一种多级旋流循环流化床脱硫装置及其脱硫方法与流程

本发明涉及烟气净化技术领域，具体地，本发明涉及一种多级旋流循环流化床脱硫装置及其脱硫方法。

背景技术：

目前，烟气脱硫工艺基本可以分为三类：湿法、干法和半干法。湿法脱硫工艺的脱硫剂采用浆液形式，脱硫副产物含水量较高，需要浓缩脱水后才能得到含水量较低的副产物；干法脱硫采用干态脱硫剂，脱硫副产物也是干态的固体；半干法介于湿法和干法两者之间，脱硫剂以雾化或加湿的小颗粒形式存在于脱硫过程中，副产物是干态的固体。烟气循环流化床脱硫工艺属于半干法脱硫技术，与湿法脱硫工艺相比，具有投资、运行费用低，系统设备少，占地面积小，无脱硫废水排放等特点，具有良好的应用前景。

德国lurgi公司最早开发了烟气循环流化床脱硫工艺，烟气在吸收塔内与加湿的吸收剂和循环灰混合，在流态化条件下发生脱硫反应，然后经过预除尘器和除尘器进行气固分离，大部分固体颗粒返回吸收塔继续参与反应，总体停留时间可达30min以上，提高了脱硫剂利用率。此外，由于烟气温度始终高于露点温度约20℃以上，设备无需进行防腐处理，排出烟气也无需再加热。

德国wulff公司开发了烟气回流式循环流化床脱硫工艺，主要是吸收塔内增加了扰流板和塔顶物料回流装置，强化脱硫剂的塔内循环，提高了吸收剂利用率和脱硫效率。另外，吸收塔内产生回流使得出塔气流的含尘浓度降低约15%~30%，外部再循环物料量减少30%~50%，减轻了除尘器的负荷，取消了预除尘器，简化了工艺流程，使投资和运行费用进一步降低。

丹麦f.l.smidth公司开发的气体悬浮吸收烟气脱硫工艺，则是通过增加外置旋风分离器及相应的回料结构，增加物料循环倍率及悬浮浓度，由于吸收塔内的悬浮颗粒为石灰浆液和烟气提供了很大的接触面积，使得该工艺的脱硫剂利用率和脱硫效率进一步提高。此外，由于循环物料通过旋风分离器返回吸收塔，进入除尘器的粉尘量很少，气体结露的可能性更低，使得吸收塔可在更低的温度下运行，进一步提高脱硫效率，但同时对旋风分离器及回料箱设备的保温、加热等均有严格要求。

发明专利zl200610072800.x提供了一种内外双循环流化床脱硫工艺，同时使用塔内顶部扰流板和塔外旋风分离器结构，又进一步对进气、进料结构进行了优化，增加烟气与吸收剂的接触面积以及吸收剂在反应器内的停留时间，从而进一步提高吸收剂利用率。

由于循环流化床吸收塔内的气、固两相及气、液、固三相流动具有固有的非均匀性，不利于脱硫效率及吸收剂利用率的提高。通过在塔内设置扰流板等内构件，虽然可以在一定程度上增加吸收剂的停留时间，但从组织流动的角度考虑，该措施主要对塔内流场的轴向分布产生作用，对径向分布影响很小，反而会进一步增强吸收塔内流动的非均匀性，此外还会使流动阻力增加，并可能产生相应的粘壁、磨损等问题。

发明专利zl200310114619.7和发明专利zl200610042312.4提供了不同形式的吸收塔旋/直流复合流化装置，发明专利zl200910143297.6和发明专利zl201110020755.4也提供了切向进气的吸收塔结构，以改善塔内流动均匀性并增加反应物停留时间。上述专利所采用的增加塔内旋流的方式，有利于增强吸收塔内流场的湍流强度，改善烟气和吸收剂在塔内的混合效果并延长停留时间，但吸收塔内的流场仍以轴向流动为主导，径向流动较弱，在提高脱硫效率及吸收剂利用率方面，仍存在进一步改进的空间。

