一种臭氧氧化双塔氨法脱硫脱硝工艺及其系统

摘要

本发明涉及臭氧氧化双塔氨法脱硫脱硝系统，依次包括双氧水喷射装置、引风机、臭氧喷射装置、烟气混合装置、前吸收塔、后吸收塔、旋流分离器、离心分离器和干燥器，所述双氧水喷射装置设于锅炉省煤器出口位置，锅炉省煤器出口经过空气预热器和除尘器后接入引风机并连接至所述前吸收塔，所述臭氧喷射装置安装在前吸收塔入口烟道前，在臭氧喷射装置和前吸收塔入口烟道之间设有所述烟气混合装置。本发明的有益效果是：工艺集成度高，脱硫脱硝一体化；双塔结构性能稳定，脱硫脱硝效率高；吸收塔机来源可靠，副产物附加值高，二次污染少，运行成本低。

说明书

技术领域

本发明涉及脱硫脱硝工艺及其系统，尤其涉及臭氧氧化双塔氨法脱硫脱硝工艺及其系统。

背景技术

二氧化硫(SO₂)和氮氧化物(NOx)是世界公认的大气污染物之一，是形成酸雨﹑形成光化学烟雾和影响生态环境的另一个主要原因。随着我国电力工业的发展，SO₂和NOx的排放逐年增加，引起了国际及国内的高度重视，控制二者排放已成为节能减排的重点。

对烟气脱硫技术而言，石灰石—石膏湿法脱硫工艺应用最多。该方法虽然脱硫效率较高，但是副产物石膏极易板结，造成设备堵塞而无法使用；另外，该工艺需要消耗大量天然石灰石，作为一种不可再生的一次性矿产资源，其来源存在不可持续性；同时该工艺还存在占地面积大、系统复杂、副产物难处置和运行能耗高等缺点。

对烟气脱硝技术而言，选择性催化还原(SCR)烟气脱硝工艺商业化应用最广泛。SCR法虽然可以实现很高的脱硝效率，但其需要安装昂贵的催化剂才能够完成脱硝，且对脱硝反应的温度范围有严格要求，当烟气温度超出该温度范围时即无法脱硝。同时，该工艺还会产生较多SO₃及氨逃逸，二者生成的硫酸盐会堵塞空预器、腐蚀下游设备；另外，SCR法也存在占地多、运行能耗高等缺点。废弃脱硝催化剂作为危险固体废弃物，目前处理困难，很容易对土壤造成二次污染，环境风险大。

以上两种脱硫脱硝工艺均相互独立，只能各自针对一种污染物进行脱除，当环保对SO₂和NOx都提出控制要求时，需要同时安装两种系统，使得脱硫脱硝设备的投资变得巨大，占地面积更多，运行成本也更高，同时将独立的脱硫、脱硝系统进行组合控制时更加复杂。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种结构合理，脱硫效率高的臭氧氧化双塔氨法脱硫脱硝工艺及其系统。

这种臭氧氧化双塔氨法脱硫脱硝系统，依次包括双氧水喷射装置、引风机、臭氧喷射装置、烟气混合装置、前吸收塔、后吸收塔、旋流分离器、离心分离器和干燥器，所述双氧水喷射装置设于锅炉省煤器出口位置，锅炉省煤器出口经过空气预热器和除尘器后接入引风机并连接至所述前吸收塔，所述臭氧喷射装置安装在前吸收塔入口烟道前，在臭氧喷射装置和前吸收塔入口烟道之间设有所述烟气混合装置。

作为优选：所述双氧水喷射装置采用雾化喷嘴，喷嘴安装在半伸缩或全伸缩式喷枪上。

作为优选：所述臭氧喷射装置采用格栅式结构，格栅面与烟气流动方向垂直，臭氧喷射方向与烟气流动方向相同，臭氧喷射孔在整个格栅面均匀布置，分布密度不小于4个孔/m³。

作为优选：所述臭氧喷射装置的格栅式结构具体为烟道一侧平均布置有3根以上进气管，每根进气管与烟道中的主管相连，每根主管贯穿于整个烟道内截面，每根主管上对称分布有若干支管，每根支管上有2～4个喷嘴；每根进气管上有调节阀，可以调节相应支管内臭氧气体的流量；臭氧气体由进气管进入烟道内的主管，再由主管平均分配到每根支管，再由支管从每个喷嘴上均匀喷出到烟气中。

