一种基于调质天然碱的燃煤烟气三氧化硫脱除装置的制作方法

本实用新型属于电厂燃煤烟气污染物治理领域，特别涉及一种基于调质天然碱的燃煤烟气三氧化硫脱除装置。

背景技术：

SO3是燃煤电厂排放的一种重要的污染物。一方面，烟气中的SO3与H2O反应生成H2SO4，使烟气酸露点升高而诱发烟道及设备低温腐蚀；同时，SO3会在选择性催化还原(SCR)脱硝反应器中与NH3、H2O等反应，生成NH4HSO4等黏性物质，造成催化剂失活及下游空气预热器(APH)堵塞，对电厂的安全运行产生威胁。另一方面，排放进入环境的SO3、H2SO4，既产生蓝色或黄色烟羽现象，又会加重颗粒物和酸沉降，造成环境污染，对人体健康产生不利影响。

随着《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)的颁布实施，我国对火电厂大气污染物排放标准进行了更加严格的限制，SOx的排放浓度极限值为50mg/m³(重点地区)。同时，江苏省、浙江省、陕西省、广州市等地相继提出燃煤电厂污染物“超低排放”要求，即燃煤电厂新建或改造后机组的污染物排放达到燃气发电的超净排放标准，其中SOx的排放限值仅为35mg/m³，此时，SO3排放量的贡献则变得相对较大。因此，控制SO3的排放浓度，解决由于SO3排放带来的环境污染问题势在必行。

为缓解及消除SO3的影响，业界提出了很多SO3的控制技术，在烟道内喷入碱性物质脱除SO3被证明是一种行之有效的方法。常用的脱硫碱性吸附剂有钙基吸附剂和钠基吸附剂。钙基吸附剂应用广泛，在化学当量比合适时，脱硫效率可达到90％。但其存在的主要问题一是吸附剂利用率低，二是在喷入吸附剂的数量过大的情况下，会大大增加飞灰的比电阻，降低静电除尘器的工作效率。钠基吸附剂在相同条件下，比钙基吸附剂有更高的反应活性且避免了钙基吸附剂所带来的问题，研究表明，在相同条件下，NaHCO3比Na2CO3具有更高的脱硫效率和吸附剂利用率，但NaHCO3价格是Ca(OH)2的3～4倍，成本因素限制了NaHCO3的应用。

天然碱是一种天然碳酸盐矿物。我国有丰富的天然碱资源，己经探明储量2亿多吨，远景储量3～5亿吨，并拥有亚洲第一、世界第二的大型天然碱矿，这为天然碱喷射脱除SO3技术在我国的工业应用提供了得天独厚的优势。且天然碱为一种天然物质，与Ca(OH)2价格相当。但天然碱作为吸附剂存在利用率低的问题。基于CO2可以与天然碱所含的Na2CO3反应，将天然碱转换为NaHCO3的事实，天然碱调质工艺具有极大的前景和潜力。

中国专利CN103055684A提出了一种利用天然碱有效脱除烟气三氧化硫的装置及工艺，喷射的吸附剂为天然碱浆液，该方法属于湿吸附剂喷射工艺，虽然该方法脱除效率很高，但天然碱利用率低用量大，增加了应用难度和成本。

技术实现要素：

解决的技术问题：针对上述技术问题，本实用新型提供一种基于调质天然碱的燃煤烟气三氧化硫脱除装置，能够有效脱除燃煤烟气中的SO3，缓解烟道腐蚀、空气预热器堵塞和“蓝羽”现象。