技术实现要素：

本发明提供一种多级旋流循环流化床脱硫装置及其脱硫方法，采用多级旋流的进气方式，使吸收塔内形成强烈的三维湍流流场，增强径向流动强度，改善烟气和吸收剂在塔内的混合效果并延长停留时间，以进一步提高烟气循环流化床脱硫工艺的脱硫效率及吸收剂利用率。

本发明提供一种多级旋流循环流化床脱硫装置，其特征在于，包括一级旋流烟道（1），二级旋流烟道（2），三级旋流烟道（3），吸收塔（4），气固分离器（5），回料箱（6）。

本发明提供一种多级旋流循环流化床脱硫装置，其特征在于，吸收塔（4）底部设有排料口（40）和一级烟气喷口（41）；中部设有二级烟气喷口（42）和三级烟气喷口（43），在二级烟气喷口（42）和三级烟气喷口（43）之间还设有粉体喷口（44），液体喷口（45），回料口（46）；顶部设有烟气出口（47）。

本发明提供一种多级旋流循环流化床脱硫装置，其特征在于，吸收塔（4）为无内构件的圆柱型空塔；底部为渐扩的锥段，内壁面与竖直方向的夹角为20~45°；中部为等径或具有局部缩径结构；底部直径db与中部直径dm的比值为0.3~0.5。

本发明提供一种多级旋流循环流化床脱硫装置，其特征在于，吸收塔（4）上的一级烟气喷口（41）数量为4~8个，烟气沿割向喷入，对应的一级旋流圆直径d1与吸收塔底部直径db的比值为0.2~0.6，喷入的一级烟气流量q1占烟气总流量qt的30%~50%，每个一级烟气喷口的流速v1为10~30m/s。

本发明提供一种多级旋流循环流化床脱硫装置，其特征在于，吸收塔（4）上的二级烟气喷口（42）数量为4~8个，烟气沿割向喷入，对应的二级旋流圆直径d2与吸收塔中部直径dm的比值为0.4~0.8，喷入的二级烟气流量q2占烟气总流量qt的30%~40%，每个二级烟气喷口的流速v2为20~60m/s。

本发明提供一种多级旋流循环流化床脱硫装置，其特征在于，吸收塔（4）上的三级烟气喷口（43）数量为4~8个，烟气沿割向喷入，对应的三级旋流圆直径d3与吸收塔中部直径dm的比值为0.4~0.8，喷入的三级烟气流量q3占烟气总流量qt的20%~30%，每个三级烟气喷口的流速v3为20~60m/s。

本发明提供一种多级旋流循环流化床脱硫装置，其特征在于，一级旋流烟道（1）由一级烟气主管和一级烟气支管组成，一级烟气主管上设有一级烟气流量调节阀（11），并通过环形管与一级烟气支管相连，一级烟气支管的数量为4~8个，分别与一级烟气喷口（41）相连。

本发明提供一种多级旋流循环流化床脱硫装置，其特征在于，二级旋流烟道（2）由二级烟气主管和二级烟气支管组成，二级烟气主管上设有二级烟气流量调节阀（21）和二级烟气增压风机（22），并通过环形管与二级烟气支管相连，二级烟气支管的数量为4~8个，分别与二级烟气喷口（42）相连。

本发明提供一种多级旋流循环流化床脱硫装置，其特征在于，三级旋流烟道（3）由三级烟气主管和三级烟气支管组成，三级烟气主管上设有三级烟气流量调节阀（31）和三级烟气增压风机（32），并通过环形管与三级烟气支管相连，三级烟气支管的数量为4~8个，分别与三级烟气喷口（43）相连。

