发明内容
针对现有技术中的不足之处,本发明提供了一种烟气脱硫反应器、烟气处理系统及工艺方法,本发明可以显著提高半干法烟气脱硫效率,并实现烟气脱硫副产物的高效循环利用,使运行成本大大降低。
本发明一方面提供了一种烟气脱硫反应器,其为旋转分散气固反应器,包括:
进料口,其位于所述烟气脱硫反应器底部并与脱硫剂生成系统连接;
反应室,其位于所述烟气脱硫反应器的中下部,该反应室底部为倒锥体结构;
出料口,该出料口内设有对颗粒进行分级的分级环并与回收后处理系统连接。
进一步地,所述分级环的尺寸设置为:允许直径小于20 µm的细小颗粒随烟气通过。
所述脱硫反应器还包括:烟气混合分布单元和脱硫剂分散粉碎单元。
进一步地,所述烟气混合分布单元,包括:
气体分布器,其为一空心涡壳并与所述烟气反应器的反应室底部连接;
文丘里混合器,其用于接收混合待处理的烟气和所述回收后处理系统收集的回用副产物;所述文丘里混合器周向布置在气体分布器的空心涡壳上,优选1~8个文丘里混合器。所述文丘里混合器扩散段出口方向与气体分布器空心涡壳中气流旋向一致,文丘里混合器轴线与涡壳外壁相切。
进一步地,所述气体分布器内还设有环形挡板,该环形挡板使气体分布器与反应室之间形成环隙。
所述烟气混合分布单元还包括与文丘里混合器相连的风机,用于增压待处理的烟气。
进一步地,所述脱硫剂分散粉碎单元,具体包括:
空心轴,其贯穿于所述烟气脱硫反应器的底部,用于将脱硫剂由脱硫剂生成系统输送至烟气脱硫反应器中;该空心轴上均布用于搅拌和粉碎脱硫剂的搅拌桨;
分散器,其位于所述空心轴上,从上到下可设置为多层,优选1~5层,所述分散器用于将所述空心轴中输送的脱硫剂分散于所述反应室中,该分散器为压力式或旋转式。
所述搅拌桨上优选设有刮板,用于刮除粘在烟气脱硫反应器壁面上的物料,避免“结疤”现象;所述轴驱动装置,用于驱动空心轴转动,进而带动搅拌桨转动;所述轴封,用于密封空心轴与倒锥体结构反应室之间的空隙;
所述空心轴由轴驱动装置驱动轴转动,从而带动搅拌桨转动。
本发明第二方面提供了一种烟气处理系统,所述处理系统除包括上述烟气脱硫反应器外,还包括:脱硫剂生成系统和回收后处理系统。
所述脱硫剂生成系统包括脱硫剂生成反应器、微旋流器和硫酸铵结晶分离装置;其中,
微旋流器的进料口与脱硫剂生成反应器的出料口、工艺水控制管路连接,通过所述工艺水控制管路补充脱硫剂所带走的水分,实现所述脱硫剂生成系统的水平衡,此处补水可提高所述微旋流器分离效率;
微旋流器的浓液出料口与烟气脱硫反应器的空心轴连接;
微旋流器的溢流液出料口与硫酸铵结晶分离装置的进料口连接;
硫酸铵结晶分离装置的出料口与脱硫反应器的循环进料口连接。
所述脱硫剂生成反应器,还设有两个原料进料口,分别接收反应原料碳酸氢铵固体和硫酸钠溶液/回用副产物。
所述微旋流器内设置一个或多个并联的微旋流管,微旋流管共用一个进料腔、一个溢流液出口腔和一个浓液出口腔;所述微旋流器浓液出口腔内设有搅拌器,所述搅拌器安装在微旋流器浓液出口腔下部,为下搅拌形式,防止沉积堵塞;所述搅拌器为涡轮式搅拌器,优选开启式叶涡轮式搅拌器;所述搅拌器设有挡板,挡板与微旋流器的内器壁留有5~60mm的间隙,优选15~30mm,以防止固体颗粒留存。
所述微旋流器和烟气脱硫反应器之间还设有泥浆泵,用于增压由微旋流器的浓液出料口排出的脱硫剂。
进一步地,所述回收后处理系统包括除尘捕集器和烟筒。