技术方案：一种基于调质天然碱的燃煤烟气三氧化硫脱除装置，所述装置包括依次主管道连接的锅炉尾部烟道、SCR脱硝反应器、调质天然碱旋流喷射器、空气预热器、静电除尘器、脱硫塔、布袋除尘器、脱碳装置和烟囱，所述调质天然碱旋流喷射器包括烟气入口、弯形过渡烟道、旋流喷嘴组和烟气出口，所述烟气入口和烟气出口设于弯形过渡烟道的两侧，所述烟气入口与SCR脱硝反应器相接，所述烟气出口与空气预热器相接，所述旋流喷嘴组设于弯形过渡烟道水平段内部，所述旋流喷嘴组喷射方向与烟气流动方向一致，所述旋流喷嘴组包括至少三组竖直排列的喷嘴，每组喷嘴自上而下依次设置5个主喷嘴，每个主喷嘴上设有两个小喷嘴；

所述装置还包括脱硫烟气旁路管道和对撞式流化床天然碱粉碎调质装置，所述脱硫烟气旁路管道进管口设于布袋除尘器、脱碳装置之间的主管道底部，所述脱硫烟气旁路管道一分为二，一路管道与对撞式流化床天然碱粉碎调质装置相接，另一路管道与烟气入口相接；

所述对撞式流化床天然碱粉碎调质装置包括天然碱进料口、双翻板阀、料仓、高料位显示器、低料位显示器、机座、螺旋喂料器、至少两个拉瓦尔喷嘴、进气口、气磨室、天然碱出料口和涡轮选粉机，所述天然碱进料口通过双翻板阀与料仓入口相接，高料位显示器设于料仓侧壁上部，低料位显示器设于料仓侧壁下部，所述螺旋喂料器一端与料仓底端相接，另一端与气磨室底端进料口相接，所述机座设于料仓和气磨室底部，所述拉瓦尔喷嘴以气磨室竖直中心轴对称且水平设于气磨室底部边缘，并且所述拉瓦尔喷嘴管道连接且位于同一水平面，所述进气口设于其中一个拉瓦尔喷嘴顶端，所述涡轮选粉机水平设于气磨室顶部，所述天然碱出料口与涡轮选粉机水平侧出粉口相接，所述进气口与从脱硫烟气旁路管道分出的一路管道相接，所述天然碱出料口与旋流喷嘴组管道连接。

作为优选，所述装置还包括流量计a、气体增压泵a、压力表a和截止阀a，所述流量计a、气体增压泵a、压力表a和截止阀a依次连接于脱硫烟气旁路管道与对撞式流化床天然碱粉碎调质装置相接的一路管道之间。

作为优选，所述装置还包括流量计b、气体增压泵b、压力表b和截止阀b，所述流量计b、气体增压泵b、压力表b和截止阀b依次连接于脱硫烟气旁路管道与烟气入口相接的另一路管道之间。

作为优选，所述装置还包括SO3浓度检测仪，所述SO3浓度检测仪设于SCR脱硝反应器和调质天然碱旋流喷射器相接的管道之间。

作为优选，所述旋流喷嘴组中靠近烟道垂直壁面的两组喷嘴上的主喷嘴中两个小喷嘴角度设置为以水平面为轴、逆时针呈35°或345°，其余喷嘴组上的主喷嘴中两个小喷嘴角度设置为以水平面为轴、逆时针呈45°或315°。

有益效果：1.本实用新型选用储量丰富、价格较低的天然碱作为脱除SO3的吸附剂，既避免了钙基吸附剂利用效率低且在喷入量过大时增加飞灰的比电阻，降低静电除尘器的工作效率的问题，又能够拓宽天然碱资源的利用渠道。

2.本实用新型合理有效地利用脱硫后净烟气中的CO2和水蒸气调质天然碱，将天然碱中的Na2CO3向NaHCO3转化，使吸附剂呈多孔结构，增加反应面积，进而将调质产物喷入烟道实现燃煤烟气中SO3的脱除，能够提高SO3的脱除效率，解决天然碱浆液脱硫技术中利用率低的问题，又能够降低吸附剂使用成本。

3.本实用新型利用流化床气流粉碎-表面改性一体化技术，不仅可以实现天然碱颗粒超细粉碎的同时完成天然碱的调质，而且还能有效克服气流粉碎和表面改性两种工艺单独作用时CO2与天然碱表面亲和性差、反应不均匀等缺点；同时又能降低能耗，提高生产效率。

