专利名称：直吹式脱硫剂制备的干法烟气脱硫工艺及消化反应装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种直吹式脱硫剂制备的干法烟气脱硫工艺及消化反应装置，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。
特别针对我国火力发电单台装机容量基本为600MW的烟气脱硫市场需要，同时根据国际上烟气脱硫技术发展和市场的客观规律，先进的大型化(可适用于600MW以上火力发电机组)干法烟气脱硫技术将成为国内外电力环保技术及市场的主力。
而对于干法烟气脱硫技术，脱硫剂颗粒粒径的大小和表面活性的高低，直接决定了脱硫系统脱粒剂的利用率和脱硫效率的高低。要在低钙硫比(Ca/S＝1.1～1.3)的条件下，达到高的脱硫效率(90％以上)，脱硫剂颗粒的粒径就必须控制在尽可能小的范围之内。
对于目前应用的烟气循环流化床方法的干法脱硫技术，大都利用非流态化方式把石灰消化后的浆液作为吸收剂，或者采用搅拌等方法制备干式脱硫剂颗粒，并将这样的脱硫剂颗粒喷入脱硫反应器内与需脱硫烟气进行脱硫反应，如专利CN86108755A，CN1307926A等。由于干式脱硫剂颗粒的粒径较大，表面活性较差，同时存在脱硫剂制备系统复杂，耗水量大，占地面积较大，管道易腐蚀、结垢及堵塞，喷嘴易磨损，并且脱硫剂颗粒的利用率很低。因此，此类系统的可靠性较差，烟气脱硫效率较低。
又如德国Wulff公司采用的回流式循环流化床烟气脱硫技术通过消化反应塔和消化反应塔外部的惯性分离及再循环装置来制备脱硫剂颗粒。
在目前采用流态化方法进行脱硫剂制备的消化制粉系统中，都采用中储仓式制粉系统，采用两级惯性分离装置，并布置有脱硫剂储仓，这样不但系统复杂、设备投资和运行费用高，而且由于制备的脱硫剂颗粒的粒径小且流动性差，故该脱硫剂颗粒的粘结性比较强，容易引起脱硫剂储仓、管道堵灰，从而降低系统运行的安全性和稳定性。另外，针对干法脱硫技术的大型化需要，脱硫剂制备系统所需制备的脱硫剂颗粒量增加，为了达到制备出粒径小且窄筛分的脱硫剂颗粒，上述技术需要通过增加外部惯性分离装置的数量来实现，这样不但增加了设备的投资和运行费用，而且降低了系统运行的安全性和稳定性。
发明内容
针对现有技术存在的不足和缺陷，本发明的目的是提供一种采用直吹式脱硫剂制备的干法烟气脱硫工艺并与之配套的高效消化反应塔，由于该工艺采用直吹式制粉系统，取消了消化反应塔外部的分离装置以及脱硫剂储仓，而是通过提高消化反应塔的内循环率来保证消化反应塔内多相流场组织得更加合理，来实现充分的颗粒消化反应，在消化塔出口直接将制备的脱硫剂直接喷入脱硫反应塔中，它具有系统简单、初投资和运行费用低、安全性和稳定性高以及变负荷调节能力强等优点，特别适用于大型化干法烟气脱硫系统脱硫剂的制备。
本发明是通过以下技术方法实现的本发明的直吹式脱硫剂制备的干法烟气脱硫工艺，包括脱硫剂颗粒原料的消化反应，脱硫反应塔内脱硫反应，脱硫剂颗粒的分离及再循环，采用循环流态化方法在消化反应塔内制备脱硫剂，脱硫剂颗粒的分离及再循环在消化反应塔内进行，从消化反应塔出口通过脱硫剂的风粉输运管道，将脱硫剂风粉混合物直接喷入脱硫反应塔中。
所述的直吹式脱硫剂制备的干法烟气脱硫工艺，采用位置角度可调的摆动式喷嘴，将脱硫剂风粉混合物喷入脱硫反应塔。
所述的直吹式脱硫剂制备的干法烟气脱硫工艺，其消化反应塔主体的颗粒内循环率为30～70％。
所述的直吹式脱硫剂制备的干法烟气脱硫工艺，消化反应塔的空塔流化速度为0.2～10m/s，消化塔上部区间的空截面速度为0.2～1.5m/s。
