石煤电厂氨_亚硫酸氢铵WFGD特性研究
第34卷第8期
2009年8月煤 炭 学 报JOURNALOFCHINACOALSOCIETYVol.34 No.8 Aug. 2009 文章编号:0253-9993(2009)08-1110-05
石煤电厂氨-亚硫酸氢铵WFGD特性研究
丁红蕾,高 翔,施正伦,涂 军,周万荣,骆仲泱,岑可法1112211
(11浙江大学能源清洁利用国家重点实验室,浙江杭州 310027;21江山泰格化工有限公司,浙江江山 324100)
摘 要:开发了一种石煤电厂氨-亚硫酸氢铵湿法烟气脱硫(WFGD)新工艺,并设计了烟气量
3为3000m/h的中试试验装置.试验结果表明:吸收循环液的pH值是影响脱硫效率的主要因
素.脱硫效率随pH值、液气比R的升高而增加;随烟气流速、循环液盐浓度的升高而降低.亚硫酸铵的氧化随循环液pH值、盐浓度的升高而降低.试验条件下,当pH=6时,脱硫效率可达98%以上,同时可以副产高浓度NH4HSO3溶液.
关键词:氨;亚硫酸氢铵;湿法烟气脱硫;中试试验
中图分类号:TQ54615 文献标识码:A
ResearchonpropertiesfDINGHong2,SHI2,TUJun,ZHOUWan2rong,LUOZhong2yang,CENKe2faJiangshan 324100,China)2211(11StateKeyleanEnergyUtilization,ZhejiangUniversity,Hangzhou 310027,China;21JiangshanTaigeChemicalCo.,Ltd.,
Abstract:Anovelprocessofammonia2bisulfiteWFGDwasdeveloped.Apilot2scaleexperimentalsystemwasde2signedfor3000m/hoffluegasflowfromacertainstone2coalfiredpowerplant.TheexperimentalresultsindicatethatpHvalueisthedominantfactorinfluencingdesulphurizationefficiency.Thedesulphurizationefficiencyincrea2seswithincreasingpHvalueandtheratioofliquorandgas,whiledecreaseswithincreasingsolutiondensityandfluegasvelocity.TheoxidationofammoniumsulfitedecreaseswithincreasingpHvalueandsaltconcentration.Un2dertheexperimentalcondition,whenthepH=6,thedesulphurizationefficiencyisgreaterthan98%.Theby2productisconcentratedNH4HSO3solution.
Keywords:ammonia;NH4HSO3;wetflue2gasdesulphurizaton;pilot2scaleexperiment3
我国一次能源主要是煤炭,随着经济的飞速发展带来了能源消耗总量的增加,已使我国成为世界上最
[1-3]大的SO2排放国.如何选择适当的技术以减少SO2的排放量成为我国环保领域的一项迫切任务.湿法
[4-5]烟气脱硫(WFGD)是目前世界上最主要、也是最行之有效的脱硫技术之一,根据吸收剂的不同又分
为钙法、氨法、镁法等.目前应用最广泛的是湿式钙法脱硫技术,但在多年的使用过程中它存在二次污染、运行不经济等问题.近年,氨法脱硫技术由于其在循环经济性方面的特点而愈来愈受到关注.此外,
[6]由于氨的化学特性,使得氨法脱硫技术在处理高含硫煤方面更有其明显的优势.自20世纪70年代初,
