烟道气处理系统和工艺的制作方法

专利名称：烟道气处理系统和工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种烟道气处理技术，用来实现至少使烟道气脱硝和脱硫。更具体地说，它涉及一种烟道气处理技术，该技术能够减小设备的尺寸并增强设备的性能。
传统上，为了除去从热电厂或类似工厂的锅炉排出的烟道气中所含的氮氧化物、硫氧化物(典型为二氧化硫)和灰尘(如飞灰)，一个由如图9和10所示的典型的烟道气处理系统或工艺被广泛地应用。现将该烟道气处理技术描述如下。
如图9所示，从锅炉(没有显示在图9中)排出的未处理的烟道气A首先被导入安装在锅炉房1中的脱硝装置2中，从而烟道气中的氮氧化物被分解。脱硝装置2根据采用催化剂的催化氨还原方法来对氮氧化物进行分解。在此步骤中，传统的做法是将氨B注入到烟道气中，其数量几乎等于脱硝所需要的当量。漏到脱硝装置2下游一侧的氨的数量小到约为5ppm。
然后，烟道气被导入到同样安装在锅炉房1中的空气加热装置(或热交换装置)3中。这样，从烟道气中回收热量并将其用于加热供给锅炉的空气C。传统上将所谓的Liungstrm型热交换装置作为该空气加热装置3。
离开该空气加热装置3的烟道气随后经烟道4出锅炉房1，并且被导入一个安装在锅炉房1外面的干静电沉降装置5中。此静电沉降装置5收集并除掉烟道气中的灰尘。
在烧油锅炉的情况下，同样可以在烟道4处将氨注入到烟道气中，这样在静电沉降装置5中可以以硫酸铵[(NH4)2SO4]的形式收集烟道气中的三氧化硫(SO3)。另一方面，在烧煤锅炉的情况下，烟道气中有大量的灰尘如飞灰，所以烟道气中的SO3不形成有害烟雾(亚微颗粒)，但它仍然凝聚在灰尘颗粒上并且在静电沉降装置5和将在下面描述的吸收塔8中被收集。因此，在烧煤锅炉的情况下，一般就省去了在烟道4处注入氨的步骤。
然后，通过烟道6，使该离开静电沉降装置5的烟道气进入一个气-气加热装置的热回收部分(或热交换装置)7中，在此处回收热量。此后，将烟道气导入作为脱硫装置的吸收塔8中。在该吸收塔8中，烟道气与一种吸收液体进行气-液接触，该吸收液体(随后称之为吸收剂稀浆)中悬浮着一种吸收剂(如石灰石)，这样烟道气中大部分SO2被吸收到吸收剂稀浆中，而且，剩余的灰尘也被该吸收剂稀浆收集。根据下面包括一个中和反应的一些反应，在吸收塔8的底部提供的一个槽中，该吸收了SO2的稀浆被氧化，形成了作为副产品的硫酸钙。
(吸收槽)(1)(槽)(2)(3)然后，使已经在作为脱硫装置的吸收塔8中除去了SO2和类似成分的烟道气通过气-气加热装置的再加热部分9，在此，通过利用热回收部分7中回收的热，将烟道气加热到往大气排放的最佳温度。随后，通过烟道10、风机11和一段烟道，将该烟道气导入烟囱13主体的下部，并最终作为已处理过的烟道气D，从该烟囱主体13的上开口处排入大气。风机11的作用是在压力下输送烟道气，这样抵消由设备引起的压力损失，并最终使烟道气通过烟囱主体13排放到大气中。传统上，电动机11a与风机11的主体分开安装。为了同样的目的，另一个类似的风机可以安装在吸收塔8的上游侧。
另外，在该系统中，烟囱主体13在地面以上所需的高度(L)是根据已处理的烟道气D中残留的氮氧化物和硫氧化物的浓度以及灰尘的浓度，为达到大气排放标准而唯一确定的。例如，以传统设备的性能为基础(即脱硝度稍大于80％、脱硫度稍大于80％)，对于150MW级的电厂来说，高度(L)一般需要150m。在此情况下，用于安装该烟囱的地面空间，包括用于支承和加强烟囱13的主体的框架14，通常必须需要用到一个边长(W)大约为38m的正方形。


图10是一个方框图，显示了该系统中从锅炉到空气加热装置3的结构。图10中，锅炉由1a表示，脱硝装置2中的脱硝催化剂由2a表示，而在脱硝装置2中的氨分解催化剂由2b表示。氨分解催化剂2b用来消除任何漏到下游侧的氨。然而，当以正常量注入氨时，该催化剂被省略，因为漏掉的氨非常少。另外，如前所述，用一个Ljungstrm型的热交换装置作为空气加热装置3。因此，在此系统中，一部分(例如，以烟道气的体积为基础，约为5％)的供给空气C泄漏到烟道气一侧，同时，一部分(例如约1％)烟道气也泄漏到空气C一侧，如图10中的虚线所示。
在上述的传统的烟道气处理工艺中，大尺寸和高成本的设备是其缺点。特别是在发展中国家的市场上和小规模生产企业等，除了要求减少安装空间和烟囱的高度之外，还强烈地要求显著地减少成本。
准确地说，传统系统的配置和结构是这样的，即在锅炉房1和烟囱13之间，在水平方向配置有静电沉降装置5、吸收塔8和风机11，它们由烟道4、6、10和12连接。这就需要在锅炉房1和烟囱13之间有很大的空间，并且需要一组烟道和大量的烟道支承零件，导致成本增加。
另外，如前所述，烟囱的高度和安装空间是，例如，根据处理过的烟道气D中残留的氮氧化物和硫氧化物的浓度来唯一确定的。因此，为了减小该烟囱的尺寸，最终必须增强设备的性能。在传统系统结构中这是难以达到的。例如，为了增加脱硫度，可以想到加大吸收塔8来增加气-液接触能力。然而，这又与减少尺寸的目标相矛盾，因此，存在着一定的限制。
另外，为了加强脱硝装置2中的脱硝度，可以想到增加注入氨的数量来达到目的。在这种情况下，传统系统采用了氨分解催化剂2b来消除任何漏到下游侧的氨，这就导致了成本也相应地增加。在这种情况下如果不用氨分解催化剂2b，氨将漏到下游侧并且产生以下的不利影响。