本发明提供一种多级旋流循环流化床脱硫装置，其特征在于，气固分离器（5）为重力式除尘器或离心式除尘器，与吸收塔（4）的烟气出口（47）及回料箱（6）相连。

本发明提供一种多级旋流循环流化床脱硫装置，其特征在于，回料箱（6）与气固分离器（5）及吸收塔（4）的回料口（46）相连，并设有排灰口（60）。

本发明提供一种采用多级旋流循环流化床装置进行烟气脱硫的方法，其特征在于，含有二氧化硫的总流量为qt的烟气，由一级烟气流量调节阀（11）、二级烟气流量调节阀（21）、三级烟气流量调节阀（31）控制，并在二级烟气增压风机（22）和三级烟气增压风机（32）的作用下，将流量为q1的烟气送入一级旋流烟道（1），流量为q2的烟气送入二级旋流烟道（2），流量为q3的烟气送入三级旋流烟道（3），并分别通过一级烟气喷口（41），二级烟气喷口（42）和三级烟气喷口（43）进入吸收塔（4），吸收剂通过粉体喷口（44）或经预处理后通过液体喷口（45）进入吸收塔（4），同时通过液体喷口（45）将水喷入吸收塔（4），来自回料箱（6）的循环物料通过回料口（46）进入吸收塔（4）。

本发明提供一种采用多级旋流循环流化床装置进行烟气脱硫的方法，其特征在于，吸收剂与烟气在吸收塔（4）内充分混合，并在水的作用下与烟气中的二氧化硫发生反应，生成的脱硫副产物呈固态，与烟气及未反应完全的吸收剂一起通过吸收塔（4）的烟气出口（47）进入气固分离器（5），其中粒度较小的固体颗粒随烟气离开气固分离器（5）进入下游除尘设备，粒度较大的固体颗粒被补集进入回料箱（6），大部分通过回料口（46）返回吸收塔（4）继续参与反应，小部分通过回料箱（6）的排灰口（60）排出装置。

本发明提供一种采用多级旋流循环流化床装置进行烟气脱硫的方法，其特征在于，所述的吸收剂为石灰、粉煤灰、电石渣、钢渣或上述物质的混合物，吸收剂以干粉状态在输送风机的控制下通过粉体喷口（44）进入吸收塔（4），或经预处理形成浆液，并在浆液泵的控制下通过液体喷口（45）与水一起进入吸收塔（4）。

本发明提供一种采用多级旋流循环流化床装置进行烟气脱硫的方法，其特征在于，所述的吸收剂中所含的钙元素与烟气中所含的硫元素的摩尔比为1.2~2.0，所述的吸收塔（4）的运行温度为70~140℃，烟气在吸收塔（4）内的表观流速为4~12m/s，停留时间大于3s。

本发明提供一种采用多级旋流循环流化床装置进行烟气脱硫的方法，其特征在于，用于控制通过回料口（46）返回吸收塔（4）的固体颗粒循环量的设备为给料阀门或给料螺旋。

本发明提供一种采用多级旋流循环流化床装置进行烟气脱硫的方法，其特征在于，根据烟气总流量qt、进口二氧化硫含量cin及要求的出口二氧化硫含量cout，首先计算确定烟气流量分配比例及对应的烟气喷口流速，再结合吸收剂的物理化学性质计算确定所需的吸收剂用量ga和固体颗粒循环量gs，并根据上述运行参数计算确定喷淋水流量gw。

本发明提供一种采用多级旋流循环流化床装置进行烟气脱硫的方法，其特征在于，所述的烟气流量分配比例及对应的烟气喷口流速的调节过程为，首先通过调节一级烟气流量调节阀（11）实现满足条件的一级烟气流量q1及一级烟气喷口流速v1，再通过调节二级烟气流量调节阀（21）和二级烟气增压风机（22）实现满足条件的二级烟气流量q2及二级烟气喷口流速v2，最后通过调节三级烟气流量调节阀（31）和三级烟气增压风机（32）实现满足条件的三级烟气流量q3及三级烟气喷口流速v3。