一种用于本发明的干法烟气脱硫工艺的消化反应装置，包括气体混合室、气体流化装置、消化反应塔及各种进出口，消化反应塔的主体由复杂变异结构的2～4个子段构成，每个子段的出口截面形状与进口截面形状不同，下一段的出口就是上一段的入口，每个子段的出口截面与进口截面的横截面积从下往上逐渐变大，出口截面积为其进口截面积的1.1～1.5倍。
所述的消化反应装置，消化反应塔子段的进、出口截面沿设备的宽度方向长设为X，沿设备的深度方向长设为Y，当一个截面为长形即X≥1.5Y时，则另一个截面为近似正形即X＝0.8～1.2Y；或反之，当一个截面为长形Y≥1.5X时，则另一个截面为近似正形即Y＝0.8～1.2X。
所述的消化反应装置，消化反应塔的上部区间有一变异段，即入口采用类似于圆形截面，向上变异成一个类似于圆弧段与矩形边组合形成的塔体截面，其截面放大，变异段的出口位置的截面积为其入口截面的1.1～2.0倍。
所述的消化反应装置，消化反应塔子段的进、出口截面中，一个截面是由矩形的两个长边和用圆弧代替两个短边组合的长形，则另一个截面是近似正形，即多边形状或圆形形状。
所述的消化反应装置，消化反应塔上部出口窗设置分离调节装置。
该分离调节装置由一组百叶窗栅板构成，百叶窗栅板的角度可调，来控制出口的脱硫剂颗粒的粒径大小及其质量流量，以适应负荷的变化。
本发明的优点本发明具有采用循环流态化方法进行脱硫剂制备高效和耗水量低的优点，因为脱硫剂制备的消化反应为放热反应，消化反应将导致生石灰颗粒破裂，而循环流态化方法使得颗粒在消化反应塔内反复再循环进行消化反应，最终使得到达消化反应塔出口的绝大部分颗粒的粒径在10μm以下，从而实现了小粒径、窄筛分、干粉态的高表面活性脱硫剂颗粒的制备，也达到了高效和耗水量低的效果。
与目前所采用的流态化脱硫剂制备系统以及消化反应塔相比，其优点在于第一，本发明取消了消化反应塔外部的分离装置以及脱硫剂储仓，大大简化了系统工艺流程，因此它具有初投资和运行费用低、占地面积小等优点。
第二，本发明取消了消化反应塔外部的分离装置以及脱硫剂储仓，而是采用稀相的气力输运方式来输送制备的脱硫剂并直接喷入脱硫反应塔，不会出现脱硫剂储仓、脱硫剂疏运管道堵灰的问题，安全性和稳定性较高。
第三，本发明取消了消化反应塔外部的分离装置以及脱硫剂储仓，从而克服了采用外部分离装置和脱硫剂储仓的脱硫剂制备系统应用于大型化干法烟气脱硫中存在的问题。直吹式脱硫剂制备系统特别适用于大型化干法烟气脱硫，它只需通过组织消化反应塔内的流场来控制消化反应塔内的颗粒内循环量，从而保证消化反应塔出口的脱硫剂颗粒满足小粒径和窄筛分的要求。
第四，本发明采用的复杂变异消化反应塔通过提高塔内颗粒的内循环量，通过塔体截面的渐增变化，在消化塔上部区间，控制塔内空截面流速在0.2～1.5m/s之间，可以保证到达消化塔出口的脱硫剂颗粒粒径在很小的范围之内，实现了1～10um脱硫剂颗粒粒径在90％以上的高效脱硫剂制备要求。实现了过去必须采用外部分离循环才能达到的消化反应效率。
第五，本发明可以实现较宽的变负荷调节比和较快的调节反应速度。对于脱硫剂喷入量随燃烧设备负荷变化的调节，不仅可以通过改变消化反应塔底部的流化气体的流速来调节，同时可以通过消化塔出口的百叶窗栅板的倾角来调节出口脱硫剂力度以及质量流量，由于脱硫剂制备系统简单，流通管道短，则其调节反应速度快，本发明可以满足燃烧设备从20％到110％负荷变化的高效脱硫要求。
综上所述，本发明的消化反应塔特别适用于大型化干法烟气脱硫系统的脱硫剂制备，具有系统简单、初投资和运行费用低、安全性和稳定性高以及变负荷调节能力强的优点。
附图1为本发明的工艺流程及系统结构示意图。
附图2为本发明的消化反应装置主视图结构示意图。
附图3为消化反应塔的上部区间出口的分离调节装置结构示意图。
附图4为消化反应塔上部区间的变异段横截面示意图。
附图5为消化反应塔主体子段截面的正形为圆形的示意图。
附图6、7为消化反应塔主体子段的长形截面示意图。