作为优选：烟气混合装置由若干正方形或圆形板挡板组成，挡板面与烟道截面成45°角。

作为优选：所述前吸收塔中，烟气由上而下进入吸收塔，从侧面的连接烟道流出进入后吸收塔；所述后吸收塔中，烟气经连接烟道从侧面水平进入后转向上流动，从塔顶流出至烟囱。

作为优选：所述前吸收塔的喷淋层的喷嘴喷射方向垂直向上，与烟气形成逆流吸收；所述后吸收塔塔内喷淋层的喷嘴喷射方向垂直向下，与烟气形成逆流吸收。

作为优选：所述后吸收塔最下一层喷淋层与连接烟道顶之间布置有多孔筛板结构的均流装置。

作为优选：所述后吸收塔顶部设有除雾装置。

这种臭氧氧化双塔氨法脱硫脱硝系统的脱硝工艺，包括如下步骤：

步骤一、双氧水喷射装置利用压缩空气将双氧水溶液雾化后喷入锅炉省煤器出口烟道内，将烟气中的一氧化氮氧化成二氧化氮，喷射双氧水溶液的浓度25～35％，双氧水与烟气中一氧化氮的摩尔比为1.2～1.3；

步骤二、臭氧喷射装置将烟气中的一氧化氮氧化成二氧化氮，臭氧喷射方向与烟气流动方向相同，喷射孔内的气体流速不低于烟道内烟气流速的1.1倍，臭氧与烟气中一氧化氮的摩尔比为1.1～1.2；

步骤三、烟气混合装置通过气流扰动作用，使臭氧喷射装置3喷出的含臭氧混合气体与烟气中的一氧化氮充分混合，烟气混合装置出口处臭氧与一氧化氮混合摩尔标准偏差应小于5％；

步骤四、烟气由上而下进入前吸收塔，控制前吸收塔溶液的运行pH范围5.3～6.5，前吸收塔塔内烟气流速为3.5～4.5m/s，从侧面的连接烟道流出进入后吸收塔；

步骤五、控制后吸收塔溶液的运行pH范围4.5～5.3，在后吸收塔中烟气流速为3～3.5m/s，烟气经连接烟道从侧面水平进入后转向上流动，从塔顶流出；

步骤六、后吸收塔的溶液内不断形成硫酸铵和硝酸铵，溶液饱和结晶后含固量15～20％时外排至旋流分离器；

步骤七、控制旋流分离器底流的含固量为40～50％，溢流含固量为5～10％；

步骤八、底流浆液进入离心分离器，溢流浆液回流至后吸收塔；

步骤九、经离心分离器分离作用，浆液含固量增加至80～90％后，进入干燥器，分离液则回流至后吸收塔；

步骤十、干燥器出口形成硫酸铵和硝酸铵固体晶体颗粒。

本发明的有益效果是：

(1)工艺集成度高，脱硫脱硝一体化

与传统的石灰石—石膏湿法脱硫和选择性催化还原(SCR)脱硝工艺的组合相比，该工艺技术集成度高，可以同时实现高效率的脱硫和脱硝。同时又避免了石灰石—石膏湿法脱硫工艺中设备堵塞问题和SCR脱硝工艺中硫酸氢铵对下游空预器腐蚀堵塞以及SCR脱硝系统阻力大的问题。

(2)双塔结构性能稳定，脱硫脱硝效率高

经过锅炉内双氧水喷射和烟道内臭氧喷射与混合，双氧水及臭氧的利用率高，烟气中的一氧化氮可被充分氧化为二氧化氮。双氧水和臭氧对烟气温度适应范围较广，在锅炉全负荷条件下均可对一氧化氮进行有效氧化，负荷适应性较高，为后续高效脱硝打下了坚实基础。