一些国家开始研究电厂氨法烟气脱硫工艺并获得成功.这些工艺方法的副产品一般是(NH4)2SO4,通过后续的结晶、干燥工艺最终以晶体的形式作为化肥销售,其销路受当地土壤条件、农作物品种等因素的影响.但如果能通过选择适当的工艺路线,得到可进一步合成其他化工产品的亚硫酸氢铵,
不但省去了
收稿日期:2008-09-29 责任编辑:柳玉柏
基金项目:“十一五”国家科技支撑计划资助项目(2006BAA01B04);资源综合利用国债专题项目
作者简介:丁红蕾(1968—),女,山东寿光人,博士研究生.Tel:0571-87952443-9203,E-mail:hlding2005@zju1edu1cn;联系
人:高 翔(1968—),男,浙江杭州人,教授.Tel:0571-87951335-9203,E-mail:xgao@cmee1zju1edu1cn[7]
第8期丁红蕾等:石煤电厂氨-亚硫酸氢铵WFGD特性研究1111结晶干燥系统,在销售方面也不会有后顾之忧.在亚硫酸氢铵的传统生产方法中,其原材料之一就是价格昂贵的硫磺,而我国是缺硫大国,每年需进口大量硫磺,近年硫磺价格增长迅速.另一方面,我国劣质煤(石煤)资源相当丰富,但由于劣质煤自身含硫量高,造成燃烧后烟气中SO2浓度较高,利用一般的钙法脱硫难以达到环保要求.若采用氨-亚硫酸氢铵WFGD工艺将高硫燃煤烟气中的硫回收,在脱硫的同时副产高附加值的化工原料———亚硫酸氢铵,使高硫低热值煤得到完全资源化利用,对我国高硫煤综合开发利用具有普遍意义,该技术的经济效益、环境效益都将非常可观.本文在试验室机理性试验的基础上,对氨-亚硫酸氢铵湿式烟气脱硫工艺进行了初步设计,并在某石煤综合利用热电厂内进行了中试试验,以期所取得的一些数据能为下一步工业化生产的实现奠定基础.
1 工艺原理
氨-亚硫酸氢铵湿式烟气脱硫系统的主要原理:除尘净化后的烟气在脱硫塔中与氨基脱硫液接触而脱去其中的SO2.湿式氨法脱硫过程中,吸收剂碱性较钙基吸收剂强,同时由于反应是在气-液、气-气间进行,使得反应进行得更迅速完全
.:吸收和氧化.吸收过程是经除尘净化后的烟气进入脱硫塔中,烟气中的O2,生成(NH4)2SO3,NH4HSO3溶液,即
2(+O2(4)2SO3,
43+H2+SO2(aq)←→NH4HSO3,
NH4HSO3+NH3←→(NH4)2SO3.SO2)
[6]会有(NH4)2SO4存在,即(1)(2)(3)(4) 由于烟气中氧的存在,脱硫反应产物中的(NH4)2SO3,NH4HSO3还会进一步被氧化,所以溶液中也
2(NH4)2SO3+O2
2NH4HSO3+O2
NH4HSO4+(NH4)2SO3(NH4)2SO4,NH4HSO4,(NH4)2SO4+NH4HSO3.(5)(6)(7)
2 工艺条件及工艺流程
211 烟气参数
本中试系统的烟气从电厂主烟道中开出的旁路烟道获得,设计烟气量为3000m/h.锅炉燃煤为石煤和烟煤混掺,灰分和硫分都比较高,产生的烟气通过静电除尘器除尘后进入脱硫系统.进入脱硫系统的烟气量为3000m/h,烟气温度为110℃,含尘量为240mg/m,湿度为6%,SO2浓度为18000mg/m.212 工艺流程
由式(3)可以看出,在正常脱硫过程中,起脱硫作用的是(NH4)2SO3,而NH4HSO3作为酸式盐不3333具有吸收SO2的能力.另一方面,由于工艺要求的脱硫副产品是NH4HSO3溶液,所以为达到脱硫效果以及对副产品质量的要求,系统采用两级脱硫塔:第1级主要保证副产品中NH4HSO3的比例和浓度;第2级主要用以保证尾气中的SO2浓度达到环保标准.工艺流程如图1所示,整套系统由预洗涤系统、储存系统、脱硫系统、过滤系统等组成.气体预洗涤系统主要设备包括动力波洗涤器、板框压滤机等.经静电除尘器过来的烟气,先由增压风机进行增压后进入动力波洗涤系统,将烟气中残留的部分灰分洗去,并通过动力波洗涤器中水的绝热蒸发降低了烟气的温度,然后进入两级脱硫塔进行脱硫.洗涤烟气后的水通过板框压滤机滤去灰渣后返回动力波循环利用.