本发明提供一种多级旋流循环流化床脱硫装置及其脱硫方法，其中各级烟气的旋流强度由高至低分别为二级烟气、三级烟气、一级烟气。在此旋流强度分布条件下，形成的流场形态为：吸收塔中下部的边壁区域形成高压区，中心区域形成低压区，一级烟气和大部分的二级烟气沿上升的渐缩螺旋线被卷吸进入中心区域，三级烟气和小部分的二级烟气沿下降的渐缩螺旋线被卷吸进入中心区域。在相互卷吸过程中，三股气流在吸收塔中下部形成强烈的三维湍流流场，同时与喷入的吸收剂和水在此充分混合形成气液固三相流，并继续沿多重螺旋线上升，通过吸收塔的中上部区域。吸收塔内特别是中下部区域内的三维强烈湍流可显著强化其中气液两相、液固两相的传质过程。由于二氧化硫脱除过程是受传质速率控制的化学反应，传质过程的增强有利于加快反应进度。

本发明提供一种多级旋流循环流化床脱硫装置及其脱硫方法，在实现吸收塔内上述多级旋流流场形态的基础上，通过采用相应的烟气流量调节阀和烟气增压风机，可根据不同负荷的运行条件，对各级烟气的流量及旋流强度进行差别化的调节控制。在满负荷运行条件下，对装置的脱硫效率要求较高，此时需要烟气增压风机以较高的电机转速运行，提供较高的压头以增加相应烟气喷口流速，从而增强吸收塔中下部流场的湍流强度，以加快反应进度，从而提高脱硫效率；在低负荷运行条件下，对装置脱硫效率的要求有所降低，此时吸收塔中下部流场的湍流强度和相应烟气喷口流速可以适当降低，即烟气增压风机可以较低的电机转速运行，从而降低装置的整体能耗。此外，通过将吸收剂用量ga、固体颗粒循环量gs、喷淋水流量gw与流场的调节控制协同考虑，可取得脱硫效率、装置能耗、物料消耗量等运行参数的最优化组合，有利于增强装置的负荷适应性，降低运行成本。

基于上述发明内容，本发明具有的有益效果在于：

1.由于吸收塔中下部区域内的径向流动显著增强，流动均匀性得到明显改善，使吸收剂利用率得到提高，从而减少了吸收剂使用量。

2.由于吸收塔中下部区域内的径向流动显著增强，延长了烟气在该区域的停留时间，更多的二氧化硫得以脱除，使脱硫效率得到提高。

3.由于吸收塔中下部区域内的脱硫反应进度加快，喷淋水的消耗量可以相应减少，也无需额外设置多层喷淋设备。

4.由于吸收塔中下部区域内的脱硫反应进度加快，并且脱硫效率得到提高，因此吸收塔的直径和高度可以适当减小。

5.由于采用多级旋流的进气结构，通过合理分配调节各级烟气的流量及旋流强度，可显著增强装置的负荷适应性。在满负荷运行条件下，可提高装置的脱硫效率；而在低负荷运行条件下，可降低装置的整体能耗。

附图说明

图1为本发明提供的一种多级旋流循环流化床脱硫装置的结构示意图。

图2为本发明提供的一种多级旋流循环流化床脱硫装置涉及的一级旋流烟道（1），二级旋流烟道（2），三级旋流烟道（3）及其对应烟气喷口的布置方位示意图。

图3为本发明提供的一种多级旋流循环流化床脱硫装置涉及的吸收塔（4）的内部流场示意图。

其中，1-一级旋流烟道，11-一级烟气流量调节阀，2-二级旋流烟道，21-二级烟气流量调节阀，22-二级烟气增压风机，3-三级旋流烟道，31-三级烟气流量调节阀，32-三级烟气增压风机，4-吸收塔，40-排料口，41-一级烟气喷口，42-二级烟气喷口，43-三级烟气喷口，44-粉体喷口，45-液体喷口，46-回料口，47-烟气出口，5-气固分离器，6-回料箱，60-排灰口。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

