燃煤湿法烟气脱硫工艺中促进细颗粒物脱除的装置及方法

摘要

本发明针对设有预洗涤塔的燃煤WFGD工艺中烟气水汽含量高的特点，提供一种应用蒸汽相变原理促进细颗粒物脱除的装置及方法。一种燃煤湿法烟气脱硫工艺中促进细颗粒物脱除的装置，该装置由预洗涤塔、蒸汽相变室和脱硫主塔组成，所述蒸汽相变室设有冲洗废液出口、烟气进口和烟气出口，所述烟气进口与预洗涤塔烟气出口连接，烟气出口与脱硫主塔的烟气进口连接，蒸汽相变室的烟气进口与烟气出口之间依次设有蒸汽喷嘴、除雾器和冲洗水喷嘴。

说明书

一、技术领域

本发明属于一种促进燃煤烟道气中细颗粒物脱除的技术，特别涉及一种设有预洗涤塔的燃煤湿法烟气脱硫工艺中应用蒸汽相变原理促进细颗粒物脱除的装置及方法。

二、背景技术

可吸入颗粒物(PM₁₀)特别是空气动力学直径小于2.5μm的细颗粒物(PM_2.5)污染已成为我国突出的大气环境问题，并日益引起世界各国的高度重视；主要原因在于PM_2.5细颗粒物比表面积大，易富集各种重金属及化学致癌物质，而常规除尘技术对其难以有效捕集，造成大量细颗粒物排入大气环境。如湿法脱硫塔(包括除雾器、脱硫洗涤液)难以捕集PM_2.5细颗粒物，但对于3～5μm以上的微粒脱除效率可达70～80％以上；清华大学王珲等测试某300MW燃煤电厂湿法烟气脱硫(WFGD)系统对细颗粒物的脱除作用发现，WFGD系统对PM₁₀有74.5％的脱除效率，但PM_2.5反而增加(《中国电机工程学报》2008年第28卷)。燃煤是细颗粒物的主要一次来源，且在今后相当长的时期内，细颗粒物作为我国大气污染的首要污染物的基本状况不会改变。因此，控制燃煤细颗粒物的污染是国家节能减排战略的重大需求。技术发展的主要途径是通过物理或化学作用使细颗粒物长大成较大颗粒后加以清除，结合现有燃煤烟气污染物控制设备进行过程优化及运用新颖合理的技术原理以提高对细颗粒物的脱除性能，是控制细颗粒物的重要技术发展方向；其中，将蒸汽相变预处理技术与现有燃煤锅炉湿法烟气脱硫技术结合是最有可能实现工程应用的重要途径之一。蒸汽相变促使细颗粒物长大的机理是：在过饱和水汽环境中，水汽以细颗粒物为凝结核发生相变，使颗粒粒度增大、质量增加，并同时产生扩散泳和热泳的作用，促使细颗粒物迁移运动，相互碰撞接触，进一步促使细颗粒物凝并长大。为此，应用蒸汽相变预调节技术，首先应建立过饱和水汽环境，但单纯依靠添加蒸汽使原始水汽含量低、烟温高的燃煤烟气达到过饱和能耗过高，只有与烟气水汽含量较高、烟温较低的过程结合才有实用价值。

目前，燃煤湿法烟气脱硫技术已越来越成熟与普及，在部分WFGD工艺中，在脱硫吸收塔(脱硫主塔)前增设预洗涤塔，以起到提高SO₂吸收率、除尘及改善石膏质量等作用；烟气经过预洗涤塔时，高温烟气与中低温洗涤液相接触，发生强烈的传热传质过程，高温烟气使部分洗涤液汽化，烟气相对湿度增大并可接近或达到饱和状态，烟温由100～150℃降至50～65℃左右，但无论在预洗涤塔还是脱硫主塔，均达不到实现蒸汽相变所需的过饱和水汽环境。因此，增设预洗涤塔只能提高SO₂和粗粉尘的脱除率，仍难以捕集细颗粒物。同时，安装WFGD系统的燃煤电厂，排入大气环境的细颗粒物除燃煤飞灰外，还包括硫酸雾、脱硫形成的无机盐微粒；荷兰Meij分析发现，石灰石/石膏法脱硫系统出口细颗粒物基本属于PM_2.5，除燃煤飞灰外，还含石膏和未反应的石灰石等组分(FuelProcessing Technology，2004，85(6-7)：641-656)。