所述除尘捕集器为袋式除尘捕集器,设有一个进料口、一个循环物出料口和一个烟气排出口。所述除尘捕集器,用于捕集进入的脱硫副产物和排出烟气。
所述除尘捕集器的进料口经管线与烟气脱硫反应器的出料口连接;所述除尘捕集器的循环物出料口经管线分别与脱硫剂生成反应器的其中一个进料口和文丘里混合器连接;所述除尘捕集器的烟气排出口与烟筒连接。
本发明第三方面提供了一种烟气处理的工艺方法,采用上述烟气处理系统,所述工艺方法包括:
将固体碳酸氢铵和硫酸钠溶液(开工时使用)/回用副产物分别通过脱硫剂生成反应器的进料口进入脱硫剂生成反应器中进行反应,生成含碳酸氢钠和硫酸铵的浆液,该浆液进入微旋流器中进行增浓,其中,微旋流器的上部溢流液进入硫酸铵结晶分离装置,分离出硫酸铵晶体后的母液通过脱硫剂生成反应器的循环进料口进入脱硫剂生成反应器中循环使用,微旋流器的下部浓液为脱硫剂,脱硫剂经泥浆泵增压后依次通过空心轴、分散器进入烟气脱硫反应器与烟气进行脱硫反应,反应后得到脱硫副产物随脱硫后的烟气通过分级环进入除尘捕集器,一部分脱硫副产物返回脱硫生成反应器中,一部分脱硫副产物经文丘里混合器返回脱硫反应器中,脱硫后的烟气由烟筒排出。
进一步地,脱硫剂生成反应器中硫酸钠溶液的质量浓度为15%~30%,优选26%~28%。后续反应中,可通过调控由除尘捕集器循环回的回用副产物的量和调控由硫酸铵结晶分离装置循环回的母液的量对硫酸钠溶液的浓度进行控制。其中,脱硫剂生成反应器中的反应温度为10℃~50℃,优选15℃~43℃。
进一步地,控制脱硫剂生成反应器排出的含碳酸氢钠和硫酸铵浆液的性质如下:固含量为100~400g NaHCO3/L,碳酸氢钠晶粒粒径大于15μm的占30 wt%以上。
进一步地,根据实际需求,控制微旋流器的分级精度,一般控制微旋流器的体积分流比为2%~50%,优选4%~30%。微旋流器浓液出口腔中碳酸氢钠浓浆液中15~100μm的碳酸氢钠晶粒以质量计占80%以上,优选30~80μ的碳酸氢钠晶粒以质量计占80wt%以上,固含量为500~750 g NaHCO3/L。
进一步地,所述的烟气脱硫反应器中进行脱硫反应的具体过程为:脱硫剂由分散器分散进入脱硫反应器,轴驱动装置驱动轴转动,进而带动搅拌桨转动,脱硫剂在搅拌桨的作用下进行粉碎,粉碎后的脱硫剂与进入脱硫反应器中的烟气进行接触反应同时以螺旋轨迹上升,脱硫剂与烟气进行反应过程中会产生脱硫副产物(Na2SO4、Na2CO3),脱硫副产物随脱硫后的烟气经分级环排出。
进一步地,所述烟气经过风机增压后进入文丘里混合器,与其中的由除尘捕集器返回的回用副产物混合,然后进入气体分布器,并以30~60m/s风速通过环隙进入烟气脱硫反应器的反应室中。
进一步地,所述烟气脱硫反应器内轴向风速2~6m/s,脱硫剂停留时间为3~50s,环隙压降为1.0~3.0kPa,空心轴转速为500~5000转/分,优选为1500~3000转/分。
进一步地,由气体分布器输送至烟气脱硫反应器中的烟气温度一般为160~300℃,进入烟气脱硫反应器的反应室后烟气迅速冷却到60~100℃,此时烟气脱硫反应器的反应室内的相对湿度则很快增加到30%~80%。
进一步地,除尘器捕集下来的脱硫副产物中Na2SO4占85wt%以上,还有10wt%~15wt%未反应完全的Na2CO3颗粒。