即，如果氨留在烟道气中，根据以下给出的反应式(4)，将产生高粘着性的酸性硫酸铵(NH4HS04)。在此类装置的一般条件下，该酸性硫酸铵的露点约为230℃，而在一般的空气加热装置中烟道气从约350℃被冷却到约130℃。因此，当氨留在离开脱硝装置2的烟道气中时，将特别是在该空气加热装置中产生大量的酸性硫酸铵(NH4HSO4)。由本发明人所作的调查显示，在传统的Ljungstrm型空气加热装置中，该酸性硫酸铵会沉积在该空气加热装置的储热器的空隙中，从而需要进行频繁的维护操作，如进行清洁。
(4)因此，本发明的首要目的是提供一种烟道气处理系统，其中设备配置和结构得到改进，以便实现减小设备尺寸和降低设备成本的目的。
本发明的第二个目的是提供一种烟道气处理工艺，该工艺能够加强烟道气处理性能，从而达到使设备的尺寸减小等目的。
本发明的第三个目的是提供一种烟道气处理工艺，该工艺可以实现前述的减少设备尺寸并且加强其性能，而不损害其可维修性能。
本发明的第四个目的是提供一种烟道气处理工艺，在该工艺中，设备的配置和结构得到改进，并且烟道气的处理性能得到加强，从而可以显著地减少设备的尺寸和成本，包括减少烟囱的尺寸。
为了实现上述目的，本发明提供了一种烟道气处理系统，包括一个吸收塔，用来使烟道气与一种吸收液体进行气-液接触，以便通过吸收液体的吸收，从烟道气中至少除掉硫的氧化物，一个再加热部分，用来加热离开所述吸收塔的烟道气，使其达到向大气排放的理想温度，和一个风机，用来在压力下输送烟道气，从而抵消在烟道气流程中所产生的压力损失，该烟道气流程包括所述吸收塔和再加热部分，其中所述吸收塔、再加热部分和风机被配置在一条垂直的轴线上，至少部分地起到了烟囱的作用，以便向大气中排放处理过的烟道气。
本发明还提供了一种烟道气处理工艺，该工艺包括脱硝步骤，在该步骤中向至少含氮氧化物和硫氧化物的烟道气中注入氨，以便分解烟道气中的氮氧化物，还包括脱硫步骤，在该步骤中将离开脱硝步骤的烟道气导入一个吸收塔，在该塔中烟道气与一种吸收液体进行气-液接触，以便通过该吸收液体的吸收，从烟道气中至少除掉硫的氧化物，其中在需要时在脱硝步骤的下游处向烟道气中注入氨，在脱硝步骤注入的氨量和／或在脱硝步骤下游处注入的氨量定为这样一个过量的水平，即氨或铵盐将留在导入脱硫步骤的烟道气中。
在本发明的烟道气处理工艺中，在脱硝步骤中注入氨的量可以这样确定，即使残留在离开脱硝步骤的烟道气中的氨的浓度不小于30ppm。
本发明的烟道气处理工艺还可以包括热回收步骤，该步骤将离开脱硝步骤的烟道气导入到一个在吸收塔的上游侧的热交换装置中，从而从烟道气中回收热，而且可以采用一个管壳结构的无泄漏型热交换装置作为该热交换装置。
本发明的烟道气处理工艺还可以包括热回收步骤，在该步骤中，将离开脱硝步骤的烟道气导入一个在吸收塔的上游侧的热交换装置中，从而从烟道气中回收热量，而且在脱硝步骤中注入的氨的量和／或在脱硝步骤的下游处注入氨的量可以这样确定，使得留在进入热交换装置的烟道气中的氨的浓度超过该烟道气中SO3的浓度约13ppm或更多。
在本发明的烟道气处理工艺中，在烟道气与吸收液体进行气-液接触的吸收塔部分的下游侧形成了一个区域，在该区域中喷射一种比吸收液体酸性更大的液体，从而不允许氨轻易地被释放到气相中，使保留在进入脱硫步骤的烟道气中的氨在吸收塔中被吸收，而不让其保留在离开吸收塔的烟道气中。
本发明的烟道气处理工艺还包括第一除尘步骤，在该步骤中将烟道气导入一个在吸收塔上游侧的干静电沉降装置，从而除掉烟道气中的灰尘，还包括第二除尘步骤，在该步骤中将烟道气导入一个在吸收塔下游侧的湿静电沉降装置，从而除掉留在烟道气中的灰尘。
本发明还包括一个烟道气处理工艺，用于通过使用烟道气处理系统来净化至少包含氮氧化物和硫氧化物的烟道气，所述烟道气处理系统包括一个脱硝装置，将氨注入烟道气中以分解其中的氮氧化物，还包括一个热交换装置，用来回收离开脱硝装置的烟道气中的热，还包括一个吸收塔，用来使离开热交换装置的烟道气与一种吸收液体进行气-液接触，从而通过该吸收液体的吸收，至少除掉烟道气中的硫的氧化物，还包括一个再加热部分，其中至少采用一部分在热交换装置中回收的热来加热离开吸收塔的烟道气，使其达到向大气排放的理想温度，还包括一个风机，用来在压力下输送烟道气，以便抵消因烟道气流程而产生的压力损失，该流程包括吸收塔和再加热部分，其中吸收塔、再加热部分和风机被配置在一条垂直的轴线上，至少部分地起到了烟囱的作用，以便向大气中排放处理过的烟道气，其中在需要时在脱硝装置的下游处向烟道气中注入氨，而且在脱硝装置中注入的氨量和／或在脱硝装置下游处注入的氨量定为这样一个过量的水平，即氨或铵盐将留在导入吸收塔的烟道气中。
在本发明的烟道气处理系统中，吸收塔、再加热部分和风机被配置在一条垂直的轴线上，至少部分地起到了烟囱的作用，以便向大气中排放处理过的烟道气。这样，所有这些设备和装置在传统上是安装在烟囱的框架之外的，现在却安装在烟囱的框架之内的空间内。因此，整个设备的安装空间显著地减小，从而可以使设备水平方向的尺寸显著地减小。另外，相当部分的烟道和其支承零件也不需要了，从而烟囱的主体可以比以前短很多。最终，设备的成本显著地降低了。
