离罐连接管路上安装有气体压力表二。

所述脱硫剂储液罐中设有搅拌桨，脱硫剂储液罐上端通过取样口连接有取样器；脱硫剂储液罐下端的放料口与文丘里射流器上端入口间连接的管路上依次安装有液体流量调节阀和液体流量计。

烟气分析仪输入端分别通过管道连接气液分离罐上部的排气口和储气罐下部的排气口。

一种强化气液传质反应的湿法烟气脱硫装置的脱硫方法，包括如下步骤：

第一步：打开烟气分析仪，完全开启脱硫剂储液罐放料口下端的液体流量调节阀，待脱硫剂进入与文丘里射流器上端入口连接的管道后，开启气体压缩机；

第二步：通过气体压缩机入口连接的烟气输送管道向气体压缩机内输入烟气，烟气经气体压缩机加压后，经过气体流量调节阀一注入储气罐中；

第三步：储气罐中气体达到设定压力后，开启电磁阀，同时通过气体流量调节阀二和气体流量计调节烟气流量，将烟气送入文丘里射流器；

第四步：需等待至气路稳定，文丘里射流器上方入口处形成稳定负压并将脱硫剂吸入雾化，调节液体流量调节阀和液体流量计至所需脱硫剂循环流量；

第五步：雾化的脱硫剂与烟气初步混合后进入静态螺旋切割器，在静态螺旋切割器中形成的高度湍流和表面剪切力的作用下，烟气与脱硫剂的混合气经过切割、细化反应后进入气液分离罐进行除雾；

第六步：气液分离罐中分离出的未反应的脱硫剂经脱硫剂回流口回收至脱硫剂储液罐，气液分离罐中反应后的气体经上方排气口通入尾气吸收池，由尾气吸收池处理后的符合排放标准的气体排向大气；

第七步：将烟气分析仪检测到的储气罐出口处初始烟气中so2浓度和气液分离罐上方排气口处出口烟气so2浓度进行记录。

本发明的有益效果如下：

本发明使用文丘里射流器结合变螺距的静态螺旋切割器作为烟气和吸收液的反应器，极大地强化了气液传质，促进两者的化学反应，通过控制文丘里射流器烟气的压力，实现文丘里射流管进口处烟气和脱硫剂的雾化，烟气和脱硫剂混合雾化流体通过轴向螺距不断减小的螺旋曲面，会使两相流中的脱硫剂雾滴受到阶梯状表面xyz三个方向的剪切，在轴向压缩力作用下，静态螺旋切割器的腔体内部会形成高度湍流旋流场，从而实现雾滴的进一步微纳米化和高度分散混合及快速反应，整个反应可以在十几秒至三十秒内完成。

同时本发明具有如下优点：

1、本发明以烟气作为流动相，以吸收液为分散相，可实现大的气-液比，含硫烟气经压缩机压缩至0.4mpa以上，进入文丘里管，在喉管处形成高真空而吸入吸收液，脱硫率达98％以上气液比(烟气(nm³)：吸收液(l)＝1:0.8-1.2)；而一般的喷淋吸收塔中脱硫率达98％以上气液比烟气(nm³)：吸收液(l)＝1:10-15，大大减少吸收液的使用量，并免除喷淋吸收塔中的吸收液喷淋循环泵，可大量节省能耗。

2、本发明导流锥使气液混合流体能够缓慢、均匀的流入静态螺旋切割器内的四个螺旋形流道中，保证反应混合物的均匀充分反应。

3、本发明可以用于试验、科研教学场所，也可以通过多组乃至几十、几百组变螺距的螺旋切割器的并联，可满足工业生产烟气脱硫的处理量，由于省去了高大的脱硫塔和内件(由抗腐能力强的316l制造)，制造成本可大幅度降低。

4、本发明可满足工业烟气脱硫的处理量，尤其适用于中小型规模燃煤机组，也适用于大型锅炉的辅助性的使用需求，大大减少了设备的投资成本，实现湿法烟气脱硫的高效节能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的切割片安装杆的结构示意图。

图3为本发明对含有不同浓度so2模拟烟气脱硫效率曲线关系图。

其中：1、气体压缩机；2、气体流量调节阀一；3、储气罐；4、电磁阀；5、气体流量调节阀二；6、气体流量计；7、文丘里射流器；9、静态螺旋切割器；11、气液分离罐；12、脱硫剂储液罐；13、搅拌桨；14、取样器；15、液体流量调节阀；16、液体流量计；17、烟气分析仪；18、尾气吸收池；19、芯轴；20、导流锥；21、叶片；22、压块；23、螺母。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本实施例的强化气液传质反应的湿法烟气脱硫装置，包括气体压缩机1，其入口端连接有烟气输送管道，出口端依次连接储气罐3和文丘里射流器7，文丘里射流器7上端入口与脱硫剂储液罐12下端的放料口连接，文丘里射流器7的出口端连接有静态螺旋切割器9，静态螺旋切割器9的出口与气液分离罐11中部的气液两相流入口相连，位于气液分离罐11下部的脱硫剂回流口与脱硫剂储液罐12顶端连接实现脱硫剂循环，气液分离罐11上部的排气口通过管道连接至尾气吸收池18；还包括烟气分析仪17。