附图8、9为消化反应塔主体子段进出口横截面(正形、长形截面)上的气流流动方向示意图。
图中生石灰仓1、机械给料装置2、气体混合室3、气体流化装置4、消化反应塔5、消化反应塔流化段5-1、消化反应塔主体5-2、消化反应塔上部区间5-3、消化反应塔出口的百叶窗栅板5-4、消化反应塔主体子段5-5、消化反应塔出口6、消化用水雾化喷嘴7、消化反应装置流化气体进口21、脱硫塔位置可调的摆动式给料喷嘴8、脱硫剂的风粉输运管道9、烟气预除尘装置10、脱硫塔的烟气混合室11、脱硫塔烟气引射加速装置12、脱硫反应塔13、脱硫塔下部流化区域13-1、脱硫塔烟气出口14、颗粒分离装置15(静电除尘器、布袋除尘器或其它分离装置或几种的组合)、外部再循环颗粒回料入口16、脱硫反应塔水雾化喷嘴17、灰渣仓18、主引风机19、烟囱20。
具体实施例首先结合附图1、2对消化反应装置进行说明本发明的消化反应装置由塔底的气体混合室3、气体流化装置4、消化反应塔5组成，消化反应塔5分为消化反应塔流化段5-1、消化反应塔主体5-2、消化反应塔上部区间5-3。本发明消化反应塔的主体为复杂变异结构，由2～4个子段5-5构成，每个消化塔子段的出口(上口)截面形状与进口(下口)截面形状不同，下一段的出口就是上一段的入口，每个消化塔子段的出口截面与进口截面的横截面积从下往上逐渐变大，出口截面积为其进口截面积的1.1～1.5倍。若变异的消化塔子段的进、出口截面沿设备的宽度方向长为X，沿设备的深度方向长为Y，当一个截面为长形即X≥1.5Y时，则另一个截面为近似正形即X＝0.8～1.2Y，反之，若变异的消化塔子段的进、出口截面沿设备的深度方向长为X，沿设备的宽度方向长为Y，当一个截面为长形即X≥1.5Y时，则另一个截面为近似正形即X＝0.8～1.2Y。如图5、图6子段截面形状的示意图。
本发明消化反应塔的上部区间的入口通常采用类似于圆形截面，其向上变异成一个类似于圆弧段与矩形边组合形成的塔体截面，如图4，形成变异段5-3。变异段出口(上口)位置的截面积为其入口(下口)截面的1.1～2.0倍，上部区间设计的空截面速度为0.2～1.5m/s。
如图3变异段的上部有消化反应塔出口6，出口窗装有分离调节装置的百叶窗栅板5-4，它由一组栅板组成，类似于百叶窗结构，实际运行中通过调节栅板角度，来控制出口的脱硫剂颗粒的粒径大小及其质量流量，以适应负荷的变化。
在消化反应塔流化段的中下部是机械给料装置2的脱硫剂原料喷入口。在脱硫剂原料喷入口的上面是消化用水雾化喷嘴7，分1～4层，每层沿其横截面的圆周方向均匀布置4～8个消化用水雾化喷嘴，最下层消化水雾化喷嘴与原料入口之间的距离高度为500～1000mm，各层水雾化喷嘴间隔1000～2000mm。脱硫剂原料喷入口距底部气体流化装置4出口截面之间的距离为300～1500mm。流化气体进口21设在气体混合室3侧或下部。
消化反应塔出口所获得的脱硫剂颗粒粒径小于10μm的颗粒应达到90％以上。
下面结合附图具体说明本发明系统和工艺过程。
本发明以廉价的生石灰并且不限于生石灰为脱硫剂原料，它主要是通过底部的循环流态化方法，在具有高内循环率的消化反应塔内制备出符合高脱硫率要求的高表面活性、粒径小并且均匀的脱硫剂颗粒并直接喷入脱硫反应塔下部流化区域。
一、对脱硫剂原料的消化反应过程作详细说明从生石灰仓1送来的脱硫剂原料生石灰CaO，通过机械给料装置2喷入消化反应塔流化段5-1；在脱硫剂原料入口上方的消化用水雾化喷嘴7将雾化水喷入消化反应塔流化段5-1，维持钙水摩尔比Ca/H2O＝1.0～1.3。流化气体(可以采用再循环洁净烟气或压缩空气)先进入气体混合室3，然后通过气体流化装置4从消化反应塔5的底部送入，并保证消化反应塔的空塔流化速度在0.2～10m/s。
