专利名称：复合循环式流态化干法烟气脱硫工艺及高效脱硫反应塔的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种复合循环式流态化干法烟气脱硫工艺及脱硫反应塔，属于烟气脱硫技术领域，特别涉及各种燃烧设备排放烟气中的干法脱硫系统及工艺。
背景技术：
二氧化硫气体污染的治理一直是世界大多数国家环境保护的重点，其所产生污染物更是造成我国生态环境破坏的最大污染源，目前已经成为了我国空气污染治理的当务之急。
目前对二氧化硫的治理，国外一般主要采用湿式石灰石膏法(W-FGD)，采用上述方法，虽然脱除效果较好，但其存在投资巨大、耗水量大，占地面积较大、系统复杂、阻力较大、结构复杂，以及需要对水进行再处理等等一系列问题。因此干式或半干式的高效烟气脱硫技术成为了国内外研究开发的重点。
对于干法(半干法)脱硫技术，影响脱硫效率的主要因素有反应温度、湿度、脱硫剂颗粒表面活性、脱硫剂与烟气接触反应时间、脱硫剂颗粒与烟气的湍流传质特性等；对于整个干法脱硫系统，还必须考虑系统阻力大小、系统复杂程度、装置及设备的磨损及腐蚀问题、系统对负荷的适应性问题、耗水量大小等多方面因素的影响。
对于目前应用的烟气循环流化床干法脱硫技术，大都利用消化后的石灰(浆)作为吸收剂，用吸收剂和外部分离器分离出来的物料作为循环床料，在流化床反应塔中通过强烈的气固液三相作用来脱出烟气中的有害气体。这一方面由于采用石灰浆系统，不仅工艺流程复杂，占地面积大，并且灰浆输运管路易结垢和堵塞，增加了系统的运行及维护费用。对于采用消石灰系统，如专利CN86108755A，其运行费用昂贵，且消石灰颗粒(Ca(OH)2)的表面活性不易保证，从性价上只适用于大容量锅炉机组的脱硫要求。
针对这些问题，近十年来又提出了许多新的干法脱硫系统及工艺，如中国发明专利CN1307926，它将干石灰(CaO)和烟气飞灰及水按一定比例混合形成的物质作为脱硫剂，送入流化床反应塔中，同时在流化床反应塔中增加了一个类似锅炉折焰角的内分离装置来增加脱硫剂颗粒的内循环量，并在脱硫塔外布置了一个撞击式的气固分离装置。又如德国Wulff公司的“回流式循环流化床烟气脱硫技术”，采用一套较为复杂的消化系统将干石灰消化成消石灰作为脱硫剂，同样在反应塔内设置内分离装置。这两项技术为了降低反应塔的烟气阻力，都采用文丘里式的烟气引射装置。由于脱硫反应的温度范围较窄，这两项技术的脱硫反应塔都采用喷水将烟气温度降到合适的范围。同时由于设置内分离装置(采用同样设施的还有专利CN1195573)，增加了烟气阻力并容易造成腐蚀。
从上可见，上述所有的干法脱硫技术都存在各种各样的问题，如洁净烟气的携带水量较多，或消化系统复杂、或脱硫剂颗粒表面活性较差、或阻力较大、易腐蚀堵塞等等，同时由于烟气入口温度一般都大于120℃，而只采用塔内喷水降温，降低了反应塔有效空间的利用率。并且所有技术都没有考虑由于燃烧设备负荷变化，烟气量变小可能导致流化床反应系统不能正常流化等因素的影响，负荷调节性较差。总的来讲，通常是在解决了一个问题的同时导致了其他问题的产生。
发明内容