如图2所示，静态螺旋切割器9包括壳体，壳体内安装有切割片安装杆，其结构为：包括一根芯轴19，其头部安装有导流锥20，导流锥20后端的芯轴19上沿径向均匀间隔安装有多条叶片21，每条叶片21在芯轴19的轴向上成螺旋状延伸至其末端，芯轴19末端面上安装有压块22，压块22通过螺母23将叶片21末端固定在芯轴19上。

导流锥20后端的芯轴19上沿径向间隔安装有四条叶片21，每条叶片21在芯轴19的轴向上按照由大变小的螺距成螺旋状延伸，并在芯轴19表面与壳体之间成型四个螺旋形流道，叶片21与芯轴19之间间隙配合。

每条叶片21采用若干切割片沿叶片21回旋方向拼叠而成，每个切割片的厚度为0.08-0.1mm。

文丘里射流器7与气液分离罐11之间并联有多个静态螺旋切割器9。

气体压缩机1出口与储气罐3连接的管道上安装有气体流量调节阀一2；储气罐3底部出口安装有电磁阀4，储气罐3底部出口与文丘里射流器7连接的管路上安装有气体流量调节阀二5和气体流量计6。

文丘里射流器7与静态螺旋切割器9连接的管道上安装有气体压力表一8，静态螺旋切割器9的出口与气液分离罐11连接管路上安装有气体压力表二10。

脱硫剂储液罐12中设有搅拌桨13，脱硫剂储液罐12上端通过取样口连接有取样器14；脱硫剂储液罐12下端的放料口与文丘里射流器7上端入口间连接的管路上依次安装有液体流量调节阀15和液体流量计16。

烟气分析仪17输入端分别通过管道连接气液分离罐11上部的排气口和储气罐3下部的排气口。

导流锥20后端的芯轴19上沿径向间隔安装的多条叶片21，如采用四条叶片，直径d≤25mm；采用6条叶片，直径d＝25-89mm；采用8条以上叶片直径d＞89mm。

本实施例的强化气液传质反应的湿法烟气脱硫装置的脱硫方法，包括如下步骤：

第一步：打开烟气分析仪17，完全开启脱硫剂储液罐12放料口下端的液体流量调节阀15，待脱硫剂进入与文丘里射流器7上端入口连接的管道后，开启气体压缩机1；

第二步：通过气体压缩机1入口连接的烟气输送管道向气体压缩机1内输入烟气，烟气经气体压缩机1加压后，经过气体流量调节阀一2注入储气罐3中；

第三步：储气罐3中气体达到设定压力后，开启电磁阀4，同时通过气体流量调节阀二5和气体流量计6调节烟气流量，将烟气送入文丘里射流器7；

第四步：需等待至气路稳定，文丘里射流器7上方入口处形成稳定负压并将脱硫剂吸入雾化，调节液体流量调节阀15和液体流量计16至所需脱硫剂循环流量；

第五步：雾化的脱硫剂与烟气初步混合后进入静态螺旋切割器9，在静态螺旋切割器9中形成的高度湍流和表面剪切力的作用下，烟气与脱硫剂的混合气经过切割、细化反应后进入气液分离罐进行除雾；

第六步：气液分离罐11中分离出的未反应的脱硫剂经脱硫剂回流口回收至脱硫剂储液罐12，气液分离罐11中反应后的气体经上方排气口通入尾气吸收池18，由尾气吸收池18处理后的符合排放标准的气体排向大气；

第七步：将烟气分析仪17检测到的储气罐3出口处初始烟气中so2浓度和气液分离罐11上方排气口处出口烟气so2浓度进行记录。

利用本发明进行烟气脱硫的脱硫效率模拟试验：

实施例一：

利用空压机与so2气瓶(纯so2，纯度99.99％)通过两者流量的配比，以得到不同so2浓度的模拟烟气；

结构参数：静态螺旋切割器9的切割片安装杆的直径25mm，压缩指数为0.5；

工艺参数：脱硫剂质量分数20wt％，烟气流量为18nm³/h，脱硫剂循环流量为300ml/min的条件下针对so2质量浓度为1860-6440mg/m³的烟气进行处理，反应后烟气的so2浓度通过烟气分析仪进行在线检测并在显示屏上给出分析结果，脱硫结果如图3所示。

由图3可知，当入口烟气so2质量浓度低于3000mg/m³的时候，整个系统展现出了优越的脱硫性能，静态螺旋切割器9能够有效的切割脱硫剂雾滴，提高脱硫效率，完全的将烟气中的so2去除，脱硫率高达100％，随着入口处烟气so2质量浓度的上升，此时出口so2质量浓度有所上升，当入口烟气so2质量浓度达到5300mg/m³时，出口so2质量浓度达到了48.62mg/m³，略高于超低排放的指标。但是考虑到实际工业中火电厂烟气的so2质量浓度范围为2500-3500mg/m3，因此，本发明提出的湿法烟气脱硫装置可以有效的处理不同so2浓度的烟气，对于工业中使用不同含硫量的煤炭的火电厂具有较好的普适性。

实施例二：

配备烟气中so2浓度为2960mg/l；

结构参数：静态螺旋切割器9的切割片安装杆的直径80mm，将压缩比为0.5的10个静态螺旋切割器9并联；

工艺参数：脱硫剂质量分数20wt％，烟气的流出压力0.3mpa，流量为2100nm3/h，脱硫剂循环流量为30l/min。经过一级螺旋切割器反应后烟气的so2浓度为38-50mg/l，经过二级螺旋切割器(二个螺旋切割器串联)反应后烟气的so2浓度为18-30mg/l，满足超低排放的标准。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。