湿法烟气脱硫的原理.docx

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湿法烟气脱硫的原理

湿法烟气脱硫的原理

湿法烟气脱硫的原理

1湿法烟气脱硫的基本原理

（1）物理吸收的基本原理

　　气体吸收可分为物理吸收和化学吸收两种。

如果吸收过程不发生显著的化学反应，单纯是被吸收气体溶解于液体的过程，称为物理吸收，如用水吸收SO2。

物理吸收的特点是，随着温度的升高，被吸气体的吸收量减少。

　　物理吸收的程度，取决于气--液平衡，只要气相中被吸收的分压大于液相呈平衡时该气体分压时，吸收过程就会进行。

由于物理吸收过程的推动力很小，吸收速率较低，因而在工程设计上要求被净化气体的气相分压大于气液平衡时该气体的分压。

物理吸收速率较低，在现代烟气中很少单独采用物理吸收法。

（2）化学吸收法的基本原理

　　若被吸收的气体组分与吸收液的组分发生化学反应，则称为化学吸收，例如应用碱液吸收SO2。

应用固体吸收剂与被吸收组分发生化学反应，而将其从烟气中分离出来的过程，也属于化学吸收，例如炉内喷钙（CaO）烟气脱硫也是化学吸收。

　　在化学吸收过程中，被吸收气体与液体相组分发生化学反应，有效的降低了溶液表面上被吸收气体的分压。

增加了吸收过程的推动力，即提高了吸收效率又降低了被吸收气体的气相分压。

因此，化学吸收速率比物理吸收速率大得多。

　　物理吸收和化学吸收，都受气相扩散速度（或气膜阻力）和液相扩散速度（或液膜阻力）的影响，工程上常用加强气液两相的扰动来消除气膜与液膜的阻力。

在烟气脱硫中，瞬间内要连续不断地净化大量含低浓度SO2的烟气，如单独应用物理吸收，因其净化效率很低，难以达到SO2的排放标准。

因此，烟气脱硫技术中大量采用化学吸收法。

用化学吸收法进行烟气脱硫，技术上比较成熟，操作经验比较丰富，实用性强，已成为应用最多、最普遍的烟气脱硫技术。

　　（3）化学吸收的过程

　　化学吸收是由物理吸收过程和化学反应两个过程组成的。

在物理吸收过程中，被吸收的气体在液相中进行溶解，当气液达到相平衡时，被吸收气体的平衡浓度，是物理吸收过程的极限。

被吸收气体中的活性组分进行化学反应，当化学反应达到平衡时，被吸收气体的消耗量，是化学吸收过程的极限。

这里用Ca（OH）2溶液吸收SO2加以说明。

　　SO2（气体）

　　||  

　　SO2（液体）+Ca（OH）2→CaSO3+H2O

　　←

　　化学吸收过程中，被吸收气体的气液平衡关系，即应服从相平衡关系，又应服从化学平衡关系。

　　（4）化学吸收过程的速率及过程阻力

　　化学吸收过程的速率，是由物理吸收的气液传质速度和化学反应速度决定的。

化学吸收过程的阻力，也是由物理吸收气液传质的阻力和化学反应阻力决定的。

　　在物理吸收的气液传质过程中，被吸收气体气液两相的吸收速率，主要取决于气相中被吸收组分的分压，和吸收达到平衡时液相中被吸收组分的平衡分压之差。

此外，也和传质系数有关，被吸收气体气液两相间的传质阻力，通常取决于通过气膜和液膜分子扩散的阻力。

　　烟气脱硫通常是在连续及瞬间内进行，发生的化学反应是极快反应、快反应和中等速度的反应，如NaOH、Na2CO3、和Ca（OH）2等碱液吸收SO2。

为此，被吸收气体气液相间的传质阻力，远较该气体在液相中与碱液进行反应的阻力大得多。

对于极快不可逆反应，吸收过程的阻力，其过程为传质控制，化学反应的阻力可忽略不计。

例如，应用碱液或氨水吸收SO2时，化学吸收过程为气膜控制，过程的阻力为气膜传质阻力。

　　液相中发生的化学反应，是快反应和中等速度的反应时，化学吸收过程的阻力应同时考虑传质阻力和化学反应阻力。

（5）碱液浓度对传质速度的影响

研究得出，应用碱液吸收酸性气体时，碱液浓度的高低对化学吸收的传质速度有很大的影响。

当碱液的浓度较低时，化学传质的速度较低；当提高碱液浓度时，传质速度也随之增大；当碱液浓度提高到某一值时，传质速度达到最大值，此时碱液的浓度称为临界浓度；当碱液浓度高于临界浓度时传质速度并不增大。