进一步地,由除尘捕集器经文丘里混合器返回脱硫反应器中的回用副产物的循环倍率为2~50,优选3~20。其中循环倍率是指返回脱硫反应器中的回用副产物的质量流量与脱硫剂干基的质量流量的比值。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
1、本发明烟气脱硫反应器的结构进行了优化,其反应室底部为倒锥体结构,可建立起热风速度梯度,使内部的大小颗粒都处于悬浮状态,并随烟气在脱硫反应器中成螺旋上升轨迹,增加了气固相间传热传质的接触面积,有效避免颗粒团聚现象,同时延长了气固接触时间,降低了脱硫反应器的高度,并有效提高了烟气脱硫效率。同时,烟气脱硫反应器出料口出设置有分级环,巧妙利用脱硫副产物与脱硫剂的颗粒尺寸的差异,可将脱硫副产物及时排出。
2、本发明烟气脱硫反应器的中通过设置分散器、搅拌桨、气体分布器及环隙等,都更有利于烟气与脱硫剂充分接触,提高脱硫率,同时能脱除烟气中的重金属等杂质。
3、本发明的烟气处理系统可实现脱硫副产物(主要为硫酸钠和碳酸钠)的循环利用,并能有效且能提高烟气脱硫效率,降低整体运行成本;同时通过烟气处理系统中的分级环对脱硫副产物及时排出,并通过除尘捕集器进行捕集回用,整个过程连续操作,可保证烟气脱硫反应器中脱硫剂的含量不受影响,使整个过程能维持较高的脱硫率。
4、本发明烟气处理工艺方法中,通过合理控制烟气脱硫的工艺条件,如烟气的风速、空心轴的转速以及进入脱硫反应器中的脱硫剂的性质等,并与整个系统设备进行配合,尤其是该特定速度及温度的烟气经环隙进入烟气脱硫反应器的反应室中,从而有利于脱硫剂在该烟气的闪蒸作用下更好的被激活,犹如爆米花炸开,从而使烟气与激活的脱硫剂瞬间进行接触反应,同时生成更细小的硫酸钠和碳酸钠脱硫副产物,再配合烟气脱硫反应器出料口出的分级环,利用粒度差异,从而分离出脱硫副产物,进而有利于循环利用。
5、本发明烟气处理工艺方法中,通过控制由除尘捕集器返回烟气脱硫反应器中的回用副产物,可以显著提高脱硫剂的使用率,降低运行成本。
具体实施方式
下面通过具体实施例来进一步说明本明的具体情况,但不限于下述的实施例。
如图1-3所示,本发明的一种烟气脱硫反应器2,其为旋转分散气固反应器,包括:进料口,其位于所述烟气脱硫反应器底部并与脱硫剂生成系统连接;反应室31,其位于所述烟气脱硫反应器的中下部,该反应室底部为倒锥体结构;出料口,该出料口内设有对颗粒进行分级的分级环27并与回收后处理系统连接。其中分级环27的尺寸设置为:允许直径小于20 µm的细小颗粒随烟气通过。脱硫反应器还包括:烟气混合分布单元和脱硫剂分散粉碎单元。烟气混合分布单元,包括:气体分布器23,其为一空心涡壳并与所述烟气脱硫反应器的反应室31连接,文丘里混合器25,其用于接收待处理的烟气和所述回收后处理系统收集的回用副产物;所述文丘里混合器25周向布置在气体分布器23的所述空心涡壳上,优选1~8个文丘里混合器。所述文丘里混合器25扩散段出口方向与气体分布器23的空心涡壳中气流旋向一致,文丘里混合器轴线与涡壳外壁相切。气体分布器23内还设有环形挡板29,该环形挡板29使气体分布器23与反应室31之间形成环隙30,烟气混合分布单元还包括与文丘里混合器25相连的风机9,用于增压待处理的烟气。脱硫剂分散粉碎单元,具体包括:空心轴26,其贯穿于所述烟气脱硫反应器2的底部,用于将脱硫剂由脱硫剂生成系统输送至烟气脱硫反应器2中;该空心轴26上均布用于搅拌和粉碎脱硫剂的搅拌桨22;搅拌桨22上设有刮板。分散器21分层分布于所述空心轴26上,用于接收所述空心轴26中输送的脱硫剂,并将脱硫剂分散于所述反应室31中,该分散器21为压力式或旋转式。其中,轴驱动装置28用于驱动空心轴转动,进而带动搅拌桨转动;所述轴封24,用于密封空心轴26与反应室31之间的空隙。