4.本实用新型采用旋流喷射装置通过多个喷嘴将吸附剂均匀喷入入口烟道内喷嘴喷射方向与烟气流动方向一致，提高吸附剂在烟道内的滞留时间，使脱除效果更佳。

5.本实用新型对锅炉原烟道改动较小，不影响原有锅炉烟气的流动及处理，改造成本相对较低。

附图说明

图1为所述燃煤烟气三氧化硫脱除装置工艺流程图；

图2为所述对撞式流化床天然碱粉碎调质装置结构示意图；

图3为调质天然碱旋流喷射器结构示意图；

图4为碱性吸附剂喷射系统旋流喷嘴角度设置示意图；

图5是本实用新型所述拉瓦尔喷嘴剖面示意图；

图6是实施例2中Gambit烟道网格划分示意图；

图7是实施例2中壁面速度矢量图；

图8是实施例2中壁面温度分布云图；

图9是实施例2中颗粒运动轨迹图。

图中各数字标号代表如下：1.锅炉；2.SCR脱硝反应器；3.空气预热器；4.静电除尘器；5.脱硫塔；6.布袋除尘器；7.脱碳装置；8.烟囱；9.脱硫烟气旁路管道；10.流量计a；11.气体增压泵a；12.对撞式流化床天然碱粉碎调质装置；12-1.天然碱进料口；12-2.双翻板阀；12-3.高料位显示器；12-4.低料位显示器；12-5.机座；12-6.螺旋喂料器；12-7.拉瓦尔喷嘴；12-8.进气口；12-9.气磨室；12-10.天然碱出料口；12-11.涡轮选粉机；13.压力表a；14.截止阀a；15.流量计b；16.气体增压泵b；17.压力表b；18.截止阀b；19.SO3浓度检测仪；20.调质天然碱旋流喷射器；20-1.烟气入口；20-2.旋流喷嘴组；20-3.烟气出口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步描述。

实施例1

一种基于调质天然碱的燃煤烟气三氧化硫脱除装置，所述装置包括依次主管道连接的锅炉1尾部烟道、SCR脱硝反应器2、调质天然碱旋流喷射器20、空气预热器3、静电除尘器4、脱硫塔5、布袋除尘器6、脱碳装置7和烟囱8，所述调质天然碱旋流喷射器20包括烟气入口20-1、弯形过渡烟道、旋流喷嘴组20-2和烟气出口20-3，所述烟气入口20-1和烟气出口20-3设于弯形过渡烟道的两侧，所述烟气入口20-1与SCR脱硝反应器2相接，所述烟气出口20-3与空气预热器3相接，所述旋流喷嘴组20-2设于弯形过渡烟道水平段内部，所述旋流喷嘴组20-2喷射方向与烟气流动方向一致，所述旋流喷嘴组20-2包括5组竖直排列的喷嘴，每组喷嘴自上而下依次设置5个主喷嘴，每个主喷嘴上设有两个小喷嘴。

所述装置还包括脱硫烟气旁路管道9和对撞式流化床天然碱粉碎调质装置12，所述脱硫烟气旁路管道9进管口设于布袋除尘器6、脱碳装置7之间的主管道底部，所述脱硫烟气旁路管道9一分为二，一路管道与对撞式流化床天然碱粉碎调质装置12相接，一路管道与烟气入口20-1相接。

