1、半干法烟气脱硫新技术粉末 2颗粒喷动床技术李晓斐 傅大放 X 马 光(东南大学环境工程系 , 南京 210096)摘 要 粉末 2颗粒喷动床 (powder2particle spouted bed , PPSB)是近几年来由日本研究人员开发的一种新的半干法烟气脱硫技术。本文介绍了 PPSB 的基本原理、优点以及在试验条件下所得到的影响因素和适宜的运行方式。 PPSB 在系统结构、废物处理、操作和费用方面比湿法有所提高 ,同时又比干法和其他半干法的去除率和吸收剂的利用率高。此外 ,对吸收剂研究结果表明 ,石灰石的脱硫效率虽然不及石灰 ,但是由于 PPSB 中吸收剂的停留时间长 ,气、固、液三相
2、接触好的特点以及可以对石灰石进行研磨 ,因此 ,利用石灰石作吸收剂的 PPSB 完全可以达到理想的脱硫效率 ,同时也可以保持较好的经济性。但是 ,目前还没有大规模的试验和应用。所以 PPSB 是一项十分值得进一步开发和应用的烟气脱硫新技术。关键词 粉末 2颗粒喷动床 烟气脱硫 石灰石A ne w semidry flue gas desulf urization process powder2particle spouted bedLi Xiaofei Fu Dafang Ma Guang(Department of Environmental Engineering , Southeast
3、University , Nanjing 210096)Abstract Powder2particle spouted bed ( PPSB) developed by Japanese faculty is a new semidry flue gasdesulfurization process. The principle , advantages , operating parameters and suitable operating conditions ofPPSB are introduced. PPSB is better than wet F GD in configur
4、ation , cost and disposal of waste. It has higherSO2 removal efficiency and utilization of sorbent than those of dry F GD and other semidry F GD. The SO2 re2moval efficiency of limestone is lower than that of calcium hydroxide , but the resident time of sorbent in PPSBis long and contact of the gas
5、, liquid and solid is good , so the excellent SO2 removal efficiency of limestoneground can be achieved , while it is economic. But the large2scale of PPSB is not applied. So the study ofPPSB is worthwhile.Key words powder2particle spouted bed ; flue gas desulfurization ; limestone烟气脱硫技术按照吸收剂的状态可以分为
6、 3类 :湿法、干法和半干法。湿法以其高效得以广泛应用 ,但其缺点是产生大量要求处理的固体废弃物和废水 ,处理后的烟气要再加热 ,而且其结构复杂、占地面积大、投资和运行费用高、操作管理复杂。干法与湿法相比不需要水和再加热系统 ,但它的脱硫效率和吸收剂利用率低 1 。而半干法自 1981 年在美国第一次应用至今 ,因其克服了前二者的缺点 ,逐渐成为湿法的取代方法。它的优点在于 : (1)无废水处理 ; (2)无须再加热 ; (3)占地少 ; (4)可同时去除其他酸性气体 ; (5) 运行费用低 2 。半干法形式较多 ,有喷雾干燥器法、喷射吸收剂法和循环流化床法等。喷雾干燥器法和喷射吸收剂法的缺点
