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新型喷射鼓泡塔与传统鼓泡塔脱硫的性能比较 ＊ 周晓东 1 瞿 畏 1 杨春平 2 甘海明 2 陈 宏 2 余关龙 2 贺 迅 2 陈 芳 2 1.湖南省环境保护科学研究院, 长沙 410004; 2.湖南大学环境科学与工程学院, 长沙 410082 摘要 以磷矿浆为脱硫剂进行烟气脱硫研究, 比较了自主创新研制的中试规模环栅式喷射鼓泡塔与工业规模的日本千 代田 CT-121 脱硫鼓泡塔的性能。 结果表明 塔压降和脱硫剂的 pH 值是影响脱硫效率的关键因素。 鼓泡塔采用三塔 串联, 控制磷矿浆 pH 值为 3. 5～ 4. 2、操作压力为7 000～ 7 800 Pa时, 脱硫效率维持在 95左右。 环栅式喷射鼓泡塔维 持单塔压降约在3 000 Pa左右, 磷矿浆 pH 值在 3 . 7～ 4. 3 时脱硫效率可达 67。 环栅式喷射鼓泡脱硫工艺以磷矿为脱 硫剂, 脱硫除尘效果好, 系统投资少, 运行费用低, 并能资源化利用废渣, 是适合我国国情的一项脱硫除尘技术。 关键词 脱硫; 除尘; 喷射鼓泡塔; 磷矿; 环栅进气装置 COMPARISON OF DESULFURIZATION PERANCE BETWEEN CONVENTIONAL AND NOVEL JET BUBBLE REACTOR WITH PIERCED CYLINDRICAL GAS INLET DEVICE Zhou Xiaodong1 Qu Wei1 Yang Chunping2 Gan Haiming2 Chen Hong2 Yu Guanlong2 He Xun2 Chen Fang2 1. Hunan Research Academy of Environmental Sciences, Changsha 410004, China; 2. College of Environmental Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China Abstract A novel jet bubble reactor JBR with pierced cylindrical gasinlet device PCGID was developed. When phosphate pulp used as absorbent slurry, perances of the new JBR on pilot -scale and a conventional JBR on field scale for sulphur dioxide removal from waste gas streams were studied.Result showed that the key parameters affecting the desulphurization efficiency were pressure drop in the reactor and the pH values of the absorbents. The conventional JBR series constructed by three reactors achieved a desulphurization efficiency of 95, in which the pH of the phosphate pulp ranged from 3. 5 to 4. 