三、发明内容

发明目的：本发明针对设有预洗涤塔的燃煤WFGD工艺中烟气水汽含量高的特点，提供一种应用蒸汽相变原理促进细颗粒物脱除的装置及方法。

技术方案：一种燃煤湿法烟气脱硫工艺中促进细颗粒物脱除的装置，该装置由预洗涤塔、蒸汽相变室和脱硫主塔组成，所述预洗涤塔设有废液排放口、烟气进口和烟气出口，烟气进口与烟气出口之间依次设有预洗涤液喷嘴和预洗涤塔除雾器；所述脱硫主塔设有废液排放口、烟气进口和净化烟气出口，烟气进口与烟气出口之间依次设有脱硫液喷嘴和脱硫主塔除雾器；所述蒸汽相变室设有冲洗废液出口、烟气进口和烟气出口，所述烟气进口与预洗涤塔烟气出口连接，烟气出口与脱硫主塔的烟气进口连接，蒸汽相变室的烟气进口与烟气出口之间依次设有蒸汽喷嘴、除雾器和冲洗水喷嘴，蒸汽相变室尺寸以烟气在相变室中的停留时间不少于水汽在细颗粒表面核化凝结长大所需时间50～200ms确定，内衬耐蚀的低表面能材料。

一种燃煤湿法烟气脱硫工艺中促进细颗粒物脱除的装置，该装置由预洗涤塔、蒸汽相变室和脱硫主塔组成，所述蒸汽相变室设于预洗涤塔内，预洗涤塔设有废液排放口、烟气进口和烟气出口，烟气进口与烟气出口之间依次设有预洗涤液喷嘴、预洗涤塔除雾器和蒸汽相变室，所述蒸汽相变室按烟气流动方向依次设有蒸汽喷嘴、除雾器和冲洗水喷嘴；所述脱硫主塔设有废液排放口、烟气进口和净化烟气出口，烟气进口与烟气出口之间依次设有脱硫液喷嘴和脱硫主塔除雾器；预洗涤塔的烟气出口与脱硫主塔的烟气进口管道连接。

燃煤湿法烟气脱硫工艺中促进细颗粒物脱除的装置，所述预洗涤塔除雾器、脱硫主塔除雾器为挡板除雾器、板波纹除雾器或旋流板除雾器；蒸汽相变室除雾器为板波纹除雾器或丝网除雾器。

耐蚀的低表面能材料为聚四氟乙烯、四氟乙烯乙烯基醚共聚物或氟乙烯乙烯基醚共聚物涂料。

燃煤湿法烟气脱硫工艺中促进细颗粒物脱除的方法，脱除步骤为：燃煤烟气在预洗涤塔中经洗涤除尘后被水蒸汽饱和或接近饱和，然后由预洗涤塔除雾器脱除水雾后进入蒸汽相变室，注入适量蒸汽，蒸汽添加量以烟气过饱和度S由S≈1增至S＝1.10～1.50确定，建立细颗粒物凝并长大所需的过饱和水汽环境，凝并长大的细颗粒物由置于蒸汽相变室烟气出口处的除雾器部分脱除；烟气经蒸汽相变室脱除部分细颗粒物后进入脱硫主塔，通过优化脱硫主塔进口气液温差增大烟气过饱和度，使未脱除的细颗粒物发生二次凝并长大并由脱硫液和脱硫主塔除雾器脱除。

燃煤湿法烟气脱硫工艺中促进细颗粒物脱除的方法，所述脱硫主塔进口烟气为饱和或过饱和烟气，烟气温度50～65℃，进口脱硫液温度30～45℃，比进口烟气温度低20～30℃。

燃煤烟气脱硫工艺中提高细颗粒物脱除的方法，所述PM2.5细颗粒物包括煤飞灰、硫酸雾滴或脱硫反应形成的无机盐气溶胶微粒。

有益效果：应用蒸汽相变原理促进细颗粒物脱除，首先应建立过饱和水汽环境，但单纯依靠添加蒸汽使原始水汽含量低、烟温高的燃煤烟气(原始水汽含量5～8％、烟温100～150℃)达到过饱和能耗过高，只有与烟气水汽含量较高、烟温较低的过程结合才有实用价值。在设有预洗涤塔的燃煤WFGD系统中，烟气经预洗涤后，可被水蒸汽饱和或接近饱和，烟温降至50～65℃，只要添加少量蒸汽即可建立细颗粒物凝并长大所需的过饱和水汽环境。本发明充分利用上述工艺特点，在预洗涤塔烟气出口与脱硫主塔烟气进口间，或预洗涤塔除雾器上方空间增设蒸汽相变室，注入适量常压饱和蒸汽，建立过饱和水汽环境，使细颗粒物凝并长大，并由蒸汽相变室除雾器脱除凝并长大的含尘液滴，未能脱除的细颗粒物则通过优化脱硫主塔进口气液温差以增大烟气过饱和度，使细颗粒物在脱硫主塔内发生二次凝并长大，并由脱硫液和安装于脱硫主塔内的除雾器脱除，进而实现细颗粒物的高效脱除。与在原始燃煤烟气中添加蒸汽相比，蒸汽耗量可显著降低，不仅可有效脱除燃煤飞灰，还可脱除硫酸雾滴、脱硫反应形成的无机盐气溶胶微粒。以耐蚀的低表面能材料作蒸汽相变室内壁面或壁面衬里、涂料，一方面可促进水汽在细颗粒物表面凝结而抑制其在蒸汽相变室壁面凝结，进而增进相变效果，同时还可解决因酸性污染物结露而导致的腐蚀问题。本发明工艺简单，只要对现有燃煤湿法烟气脱硫装置进行改进，在预洗涤塔烟气出口与脱硫主塔烟气进口间或在预洗涤塔除雾器上方空间增设蒸汽相变室，添加适量蒸汽并辅以适当优化脱硫主塔进口气液温差，即可使现有燃煤WFGD装置具有同时促进细颗粒物凝并长大并高效脱除的功效，可广泛应用于设有预洗涤塔的燃煤电厂湿法烟气脱硫装置。