在本发明的烟道气处理工艺中，当需要时，在脱硝步骤的下游处向烟道气中注入氨，而且在脱硝步骤中注入的氨量和／或在脱硝步骤下游处注入的氨量定为这样一个过量的水平，即氨或铵盐将留在导入脱硫步骤的烟道气中。
因此，至少在脱硫步骤中脱硫度得到加强，这最终将有利于减小吸收塔和烟囱的尺寸。
特别地，当这样确定脱硝步骤中注入的氨量时，即使留在离开脱硝步骤的烟道气中的氨的浓度不小于30ppm，在脱硝步骤中特别是脱硝度显著增强，这最终将有利于减小烟囱的尺寸。
另外，本发明的烟道气处理工艺还包括热回收步骤，在该步骤中离开脱硝步骤的烟道气被导入到吸收塔上游侧的热交换装置中，从而从烟道气中回收热，并采用一个管壳式结构的无泄漏型热交换装置作为该热交换装置，此时，可以常规方式有效利用烟道气中的热来预热锅炉中用到的空气或再加热处理过的烟道气，并且可以减少由于结垢而产生的麻烦。
也就是说，即使由注入的氨和烟道气中的SO3反应形成的酸性硫酸铵，从烟道气中的SO3形成的硫酸雾凝聚在前述的热交换装置上，与传统上所采用的Ljungstrm型热交换装置相比，一个管壳结构的无泄漏型热交换装置不易发生这类物质在传热表面等地方上的沉积或被它们阻塞。
另外，在这种情况下，该热交换装置不允许空气泄漏到烟道气中。这将减少要处理的烟道气的量，从而达到减少成本的目的。
另外，本发明的烟道气处理工艺还包括热回收步骤，将离开脱硝步骤的烟道气导入吸收塔上游侧的热交换装置中，从而从烟道气中回收热量，而且在脱硝步骤注入的氨量和／或在脱硝步骤下游处注入的氨量是这样确定的，即使保留在导入热交换装置的烟道气中的氨浓度超过在该烟道气中的SO3的浓度约13ppm或更多，此时，酸性硫酸铵在前述热交换器上的凝聚被减至最小程度，同时主要产生一种中性的硫酸铵细粉。因此，由于酸性硫酸铵造成的结垢被显著地抑制，这使热交换装置的维护非常容易。
另外，在烟道气与吸收液体进行气-液接触的吸收塔部分的下游侧形成一个区域，其中喷射一种比吸收液体的酸性更高的液体，这样不让氨轻易地被释放到气相中，从而使得留在进入脱硫步骤的烟道气中的氨在吸收塔中被吸收，而不让它保留在离开该吸收塔的烟道气中，此时可以避免过量注入的氨(即向大气中排入氨)所产生的不利影响。这可以与将来的氨排放标准保持一致，而且还对烟道气的进一步净化有利。
另外，本发明的烟道气处理工艺还包括第一除尘步骤，在该步骤中烟道气被导入在吸收塔上游侧的干静电沉降装置，从而除掉烟道气中的灰尘，还包括第二除尘步骤，在该步骤中烟道气被导入在吸收塔下游侧的湿静电沉降装置，从而除掉留在烟道气中的灰尘，此时，整个系统的除尘能力显著地改善。
本发明的另一个烟道气处理工艺是一个通过使用烟道气处理系统来净化至少包含氮氧化物和硫氧化物的烟道气的工艺，所述烟道气处理系统包括一个脱硝装置、一个脱硫装置和类似的装置，并有配置在一条垂直轴线上的一个吸收塔(作为脱硫装置)，一个再加热部分和一个风机，这样它们至少起到一部分烟囱的作用，以便将处理过的烟道气排放在大气中，其中在需要时在脱硝装置的下游处向烟道气中注入氨，而且在脱硝装置中注入的氨量和／或在脱硝装置下游处注入的氨量定为这样一个过量的水平，即氨或铵盐将留在导入吸收塔的烟道气中。
这样，由于吸收塔、再加热部分和风机被配置在一条垂直的轴线上，形成了烟囱的一部分，设备的安装空间显著减小。另外，由于过量注入的氨至少使脱硫度得到增加，这将最终有利于使烟囱的高度减少。即，该工艺能够产生极佳的效果，例如增强了设备性能并且在水平和垂直方向上显著地减小了设备的尺寸。
图1是一个示意图，显示了一个根据本发明的第一实施方案的烟道气处理系统；图2是一个示意图，显示了一个根据本发明的第二实施方案的烟道气处理系统；图3是一个示意图，详细地显示了图2所示的烟道气处理系统中所包括的脱硫装置；图4是一个示意图，显示了一个适用于图2所示的烟道气处理系统的无废水清除系统；图5是一个显示数据的图线，说明本发明的一个效果(即脱硫度的改善)；图6是一个示意图，显示了一个用于显示本发明的一个效果的试验设备(使由于烟道气中的SO3所产生的沉积最小化)；图7是一个实验结果的图线(热交换装置中的气压损失变化)，用来说明本发明的一个效果(使由于烟道气中的SO3所产生的沉积最小化)；图8是一个实验结果的图线(热交换装置的总传热系数的变化)，用来说明本发明的一个效果(使由于烟道气中的SO3所产生的沉积最小化)；图9是一个显示传统的烟道气处理系统的示意图；和图10是一个显示包括在传统的烟道气处理系统中的脱硝装置和其它的设备的示意图；下面将参考附图对本发明的几个实施方案进行描述。
第一实施方案本发明的第一实施方案由附图1描述。与图9的传统系统中相同的部件被标以相同的标号，并且省去了重复的说明。
本实施方案的烟道气处理系统的特点是，在烟囱的主体13a之下，吸收塔21、气-气加热装置的再加热部分22和一个风机23被配置在烟囱的垂直轴线上，以便形成烟囱的一部分。
气-气加热装置的热回收部分24被安装在烟道25的中间，并且处在烟囱的框架14之内，该烟道25连接干静电沉降装置5和吸收塔21。最后，整个的吸收塔21、气-气加热装置的热回收部分24和再加热部分22以及风机23都安装在烟囱的框架14内的没有被占用的空间上。