如图3所示,本发明的一种烟气处理系统,除包括烟气脱硫反应器2外,还包括:脱硫剂生成系统和回收后处理系统。
所述脱硫剂生成系统包括脱硫剂生成反应器1、微旋流器7和硫酸铵结晶分离装置8;其中,微旋流器的进料口与脱硫剂生成反应器的出料口、工艺水控制管路连接;微旋流器的浓液出料口与烟气脱硫反应器2的空心轴26连接;微旋流器的溢流液出料口与硫酸铵结晶分离装置8的进料口连接;硫酸铵结晶分离装置8的出料口与脱硫剂生成反应器1的循环进料口连接。所述脱硫剂生成反应器,还设有两个原料进料口,分别接收反应原料碳酸氢铵固体和硫酸钠溶液/回用副产物,其中后续反应中,可将回用副产物直接连接脱硫剂生成反应器的硫酸钠溶液进料口。所述微旋流器7内设置一个或多个并联的微旋流管,微旋流管共用一个进料腔、一个溢流液出口腔和一个浓液出口腔;所述微旋流器浓液出口腔内设有搅拌器,所述搅拌器安装在微旋流器浓液出口腔下部,为下搅拌形式,防止沉积堵塞;所述搅拌器为涡轮式搅拌器;优选开启式叶涡轮式搅拌器,所述搅拌器设有挡板,挡板与微旋流器的内器壁留有5~60mm的间隙,优选15~30mm,以防止固体颗粒留存。微旋流器7和烟气脱硫反应器2之间还设有泥浆泵6,用于增压由微旋流器的浓液出料口排出的脱硫剂。
所述回收后处理系统包括除尘捕集器3和烟筒4。除尘捕集器3为袋式除尘捕集器,设有一个进料口、一个循环物出料口和一个烟气排出口。所述除尘捕集器3,用于捕集进入的脱硫副产物和排出烟气。除尘捕集器3的进料口经管线与烟气脱硫反应器2的出料口连接;所述除尘捕集器3的循环物出料口经管线分别与脱硫剂生成反应器1的其中一个进料口、文丘里混合器25连接;所述除尘捕集器3的烟气排出口与烟筒4连接。
实施例1
采用图3的烟气处理系统,将固体碳酸铵、硫酸钠溶液(开工时使用)/回用副产物加入到脱硫剂生成反应器中,其中,脱硫剂生成反应器中的反应温度为38℃,脱硫剂反应器中硫酸钠溶液的质量浓度为27.2%,生成的含碳酸氢钠和硫酸铵的浆液,该浆液的固含量为150g NaHCO3/L,碳酸氢钠晶粒颗粒大于15μm的占38wt%。该浆液进入微旋流器进行增浓,其中微旋流器的体积分流比为25%,经微旋流器增浓后的碳酸氢钠浓浆液的固含量为550gNaHCO3/L,其中30~80μ的碳酸氢钠晶粒以质量计占85wt%,该浓浆液经泥浆泵增压后进入烟气脱硫反应器作为脱硫剂,脱硫剂经泥浆泵增压后依次通过空心轴、分散器进入烟气脱硫反应器的反应室内,脱硫剂在搅拌桨的作用下进行粉碎,粉碎后的脱硫剂与进入烟气脱硫反应器中的烟气进行接触反应同时以螺旋轨迹上升,脱硫剂与烟气进行反应过程中会产生脱硫副产物(Na2SO4、Na2CO3),脱硫副产物随脱硫后的烟气经分级环排出。其中烟气是通过风机输送至文丘里反应器与回用物料混合后进入气体分布器,然后以4.5m/s风速通过环隙进行烟气脱硫反应室中的,由气体分布器输送至烟气脱硫反应器中的烟气的流量为88000Nm3/h、温度为260℃,进入烟气脱硫反应器的反应室后烟气迅速冷却到96℃,此时烟气脱硫反应器的反应室内的相对湿度则很快增加到78%,烟气脱硫反应器内轴向风速4.7m/s,脱硫剂停留时间为6s,环隙压降为1.5kPa,空心轴转速为1500转/分。除尘器捕集下来的脱硫副产物中Na2SO4占86wt%,还有近14wt%未反应完全的Na2CO3颗粒,由除尘捕集器经文丘里混合器返回脱硫反应器中的细小颗粒回用副产物的循环倍率为11。烟气脱硫前、后污染物指标见表1。