所述对撞式流化床天然碱粉碎调质装置12包括天然碱进料口12-1、双翻板阀12-2、料仓、高料位显示器12-3、低料位显示器12-4、机座12-5、螺旋喂料器12-6、四个拉瓦尔喷嘴12-7、进气口12-8、气磨室12-9、天然碱出料口12-10和涡轮选粉机12-11，所述天然碱进料口12-1通过双翻板阀12-2与料仓入口相接，高料位显示器12-3设于料仓侧壁上部，低料位显示器12-4设于料仓侧壁下部，所述螺旋喂料器12-6一端与料仓底端相接，另一端与气磨室12-9底端进料口相接，所述机座12-5设于料仓和气磨室12-9底部，所述拉瓦尔喷嘴12-7以气磨室12-9竖直中心轴对称且水平设于气磨室12-9底部边缘，并且所述拉瓦尔喷嘴管道连接且位于同一水平面，所述进气口12-8设于其中一个拉瓦尔喷嘴顶端，所述涡轮选粉机12-11水平设于气磨室12-9顶部，所述天然碱出料口12-10与涡轮选粉机11水平侧出粉口相连，所述进气口12-8与从脱硫烟气旁路管道9分出的一路管道连接，所述天然碱出料口12-10与旋流喷嘴组20-2管道连接。

所述燃煤烟气三氧化硫脱除装置的使用方法，所述方法包括以下步骤：将天然碱从天然碱进料口12-1送入料仓；然后通过螺旋喂料器12-6送入气磨室12-9，将脱硫烟气旁路管道9中分出的一路脱硫烟气送入进气口12-8，设置进气口12-8的压力大于0.7MPa，马赫数为1.4～2.5，喷嘴背压为88.54kPa～64.88kPa；粉碎后的天然碱进入涡轮选粉机12-11，涡轮选粉机12-11将粒径低于10μm的细粉送入旋流喷嘴组20-2，在从脱硫烟气旁路管道9中分出的另一路脱硫烟气的作用下送入烟气入口20-1，将粒径低于10μm的天然碱从烟气出口20-3喷出，对调质天然碱旋流喷射器20和空气预热器3之间的管道内燃煤烟气进行SO3的脱除。

实施例2

一种基于调质天然碱的燃煤烟气三氧化硫脱除装置，参照图1，所述装置包括依次主管道连接的锅炉1尾部烟道、SCR脱硝反应器2、调质天然碱旋流喷射器20、空气预热器3、静电除尘器4、脱硫塔5、布袋除尘器6、脱碳装置7和烟囱8，参照图3，所述调质天然碱旋流喷射器20包括烟气入口20-1、弯形过渡烟道、旋流喷嘴组20-2和烟气出口20-3，所述烟气入口20-1和烟气出口20-3设于弯形过渡烟道的两侧，所述烟气入口20-1与SCR脱硝反应器2相接，所述烟气出口20-3与空气预热器3相接，所述旋流喷嘴组20-2设于弯形过渡烟道水平段内部，所述旋流喷嘴组20-2喷射方向与烟气流动方向一致。参照图3和图4，所述喷嘴采用切向注入式喷嘴，粉尘通过至少两个切向入口加速进入旋流室高速旋转，最后经由喷嘴喷出。弯形过渡烟道和主管道的管径相同，均为8900mm，脱硫烟气旁路管道9管径为3650mm，脱硫烟气旁路管道9分出的两路管道的管径相同，为1500mm。

所述旋流喷嘴组20-2包括9组竖直排列的喷嘴，每组喷嘴自上而下依次设置5个主喷嘴，每个主喷嘴上设有两个小喷嘴。左右两边主喷嘴组距烟道内壁890mm，相邻主喷嘴组间距900mm，主喷嘴的直径为300mm，每个主喷嘴组上设置5个小喷嘴，上下两边小喷嘴距上下壁面的距离为450mm，相邻小喷嘴的距离为500mm，小喷嘴的直径为150mm。所述旋流喷嘴组20-2中靠近烟道垂直壁面的两组喷嘴上的主喷嘴中两个小喷嘴角度设置为以水平面为轴、逆时针呈35°或345°，其余喷嘴组上的主喷嘴中两个小喷嘴角度设置为以水平面为轴、逆时针呈45°或315°。