由于消化反应塔主体5-2采用变异结构的塔型，进入到消化反应塔主体5-2内的流化气体、脱硫剂原料颗粒、雾化水颗粒以及消化反应塔内部的再循环颗粒，在塔内各空间形成流态化的气、固、液三相混合，该三相混合在塔内的任何一个截面位置都呈现各个方向的多个涡流区的组合流动形式，加强了脱硫剂原料颗粒与雾化水颗粒的混合强度。附图8、9为消化反应塔主体子段进出口横截面(正形、长形截面)上的气流流动方向示意图。同时由于各位置的涡流区的存在，极大地提高脱硫剂原料颗粒在消化塔体内的内循环量，因此加快了脱硫剂原料的消化反应速度。由于沿塔体向上截面呈阶梯状扩大，则塔内流化气体的空截面速度，沿消化反应塔体向上方向呈阶梯状降低。这样，在消化反应塔主体5-2的塔体上部，由于流化气力减小，未消化完全的大颗粒在重力的作用下又向下沉降，在塔内形成大颗粒内循环并不断的进行消化反应。因此，采用变异结构的消化反应塔主体5-2具有较高的颗粒内循环率可以达到70％左右。
在消化反应塔中，流化气体将喷入的脱硫剂原料、消化反应用水滴、回料颗粒(消化反应塔的内循环颗粒，以及从出口窗分离调节装置的百叶窗栅板5-5分离的并进行再循环的颗粒)流化，气、液、固三相物质在塔内强烈混合反应，形成较好的流态化及消化反应条件，由于脱硫剂制备的消化反应为放热反应，消化反应将导致生石灰颗粒破裂，成为小粒径、窄筛分、干粉态、高表面活性的消石灰颗粒。由于消化塔上部区间的的空截面速度很小，使得最终到达消化反应塔5顶部出口的绝大部分颗粒的粒径在10μm以下，因此到达消化反应塔上部出口位置的消化完成的脱硫剂可以保证90％以上的颗粒粒径在1～10μm之间。
经过消化反应塔主体5-2后的风粉混合物从消化反应塔主体上部区间5-3引出，首先要经过消化塔出口的百叶窗栅板5-4，该装置还可以起到调节进入消化塔出口的脱硫剂颗粒粒径的作用，同时，改变百叶窗栅板的倾角，调节风粉混合物的质量流量，以适应负荷变化。
然后将通过消化反应塔出口6的脱硫剂颗粒的风粉混合物，通过输运管道9，进入位置可调的摆动式喷嘴8中，直接喷射进入脱硫反应塔13的下部硫化区13-1。
本发明采用变异结构的消化反应塔主体的颗粒内循环率为30～70％。消化反应塔的空塔流化速度为0.2～10m/s。对于脱硫剂的制备量随燃烧设备负荷变化的调节，可以通过消化反应塔底部的流化气体的风(可以采用洁净烟气或压缩空气)量及速度，以及出口百叶窗栅板5-4的倾角来调节消化反应塔出口的脱硫剂制备量，采用这种方法，可以满足燃烧设备从20％到110％负荷变化对脱硫剂量的要求。
二、简述脱硫过程首先，从燃烧设备排出的烟气经过一个烟气预除尘装置10(如静电除尘器、布袋除尘器、惯性分离除尘器或者它们的组合形式)，除去烟气中85％以上的飞灰，经过预除尘后的烟气送入烟气混合室11中，通过烟气引射加速装置12(例如文丘里喷嘴)向上喷射进入脱硫反应塔13的底部，维持烟气射流的出口速度范围为30～55m/s。
烟气进入脱硫塔下部流化区域13-1与从脱硫剂颗粒喷入口9喷进的高活性脱硫剂颗粒、由脱硫反应塔水雾化喷嘴17喷入的雾化冷却水，和从外部再循环颗粒回料入口16进来的再循环脱硫剂颗粒混合，三者发生强烈的三相湍流传热传质交换。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。在脱硫反应塔13的中上部，塔内颗粒基本呈现较大的回落趋势，大部分颗粒沿侧壁附近向下运动，到脱硫塔的下部后由于脱硫塔底部的烟气流速较高，颗粒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，脱硫效率至少可以达到90％以上。