四、附图说明

图1是本发明的工艺方法流程框图；

图2是本发明实施例1的装置结构示意图；

图3是本发明实施例2的装置结构示意图。

图中：1-预洗涤塔；2-预洗涤液喷嘴；3-预洗涤塔除雾器；4-蒸汽相变室；5-蒸汽喷嘴；6-蒸汽相变室除雾器；7-冲洗水喷嘴；8-脱硫主塔；9-脱硫主塔除雾器；10-脱硫液喷嘴；11-循环泵；A烟气；B预洗涤液；C蒸汽；D冲洗废液；E冲洗水；F净化烟气；G脱硫液；H废液排放；

五、具体实施方式

下面结合图1～3，对本发明作详细说明：

实施例1：

根据本发明，一种燃煤湿法烟气脱硫工艺中促进细颗粒物脱除的方法如图1、图2所示：高温燃煤烟气进入预洗涤塔1，与洗涤液接触后，烟温由100～150℃降至50～65℃，被水蒸汽饱和或接近饱和，并脱除烟气中粗颗粒，然后经预洗涤塔除雾器3脱除水雾后进入蒸汽相变室4，经蒸汽喷嘴5注入适量常压饱和蒸汽，使烟气达到过饱和态，过饱和水汽以细颗粒物为凝结核在细颗粒物表面发生核化凝结，并同时产生扩散泳和热泳作用，使细颗粒物粒度增大、质量增加，凝并长大的含尘液滴由置于蒸汽相变室4烟气出口处的高效除雾器6脱除，除去约50～60％的细颗粒物。蒸汽添加量以烟气过饱和度S由S≈1增至S＝1.10～1.50确定，以保证细颗粒凝并长大后的粒径在3～5μm以上，同时抑制均质核化现象，使蒸汽相变室4内主要发生以细颗粒物为凝结核的异质核化过程。蒸汽相变室内设有除雾器冲洗水喷嘴7，定期对除雾器冲洗，以防止除雾器堵塞导致阻力显著增加，被捕集的细颗粒物随冲洗水废液排出。经蒸汽相变室4脱除部分细颗粒物的过饱和烟气(S≥1.0，温度：50～65℃)由脱硫主塔8下部烟气进口进入塔内，与经循环泵11、脱硫液喷嘴10喷出的中低温脱硫液逆流接触，进口脱硫液温度控制在30～45℃，比进口烟温低20～30℃，饱和烟气与脱硫液逆流接触过程中被增湿冷却，过饱和度进一步增大，使未脱除的细颗粒物发生二次凝并长大，凝并长大的含尘液滴由脱硫液和安装于脱硫主塔内的除雾器9二次脱除，二次数浓度脱除率为50～60％，总数浓度脱除率80％以上。脱除的细颗粒物除燃煤飞灰外，还包括硫酸雾滴、脱硫形成的无机盐微粒。净化烟气从脱硫主塔塔顶烟气出口排出。

如图2所示，本发明的一种燃煤湿法烟气脱硫工艺中促进细颗粒物脱除的装置，主要由预洗涤塔1、蒸汽相变室4、脱硫主塔8所组成。蒸汽相变室4设于预洗涤塔1烟气出口与脱硫主塔8烟气进口之间，蒸汽相变室内按烟气流动方向依次设有蒸汽喷嘴5、除雾器6及除雾器冲洗水喷嘴7，内层衬以耐蚀的低表面能材料，如聚四氟乙烯、四氟乙烯乙烯基醚共聚物、氟乙烯乙烯基醚共聚物涂料等；蒸汽相变室4尺寸(体积)以烟气在相变室中的停留时间大于水汽在细颗粒表面核化凝结长大所需时间(约50～200ms)确定。预洗涤塔1、脱硫主塔8及蒸汽相变室4烟气出口处均安装除雾器，预洗涤塔除雾器3、脱硫主塔除雾器9选用低阻力除雾器，如挡板除雾器、板波纹除雾器、旋流板除雾器，蒸汽相变室除雾器6选用高效除雾器，如板波纹除雾器、丝网除雾器。