在此实施方案中，吸收塔21是这样的，烟道气从形成于其下侧部分的入口被导入其中，并以逆流的方式与一种吸收液体进行气-液接触，以通过吸收液体的吸收，从烟道气中至少除掉硫的氧化物，该烟道气被从塔上部形成的出口排出。以与前述传统系统相同的方式，采用例如石灰石作为吸收剂，形成作为副产品的硫酸钙。
气-气加热装置的再加热部分22直接与吸收塔21的上部相连。这样，从吸收塔21的上部出口排出的烟道气被从底部导入再加热部分22，利用从热回收部分24回收的热，将其加热到往大气中排放的最佳温度，并被从顶端排出。
在此情况下，所采用加热介质循环型的气-气加热装置，其热回收部分24和再加热部分22由管壳结构的无泄漏型热交换装置组成。该无泄漏型的热交换装置的优点是，即使烟道气中的SO3与烟道气中的氨根据前述的反应式(4)反应而产生酸性硫酸铵(NH4HSO4)，它们也不易使酸性硫酸铵产生沉积，该酸性硫酸铵易于导致结垢。
风机23是一个轴流风机，安装在前述的再加热部分22之上，其作用是从底侧抽吸烟道气并将它从顶端排出。电动机配置在其内轴上。
与由图9所示的传统的系统相比，在根据本实施方案的烟道气处理系统的配置和结构中，整个设备的安装空间显著地减少，这样可以达到在水平方向上显著地减小设备的尺寸。更准确地说，图9所示的吸收塔8、风机11和烟道6和10所需要的安装空间就不需要了。另外，烟囱的安装空间与以前相同，因为常规上在烟囱的框架12中让出了一个允许吸收塔21和类似的设备方便地安装的空间。
另外，烟道6和10本身和其支承零件就不需要了，烟囱的主体13a比以前短很多。最终，设备的成本显著地减小了。
第二实施方案下面，将参考图2对本发明的第二实施方案进行描述。与第一实施方案相同的部件被标以相同的标号，并且省略了重复的说明。
该实施方案的特点是它装备了一个空气加热装置(或热交换装置)31，该装置由一个管壳式结构的无泄漏型热交换装置组成，还装备了一个在吸收塔21a和再加热部分22之间的湿静电沉降装置32。在此实施方案中，前述的空气加热装置31和前述的气-气加热装置的热回收部分24构成了一个热交换装置，用来执行本发明中的热回收步骤。另外，在传统系统中所述的干静电沉降装置5用来执行本发明的第一除尘步骤，而前述的湿静电沉降装置32用来执行本发明的第二除尘步骤。
上述的结构有以下优点。首先，由于空气加热装置31是由无泄漏型的热交换装置组成的，即使如前所述，在进入空气加热装置31的烟道气中产生了酸性硫酸铵，沉积的污垢量也相对较小。从维护的角度来看，这是一个非常大的优点。
更准确地说，如前所述，当氨留在离开脱硝装置2的烟道气中时，特别是在空气加热装置31中产生了酸性硫酸铵。根据本发明人进行的一项调查，发现在传统的Ljungstrm型空气加热装置的情况下，这种酸性硫酸铵易于在空气加热装置的贮热器的空隙中沉积，所以需要频繁的维护操作，如清洗。
然而，由本发明人所进行的调查显示，无泄漏型的管壳结构的热交换装置不易发生酸性硫酸铵沉积或被这其阻塞。还已经知道关于产生酸性硫酸铵和其在热交换装置内表面上形成沉积的问题，可以通过向烟道气中注入过量的氨来减轻，这将在后面详细描述。
另外，当空气加热装置31由无泄漏型的热交换装置组成时，送入到锅炉中的空气C不会泄漏到烟道气中。这使得要被处理的烟道气的流量减小，从而相应地减小了风机23和烟道的容量以及动力消耗。
另外，由于安装了湿静电沉降装置32，在吸收塔21a中收集不到的细小颗粒和其它外来物质就可以被除掉。这样，在处理过的烟道气D中的剩余灰尘浓度就减小了。这样就加强了设备在这方面的性能，并且还对减小烟囱的高度有利。
其次，将在下面描述本发明的烟道气处理工艺的结构和效果上具有特点的部分，该工艺是通过采用上述的实施方案中的烟道气处理系统来进行的。
根据该工艺，不采用氨分解催化剂，而是使注入到脱硝装置2的氨B的量达到过量的水平，使得在进入吸收塔21a的烟道气中保留有大量的氨或铵盐。
如果氨或铵盐保留在进入吸收塔21a的烟道气中，通过烟道气与吸收剂稀浆的气-液接触，该氨或铵盐被溶解在吸收塔21a的稀浆中。这就提高了通过吸收塔21a循环的稀浆液相中铵盐的浓度(换句话说，铵离子的浓度)。
由本发明人进行的一项调查显示，当吸收塔中的循环液体中的铵盐浓度(或铵离子的浓度)增加到150mmol／升或更多时，即使其它的条件保持不变在吸收塔中除掉硫的氧化物的程度(即脱硫度)上升到95％左右，如图5所示。在该实施方案中注入脱硝装置2的氨B达到上述的过量水平，因此，根据该实施方案，吸收塔21a的尺寸与现有技术相比可以减小。另外，保留在已处理过的烟道气D中的硫的氧化物(典型为二氧化硫)的浓度可以被进一步减小，因此，烟囱的高度可以减小。
另外，由于注入的氨B的量自然地超过脱硝所需要的当量数，脱硝装置2(或脱硝步骤)的脱硝能力得到加强。根据本发明人进行的一项调查，已发现，如果注入的氨B的量超过脱硝所需的当量数，而且保留在离开脱硝步骤的烟道气中的氨(即，漏掉的氨)不小于30ppm时，脱硝度从传统的约80％的水平增加到约90％，并且保留在处理过的烟道气D中的氮氧化物的浓度可以减少一半。
在此，由本发明人对一个150MW级的电厂所作的试验计算表明，如果脱硫度和脱硝度如上所述的那样得到增强，而且除尘度也通过安装湿静电沉降装置32而得到加强，烟囱的高度(L1)可以明显地减小，从传统的约150m减少到约90m。另外，由于此原因，烟囱的框架14b的安装空间的宽度(W1)可以明显地减小，从传统的约38m减小到约25m。