脱硫系统主要包括两级脱硫塔及循环泵等.经过预洗涤后的烟气依次进入1,2号脱硫吸收塔进行烟气脱硫后,脱硫尾气并入主烟道排空.由于1号塔是为了保证副产品质量,因此,脱硫液的pH值低、盐
11
12煤 炭 学 报2009年第34
卷
图1 氨-亚硫酸氢铵湿法烟气脱硫工艺流程
Fig11 Schematicprocessflowdiagramofammonia2bisulfiteWFGD
浓度高;为保证尾气SO2浓度,2号塔脱硫液pH值高、;,在2号塔顶设置氨回收区.21号塔,在1号塔中通过进一步吸收SO2NH4要求的高浓度NHOpH值的基本恒定.氨水的加,并中和其中的部分NH4HSO3,得到(NH4)2SO3..过滤系统的主要作用是通过微孔过滤器滤除副产品溶液中的杂质,保证产品品质的洁净.
3 试验结果与分析
311 脱硫液pH值、密度对脱硫效率的影响
在烟气量为2700m/h、喷淋量为
330m/h的工艺操作条件下,通过调整
氨水和工艺水的添加量,得到不同pH
值、密度的脱硫循环液.脱硫液pH
值、密度对脱硫效率的影响见表1.
由表1可以看出,在烟气量、喷淋
量一定的情况下,脱硫效率随pH值的
升高而明显增加.pH值的升高是由于
脱硫液中的碱性物质增多引起的,这有
利于增强酸性气体SO2的吸收.但随着
pH值的升高,系统中的氨分压也随之
升高,使得脱硫液中的氨逃逸增加,导3表1 脱硫液pH值、密度对脱硫效率的影响Table1 EffectofpHvalueanddensityondesulphurizationefficiency1号吸收塔pH值[***********]2951275130
51362号吸收塔密度/进口SO2(kg・m-3)浓度/%[***********][***********][***********]6701550150pH值[***********][1**********]115密度/(kg・m-3)[***********][1**********]287出口SO2浓度/%[***********][***********]60总脱硫效率/%[***********][**************]1
致尾气中出现明显可见的“铵雾”,对
环境造成二次污染.要减少铵雾的产生,应在保证脱硫效率的前提下,尽量降低2号塔中脱硫循环液的pH值,同时控制氨水加入点的位置,此外,试验系统还在2号塔顶增加了氨回收区.表1表明,试验条件下,脱硫效率随脱硫循环液密度的增加而有所降低.这主要是由于密度的增加意味着盐浓度的增加,SO2平衡分压也会随之升高,降低了SO2的溶解度,从而导致脱硫效率的下降.
312 液气比R对脱硫效率的影响
试验工艺条件:1号塔循环液pH=513,密度为1277kg/m;2号塔循环液pH=610,密度为3
第8期
3丁红蕾等:石煤电厂氨-亚硫酸氢铵WFGD特性研究311
131252kg/m,入口烟气量为2700m/h,烟气中SO2浓度
约为0148%.在pH值、密度、烟气流量一定的情况下,液
气比R可以通过改变循环液喷淋量而改变.
由图2曲线1可以看出,烟气脱硫效率随液气比R的
增加而增大,但增大的趋势逐渐变缓.这是由于液气比对
脱硫性能的影响主要是通过改变气液传质有效比表面积来
实现的.随着液气比的增加,喷淋量也增加,单位吸收塔
体积内脱硫液液滴数目相应增加,即增加了气液两相的有
效传质比表面积,使得传质通量增加,有利于SO2的传质
和反应的进行,从而表现为脱硫效率也随之增加.但当液
气比大到一定程度时,会使液滴间的凝聚加强,实际的有
效比表面积不再增大甚至减小,所以脱硫效率增大的趋势
也随之趋缓.