表1 烟气脱硫前、后污染物指标
污染物名称 |
处理前烟气指标(mg/Nm<sup>3</sup>) |
处理后烟气指标(mg/Nm<sup>3</sup> ) |
脱除率,% |
SO<sub>X</sub> |
600 |
21 |
96.5 |
HCl |
1200 |
50 |
95.8 |
重金属Hg |
8 |
0.16 |
98.0 |
颗粒物 |
150 |
7 |
95.3 |
实施例2
与实施例1相比,经微旋流器增浓后的碳酸氢钠浓浆液的固含量为740g NaHCO3/L,烟气脱硫反应器中脱硫剂停留时间增加为8s,其他参数不变。烟气脱硫前、后污染物指标见表2。
表2 烟气脱硫前、后污染物指标
污染物名称 |
处理前烟气指标(mg/Nm<sup>3</sup>) |
处理后烟气指标(mg/Nm<sup>3</sup> ) |
脱除率,% |
SO<sub>X</sub> |
600 |
10.8 |
98.2 |
HCl |
1200 |
30 |
97.5 |
重金属Hg |
8 |
0.16 |
98.0 |
颗粒物 |
150 |
7 |
95.3 |
实施例3
与实施例1相比,经微旋流器增浓后的碳酸氢钠浓浆液的固含量为700g NaHCO3/L,烟气脱硫反应器中脱硫剂停留时间为5s,空心轴转速为1800转/分,其他参数不变。烟气脱硫前、后污染物指标见表3。
表3 烟气脱硫前、后污染物指标
污染物名称 |
处理前烟气指标(mg/Nm<sup>3</sup>) |
处理后烟气指标(mg/Nm<sup>3</sup> ) |
脱除率,% |
SO<sub>X</sub> |
600 |
13.8 |
97.7 |
HCl |
1200 |
32 |
97.3 |
重金属Hg |
8 |
0.15 |
98.1 |
颗粒物 |
150 |
7 |
95.3 |
实施例4
与实施例3相比,由除尘捕集器经文丘里混合器返回脱硫反应器中的回用副产物的循环倍率为15,其他参数不变。烟气脱硫前、后污染物指标见表4。
表4 烟气脱硫前、后污染物指标
污染物名称 |
处理前烟气指标(mg/Nm<sup>3</sup>) |
处理后烟气指标(mg/Nm<sup>3</sup> ) |
脱除率,% |
SO<sub>X</sub> |
600 |
7.6 |
98.7 |
HCl |
1200 |
20.4 |
98.3 |
重金属Hg |
8 |
0.1 |
98.8 |
颗粒物 |
150 |
7 |
95.3 |
实施例5
与实施例3相比由除尘捕集器经文丘里混合器返回脱硫反应器中的回用副产物的循环倍率为20,其他参数不变。烟气脱硫前、后污染物指标见表5。
表5 烟气脱硫前、后污染物指标
污染物名称 |
处理前烟气指标(mg/Nm<sup>3</sup>) |
处理后烟气指标(mg/Nm<sup>3</sup> ) |
脱除率,% |
SO<sub>X</sub> |
600 |
1.8 |
99.7 |
HCl |
1200 |
10.3 |
99.1 |
重金属Hg |
8 |
0.05 |
99.4 |
颗粒物 |
150 |
7 |
95.3 |