在此情况下，必须确定注入的氨B的具体数量，不仅需要超过脱硝所需要的当量，还要考虑到烟道气中SO3的浓度。
更准确地说，至少一部分保留在离开脱硝装置2(或脱硝步骤)的烟道气中的氨与在烟道气中的SO3反应，形成铵盐，如上述的硫酸铵和酸性硫酸铵。在此情况下，大多数铵盐被静电沉降装置5收集。因此，对于保留在离开脱硝装置2的烟道气中的氨气来说，只有超过SO3的当量的那一部分氨气保留在进入吸收塔21a的烟道气中。
更准确地说，最理想的是，确定注入氨量，使保留在进入空气加热装置31和该气-气加热装置的热回收部分(或热交换装置)24的烟道气中的氨浓度超过在该烟道气中的SO3的浓度约13ppm或更多。
由将在以下描述的实验显示，这样可以抑制酸性硫酸铵在前述的热交换装置上凝聚而沉积。这样，热交换装置的传热表面和其它内表面上沉积(或污垢)的形成变得轻微，并且使该热交换装置的维护易于进行。
也就是说，在如图9所示的传统系统中，保留在进入空气加热装置3的烟道气中的氨的浓度小到约为5ppm，所以产生了比普通硫酸铵多的酸性硫酸铵。这些酸性硫酸铵特别易于凝聚在空气加热装置3中，并在其中结垢。然而，如果氨的浓度超过烟道气中SO3的浓度约13ppm或更多，那么烟道气中大部分的SO3被转化成包含(NH4)2SO4的中性硫酸铵细粉，而所产生的易于结垢的高粘着性的酸性硫酸铵相对较少。另外，对于采用管壳结构的空气加热装置31的本实施方案来说，与采用Ljungstrm型的空气加热装置的传统系统相比，在本实施方案中由结垢而带来的麻烦较少。最终，由于酸性硫酸铵而结垢的问题实际上可以得到解决，而且不需要对脱硝装置提供一种氨分解催化剂。
在本实施方案中，有效地注入过量的氨，这样大量的氨或一种铵盐将被保留在进入吸收塔21a的烟道气中。因此，提出了一个清除被吸收到吸收塔21a中的稀浆中的氨和泄漏到已处理烟道气D中的氨的问题然而，该问题可以采用已有的无废水清除技术(所谓的AWMT)来解决，在该技术中，通过将来自静电沉降装置的灰尘以及来自脱硫装置的废水混合将氨回收并再利用；或者通过一个由本发明人新设计的氨吸收技术。
该技术的一些实施方案将参考图3和4在以下进行描述。图3是一个示意图，特别显示了适用于图2所示的实施方案的烟道气处理系统的脱硫装置的详细结构，而图4是一个示意图，显示了适用于本实施方案(在烧油锅炉的情况下)的烟道气处理系统的典型的无废水清除系统的结构。
在此，如图3所示，作为脱硫装置的吸收塔21a是一个液柱型的吸收塔，在其底部提供了一个盛装一种吸收液体E的槽41，该吸收液体(以下称为吸收剂稀浆E)中悬浮着一种吸收剂(即石灰石)，在槽41之上延伸着一个气-液接触区域，用来使烟道气与槽41中的稀浆进行气-液接触。
该吸收塔21a是所谓的逆流吸收塔，其中引入烟道气的入口部分42形成于其下部，用来排出脱硫的烟道气A1的出口部分43在其上部，这样烟道气从吸收塔的下部进入，向上流动。
在烟道气出口部分43上装有一个除雾装置43a。该除雾装置43a用来收集由于气-液接触而产生并由烟道气夹带的雾，这样含有二氧化硫、氨和类似物质的大量烟雾就不会与脱硫烟道气A1一起被排出。在此实施方案中，由除雾装置43a收集的雾从其下端向下流动，并直接返回槽41中。
另外，在吸收塔21a中，平行地配置了一组喷射管44。在这些喷射管44中，形成了一组喷射嘴(没有显示)，以便以液柱的形式向上喷射槽41中的稀浆。
另外，在槽41的外面安装了一个循环泵45来抽吸和提升槽41中的吸收剂稀浆。这样，稀浆通过循环管46送入到喷射管44中。
在图3所示的实施方案中，槽41带一个装置，该装置吹送以细小气泡的形式用于氧化的空气F，同时搅拌槽41中的稀浆。该装置包括一个搅拌器47和一个空气供给管48，以便将空气F吹送到稀浆中的搅拌器47的叶片附近。这样，吸收了二氧化硫的吸收剂稀浆在槽41中与空气有效地接触，从而完全被氧化，形成硫酸钙。
更准确地说，从吸收塔21a中的喷射管44中注入的吸收剂稀浆向下流动，由于与烟道气进行气-液接触的结果，它在向下流的同时吸收了二氧化硫和灰尘(包含铵盐如硫酸铵)以及氨气，并且进入到槽41中，在此通过与大量吹到此处的空气泡接触而被氧化，同时被搅拌器47和空气供给管48搅拌，然后经历一个中反应，变成了含高浓度硫酸钙的稀浆。在其处理过程中发生的主要反应由前述的反应式(1)到(3)表示。
这样，大量的硫酸钙，少量的石灰石(用作吸收剂)和从烟道气中收集的微量的灰尘和氨都稳定地悬浮或溶解在槽41的稀浆中。在此实施方案中，槽41中的稀浆被抽吸并通过一根从循环管线46上分支出来的管46a送入到一个固液分离器49中，在其中过滤稀浆，这样回收低含水量的硫酸钙G。另一方面，一部分来自固液分离器49的滤液部分H1被送入到一个稀浆制备槽52中，作为构成吸收剂稀浆E的水，剩余物被排到脱硫废水H2中，以便防止杂质的积累。
由于从烟道气中吸收的氨和铵盐(如硫酸铵)有很高的可溶性，它们大部分都存在于稀浆E的液相中，并且最终与脱硫废水H2一起被排出。