采用前后吸收塔结构，前吸收塔运行在高气速、高pH区域，喷嘴向上喷射后与塔内烟气形成逆流，喷淋液在重力作用下又落下，与烟气形成顺流，这样吸收剂在吸收塔内的停留时间得到延长，增加了与烟气的接触时间，提高了脱硫脱硝的效率。同时，经过前吸收塔的喷淋降温，烟气温度下降，烟气量减小，进入后吸收塔后，相同的喷淋量情况下，液气比得到增加，从而进一步提高了脱硫脱硝的效率。另外，在后吸收塔内低气速、低pH区域运行条件下，氧化效率得到增强，同时前塔中过量的氨得以充分反应生成硫酸铵和硝酸铵。低速下除雾器的液滴脱硫效率可以有一定程度提高，从而液滴及氨逃逸得到有效降低。

(3)吸收塔机来源可靠，副产物附加值高，二次污染少，运行成本低

本工艺吸收剂采用氨，是一种可大规模生产的工业产品，相比石灰石—石膏湿法脱硫工艺的吸收剂石灰石，来源稳定可靠，不受自然界储藏量的限制。石灰石—石膏湿法脱硫工艺副产物为附加值很低的脱硫石膏，而本工艺副产物为硫酸铵，可以作为化肥，附加值高。

相比SCR脱硝工艺，本工艺无需安装价格昂贵的催化剂，也不存在废弃催化剂作为危险固废处置的问题，消除了相应的二次污染，也减少了安装催化剂和相应烟道所增加的系统阻力。另外，本工艺脱硝副产物为硝酸铵，也是一种化肥产品，其高附加值也使得系统的运行成本可以进一步降低。

附图说明

图1为本发明系统及工艺流程图；

图2为图1的局部放大图；

图3为臭氧喷射装置布置图；

图4为烟气混合装置布置图；

附图标记说明：双氧水喷射装置1、引风机2、臭氧喷射装置3、烟气混合装置4、前吸收塔5、后吸收塔6、旋流分离器7、离心分离器8、干燥器9、锅炉省煤器出口10、前吸收塔循环泵11、后吸收塔循环泵12、氧化风机13、颗粒包装机14、氨水混合器15、空气预热器16、除尘器17、除雾装置18、烟囱19、搅拌器20、均流装置21、进气管22、主管23、支管24、喷嘴25、烟道壁26、调节阀27、挡板28。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

本臭氧氧化双塔氨法脱硫脱硝工艺及其系统，先将来自锅炉省煤器出口10烟气中的一氧化氮氧化成二氧化氮，然后在双塔结构的脱硫塔中，使烟气中的二氧化氮和二氧化硫与氨水反应生成亚硝酸铵、硝酸铵和亚硫酸铵，再通过氧化空气使其中的亚硝酸铵和亚硫酸铵氧化成硝酸铵与硫酸铵，二者经过浓缩、结晶、分离、干燥等工艺，最终成为含硝酸铵和硫酸铵的化肥。

本双塔氨法同时脱硫脱硝工艺及其系统主要设备为双氧水喷射装置1、引风机2、臭氧喷射装置3、烟气混合装置4、前吸收塔5、后吸收塔6、前吸收塔循环泵11、后吸收塔循环泵12、氧化风机13、旋流分离器7、离心分离器8、干燥器9和颗粒包装机14等。相应的流程图见图1。

双氧水喷射装置1和臭氧喷射装置3的作用都是将烟气中的一氧化氮氧化成二氧化氮，反应方程式如下:NO+H₂O₂＝NO₂+H₂O。双氧水喷射装置1安装在锅炉省煤器出口10位置，正常的工作温度范围为300～400℃。喷射双氧水溶液的浓度25～35％，双氧水实际喷射量为理论需要量再加上20～30％的裕量，即双氧水与烟气中一氧化氮的摩尔比为1.2～1.3。双氧水喷射装置1采用雾化喷嘴，喷嘴安装在半伸缩或全伸缩式喷枪上，利用压缩空气将双氧水溶液雾化后喷入锅炉省煤器出口烟道10内。

臭氧喷射装置3的作用是将烟气中的一氧化氮氧化成二氧化氮，反应方程式如下:NO+O₃＝NO₂+O₂。臭氧喷射装置3安装在前吸收塔5入口烟道前，正常的工作温度为50～200℃。臭氧一般用大型臭氧发生器产生，浓度大于30mg/L，臭氧实际喷入量为理论需要量再加上10～20％的裕量，即臭氧与烟气中一氧化氮的摩尔比为1.1～1.2。