针对现有技术存在的不足和缺陷，本发明的目的和任务是提供一种新型的干法烟气脱硫系统及工艺及高效脱硫反应塔，采用复合循环式的流态化烟气脱硫技术、系统及工艺，使其能在保证较低的钙硫比(Ca/S＝1.1～1.3)的情况下达到较高的脱硫效率(90％～92％以上)，同时降低耗水量和洁净烟气的携带水量，保证脱硫剂颗粒较高的表面活性。同时实现了脱硫系统的宽调节比特性，可以满足燃烧设备从20％到110％负荷变化的高效脱硫要求。在实现上述目的前提下，并进一步简化系统，降低设备投资及运行费用，降低烟气阻力，从而真正实现高效、宽调节比、低成本、低耗水量的干法烟气脱硫的目的。
本发明技术方案主要包括脱硫塔内部分离的脱硫剂颗粒循环和外部除尘器分离出的脱硫剂颗粒再循环，其脱硫塔内部分离的脱硫剂颗粒进行再循环是将脱硫剂颗粒及烟气通过塔腔时，烟气流速随着其上升过程产生阶梯形速度变化，并在塔内壁面的局部变形区形成涡流区，强化脱硫剂颗粒在塔内的内循环量，延长脱硫剂颗粒的接触反应时间。
所述的复合循环式流态化干法烟气脱硫工艺，将外部除尘器分离出来的洁净含湿烟气进行再循环，再循环是将洁净含湿烟气与烟气一起从塔底送脱硫塔，根据运行要求调节再循环洁净含湿烟气量，一方面降低脱硫塔的烟气入口温度，使进入脱硫反应塔的烟气温度降低5-20℃，另一方面由于再循环烟气量可以根据运行要求方便地进行调节，拓宽了脱硫系统的负荷变化适应能力，可以满足燃烧设备(如锅炉等)从20％-110％负荷变化的高效脱硫要求；并将一小部分再循环烟气升压送到生石灰的消化塔内充当消化系统的流化气体。
所述的复合循环式流态化干法烟气脱硫工艺，是从脱硫反应塔下部喷入经消化系统得到的高活性脱硫剂颗粒、喷入雾化冷却水，以及从外部除尘器分离的一部分脱硫剂颗粒，使需脱硫烟气与脱硫剂颗粒、雾化水颗粒发生强烈的三相湍流传热传质交换。
所述的复合循环式流态化干法烟气脱硫工艺，脱硫剂颗粒的外部循环系统是在塔外采用气固分离装置将分离出的脱硫剂颗粒通过回料管道重新送回脱硫反应塔，与塔内的颗粒一起内循环，直到满足设计的脱硫剂利用率要求。
所述的复合循环式流态化干法烟气脱硫工艺，经混合室混合降温的烟气通过低阻力烟气引射装置从反应塔底部向上射入反应塔中。
所述的复合循环式流态化干法烟气脱硫工艺，其洁净含湿烟气的再循环烟气抽出点在脱硫塔烟气出口与烟囱12机之间的管道任意处，再循环洁净含湿烟气量为总燃烧排放烟气量的10％～50％，并可进行调节，达到脱硫塔入口烟气降温5-20℃的要求，和满足脱硫塔正常流态化的烟气量需求。
所述的复合循环式流态化干法烟气脱硫工艺，是采用生石灰CaO作为脱硫剂原料，通过流态化消化系统，将生石灰消化成高表面活性的消石灰颗粒，并采用再循环含湿烟气作为流化气体，消化塔内喷入雾化水，消化塔内腔为变异及变截面设计，或再增加内分离装置。
用于上述任意方法的脱硫反应塔，塔腔是一种变异及变截面的布置结构，塔腔横截面自下向上阶梯增大，塔上部的过渡段83内壁面为变异形状，即圆形与角形的结合，形成强化脱硫剂颗粒在塔内循环的局部涡流区。
所述的脱硫反应塔，塔底部接低阻力烟气引射装置7，从下向上，塔底层为渐扩锥体81，倾斜角为60-80°，在该锥体壁面上设置脱硫剂给料喷嘴85、喷水雾化喷嘴19、脱硫剂再循环入口86，中间反应段82为圆柱结构，塔体上部84为一种圆方形或多边形结合结构，其截面积是中间反应段的1.3-2.0倍，塔体上部与中间段之间的过度段83采用一种变异结构连接上下两段，类似于方圆节的变异方式。