在此实施方案的操作中，将含作为吸收剂的石灰石的稀浆从稀浆制备槽52送入到槽41中。该稀浆制备槽52装备有一个搅拌器53并用来制备吸收剂稀浆E，其制备方法是将来自地坑(没有显示)的石灰石粉I与上述的滤液H1混合，并搅拌该混合物。通过一个稀浆泵装置54将稀浆制备槽52中的吸收剂稀浆E恰当地送入槽41中。另外，为了补充由于吸收塔21a或类似的装置中的蒸发而逐渐失去的水，恰当地将补充水(如工业用水)供给到，例如，槽41或稀浆制备槽52中。
在操作过程中，适当地控制供给槽41的补充水的流量、通过管线46a抽吸的稀浆的流量等等。这样，使槽41保持在这样一种状态，即其中所保存的含有预定浓度的硫酸钙和吸收剂的稀浆总是在一定限度的水平内。
同样在操作中，为了将脱硫度和硫酸钙的纯度维持在高水平，锅炉负载(即，烟道气A的流量)、进入吸收塔21a的烟道气中的二氧化硫的浓度、槽41中的吸收剂稀浆的碳酸钙浓度和pH值等等，均被传感器检测。在检测结果的基础上，通过控制器(没有显示)适当地控制送入到槽41中的石灰石的流量和其它的参数。按照常规，槽41中的吸收剂稀浆的pH值通常被调整到6．0左右，这样在维持对二氧化硫的高吸收能力的同时，通过加速上述的氧化反应可以形成高纯度的硫酸钙。
另外，为了防止过量注入的氨存留在脱硫烟道气A1中，在喷射管44之上安装喷射管55。该喷射管55用来将一种pH值较槽41中的稀浆低的液体J(也可能为稀浆的形式)注入到吸收塔21a中，从而在吸收塔21a的上部，形成一个区域，该区域不让氨轻易地释放到气相中。
例如，从喷射管55注入的液体J是硫酸的稀释溶液，调整其pH值(例如到4．0至5．0)，使氨不能轻易地释放到烟道气中。
在上述的结构中，通过烟道气入口部分42进入吸收塔21a的烟道气，首先与从喷射管44中以液柱形式喷出的稀浆进行气-液接触，随后与从喷射管55中喷出的液体进行气-液接触。这样，灰尘和氨与二氧化硫一起被吸收或收集。
在该工艺过程中，对从喷射管55注入到吸收塔21a中的出口部分(或上端)的液体的pH值进行调整，使得氨不能轻易地释放到烟道气中。因此，在吸收塔21a的上端使氨的分压力下降，这样，就避免了这样的现象，即氨一旦溶于稀浆液相中就逆向地释放到吸收塔上端的烟道气中。
这样，含二氧化硫、灰尘和氨的浓度很低的脱硫烟道气A1，最终从吸收塔21a的上端的烟道气出口部分43处排出。这些情况下，由本发明人所作的计算表明除氨的程度约为90％。因此，尽管有效地注入了过量的氨，却只有很少的氨含在已处理过的烟道气D(图2)中，并且没有产生向大气中排放氨的问题。
然而，从防止空气污染的角度来看，最理想的是使排放到大气中的已处理烟道气D中的氨浓度最小。因此，需要这样的烟道气处理技术，该技术能够达到减小设备尺寸，增加脱硫度，并且，另外还能够使排放的氨量最小。
下面描述图4所示的典型的无废水清除系统的结构。这是一个涉及处理来自烧油锅炉烟道气的例子。在此，在被图2和3中所示的干静电沉降装置5所收集的烟道气的灰尘K中，除了包含组成其主要成份的未燃烧碳之外，还包括钒(它是一种有毒的重金属)和镁、由注入的氨和烟道气中的SO3形成的硫酸铵等杂质。
在此系统中，如图4所示，图3中所示的脱硫废水H2首先进入到一个混合槽61中，并在此槽中经搅拌与从来自干静电沉降装置5的灰尘K混合，形成混合稀浆S1。在此步骤中，灰尘K中所含的氨和硫酸铵被溶于稀浆S1液相中，并且它们大部分以硫酸根离子或铵离子的形式存在，与含在废水H2中的物质类似。然后，将混合后的稀浆S1输送到一个调整pH值／还原的槽62中，在此处加入一种酸L[如，硫酸(H2SO4)]。这样，混合的稀浆S1被调整到一个pH值(约为2或2以下)，从而使钒发生还原反应。另外，将一种还原剂M[如，亚硫酸钠(Na2SO3)]加入并与稀浆混合。这样，稀浆中的五价钒根据下面的反应式(5)被还原成四价状态，这样钒就被溶于液相中。
(5)然后，经过钒的还原反应的混合稀浆S2被输送到沉降槽63中，在此氨B3(将在下面对其进行描述)被加入并与稀浆混合。在此步骤中，根据以下反应式(6)，稀浆中的四价钒与氨反应，反应结果的产物产生沉淀。
(6)进行了钒的沉降处理后，用稀浆泵64，将混合稀浆S3从沉降槽63中抽出并将其输送到固液分离机65中，该分离机由絮凝沉积槽和／或真空型带状过滤器组成。这样，从此处以残渣或泥团的形式将固体物质N分离。分离出的固体物质N基本上由灰尘K中的未燃烧碳组成，同时还包含沉降的钒。
然后，除去了含钒固体物质的废液S4被输送到中和槽66中，在此加入一种化学制剂O[如，熟石灰(Ca(OH)2)]和返回的废液P(将在随后对其进行描述)并进行搅拌。这样，废液中的硫酸离子和铵离子被转化成硫酸钙或氢氧化铵。
该反应所产生的稀浆S5中现在包含作为固体成份的硫酸钙和氢氧化铵，然后将该稀浆输送到第一浓缩装置67中，在此通过蒸发，氨B1被分离。产出的稀浆S6含有高浓度的硫酸钙和其它的固体成份，由一个稀浆泵68将该稀浆S6从此处抽走。
第一浓缩装置67由一个蒸发装置67a、一个加热装置67b和一个循环泵67c组成，用来用例如从电厂的锅炉中产生的热蒸气W1对稀浆进行加热，从而使含氨的水B1蒸发。
除了硫酸钙之外，稀浆S6中含的固体物质还主要包括氢氧化镁[Mg(OH)2]。该氢氧化镁由作为杂质的灰尘K中的镁与稀浆中的氢氧离子化合而成。