7、是停留时间短 ,导致较低的脱硫效率和吸收剂利用率 ;半干法之所以在脱硫效率和吸收剂的利用率方面不如湿法的主要原因是 ,吸收剂的停留时间短 (1 3 s) 1 ,3 ;循环流化床虽然其反应时间较长 ,但很难流化 C 类粒子且其运行不是很稳定。因此 ,开发一种低费用、高效率的脱硫方法是十分必要的。1 PPSB技术目前 ,日本学者研究出一种新的半干式脱硫方法 粉末 2颗粒喷动床技术 (powder2particle spout2ed bed , PPSB) 。 PPSB 的原理是 4 :底部有小尺寸X 通讯联系人第 3 卷第 6 期 环境污染治理技术与设备 Vol . 3 , No . 62 0 0
8、 2 年 6 月 Techniques and Equipment for Environmental Pollution Control J un . , 2 0 0 2 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.进气口的圆筒状反应器 ,内部装有粗颗粒 ,粗颗粒同时受到上升气流和下降浆液的作用 ,气速高于某一值后 ,粗颗粒会从中心区上升、喷动并接触下降的浆液 ,在到达一定高度后下降 ,形成环状区。整个床层高度上都有从环状区向喷动区的相当剧烈的传质和传热。在整个过程中 ,浆液首先和粗颗粒碰撞 ,
9、粘附在其表面上 ,并从气流和粗颗粒表面吸收热量。之后浆液中的水分蒸发 ,吸收剂变干并因粗颗粒间的碰撞而脱落。最后 ,干燥的吸收剂细粉随气流排出反应器 ,试验流程见图 1。图 1 试验设备系统图1. 空压机 ; 2. 油过滤器 ; 3. 硅胶塔 ;4. 空板测量仪 ; 5. SO2容器 ; 6. 转子流量计 ; 7. 气燃室 ; 8. 玻璃纤维 ; 9. 反应器 ;10. 浆液池 ; 11. 马达 ; 12. 泵 ; 13. 热电偶 ; 14. 记录仪 ;15. 三相阀 ;16. 布袋除尘器 ; 17. 温度计 ; 18. 脱水器 ; 19.SO2 分析仪 ; 20. 预热器PPSB 技术具有以
10、下优点 1 ,3 :(1) PPSB 的反应器中装有粗颗粒 ,通常用几百个 m 的硅砂 ,颗粒随气体达到流化态。吸收剂细粉预先与水混合 ,以浆液状态连续滴加入反应器中。(2) 粗颗粒的流化使得吸收剂分散均匀 5 ,烟气 SO2 浓度、温度和湿度均匀 ,传质和传热比其他半干法要快 10 15 倍。(3) 脱硫反应与浆液干燥过程在反应器中同时进行。反应器后的布袋除尘器中的颗粒几乎不含水。所以不需废水处理。(4) 由于吸收剂细粉末粘附在粗颗粒上 ,使得吸收剂的停留时间延长 , 约为烟气停留时间的150 500 倍。当细粉粒径变小、烟气速度下降或静止床高增加时 ,会使吸收剂的停留时间延长 6 。SO2
11、 一旦溶于水中可以立即与吸收剂反应 ,因而脱硫效率和吸收剂的利用率都很高。(5) 因其运行气速较高 ,使较小的设备可以处理较大的气量 ,易操作和管理。(6) 与传统的流化床干燥器相比 ,PPSB 的干燥效率明显提高 ,且达到稳定运行的时间短。因此 ,这种半干法技术在系统结构、废物处理、操作和费用方面比湿法有所提高 ,同时又比干法和其他半干法的去除率和吸收剂利用率高 1 。2 影响因素在半干法中 ,传质、传热和化学反应在同一反应器中完成 2 。它包括以下几个过程 :(1) SO2 由气流扩散至浆滴表面 ;(2) 粘附在浆滴表面的 SO2 溶解 ;(3) 吸收剂的溶解 ;(4) 浆滴水分的蒸发。2
12、. 1 脱硫效率的影响因素试验结果表明 1 3 ,7 8 ,钙硫比、气体停留时间、吸收剂、进口烟气 SO2 浓度和温度、床温及温距会对脱硫效率有影响。(1) 钙硫比升高脱硫效率就提高。在钙硫比为1. 2 时 ,就可获得足够高的脱硫效率 ( 90 %) 。这与一般的商业湿法脱硫技术相当 ,而一般的干法或半干法的钙硫比要在 2. 0 左右时 ,才能达到这种效果。(2) 静止床层高度和表观气速是两个重要参数 ,它们对脱硫效率的影响体现在烟气停留时间上。停留时间变长 ,即气速下降或床高增大 ,则脱硫效率提高。气速低意味着要达到相同的产量就必须采用较大的处理设备。床层变高脱硫效率也升高 ,说明粗颗粒 S