所述的脱硫反应塔，其塔体上部84为一种半圆半矩形或多边形结构。
本发明的优点首先，由于本发明的脱硫反应塔的变异及变截面结构设计，充分利用湍流气动输运原理，形成塔内颗粒的自身内循环特性，塔内无任何其他分离部件，烟气阻力小，无腐蚀磨损等问题，强化了脱硫剂的烟气的反应接触特性，并极大地延长了脱硫剂颗粒在塔内的停留时间。
其次，采用了洁净含湿烟气的再循环系统，烟气增湿并降低了进入脱硫反应塔的温度，提高了反应塔空间的利用率，相对延长了烟气反应空间和时间，提高了脱硫剂利用率，一定程度上相对地降低了耗水量需求，同时实现了脱硫系统负荷变化的宽调节特性。
第三，本发明以廉价的生石灰为原料，采用一种简易的消化系统设计，消化反应塔采用了类似于脱硫塔的结构设计，三相物质在塔内强烈混合反应，形成较好的流态化及颗粒内部再循环特性，提高了消化反应能力和增强了消化后的脱硫剂颗粒活性。
第四，消化系统、脱硫反应塔都采用碳钢制造，系统内各风机无特殊的防磨要求。
因此本发明实现了高脱硫效率(在钙硫比1.1～1.3之间可达到90～92％以上的脱硫效率)、宽调节比(满足燃烧设备20％～110％负荷变化的高效脱硫要求)，低投资及运行成本、低耗水量的脱硫技术要求。
附图1为本发明的工艺流程机系统结构示意图。
附图2为附图1中的脱硫反应塔A向视图。
附图3为附图1中的B-B剖视俯视图。
图中1.生石灰仓、2.机械给料装置、3.消化反应塔、4.旋风分离器、5.排渣管、6.烟气混合室、7.低阻力烟气引射装置、8.脱硫反应塔，其中81是塔低渐扩锥体，脱硫剂给料喷嘴85、脱硫剂再循环入口86、中间反应段82、塔体上部84的半圆半矩形结构，841是矩形部分、842是圆形部分、塔体上部与中间段之间的过度段83的变异结构相联、9.反应塔烟气出口管、10.除尘器(静电除尘器或布袋除尘器)、11.主引风机、12.烟囱、13.再循环烟气引风机、14.灰渣仓、15.消化塔出口管、16.旋风分离器的乏气引出管、17.脱硫剂输运管、18.消化用水雾化喷嘴、19.脱硫反应的降温增湿水雾化喷嘴、20.进混合室的再循环烟气管、21.进消化反应塔的再循环烟气管、22.外部再循环的颗粒回料管、23.灰渣管、24.主烟气进口管、25.再循环烟气引出管。
具体实施例方式
第一，本发明同时采用了三种再循环方式构成了复合循环式流态化脱硫系统1)采用了脱硫反应塔内的脱硫剂颗粒再循环技术。
该技术强化脱硫反应塔8内部的颗粒内循环特性。通过一种变异布置及变截面脱硫塔设计，形成了塔内烟气流速随着其上升过程产生阶梯变化，一方面可以减小并调节吸收塔顶部的颗粒曳引力，另一方面在塔内壁面变异处形成局部涡流区，强化脱硫剂颗粒在塔内的内循环量，颗粒内循环量可以达到40％-80％之间。在减小了对外部气固分离回流装置磨损的情况下，延长脱硫剂颗粒的接触反应时间。
2)采用脱硫剂颗粒的外部再循环系统。
塔外采用气固分离装置10(静电除尘器或布袋除尘器)，将分离出的脱硫剂颗粒通过回料管道22重新送回脱硫反应塔，与塔内的颗粒内循环一起，直到满足设计(较高)的脱硫剂利用率要求。
3)采用洁净含湿烟气的烟气再循环系统。