2 andthe pressure dropwithin the tower was controlledwithin the range of 7 000～ 7 800 Pa. The new JBR could achieve a desulphurization efficiency of 67when the pressure drop within the tower only at 3 000 Pa and the pH value of the phosphate pulp ranged from 3. 7 to 4. 3. The new JBR with PCIGD device has a high removal efficiency using phosphate pulp as absorbent slurry.Furthermore, the waste residues can be recycled as phosphate fertilizer.In conclusion, the new JBR is cost -effective and suitable for desulfurization in China. Keywordsdesulphurization;dust removal;jet bubble reactor; phosphate pulp; pierced cylindrical gas inlet device ＊教育部新世纪优秀人才支持计划项目 NCET-05 -0701 。 0 引言 我国二氧化硫污染严重, 湿法脱硫仍然是最主要 的控制技术 。尽管湿式氨法、双碱法、镁法等技术已 经成熟 ,但是石灰石 石膏法以其技术成熟和投资运 行费用低等优点在我国得到了最广泛的研究和应 用 [ 1- 3] 。然而 ,由于副产品石膏的色度低影响销售 ,且 后续处理工艺复杂 ,增加了运行成本, 容易造成二次 污染 。 磷矿浆可以有效地吸收净化含低质量分数 SO2 的废气 ,吸收效率可达 90,吸收后湿渣加适量浓硫 酸制成磷肥可就地销售, 而且我国具有丰富的磷矿资 源及巨大的磷肥需求市场 [ 4] 。因此 ,采用磷矿法进行 脱硫的工艺在我国具有广阔的应用前景 。 日本千代田公司开发的 CT- 121 技术 [ 5] 将 SO2的 吸收 、 氧化 、 中和 、 结晶以及除尘等工艺过程合并到一 个气相 -液相 -固相反应器 喷射鼓泡塔 jet bubble reactor, JBR 中进行 ,气 - 液接触方式高效 ,可 以稳定 、可靠和高效地脱除 SO2和粉尘。然而, JBR 存在占地面积大, 投资运行费用高等缺点。近来, 我 们自主创新研制了环栅式喷射鼓泡塔 jet bubble reactorwithpiercedcylindricalgasinletdevice, JBRPCGID , 具有结构简单紧凑、经济高效等优点 [ 6- 9] 。 本文以磷矿浆为脱硫剂比较了环栅式喷射鼓泡塔与 79 环 境 工 程 2009年 8 月第27 卷第4 期 传统鼓泡塔的脱硫性能和优缺点, 进而促进新型喷射 鼓泡塔脱硫工艺的开发、完善与实际应用。 1 材料与方法 1. 1 磷矿及脱硫机理 本实验采用的脱硫剂为湖南石门磷矿,其中含有 P2O519. 52, CaO21. 68, Fe2O30. 22,MgO 9. 20; 粒度 约 100目 ,97. 25。 由于磷矿中主要成分 Ca5F PO43的分子键相当 牢固, 烟气中低浓度 SO2不足以打破其分子结构, 不 能与之发生反应。主要靠磷矿中的 CaO、 MgO 、 Fe2O3 等碱性物质吸收烟气中的 SO2。由于碱性物质被中 和,此过程既吸收了烟气中的 SO2, 又节约了制磷肥 所需的浓硫酸。其机理与石灰吸收 SO2类似。 磷矿浆吸收烟气中的 SO2后加入适量的浓硫酸 制成磷肥 。 1. 2 工艺流程 磷矿法脱硫的主要工艺流程如图 1。 