实施例1

采用如图1和图2所示的多级旋流循环流化床装置对额定流量为350000nm³/h的烟气进行脱硫处理（烟气温度120℃，含水率为10%），进口二氧化硫含量cin设计值为2000mg/nm³（干态），要求的出口二氧化硫含量cout为35mg/nm³（干态）。对应的吸收塔（4）的基本结构尺寸如下：底部直径db设置为2.5m，中部直径dm设置为5m；一级烟气喷口（41）数量设置为4个，烟气沿割向喷入，对应的一级旋流圆直径d1取为0.8m；二级烟气喷口（42）数量设置为4个，烟气沿割向喷入，对应的二级旋流圆直径d2取为3.5m；三级烟气喷口（43）数量设置为4个，烟气沿割向喷入，对应的三级旋流圆直径d3取为3.5m。二级烟气增压风机（22）和三级烟气增压风机（32）均采用变频控制，可根据不同负荷的运行条件，对各级烟气的流量及旋流强度进行差别化的调节控制。

当装置在满负荷条件运行时，即烟气总流量qt为350000nm³/h，进口二氧化硫含量cin为2000mg/nm³（干态），为满足排放要求，脱硫效率需达到98.25%。首先通过调节一级烟气流量调节阀（11）将一级烟气流量q1控制在约为140000nm³/h，对应的每个一级烟气喷口的流速v1约为15m/s；再通过调节二级烟气流量调节阀（21）和二级烟气增压风机（22）将二级烟气流量q2控制在约为120000nm³/h，对应的每个二级烟气喷口的流速v2约为45m/s，此时二级烟气增压风机（22）提供的压头约为1000pa；最后通过调节三级烟气流量调节阀（31）和三级烟气增压风机（32）将三级烟气流量q3控制在约为90000nm³/h，对应的每个三级烟气喷口的流速v3约为35m/s，此时三级烟气增压风机（32）提供的压头约为600pa。采用氧化钙含量为90%的生石灰作为吸收剂，将吸收剂中所含的钙元素与烟气中所含的硫元素的摩尔比取为1.3，则所需生石灰用量ga约为0.9t/h，吸收剂经过预处理制成浆液，并在浆液泵的控制下通过液体喷口（45）与水一起进入吸收塔（4）。通过给料螺旋控制通过回料口（46）返回吸收塔（4）的固体颗粒循环量gs，并通过调节喷淋水流量gw控制气固分离器（5）出口的烟气温度不低于70℃。

当装置在低负荷条件运行时，例如烟气总流量qt为250000nm³/h，进口二氧化硫含量cin为1000mg/nm³（干态），为满足排放要求，脱硫效率需达到96.5%。首先通过调节一级烟气流量调节阀（11）将一级烟气流量q1控制在约为100000nm³/h，对应的每个一级烟气喷口的流速v1约为11m/s；再通过调节二级烟气流量调节阀（21）和二级烟气增压风机（22）将二级烟气流量q2控制在约为85000nm³/h，对应的每个二级烟气喷口的流速v2约为35m/s，此时二级烟气增压风机（22）提供的压头约为600pa；最后通过调节三级烟气流量调节阀（31）和三级烟气增压风机（32）将三级烟气流量q3控制在约为65000nm³/h，对应的每个三级烟气喷口的流速v3约为25m/s，此时三级烟气增压风机（32）提供的压头约为300pa。所需生石灰用量ga相应降低，约为0.3t/h。

由本实施例可知，由于采用多级旋流的进气结构，通过合理分配调节各级烟气的流量及旋流强度，在满负荷运行条件下，可提高装置的脱硫效率，而在低负荷运行条件下，通过对烟气增压风机采用变频控制，可降低装置的整体能耗，从而显著增强了装置的负荷适应性。