一方面，将经过脱硫和除尘器得到的洁净烟气的一部分重新送回脱硫塔底部的烟气混合室6中，这首先可以降低脱硫塔的烟气入口温度，使进入脱硫反应塔的烟气温度降低5～20℃，相当于增加了脱硫塔的有效反应空间，并减小了烟气降温所需的喷水量要求；同时，由于再循环烟气量可以根据运行要求方便地进行调节，拓宽了脱硫系统的负荷变化适应能力，该发明可以满足燃烧设备(如锅炉等)从20％-110％负荷变化的高效脱硫要求，特别对于燃烧设备低负荷运行时，通过调节烟气再循环量同样可以保证脱硫反应塔的流态化要求。另一方面，将一小部分再循环烟气升压送到生石灰的消化塔3内充当消化系统的流化气体，取消了采用干空气进行生石灰的流化及消化反应需求，不会造成空气的二次污染，同时，由于再循环烟气本身的含湿量高于正常干空气，一定程度上降低了生石灰消化所需的喷水量。
第二，本发明采用生石灰CaO作为脱硫剂原料，通过一套简化的流态化消化系统，将生石灰消化成脱硫反应需要的高表面活性的消石灰颗粒，并采用再循环含湿烟气作为流化气体，消化塔内喷入雾化水，并且消化塔布置同样采用增强颗粒内循环特性的变异及变截面设计，或再增加内分离装置，使满足脱硫性能要求的消石灰才能离开消化塔进入消化系统的旋风分离器4中，进入旋风分离器4的脱硫剂颗粒为干态，气固混合物的含湿量在8％-16％之间。脱硫剂气粒混合物进入旋风分离器后分离成两部分，其中绝大部分分离出来的脱硫剂颗粒从分离器下部经给料管道17和气力输运装置喷射进入入脱硫反应塔，一小部分未能分离出的细脱硫剂颗粒随乏气从分离器上部经输运管道16送入烟气进口管道24中，与烟气一起进入脱硫反应塔8。
第三，本发明的脱硫塔反应主体包括烟气混合装置6、低阻力烟气引射装置7，颗粒强内循环反应塔8，外部再循环脱硫剂颗粒的回料装置及管道22，在脱硫反应塔8下部布置有脱硫剂给料喷嘴、喷水雾化喷嘴、外部再循环颗粒进口。从燃烧设备产生的烟气和再循环烟气在混合室里充分混合通过烟气引射装置7(可采用文丘里型喷嘴形式或流化床的布风板装置)，这样降低了温度的烟气进入脱硫反应塔，在脱硫塔底部与脱硫剂颗粒、喷水雾化颗粒充分而均匀强化接触，一方面由于水颗粒的蒸发将烟气进一步降到合适的反应温度(比烟气中的水露点温度高5-15℃，通常在55～70℃之间)，并维持适当的表面湿度；另一方面，由于在塔内形成强烈的三相湍流交换特性和脱硫剂颗粒的内循环特性，实现低钙硫比下的高脱硫效率。
下面结合附图具体说明本发明的最佳实施方式、工艺过程和系统布置结构。
首先，从燃烧设备排出的烟气通过主烟气进口管24送入烟气混合室6，并在6中与再循环洁净含湿烟气充分混合、降温、增湿，再经低阻力的烟气引射装置7射入脱硫反应塔中。上述的烟气进口管24与消化系统旋风分离器4的乏气管道相连；调节再循环烟气量，使烟气在混合室中降温5-20℃，烟气引射装置采用5-11根文丘里管组成，并维持烟气射流的出口速度变化范围为10-26米/秒。
同时，将脱硫剂原料CaO粉由生石灰仓1经机械给料装置2送入消化反应塔3的下部，其底部引入一部分再循环洁净含湿烟气，经升压通过管道21射入消化塔，并在塔内下部喷入雾化水，保持塔内底部有合适的湿度和流化状态，消化塔采用增强颗粒内循环特性的变异及变截面设计，或增加采用一种内分离装置，由于消化反应为放热反应，在流态化下，反应将导致生石灰颗粒破裂，成为小粒径、高比表面积的高活性消石灰颗粒，到达消化塔顶部出口的颗粒粒径在10-70μm之间，为干态物质，气固混合物的含湿量在9％-15％之间，再进入消化系统的旋风分离器4中，其中被分离出来的脱硫剂颗粒经输运管17，通过气力输运装置喷入脱硫反应塔8的下部，其余部分随旋风分离器顶部乏气管16送入主烟气进口管道24中。