臭氧喷射装置3采用格栅式结构，格栅面与烟气流动方向垂直，臭氧喷射方向与烟气流动方向相同，臭氧喷射孔在整个格栅面均匀布置，分布密度不小于4个孔/m³，孔内的气体流速不低于烟道内烟气流速的1.1倍。如图3，在烟道一侧平均布置有3根以上进气管22，每根进气管22与烟道中的主管23相连，每根主管23贯穿于整个烟道内截面，每根主管23上对称分布有若干支管24，每根支管24上有2～4个喷嘴；每根进气管22上有调节阀，可以调节相应支管24内臭氧气体的流量；臭氧气体由进气管22进入烟道内的主管23，再由主管23平均分配到每根支管24，再由支管24从每个喷嘴25上均匀喷出到烟气中。

沿着烟气流动方向，臭氧喷射装置3之后是烟气混合装置4，其作用是通过气流扰动作用，使臭氧喷射装置3喷出的含臭氧混合气体与烟气中的一氧化氮充分混合。烟气混合装置4出口处臭氧与一氧化氮混合摩尔标准偏差应小于5％。如图4，烟气混合装置4由若干正方形或圆形板挡板组成，挡板面与烟道截面成45°角，挡板面的倾斜方向根据流程模拟计算确定。

前吸收塔5、后吸收塔6、前吸收塔循环泵11、后吸收塔循环泵12、氧化风机13等设备是该氨法脱硫脱硝工艺的核心系统，整个降温、吸收、氧化、结晶过程在本系统内完成。采用浓度20～30％氨水作为脱硫脱硝的吸收剂，分别与烟气中的SO₂和NO₂发生反应生成硫酸铵和硝酸铵。主要化学反应如下：

2NH₃+SO₂+H₂O＝(NH₄)₂SO₃

(NH₄)₂SO₃+1/2O₂＝(NH₄)₂SO₄

NH₃+NO₂+H₂O＝NH₄NO₃

在前吸收塔5中，烟气由上而下进入前吸收塔5，从侧面的连接烟道流出进入后吸收塔6。喷淋层的喷嘴喷射方向垂直向上，与烟气形成逆流吸收。前吸收塔5内为空塔，塔内烟气流速一般为3.5～4.5m/s，塔内不设均流装置、除雾装置和搅拌器。

在后吸收塔6中，烟气经连接烟道从侧面水平进入后转向上流动，从塔顶流出。塔内喷淋层的喷嘴喷射方向垂直向下，与烟气形成逆流吸收。后吸收塔6最下一层喷淋层与连接烟道顶之间布置有均流装置21，该装置为多孔筛板结构，其作用是使后吸收塔烟气内烟气分布均匀，提高吸收传质效率。在后吸收塔6顶部设有除雾装置18，其作用是除去烟气中的微小液滴和气溶胶，消除吸收塔出口烟气中的液滴夹带和氨逃逸。后吸收塔6内烟气流速一般为3～3.5m/s。

上述设备中，双氧水喷射装置1采用耐高温耐酸不锈钢或合金钢，臭氧喷射装置3和烟气混合装置4采用耐酸不锈钢或合金钢。吸收塔采用整体耐腐蚀不锈钢、合金钢或者碳钢内衬防腐材料。

控制前吸收塔5溶液的运行pH范围5.3～6.5，控制后吸收塔6溶液的运行pH范围4.5～5.3，后吸收塔6溶液内不断形成硫酸铵和硝酸铵，溶液饱和结晶后含固量15～20％时外排至旋流分离器7。

控制旋流分离器7底流的含固量为40～50％，溢流含固量为5～10％。底流浆液进入离心分离器8，溢流浆液回流至后吸收塔6。经离心分离器8分离作用，浆液含固量增加至80～90％后，进入干燥器9，分离液则回流至后吸收塔6。干燥器9出口则形成硫酸铵和硝酸铵固体晶体颗粒，经过颗粒包装机14打包后可以化肥出售。