随后，将该稀浆S6导入一个固体分离装置69中，该装置包括一个旋风分离器或一个离心沉降机，在此稀浆S6被分离成主要包含硫酸钙(粗颗粒固体物质)的稀浆S7和含其它细颗粒固体物质(主要包括上述的氢氧化镁)的稀浆S8。稀浆S7返回到组成图3所示的脱硫装置的吸收塔槽41中。另一方面，稀浆S8的一部分在一个脱水装置(或第二浓缩装置)70中被脱水，所产生的固体物质主要包括氢氧化镁，该固体物质作为残渣Q被排出。
对于稀浆S8，没有送入到干燥装置70中的剩余部分作为返回的废液P，被送回到中和槽66中。
采用冷却水W2作为冷却剂，在冷却装置71中将在第一浓缩装置67中由蒸发产生的氨水B1冷却，并将该氨水存放在贮存槽72中。
由于贮存槽72中的氨水B1通常只有约3-6％的低浓度，所以用一个泵73将它送入一个氨浓缩装置74，并且在其中进行浓缩，以便产生浓度为10-20％的氨水。一部分这种氨水在蒸发装置75中被气化，而得到的氨B2被注入到前述的脱硝装置2的烟道气中，作为含蒸汽W3的氨B。剩下的氨水作为氨B3被送入到前述的沉降槽63中。
在前述的无废水清除系统中，对从脱硫操作中产生的脱硫废水H2进行处理，其方法是将其与除掉的灰尘K进行混合，这样可以使其改善操作性能。所产生的混合稀浆经过对所含的钒进行的还原、沉降和固液分离等一系列处理，所分离的钒以残渣的形式排出。另外，将混合的稀浆以这样的方法进行浓缩和处理，即最后使硫酸钙、水和氨返回烟道气中或返回系统的上游侧(如构成脱硫装置的吸收塔)。这样，就可以以循环的方式利用氨，并且实现所谓的无废水封闭系统，其中不产生要排出的废水。这样在废水排放之前就不需要对废水进行处理，并且可以有效地利用氨。
实验现在描述由本发明人所进行的一些实验。这些实验的目的是显示由于根据本发明的一个特点，注入了过量的氨，以及采用管壳式结构的无泄漏型热交换器作为该热交换器，从而结垢被抑制，结垢是因酸性硫酸铵导致的，是在热回收步骤中的热交换装置的内表面(例如热传导表面)上形成的。
首先，图6中显示了一个采用的实验设备。具体地说，一个空气加热装置82和一个冷却装置83安装在燃烧炉81的下游。另外，一个用来分离和除掉灰尘如未燃烧的碳的旋风分离器84安装在其下游。离开该旋风分离器84的烟道气被导入一个具有管壳结构的无泄漏型热交换装置85中。在此，烟道气在其壳程(即在加热管的外面)通过热交换装置85，而加热介质通过该热交换装置85的加热管。加热介质由热交换装置85中烟道气的热来加热，该介质在冷却器86中由冷却水冷却而再生。
通过在空气加热装置82的上游以及冷却装置83的上游处，向烟道气中注入SO3来调整烟道气中SO3的浓度。另外，通过在旋风分离器84的下游和热交换装置85的上游处，向烟道气中注入氨来调整烟道气中氨的浓度。热交换装置85可以进行所谓的钢球清理，即将钢球连续地散射到其壳程，并且在需要时接受钢球清理试验。
其它的实验条件如下。
(燃料)类型燃料油A。
燃烧速率15升／小时。
(烟道气)流量200m3N／小时。
SO3浓度25ppm。
NH3浓度63ppm。
旋风分离器出口处的温度170℃。
热交换装置的入口／出口处的温度130／90℃。
(加热介质)入口温度75℃。
(钢球)散射流量2，280公斤／平方米·小时。
在此情况下，烟道气中的氨的浓度测定为63(=50+13)ppm，这样它将超过与SO3反应形成硫酸铵[(NH4)2SO4]所需要的当量数13ppm。前述的当量数等于SO3摩尔数的两倍，在此情况下，对应于浓度50(=25×2)ppm。
在上述的条件下，让实验设备连续运行83小时而不进行钢球清理。此后，进行2小时的钢球清理。
图7显示了对热交换装置85中的气压损失的变化的实测结果，而图8显示了对热交换装置85中的总传热系数的变化的实测结果，该传热系数用来表示其传热能力。
从这些结果中可以看出，即使在83小时的连续运行之后，气压损失和总传热系数的变化相对较小。另外，通过钢球清理，这些参数完全可以恢复到其原来的水平。
另外，在连续运行83小时后，对热交换装置85的加热管的表面拍照，并且用肉眼直观地观察，沉积物的积累是轻微的。通过分析得知，这些沉积物主要包括硫酸铵型的化合物，其中NH4／SO4的摩尔比为1．5至1．9。
由此可见，如果将超过SO3浓度13ppm或更多的氨注入，将抑制酸性硫酸铵的形成，这将大大地有利于清除沉积物的作业。
应该理解，本发明不仅限于上述的实施方案，而是可以以各种其它的方式实施。
例如，氨的注入不一定仅在脱硝装置(或脱硝步骤)中进行，还可以在脱硝装置的下游和吸收塔的上游的任何一处进行。例如，在图2所示的系统中，可以向烟道4中的烟道气注入氨，以便收集SO3和加强脱硫能力，或者向烟道25中的烟道气注入氨(在干静电沉降装置5的下游侧)，以便加强脱硫能力等。
在此情况下，为了加强吸收塔的脱硫能力，在脱硝步骤中注入的氨量和／或在脱硝步骤的下游处注入的氨量可以这样决定，即使其超过脱硝所需要的当量数或超过SO3的当量数，从而使得在进入脱硫步骤的烟道气中保留了氨或铵盐(例如硫酸铵)。
另外，为了在空气加热装置31和气-气加热装置中的热回收部分24上完全抑制因SO3而结垢，在脱硝步骤中注入的氨量和／或在脱硝步骤的下游处注入的氨量可以这样决定，即使其达到这样的过量水平，使得在进入这些热交换装置的烟道气中保留的氨的浓度超过烟道气中SO3的浓度13ppm或更多。