随后，烟气进入脱硫反应塔8的下部，与由17送来并从喷嘴85喷进的高活性脱硫剂颗粒、由19喷入的雾化冷却水以及从除尘器分离出经22从入口86进来的一部分脱硫剂颗粒混合，三者发生强烈的三相湍流传热传质交换。上述塔内烟温降到55-70℃之间(高于塔内烟气露点温度5-15℃之间)，塔内烟气含湿量维持在12-15％之间，脱硫剂颗粒绝大部分为Ca(OH)2，其粒径在10-70μm之间，塔内脱硫剂颗粒表面含湿量保持在8～15％之间。这样烟气、水颗粒、脱硫剂颗粒和再循环颗粒在烟气射流的带动下，向上运动，整个脱硫塔内呈流化悬浮态。
塔体采用的变异及变截面布置，塔内无内件。见附图2、3，从下往上，塔低为渐扩锥体81段，倾斜角为60-80°，在该锥体壁面上设置脱硫剂给料喷嘴85、喷水雾化喷嘴19、脱硫剂再循环入口86。中间反应段为圆柱结构82，塔体上部84为一种半圆半方型结构，841是矩形部分、842是圆形部分其截面积是中间反应段的1.3-2.0倍，最佳为1.5倍。塔体上部与中间段采用一种变异结构相联段83，采用类似于方圆节的变异方式，达到了脱硫剂颗粒在塔内的高循环回流量。在塔体中上部，基本呈现较大的回落趋势，并且由于塔内壁面的变异及变截面设计，大部分颗粒沿侧壁附近向下运动，并到塔下部又重新被烟气带动向上运动往复，在塔内形成高强度的三相湍流交换状态，发生强烈的混合、传热、传质及化学反应的复杂物理化学过程。在塔内烟气中的SO2与脱硫剂Ca(OH)2反应生成亚硫酸钙或硫酸钙，并可以同时脱出烟气中少量的SO3以及可能存在的HCl、HF等有害气体成分，脱硫效率可以达到90％以上。
再后，烟气由脱硫塔顶部的出口管道9引出，进入静电分离器10中(或布袋除尘器)，烟气中携带的颗粒被分离出来，其中还含有一部分未反应的脱硫剂颗粒，为了提高脱硫剂利用率，通过一个再循环颗粒回料管22，将它们再循环送回脱硫塔中，不循环的脱硫副产品及飞灰则送入灰渣仓储存、转运走。从除尘器10出来的达标洁净烟气一部分由再循环引风机13带走，进行烟气再循环，其余则由主引风机11送入烟囱12，最后排入大气。由再循环风机13带走的再循环烟气，其中大部分送入烟气混合室6中，其余部分则作为消化塔的流化气体，经管道21，并升压喷入消化反应塔3的底部。
权利要求
1.一种复合循环式流态化干法烟气脱硫工艺，主要包括脱硫塔内部分离的脱硫剂颗粒循环、外部除尘器分离出的脱硫剂颗粒再循环，其特征是脱硫塔内部的脱硫剂颗粒再循环是由脱硫剂颗粒及烟气通过塔腔时，烟气流速随着其上升过程产生阶梯形速度变化，并在塔内壁面的局部变形区形成涡流区，强化脱硫剂颗粒在塔内的内循环量，延长脱硫剂颗粒的接触反应时间。
2.根据权利要求1所述的复合循环式流态化干法烟气脱硫工艺，其特征是将外部除尘器分离出来的洁净含湿烟气进行再循环，再循环是将洁净含湿烟气与烟气一起从塔底送脱硫塔，根据运行要求调节再循环洁净含湿烟气量，一方面降低脱硫塔的烟气入口温度，使进入脱硫反应塔的烟气温度降低5-20℃，同时满足脱硫塔在变负荷工况下的正常流态化的烟气量需求，另一方面将一小部分再循环烟气升压送到生石灰的消化塔内充当消化系统的流化气体。