所述装置还包括脱硫烟气旁路管道9和对撞式流化床天然碱粉碎调质装置12，所述脱硫烟气旁路管道9进管口设于布袋除尘器6、脱碳装置7之间的主管道底部，所述脱硫烟气旁路管道9一分为二，一路管道与对撞式流化床天然碱粉碎调质装置12相接，另一路管道与烟气入口20-1相接。所述装置还包括流量计a 10、气体增压泵a 11、压力表a 13和截止阀a 14，所述流量计a 10、气体增压泵a 11、压力表a 13和截止阀a 14依次连接于脱硫烟气旁路管道9与对撞式流化床天然碱粉碎调质装置12相接的一路管道之间。所述装置还包括流量计b 15、气体增压泵b 16、压力表b 17和截止阀b 18，所述流量计b 15、气体增压泵b 16、压力表b 17和截止阀b 18依次连接于脱硫烟气旁路管道9与烟气入口20-1相接的另一路管道之间。所述装置还包括SO3浓度检测仪19，所述SO3浓度检测仪19设于SCR脱硝反应器2和调质天然碱旋流喷射器20相接的管道之间，所述SO3浓度检测仪实时监测SCR脱硝反应器2与空气预热器3之间的烟道内SO3浓度，根据所测浓度调节旋流喷嘴组调质天然碱的喷射量。

参照图2，所述对撞式流化床天然碱粉碎调质装置12包括天然碱进料口12-1、双翻板阀12-2、料仓、高料位显示器12-3、低料位显示器12-4、机座12-5、螺旋喂料器12-6、拉瓦尔嘴12-7、进气口12-8、气磨室12-9、天然碱出料口12-10和涡轮选粉机12-11，所述天然碱进料口12-1通过双翻板阀12-2与料仓入口相接，高料位显示器12-3设于料仓侧壁上部，低料位显示器12-4设于料仓侧壁下部，所述螺旋喂料器12-6一端与料仓底端相接，另一端与气磨室12-9底端进料口相接，所述机座12-5设于料仓和气磨室12-9底部。参照图2和图5，所述拉瓦尔喷嘴12-7以气磨室12-9竖直中心轴对称且水平设于气磨室12-9底部边缘，并且所述拉瓦尔喷嘴管道连接且位于同一水平面，所述进气口12-8设于其中一个拉瓦尔喷嘴顶端，所述涡轮选粉机12-11水平设于气磨室12-9顶部，所述天然碱出料口12-10设于涡轮选粉机12-11水平侧出粉口相接，所述进气口12-8与从脱硫烟气旁路管道9分出的一路管道相接，所述天然碱出料口12-10与旋流喷嘴组20-2管道连接。

所述天然碱(Na2CO3·NaHCO3·2H2O)是含水的碳酸盐矿物，是一种易吸湿的白色结晶粉末，CO2可以与所述天然碱中的Na2CO3反应，将天然碱转化为NaHCO3。进入脱硫烟气旁路管道9的脱硫净烟气的主要成分为N2(62～80vt.％)、CO2(10～15vt.％)、O2(5～8vt.％)和水(5～15vt.％)，温度为50～70℃。

所述燃煤烟气三氧化硫脱除装置的使用方法，所述方法包括以下步骤：将天然碱从天然碱进料口12-1送入料仓；然后通过螺旋喂料器12-6送入气磨室12-9进行调质，将脱硫烟气旁路管道9中分出的一路脱硫烟气经过流量计a 10计量、气体增压泵a 11加压、压力表a 13监测压力和截止阀a 14送入进气口12-8，设置进气口12-8气体的压力大于0.7MPa，马赫数为1.4～2.5，喷嘴背压为88.54kPa～64.88kPa，从进气口12-8进来的高压气流从安装在腔壁同一平面的四个拉瓦尔喷嘴中进入气磨室12-9，四个拉瓦尔喷嘴喷出的高压气流束与所述天然碱颗粒撞击，得以粉碎天然碱颗粒，与此同时含有CO2和水蒸气的脱硫烟气将天然碱中的Na2CO3向NaHCO3转化，在交汇点周围形成一股向上的气流，把粉碎的天然碱带入涡轮选粉机12-11；粉碎后的天然碱进入涡轮选粉机12-11，涡轮选粉机12-11将粒径低于10μm的细粉从天然碱出料口12-10送入旋流喷嘴组20-2，未达到要求的粗粉返回气磨室12-9继续粉碎；在从脱硫烟气旁路管道9中分出的另一路脱硫烟气经过流量计b 15计量、气体增压泵b 16加压、压力表b 17监测压力和截止阀b 18送入烟气入口20-1，将粒径低于10μm的天然碱从烟气出口20-3喷出，对调质天然碱旋流喷射器20和空气预热器3之间的管道内燃煤烟气进行SO3的脱除。