313 烟气流速对脱硫效率的影响
3图2 液气比R、烟气流速v对脱硫效率η的影响曲线Fig12 EffectofRandfluegasvelocityondesulphurizationefficiency3烟气流速(烟气中SO2浓度约为0150%)=1276kg/m,2号塔循环液pH=610、密度为1,/h的工艺操作条件下获得的.
由图2曲线,,.烟气流速的增大会使气液界面传质阻力减小;,,从而延长了液滴的停留时间;还会,从而提供更多的传质面积.尽管以上这些因素均可在一定程度上提高气液传质能力,但由于试验过程中其他参数保持不变,烟气流速的增加、烟气量的增加直接导致液气比R减小,而当R的影响大于气液传质能力加强的影响时,就会造成脱硫效率下降.
314 系统压降
在试验过程中测量了系统主要设备动力波洗涤塔的压降为2156kPa;1号吸收塔的压降为0181kPa;2号吸收塔的压降为0180kPa.从测量数据可以看出,由于吸收塔采用了喷淋塔设计,塔内构件少,压降只有018kPa左右;压降最大的设备是动力波洗涤塔,测量值超过了215kPa,这与其工作原理有关.在工业化设计时,应对其进行必要的优化设计,对降低系统压降从而降低能耗具有重要意义.
315 系统温度
系统温度是重要的工艺操作参数,气相温度:洗涤塔为35℃,1号吸收塔为40℃,2号吸收塔为42℃;液相温度:1,2号吸收塔均为49℃.温度对气体传质、化学反应速率、亚盐氧化都有很大影响.温度约为110℃的旁路烟气经增压风机进入预洗涤系统洗涤后,温度降至32℃(环境温度为36℃,下同),然后进入脱硫塔.脱硫反应均为放热反应,所以系
统稳定时,1,2号吸收塔内液相温度稳定在49℃.此温
[8]度是在氨法脱硫较适宜的温度范围内.
316 亚硫酸铵的氧化
亚硫酸铵的氧化程度直接影响副产品中亚硫酸氢铵
的浓度.据文献[9-11],亚硫酸铵的氧化与亚硫酸根
浓度、溶解氧浓度、离子浓度、温度、pH值以及铁、锰
等金属离子浓度有关.中试试验过程中受试验条件的限
制,只考察了循环液pH值、盐浓度与亚硫酸铵氧化(氧
化程度由硫酸铵的浓度体现)的关系(图3).图3曲线
1所示的pH值与硫酸铵浓度的关系曲线是在2号塔中循
3环液盐浓度为550kg/m时获得的.由曲线1可知,亚硫图3 pH值、盐浓度对硫酸铵生成的影响Fig13 EffectofsaltconcentrationandpHonammoniumsulfateconcentration
11
14煤 炭 学 报2009年第34卷酸铵的氧化随pH值的升高而降低.图3曲线2所示的盐浓度与硫酸铵浓度的关系曲线是在2号塔中循环液pH=519时获得的.由曲线2可知,亚硫酸铵的氧化随盐浓度的升高而降低.
4 结 论
(1)通过中间试验,分析了各工艺操作参数的变化对系统脱硫效率的影响.试验结果表明,脱硫效率随循环脱硫液的pH值、液气比R的升高而增大,随烟气流速、循环脱硫液盐浓度的升高而降低.
(2)对系统中主要设备压降的测量结果分析可知,动力波洗涤塔是引起系统压降的主要设备.在工业化设计中可以进一步对系统设备进行优化,从而降低系统压降,达到节能降耗的目的.
(3)亚硫酸铵的氧化随循环液pH值、盐浓度的升高而降低.
(4)在中试试验条件下,系统脱硫效率大于98%,并副产高浓度亚硫酸氢铵溶液(总亚盐浓度大于
3550kg/m,亚硫酸氢铵与亚硫酸铵的摩尔比约为10).
(5)在实验室机理性试验的基础上,通过中间试验的调试和运行,解决了一些工艺上的难题并确定了较为合理的工艺流程和工艺参数,为进一步的工业化设计提供了必要的技术数据.
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