3.根据权利要求1或2所述的复合循环式流态化干法烟气脱硫工艺，其特征是从脱硫反应塔下部喷入经消化系统得到的高活性脱硫剂颗粒、喷入雾化冷却水，以及从外部除尘器分离的一部分脱硫剂颗粒，使需脱硫烟气与脱硫剂颗粒、雾化水颗粒发生强烈的三相湍流传热传质交换。
4.根据权利要求1或2所述的复合循环式流态化干法烟气脱硫工艺，其特征在于采用脱硫剂颗粒的外部循环系统是在塔外采用气固分离装置将分离出的脱硫剂颗粒通过回料管道重新送回脱硫反应塔，与塔内的颗粒一起内循环，直到满足设计的脱硫剂利用率要求。
5.根据权利要求4所述的复合循环式流态化干法烟气脱硫工艺，其特征是经混合室混合降温的烟气通过低阻力烟气引射装置从反应塔底部向上射入反应塔中。
6.根据权利要求2所述的复合循环式流态化干法烟气脱硫工艺，其特征是洁净含湿烟气再循环烟气抽出点在脱硫塔烟气出口与烟囱12之间的管道任意处，再循环洁净含湿烟气量为总燃烧排放烟气量的10％～50％进行调节，达到脱硫塔入口烟气降温5-20℃的要求，和满足脱硫塔正常流态化的烟气量需求。
7.根据权利要求1或2所述的复合循环式流态化干法烟气脱硫工艺，其特征是采用生石灰作为脱硫剂原料，通过流态化消化系统，将生石灰消化成高表面活性的消石灰颗粒，并采用再循环含湿烟气作为流化气体，消化塔内喷入雾化水，消化塔内腔为变异及变截面设计，或再增加内分离装置。
8.一种用于上述任意方法的脱硫反应塔，其特征在于塔腔是一种变异及变截面的布置结构，塔腔横截面自下向上阶梯增大，塔上层内壁面为变异形状，即圆形与角形的结合，形成强化脱硫剂颗粒在塔内循环的局部涡流区。
9.根据权利要求8所述的高效脱硫反应塔，其特征是脱硫反应塔底部接低阻力烟气引射装置(7)，从下向上，塔底层为渐扩锥体(81)，倾斜角为60-80°，在该锥体壁面上设置脱硫剂给料喷嘴(85)、喷水雾化喷嘴(19)、脱硫剂再循环入口(86)，中间反应段(82)为圆柱结构，塔体上部(84)为一种圆方形结合结构，其截面积是中间反应段的1.3-2.0倍，塔体上部与中间段之间的过度段(83)采用一种变异结构连接上下两段，类似于方圆节的变异方式。
10.根据权利要求8或9所述的高效脱硫反应塔，其特征是塔体上部(84)为一种半圆半矩形或多边形结构。
全文摘要
本发明提供一种复合循环式流态化干法烟气脱硫工艺及高效脱硫反应塔，脱硫塔内部分离的脱硫剂颗粒循环是将脱硫剂颗粒及烟气通过塔内时，烟气流速随着其上升过程产生阶梯形速度变化，并在塔内壁面的局部变形区形成涡流区，强化脱硫剂颗粒在塔内的内循环量，延长脱硫剂颗粒的接触反应时间。外部除尘器分离出的洁净含湿烟气与烟气一起从塔底送入脱硫塔，根据运行要求调节再循环洁净含湿烟气量，另一方面将一小部分再循环烟气升压送到生石灰的消化塔内充当消化系统的流化气体。本发明在较低的钙硫比(Ca/S＝1.1－1.3)下可达到90％～92％以上的脱硫效率，具有宽调节比特性，可以满足燃烧设备从20％到110％负荷变化的高效脱硫要求。
文档编号B01D53/83GK1431034SQ02147830
公开日2003年7月23日 申请日期2002年12月12日 优先权日2002年12月12日
发明者张泽, 韩洪 申请人:武汉凯迪电力股份有限公司