再后，烟气由脱硫塔烟气出口14引出，进入颗粒分离装置15，其分离效率为99.8％以上，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，通过外部再循环颗粒回料入口16将它们再送回脱硫塔中，而已经反应完成的大部分小颗粒(1～2μm)不再参与循环，即脱硫副产品及飞灰则送入灰渣仓18储存、转运走。从颗粒分离装置15出来的达标洁净烟气，经主引风机19送入烟囱20，最后排入大气。
权利要求
1.一种直吹式脱硫剂制备的干法烟气脱硫工艺，包括脱硫剂颗粒原料的消化反应，脱硫反应塔内脱硫反应，脱硫剂颗粒的分离及再循环，其特征在于采用循环流态化方法在消化反应塔内制备脱硫剂，脱硫剂颗粒的分离及再循环在消化反应塔内进行，从消化反应塔出口通过脱硫剂的风粉输运管道，将脱硫剂风粉混合物直接喷入脱硫反应塔中。
2.根据权利要求1所述的直吹式脱硫剂制备的干法烟气脱硫工艺，其特征在于采用位置角度可调的摆动式喷嘴，将脱硫剂风粉混合物喷入脱硫反应塔。
3.根据权利要求1或2所述的直吹式脱硫剂制备的干法烟气脱硫工艺，其特征在于消化反应塔的颗粒内循环率为30～70％。
4.根据权利要求1或2所述的直吹式脱硫剂制备的干法烟气脱硫工艺，其特征在于消化反应塔的空塔流化速度为0.2～10m/s，消化塔上部区间的空截面速度为0.2～1.5m/s。
5.一种用于权利要求1～4各种组合的干法烟气脱硫工艺的消化反应装置，包括气体混合室、气体流化装置、消化反应塔及各种进出口，其特征在于消化反应塔的主体由复杂变异结构的2～4个子段构成，每个子段的出口截面形状与进口截面形状不同，下一段的出口就是上一段的入口，每个子段的出口截面与进口截面的横截面积从下往上逐渐变大，出口截面积为其进口截面积的1.1～1.5倍。
6.根据权利要求5所述的消化反应装置，其特征在于消化反应塔子段的进、出口截面沿设备的宽度方向长设为X，沿设备的深度方向长设为Y，当一个截面为长形即X≥1.5Y时，则另一个截面为近似正形即X＝0.8～1.2Y；或反之，当一个截面为长形Y≥1.5X时，则另一个截面为近似正形即Y＝0.8～1.2X。
7.根据权利要求5或6所述的消化反应装置，其特征在于消化反应塔的上部区间有一变异段，即入口采用近似于圆形截面，向上变异成一个圆弧段与矩形边组合形成的塔体截面，其截面放大，变异段的出口位置的截面积为其入口截面的1.1～2.0倍。
8.根据权利要求5或6所述的消化反应装置，其特征在于消化反应塔子段的进、出口截面中，一个截面是由矩形的两个长边和用圆弧代替两个短边组合的长形，则另一个截面是近似正形，即多边形状或圆形形状。
9.根据权利要求5或6所述的消化反应装置，其特征在于消化反应塔上部出口窗设置分离调节装置。
10.根据权利要求9的消化反应装置，其特征在于消化反应塔出口窗的分离调节装置由一组百叶窗栅板构成，百叶窗栅板的角度可调，来控制出口的脱硫剂颗粒的粒径大小及其质量、流量，以适应负荷的变化。
全文摘要
本发明提出一种直吹式脱硫剂制备的干法烟气脱硫工艺及消化反应装置，主要包括消化反应塔脱硫剂颗粒原料的消化反应，直吹式脱硫剂颗粒的输运，脱硫反应塔内脱硫反应，外部脱硫剂颗粒的分离及再循环，其特点是通过循环流态化方法在消化反应塔出口即可得到满足脱硫反应要求的高性能脱硫剂，并将消化反应塔出口的脱硫剂风粉混合物直接喷入脱硫反应塔。与现有技术相比，本发明由于取消了消化反应塔外部的分离装置以及脱硫剂储仓，具有系统简单、初投资和运行费用低、安全性和稳定性高以及变负荷调节能力强等优点，并适用于大型化干法烟气脱硫系统脱硫剂的制备。
文档编号B01D53/83GK1490073SQ0312534
公开日2004年4月21日 申请日期2003年8月28日 优先权日2003年8月28日
发明者张泽, 张颉, 胡永锋, 林冲, 李雄浩, 刘亚丽, 张岩丰, 张 泽 申请人:武汉凯迪电力股份有限公司