实施例2：

如图3所示，与实施例1不同的是，不在预洗涤塔烟气出口与脱硫主塔烟气进口之间专门设置蒸汽相变室，而是适当增加预洗涤塔1高度，以预洗涤塔除雾器3上方空间作蒸汽相变室4，并注入适量蒸汽，塔顶部烟气出口处设置高效除雾器5和除雾器冲洗水喷嘴7，烟气经预洗涤和脱除部分细颗粒物后进入脱硫主塔，其余同实施例1。

实施例3：

一种燃煤湿法烟气脱硫工艺中促进细颗粒物脱除的方法，步骤为：一次脱除细颗粒物：燃煤烟气经预洗涤除尘后，被水蒸汽饱和或接近饱和，脱除水雾后进入蒸汽相变室，烟气在蒸汽相变室中的停留时间≥50～200毫秒，注入常压饱和蒸汽，建立细颗粒物凝并长大所需的过饱和水汽环境，凝并长大的细颗粒物由置于蒸汽相变室烟气出口的高效除雾器部分脱除，一次数浓度脱除率为50～60％；二次脱除细颗粒物：过饱和烟气经蒸汽相变室脱除部分细颗粒物后进入脱硫主塔，与中低温脱硫液逆流接触，优化脱硫主塔进口气液温差增大烟气过饱和度，使未脱除的细颗粒物发生二次凝并长大并被脱硫液和安装于脱硫主塔内的除雾器脱除，二次数浓度脱除率为50～60％，总数浓度脱除率80％以上。

一种燃煤湿法烟气脱硫工艺中促进细颗粒物脱除的装置，由预洗涤塔、蒸汽相变室、脱硫主塔所组成。蒸汽相变室设于预洗涤塔烟气出口与脱硫主塔烟气进口之间，也可适当增加预洗涤塔高度，以预洗涤塔除雾器上方空间作蒸汽相变室，蒸汽相变室内设有蒸汽喷嘴、除雾器和除雾器冲洗水喷嘴；蒸汽相变室尺寸以烟气在相变室中的停留时间大于水汽在细颗粒表面核化凝结长大所需时间(约50～200ms)确定，内衬具有增进相变效果和防腐双重功效的低表面能材料，如聚四氟乙烯、四氟乙烯乙烯基醚共聚物，氟乙烯乙烯基醚共聚物涂料等。预洗涤塔、蒸汽相变室及脱硫主塔烟气出口处安装除雾器，预洗涤塔及脱硫主塔除雾器选用低阻力除雾器，如挡板除雾器、板波纹除雾器、旋流板除雾器，蒸汽相变室除雾器选用高效除雾器，如板波纹除雾器、丝网除雾器。

实施例4：

烟气由全自动燃煤锅炉产生，烟气量为100Nm³/h，预洗涤塔塔径150mm、高2000mm，内置三级喷淋，脱硫主塔为塔径150mm、塔高2500mm的旋流板塔，内置4块旋流板，湿法脱硫技术为双碱法，蒸汽相变室置于预洗涤塔烟气出口处，预洗涤塔与蒸汽相变室烟气出口处分别安装板波板除雾器、丝网除雾器。燃煤锅炉产生的含尘烟气进入预洗涤塔，塔进口烟温143℃，液气比10L/Nm³，经洗涤除尘并脱除水雾后，烟温降至59℃，烟气相对湿度93％；然后进入蒸汽相变室，每Nm³烟气注入0.070kg蒸汽，相变室内烟气过饱和度S≈1.35。经蒸汽相变室脱除部分细颗粒物的过饱和烟气(S≈1.16，温度60℃)由脱硫主塔下部烟气进口进入塔内，脱硫液温度38℃，液气比3L/Nm³。经电称低压冲击器在线测试，蒸汽相变室一次细颗粒物数浓度脱除率为55％，脱硫主塔二次细颗粒物数浓度脱除率为58％，细颗粒物数浓度总脱除率达到81％。

实施例5：

蒸汽相变室置于预洗涤塔除雾器上方空间，预洗涤塔塔径150mm，总塔高3000mm，预洗涤区、蒸汽相变区高度分别为2000mm、1000mm，其余基本同实施例4；经电称低压冲击器在线测试，细颗粒物数浓度总脱除率为80％。

对比例1：

采用实施例4试验系统，但蒸汽相变室烟气出口处不安装丝网除雾器，也不注入蒸汽，脱硫主塔进口烟温57℃，相对湿度94％，其余基本同实施例4；经电称低压冲击器在线测试，细颗粒物数浓度总脱除率为26％。