13、O2 的去除有影响 ,这就是 PPSB 方法优于其他半干法的原因 ,因为粗硅粒的存在可提高吸收剂和烟气的接触时间。但试验表明 ,床层到达一定高度之后 ,它几乎不影响脱硫效率。所以任何一个喷动床都有最低气速和最高床高 ,否则 ,就不能正常运行。(3) 给定吸收剂 ,温距升高脱硫效率就下降 ,这一点是石灰 (石 )脱硫方法的共同之处。若给定温距和床温 ,吸收剂颗粒小 ,可使脱硫效率提高 ,这是因为 : (1)小的粒料停留时间长 ,容易吸附在粗硅粒上 ,有助于去除 SO2 ; (2) 小的颗粒表面积大 ,可以增大接触面积 ,加快反应。研究表明 ,在温距高时 ,对脱硫效率的影响要大。所以 ,当采用较大
14、的吸收剂颗粒时 ,为获得理想的脱硫效率 ,则要采用较低的温距和床温。但没有发现粗颗粒的吸收剂对脱硫效率的45 环 境 污 染 治 理 技 术 与 设 备 3 卷 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.影响 7 。(4) 进口 SO2 浓度升高导致脱硫效率提高。这是因为 SO2 浓度会对 SO2 反应速率有影响。对给定的过量的钙硫比 ,进口 SO2 浓度高 ,吸收剂过量得也多 ,这就可以提高脱硫效率。(5) 进口烟气温度升高 ,在进口浆液量及其含水量一定的情况下 ,脱硫效率会下降。但是气温低于
15、某一值时就无法把水分蒸干。为避免反应器中因水分蒸发不完全而导致湿壁结垢 ,就要保证进口烟气温度在最低限度之上尽可能的低。(6) 床温和温距与脱硫效率有紧密的联系。床温的影响与进口烟气温度的影响相似 ,在浆液量及其含湿量一定的情况下 ,床温升高 ,脱硫效率就低。这是因为 ,在浆液量一定的情况下 ,进口烟气温度升高使得床温也升高。另一方面 ,如果温距一定 ,床温升高会使脱硫效率升高 ,这是因为 : 温度高反应速率就高 ; 为达到相同的温距 ,床温高就必须增大烟气中的水含量 ,水分的增加可加速反应速率。虽然床温增加使得烟气停留时间有所减少 ,但上述两点的影响足以使脱硫效率增加。如果床温过高 ,则水分
16、蒸发太快 ;如果床温过低 ,则反应速率就低而且有时还会发生湿壁结垢现象。所以床温过高和过低都将导致脱硫效率下降。最适宜的床温 (也就是反应温度 )为 47 87 。(7)温距可由浆液量、浆液含水量或进口烟气温度来调节。温距下降 ,表明烟气的相对湿度大 ,则脱硫效率上升。同样也存在一个最低的温距值以避免结垢 ,大约为 15 。(8) 此外 ,脱硫效率还受烟气湿度的影响 ,湿度大 ,则脱硫效率高 8 。还有实验表明 10 ,烟气中的其他成分也会对脱硫效率有影响 ,如 CO2 。但在15 温距时 ,CO2 的影响可以忽略。2. 2 干燥的影响因素 5 干燥速率可由公式直接计算 ,不需要知道传质和传热
17、速率 ,它随浆液量的升高和烟气温度的降低而上升 ,因此 ,提高干燥速率有两条途径。但是浆液量过大 ,会在反应器内聚集 ;气速过低 ,很难使颗粒达到流化 ,两种情况都不能保证连续运行。(1)干燥速率随浆液的加入速率的提高而升高 ,它与粗颗粒的粒经和静止床高无关 ,但应具备最低的静止床高 ,以保证连续运行。(2)干燥速率与加水量成正比 ,但不受浆液类型、颗粒尺寸和细粉含水率的影响。3 运行方式 1 一种实用的烟气脱硫技术必须容易对现有锅炉进行改造 ,实施时一个关键的因素是处理时烟气的温度。对工业锅炉通常有两种安装方式 :烟气脱硫设备安装在选择催化还原 (selective catalytic re