图 1 磷矿法脱硫工艺流程 送入吸收塔的吸收剂 磷矿浆液与经换热器 冷却后进入吸收塔的烟气充分接触混合 , 烟气中的 SO2与吸收剂浆液中的碱性物质发生化学反应生成 硫酸盐,反应后的浆液排入磷矿处理池 。湿渣加适量 浓硫酸后制成磷肥, 就地销售 。脱硫后的烟气依次经 除雾器除去雾滴和换热器加热升温后, 经烟囱排入大 气。一套完整的磷矿湿法脱硫工艺系统通常包括烟 气系统 、 SO2吸收系统、 吸收剂制备系统、废水处理与 排放系统 、 控制系统等。不同的脱硫设备系统大同小 异,主要差别在于脱硫塔的型式和结构上。 1. 3 鼓泡塔工艺与装置结构 鼓泡塔脱硫工艺中, 烟气经增压风机增压后进入 气气换热器 GGH 。原烟气与来自吸收塔的净化烟 气进行热交换后被冷却到90 ℃ 左右 。冷却后烟气引 入到烟道的烟气冷却区域 即在烟道上安装喷淋装 置 , 被喷入的补给水和吸收液再次冷却到65 ℃以 下,此时达到饱和状态。烟气再被进入由上层板和下 层板形成的封闭的吸收塔入口舱,在以一定压力下被 装在入口舱下层板的喷射管压入吸收塔内吸收剂浆 液面以下的区域 ,形成鼓泡区 泡沫区 。在鼓泡区域 依次发生 SO2的吸收、亚硫酸盐发生氧化 、 硫酸盐生 成等一系列反应后, 净化烟气通过上升管并通过入口 舱上方的出口舱排出 。从吸收塔排出的烟气经装在 烟道上的除雾器除去水分后经 GGH 加热到80 ℃以 上由烟囱排放。 在日本千代田公司开发的 CT-121 技术基础上, 我们对鼓泡塔稍作改进, 并进行了工业规模的实验, 如图 2 所示 。 图2 鼓泡塔示意 鼓 泡 塔 高 4 m , 直 径 2. 8 m , 处 理 气 量 为 5 000 m 3 h ,材质为硬塑。它由上层板和下层板隔成 几个空间, 上层板上部为净化烟气出口空间 ,两个层 板之间为原烟气入口空间 ,下层板以下有一定高度的 浆液层。喷射管 361根 40 mm 和下层板连接 ,并 插入石灰石浆液中 150～ 200 mm , 上升管和上下层板 连接并伸出上层板。原烟气被导入浆液进行反应后, 浮出浆液面沿上升管通入出口空间 。在吸收塔顶部 安装有搅拌器、进浆液管 、 氧化空气母管等。 1. 4 环栅塔的结构与工艺 如图 3 所示 ,中试规模的环栅塔内两个不同内径 的有机玻璃圆筒垂直同轴安装构成塔的主体。内筒 底端与塔按一定比例悬空, 未封死, 且下端沿周围方 向开有一圈栅栏状喷气孔 。外筒底端固定于塔基上, 顶端与内筒相连 ,封死。内外筒之间形成一个环形气 体通道 ,通道顶部均匀分布一圈锥状喷液孔 ,锥孔直 径上小下大 。筒内盛吸收液, 启动前的液位高于栅孔 顶端300 mm。进气管为 PVC 管, 进气方式为切向进 气 [ 6- 7] 。 80 环 境 工 程 2009年 8 月第27 卷第4 期 1烟气出口; 2环形通道; 3喷头; 4栅格; 5除雾器; 6进水管; 7烟气进口; 8外筒; 9内筒; 10排水管。 图 3 环栅式喷射鼓泡塔示意 环栅塔脱硫工艺中, 烟气沿切向进入吸收塔的环 形气体通道中, 气流先绕内筒旋转 ,经减速、 稳流后与 环顶喷头喷下的吸收液并流接触, 在环形气体通道内 烟气再次被冷却 ,尘粒被洗掉 除尘方面 ,环形气体通 道中的气流绕内筒旋转的操作过程实质上就相当于 一个内装有稳流柱的旋风湿壁除尘塔 , 并脱除一部 分硫氧化物。经冷却除尘后的气体夹带着液滴继续 向下运行至栅栏状喷气孔的上方时 ,旋转气体作用于 环内液面, 使圆环内产生波浪形脉动, 并带动塔内的 液体旋转, 同时气流把环内液体压向内筒 ,形成喷射 鼓泡 。此过程进一步增大了气液接触面积,延长了烟 气在塔内的停留时间 。烟气与吸收剂浆液进行吸收、 氧化 、 中和 、 结晶等一系列反应 ,高效脱除了烟气中的 SO2。 2 结果与讨论 2. 1 脱硫性能比较 2. 1. 1 鼓泡塔 磷矿石浆代替石灰石浆作脱硫剂, 相当加了含镁 石灰石 ,虽然减少了有效吸收剂, 但能改善吸收和减 轻结垢问题,而且不需要空气氧化设备 。