　　为此，在烟气脱硫的化学吸收过程中，当应用碱液吸收烟气中的SO2时，适当提高碱液的浓度，可以提高对SO2的吸收效率。

但是，碱液的浓度不得高于临界浓度。

超过临界浓度之后，进一步提高碱液的浓度，脱硫效率并不能提高。

可以得出，在烟气脱硫中，吸收SO2的碱液浓度，并非愈高愈好。

碱液的最佳浓度为临界浓度，此时脱硫效率最高。

　　（6）主要化学反应

　　在湿法烟气脱硫中，SO2和吸收剂的主要化学反应如下

　　（7）同水的反应

　　SO2溶于水形成亚硫酸

　　H2O+SO2──→H2SO3──→H+HSO3──→2H++SO32

　　←──←──←──

　　温度升高时，反应平衡向左移动。

　　（8）同碱反应

　　SO2及易与碱性物质发生化学反应，形成亚硫酸盐。

碱过剩时生成正盐；SO2过剩时形成酸式盐。

　　2MeOH+SO2─→Me2SO3+H2O

　　Me2SO3+SO2+H2O─→2MeHSO3

　　Me2SO3+MeOH─→Me2SO4+H2O

　　亚硫酸盐不稳定，可被烟气中残留的氧气氧化成硫酸盐：

　　Me2SO3+1/2O2─→MeSO4

　　（9）同弱酸盐反应

　　SO2易同弱酸盐反应生成亚硫酸，继之被烟气中的氧气氧化成稳定的硫酸盐。

如同石灰石反应：

　　CaCO3+SO2+1/2H2O─→CaSO3•1/2H2O+CO2↑

　　2CaSO3•1/2H2O+O2+3H2O─→2CaSO4•2H2O

　　（10）同氧化剂反应

　　SO2同氧化剂反应生成SO3

　　SO2+1/2O2催化剂SO3

　　─────→

　　在催化剂的作用下，可加速SO2氧化成SO3的反应。

在水中，SO2经催化剂作用被迅速氧化成SO3，并生成H2SO4：

　　SO2+1/2O+H2O催化剂H2SO4

　　─────→

　　1.6.5同金属氧化物的反应

　　金属氧化物，如MgO、ZnO、MnO、CuO等，对SO2均有吸收能力，然后再用加热的方法使吸收剂再生，并得到高浓度的SO2。

这里以MgO为例加以说明：

　　MgO+H2O─→Mg（OH）2

　　Mg（OH）2+SO2+5H2O─→MgSO3•6H2O

　　MgSO3•6H2O△MgSO3+6H2O↑

　　───→

　　MgSO3△MgO+SO2

　　───→

　　吸收剂再生后可循环使用，并可回收SO2，达到高浓度的气态SO2。

经液化后得到液态SO2。

2、湿法烟气脱硫用脱硫剂

在化学吸收烟气脱硫中，吸收剂的性能从根本上决定了SO2吸收操作的效率，因而对吸收剂的性能有一定的要求。

（1）吸收能力高

　　要求对SO2具有较高的吸收能力，以提高吸收速率，减少吸收剂的用量，减少设备体积和降低能耗。

（2）选择性能好

　　要求对SO2具有良好的选择性能，对其他组分不吸收或吸收能力很低，确保对SO2具有较高的吸收能力。

　　（3）挥发性低，无毒，不易燃烧，化学稳定性好，凝固点低，不发泡，易再生，粘度小，比热小。