天然碱中各组分含量为：Na2CO3，50wt.％；NaHCO3，10wt.％；H2O，40wt.％。经过本装置中对撞式流化床天然碱粉碎调置装置调质后调质天然碱各组分含量为：Na2CO3，20wt.％；NaHCO3，40wt.％；H2O，40wt.％。并且调质天然碱和SO3的反应摩尔比为9：1。

实施例3

采用实施例2中的装置，利用Fluent软件对调质天然碱细颗粒物在SCR脱硝反应器2和空气预热器3之间的烟道运动情况进行仿真模拟。

(1)几何模型

对SCR尾部烟道进行简化处理，截取一段长度为12825mm，宽度8900mm，高度2900mm的长方体烟道作为立体模型。运用实施例2中调质天然碱旋流喷射器20的布置方法，结合Gambit软件对该立体模型进行建模。建模结果如图6所示。其中，入口速度边界条件为喷嘴和烟道入口壁面，出口压力边界条件为烟气出口壁面，其余皆为默认标准壁面。

(2)物理模型

主要模型概述如下：1)SCR尾部烟气在烟道中流动情况；2)调质天然碱气源和原烟气耦合流动情况；3)天然碱细颗粒在复合流场中运动轨迹。

因此，本次模拟过程选取气相湍流模型和离散相模型进行模拟求解。

在模拟过程中，进行如下近似假设：a)忽略飞灰的影响；b)入口烟气流速均匀；c)流动为定常流动；d)烟气各组分气体均为理想不可压缩气体；e)忽略吸附剂颗粒之间的相互作用。

参数设定：确定入口烟气流速为4.22m/s，温度573K。取调质天然碱与SO3摩尔比为9：1，离散相质量流速0.032kg/s，颗粒直径分布取单一粒径10μm进行计算。经查阅文献，调质天然碱的输送方式为稀相输送，因此设定喷嘴入口流速为20m/s，温度320K，天然碱颗粒密度2.532g/cm³。

导出气相湍流速度流场如图7所示。由图7可以看出，速度前期较大，湍流程度剧烈，后期逐渐平缓。

导出气相湍流速度流场如图8所示。由图8可以看出，靠近出口截面温度最低约为200℃，高于SO3的结露温度，避免烟道及设备低温腐蚀。

在已有流场的基础上，设置喷嘴为喷射源，导出粒径10μm天然碱粉末在流中运动轨迹如图9所示。由图9可以看出，前期喷出颗粒较为密集，后期逐渐均匀散布整个流场。整体趋势来看，颗粒追随性很好，能够跟随气体向前运动，不会沉积在烟道内壁。

同时，增加两组对比例，对比例1取粒径大于10μm，其余参数不变；对比例2吸附剂为天然碱，其余参数不变。

三组参数不同的吸附剂吸附效果见表1。

表1三组参数不同的吸附剂吸附效果

由上表可以看出，当粒径相同时，调质天然碱的利用率和脱除效率均高于天然碱；当吸附剂均为调质天然碱时，吸附剂粒径越小，化学反应速率越快，吸附效果更好。本实施例中通过调质天然碱旋流喷射器20对天然碱进行调质，调质的同时对天然碱的粒径做了调整，相较于现有技术中天然碱利用率为40％，本申请中调质天然碱的利用率高达65％，比现有技术中提升了25％，同时还对燃煤烟气中SO3的反应速率和脱除效率进行了提升。