另外，例如，在前述的图2的实施方案中，空气加热装置31和气-气加热装置的热回收部分24是分开安装的。然而，它们也可以结合成一个单独的部分。即，该系统可以以这样方式构造，即送入到锅炉的空气C被热交换装置中回收的热加热，该热交换装置例如是安装在空气加热装置31处的(图2)，而该加热介质的一部分与气-气加热装置的再加热部分22连通，用来加热已处理过的烟道气D。
即使空气加热装置和气-气加热装置的热回收部分是分开安装的，该气-气加热装置的热回收部分可以安装在静电沉降装置5的上游处。
就此而论，如果完全在静电沉降装置5的上游侧从烟道气中回收热量而且进入静电沉降装置5的烟道气的温度被进一步减降低，这对于烟道气是来自烧煤锅炉的情况是特别有利的，因为在增加其稳定性的基础上，静电沉降装置5中除掉灰尘(如飞灰)的程度会显著改善。
权利要求
1．一种烟道气处理系统，包括一个吸收塔，用来使烟道气与一种吸收液体进行气-液接触，以便通过吸收液体的吸收，从烟道气中至少除掉硫的氧化物，一个再加热部分，用来加热离开所说吸收塔的烟道气，使其达到向大气排放的理想温度，和一个风机，用来在压力下输送烟道气，从而抵消在烟道气流程中所产生的压力损失，该烟道气流程包括所说吸收塔和所说再加热部分，其特征在于所说吸收塔、所说再加热部分和所说风机被配置在一条垂直的轴线上，至少部分地起到了烟囱的作用，以便向大气中排放处理过的烟道气。
2．一种烟道气处理工艺，该工艺包括脱硝步骤，在该步骤中向至少含氮氧化物和硫氧化物的烟道气中注入氨，以便分解烟道气中的氮氧化物，还包括脱硫步骤，在该步骤中将离开所述脱硝步骤的烟道气导入一个吸收塔，在该塔中烟道气与一种吸收液体进行气-液接触，以便通过该吸收液体的吸收，从烟道气中至少除掉硫的氧化物，其特征在于在需要时在所说脱硝步骤的下游处向烟道气中注入氨，和在所说脱硝步骤中注入的氨量和／或在脱硝步骤下游处注入的氨量确定为这样一个过量的水平，即氨或铵盐将留在导入所说脱硫步骤的烟道气中。
3．根据权利要求2的烟道气处理工艺，其特征在于在所说脱硝步骤中注入氨的量是这样确定的，即使得残留在离开所说脱硝步骤的烟道气中的氨的浓度不小于30ppm。
4．根据权利要求2的烟道气处理工艺，其特征在于还包括热回收步骤，该步骤将离开所说脱硝步骤的烟道气导入到一个在所说吸收塔的上游侧的热交换装置中，从而从烟道气中回收热，而且其中采用一个管壳结构的无泄漏型热交换装置作为所说热交换装置。
5．根据权利要求2或4的烟道气处理工艺，其特征在于还包括热回收步骤，在该步骤中，将离开所说脱硝步骤的烟道气导入一个在所说吸收塔的上游侧的热交换装置中，从而从烟道气中回收热量，而且其中在所说脱硝步骤中注入的氨量和／或在所说脱硝步骤的下游处注入氨的量是这样确定的，使得留在进入所说热交换装置的烟道气中的氨的浓度超过该烟道气中SO3的浓度约13ppm或更多。
6．根据权利要求2到4的任意一项的烟道气处理工艺，其特征在于在烟道气与吸收液体进行气-液接触的所说吸收塔部分的下游侧形成一个区域，在该区域中喷射一种比吸收液体酸性更大的液体，从而不允许氨轻易地被释放到气相中，使保留在进入所说脱硫步骤的烟道气中的氨在所说吸收塔中被吸收，而不让其保留在离开所说吸收塔的烟道气中。
7．根据权利要求2到4的任意一项的烟道气处理工艺，其特征在于还包括第一除尘步骤，在该步骤中将烟道气导入一个在所说吸收塔上游侧的干静电沉降装置，从而除掉烟道气中的灰尘，还包括第二除尘步骤，在该步骤中将烟道气导入一个在所说吸收塔下游侧的湿静电沉降装置，从而除掉留在烟道气中的灰尘。
8．一个烟道气处理工艺，用于通过使用烟道气处理系统来净化至少包含氮氧化物和硫氧化物的烟道气，所述烟道气处理系统包括一个脱硝装置，用来将氨注入烟道气中，分解其中的氮氧化物，还包括一个热交换装置，用来回收离开所述脱硝装置的烟道气中的热，还包括一个吸收塔，用来使离开所说热交换装置的烟道气与一种吸收液体进行气-液接触，从而通过该吸收液体的吸收，至少除掉烟道气中的硫氧化物，还包括一个再加热部分，其中至少采用一部分在所说热交换装置中回收的热来加热离开所说吸收塔的烟道气，使其达到向大气排放的理想温度，还包括一个风机，用来在压力下输送烟道气，以便抵消因烟道气流程而产生的压力损失，该流程包括所说吸收塔和所说再加热部分，其中所说吸收塔、所说再加热部分和所说风机被配置在一条垂直的轴线上，至少部分地起到了烟囱的作用，以便向大气中排放处理过的烟道气，其中在需要时在所说脱硝装置的下游处向烟道气中注入氨，在所说脱硝装置中注入的氨量和／或在所说脱硝装置下游处注入的氨量确定为这样一个过量的水平，即氨或铵盐将留在导入所说吸收塔的烟道气中。
全文摘要
在烟道气处理系统中,吸收塔(21)、再加热部分(22)和风机(23)被配置在一条垂直的轴线上,至少部分地起到了烟囱的作用,以便向大气中排放处理过的烟道气。另外,在烟道气处理工艺中,在脱硝步骤[一个脱硝装置(2)]中注入的氨量和/或在脱硝步骤的下游处注入的氨的量是这样一个过量的水平,即使在进入脱硫步骤[吸收塔(21)]的烟道气中保留有氨或铵盐。这样,设备的尺寸和成本可以减少。
文档编号B01D53/77GK1205913SQ9811489
公开日1999年1月27日 申请日期1998年4月20日 优先权日1997年4月21日
发明者小竹进一郎, 木村和明, 铃木一光, 鹈川直彦, 高品彻 申请人:三菱重工业株式会社