18、duc2tion ,SCR) 之后 ,烟气温度大约为 370 ;另一种安装在系统的最后 ,烟气温度为 150 左右。由前所述 ,进气温度高则脱硫效率就低 ,所以进口烟气温度应尽量低。而且为达到相同的脱硫效率 ,若进气烟气温度越高 ,喷水量就越大 ,造成水量大不容易蒸发 ,增加水的费用和高速加浆液的运行费用。 PPSB 较好的运行条件是进口烟气温度为150 、床温为 60 。4 吸收剂吸收剂通常可采用消石灰或石灰石 。石灰石的脱硫效率虽然不如消石灰 ,但它要比消石灰价廉易得。所以在 PPSB 中用石灰石做吸收剂是经济实用的方法 ,关键在于石灰石吸收剂的设备和技术与其他半干法有差别 2 。4. 1
19、 吸收剂特性根据 PPSB 中石灰石和石灰的活性比较发现 ,低温时吸收剂的活性与它的 BET 表面积、孔体积和孔径分布有关 ,所以有必要研究二者的孔结构。(1) 电镜扫描显示 ,石灰石较石灰平滑少孔。(2) BET 测试结果表明 ,石灰孔径和孔体积均大于石灰石。(3) 孔径分布显示 ,石灰孔数量多于石灰石。由此看出 ,二者活性的差别主要在于结构的差别。研磨可以增加 BET 表面积 ,BET 表面积的增加主要在于孔表面积的增加。石灰石经研磨后 ,大孔被破坏 ,孔变小 ,增加了孔体积和 BET 表面积。所以研磨是较好的方法。有试验显示 ,经研磨后的石灰石吸收剂在布袋除尘器的脱硫效率有显著提高 ,这
20、是较细的吸收剂粉末在此聚集的结果。4. 2 产物特性(1)用石灰石作吸收剂同样会产生干态 CaSO3和 CaSO4 ,但 CaSO4 要多于 CaSO3 。(2) PPSB 比其他的喷射吸收剂方法会产生更多的 CaSO4 ,这是因为脱硫过程主要在喷动床中而不是在布袋除尘器中完成 ,这得益于气体与吸收剂在 PPSB 中的良好接触。556 期 李晓斐等 :半干法烟气脱硫新技术 粉末 2颗粒喷动床技术 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.4. 3 PPSB技术特点(1)浆液是滴状喷入反应器的 ,
21、由于媒介颗粒的流化得到很好的分散。所以 ,浆液不仅是以细滴形式存在 ,而且聚集在粗颗粒表面与 SO2 反应。(2)浆液在粗颗粒表面的粘附使得吸收剂的平均停留时间延长于其他半干法。(3)一般认为 , CaCO3 与 SO2 的反应发生在未反应的石灰石表面。由于 PPSB 的流化状态 ,吸收剂和粗颗粒的碰撞和更新吸收剂表面并防止吸收剂粒子的凝聚 ,从而提高石灰石的脱硫效率和利用率。4. 4 经济性(1)要达到必要的脱硫效率时 ,用石灰石比石灰要求更高的钙硫比和相对湿度以及更细的吸收剂。但由于石灰石价廉、易得 ,所以操作运行费用可大幅下降。(2)由于气、液、固三相接触非常好 , PPSB 可以更加紧
22、凑、高效 ,可以降低投资和运行费用。(3)它不需高压喷射工具和昂贵的雾化器。5 研究方向(1) 压降大小直接关系到一项脱硫技术的推广应用价值 ,有关 PPSB 的压降问题有待于进一步研究 1 。(2)研究进口烟气温度和床温对脱硫效率的影响 1 。(3) 研究粗颗粒是否对脱硫和干燥有影响。图 2 适用于商业用途的大规模 PPSB 概念化设计(4) 研究是否存在结垢腐蚀问题及解决方法。(5) 研究 PPSB 的脱硫和干燥的数学模型。(6) 目前 , PPSB 仅处于实验台阶段 ,缺乏大规模商业应用的数据 ,离商业应用还有一段距离。如果要大规模商业应用 ,还需对技术和经济方面进行进一步研究 ,力求降
23、低运行费用 ,开发废弃物的工业应用。(7) 在实际设计方面 ,为避免气流和吸收剂在较大的反应器中分布不均 ,可以将反应器作成串联的多个反应室 (见图 2) ,但这种技术的应用有待于进一步研究 1 。参 考 文 献1 Guangwen Xu , Qimin Guo , Takao Kaneko et. al. A newsemidry desulfurization process using a powder2particlespouted bed. Advances in Environmental Research , 2000 ,4 :9 182 Xiaoxun Ma , Takao K
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