流程采用三 塔串联循环流程 ,以保证脱硫效率 。喷气管插入深度 在100～ 300 mm 之间波动对总的吸收率影响不明显。 磷矿浆液 pH 值控制在 4. 2～ 3. 5 之间, 鼓泡塔操作压 力对脱硫效率的影响结果如图 4。 鼓泡塔的脱硫效率随操作压力的增加而升高 ,平 均脱硫效率为 79. 8,当操作压力在7 000～ 7 800 Pa 图 4 鼓泡塔操作压力 ΔP 对脱硫效率η 的影响 时,脱硫效率可维持在 95左右 。 2. 1. 2 环栅塔 采用自主创新的环栅式喷射鼓泡塔进行单塔脱 硫实验。由于自身存在水力搅拌而没有安装机械搅 拌设备 。加入磷矿粉 20 kg , 控制 pH 值为 3. 7 ～ 4. 3。 环栅塔操作压力对脱硫效率的影响结果如图 5。环 栅塔脱硫效率也随操作压力的增加而升高 。当操作 压力约在3 000 Pa时,单塔脱硫效率可达 67。 图 5 环栅塔操作压力 ΔP 对脱硫效率η 的影响 以上结果表明 ,虽鼓泡塔脱硫效率较高, 但需三 塔串联,操作压力是环栅塔的两倍以上。尽管环栅塔 脱硫效率最高为 67,但受限于实验室条件 , 本实验 中的操作压力约为3 000 Pa ; 而且本实验采用单塔操 作,远远没有达到最优操作条件。鼓泡塔要达到相同 的脱硫效率 ,操作压力需要维持在6 000 Pa以上。对 比后可以看出, 环栅塔的脱硫能力优于鼓泡塔, 开发 潜力极大。 2. 2 优缺点比较 通过对工业规模的鼓泡塔的长期运行性能测试 和对环栅塔的实验研究, 总结了这两种脱硫工艺的优 缺点 ,列于表 1中 。 由表1 可知,两种塔型对 pH 值的要求均不高 ,小 于等于7 即可,而鼓泡塔较环栅塔稍低。但是鼓泡塔 内部结构复杂, 使安装和维护量大。环栅塔较鼓泡塔 空塔气速高 ,处理气量大 , 塔径小 , 采用气力搅拌, 在 占地面积和投资运行费用方面占有明显的优势。 81 环 境 工 程 2009年 8 月第27 卷第4 期 表 1 两种脱硫工艺的优缺点比较 项目鼓泡塔环栅塔备注 塔型直径大, 高度矮, 塔 内布局复杂, 安装难 度大, 占地面积大 直径小, 高度较矮, 塔内布局简单, 安装 难度小, 占地面积小 投资费用高较高 系统阻力大较小 鼓泡塔三 塔串联 动力消耗大较小 空塔气速0. 23 m s1 . 11 m s pH值4. 2～ 3 . 54 . 6～ 3. 6均较低 除尘效果很好, 1 μ m 粉尘捕 集效率 80 很好, 1 μ m 粉尘捕 集效率85 搅拌方式机械搅拌气力搅拌 控制方式控制 pH 和 喷管浸 液深度 控制 pH 和环栅 浸 液深度 pH值 均≤7 3 结论 磷矿石浆可以代替石灰石浆作脱硫剂,能有效脱 除烟气中的 SO2, 并能改善 SO2的吸收和减轻结垢 问题 。 鼓泡塔和环栅式喷射鼓泡塔的脱硫效率均随操 作压力 的增加而升高。 鼓泡塔平均脱硫效率为 79. 8, 当操作压力在7 000 ～ 7 800 Pa 、磷矿浆 pH 值 为3. 5～ 4. 2 时, 脱硫效率可维持在 95左右。当操 作压力在3 000 Pa 、 磷矿浆 pH 值在 3. 7～ 4. 3 时,环栅 塔的单塔脱硫效率可达 67。 环栅塔较鼓泡塔空塔气速高 ,处理气量大, 塔径 小,采用气力搅拌, 比鼓泡塔占地面积小且投资运行 费用省。环栅式喷射鼓泡脱硫工艺以磷矿为脱硫剂, 脱硫除尘效果好 ,系统投资少 ,运行费用低,并资源化 利用废渣, 是适合我国国情的一项脱硫除尘技术。 参考文献 [ 1] 朱天乐, 李曜, 凌炫, 等. 湿式烟气脱硫中石灰石反应活性 [ J] . 环境科学, 2005, 26 6 15 -18. 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