　　（4）不腐蚀或腐蚀小，以减少设备投资及维护费用。

　　（5）来源丰富，容易得到，价格便宜。

　　（6）便于处理及操作，不易产生二次污染。

　　完全满足上述要求的吸收剂是很难选择到的。

只能根据实际情况，权衡多方面的因素有所侧重地加以选择。

石灰（CaO）、氢氧化钙[Ca（OH）2、碳酸钙（CaCO3），是烟气脱硫较为理想的吸收剂，因而在国内外烟气脱硫中获得最广泛地应用。

　　工业上利用废碱液吸收燃煤工业锅炉烟气中的SO2，利用锅炉冲渣水和湿法除尘循环水在除尘的同时吸收SO2等，已有成功的范例。

从资源综合利用，以废治废，避免和减轻二次水污染角度出发来选择吸收剂，具有更重要的意义。

3、湿法烟气脱硫的类型及工艺过程

（1）类型

　　根据各种不同的吸收剂，湿法烟气脱硫可分为石灰石/石膏法、氨法、钠碱法、铝法、金属氧化镁法等，每一类型又因吸收剂不同。

（2）工艺过程

　　湿法烟气脱硫的工艺过程多种多样，但他们也具有相似的共同点：

含硫烟气的预处理（如降温、增湿、除尘），吸收，氧化，富液处理（灰水处理），除雾（气水分离），被净化后的气体再加热，以及产品浓缩和分离等。

石灰石/石灰——石膏法，是燃煤煤电厂应用最广泛、最多的典型的湿法烟气脱硫技术。

　　我国燃煤锅炉湿法烟气脱硫工艺过程较多，其中较典型的工艺过程为旋流塔板高效脱硫除尘工艺过程和湿法氧化镁延期脱硫工艺过程。

　　4、湿法烟气脱硫主要设备

　　湿法烟气脱硫主要设备是指脱硫塔（或洗涤塔、洗涤器）和脱硫除尘器。

　　对脱硫塔和脱硫除尘器的要求

　　用于燃煤发电厂烟气脱硫的大型脱硫装置称为脱硫塔，而用于燃煤工业锅炉和窑炉烟气脱硫的小型脱硫除尘装置多称为脱硫除尘器。

在脱硫塔和脱硫尘器中，应用碱液洗涤含SO2的烟气，对烟气中的SO2进行化学吸收。

为了强化吸收过程，提高脱硫效率，降低设备的投资和运行费用，脱硫塔和脱硫除尘器应满足以下的基本要求：

（1）气液间有较大的接触面积和一定的接触时间；

（2）气液间扰动强烈，吸收阻力小，对SO2的吸收效率高；

　　（3）操作稳定，要有合适的操作弹性；

　　（4）气流通过时的压降要小；

　　（5）结构简单，制造及维修方便，造价低廉，使用寿命长；

　　（6）不结垢，不堵塞，耐磨损，耐腐蚀；

　　（7）能耗低，不产生二次污染。

　　SO2吸收净化过程，处理的是低浓度SO2烟气，烟气量相当可观，要求瞬间内连续不断地高效净化烟气。

因而，SO2参加的化学反应应为极快反应，它们的膜内转化系数值较大，反应在膜内发生，因此选用气相为连续相、湍流程度高、相界面较大的吸收塔作为脱硫塔和脱硫除尘器比较合适。

通常，喷淋塔、填料塔、喷雾塔、板式塔、文丘里吸收塔等能满足这些要求。

其中，填料塔因其气液接触时间和气液比均可在较大的范围内调节，结构简单，在烟气脱硫中获得广泛地应用。

　　常见吸收塔的性能

　　目前国内外燃煤电厂常用的脱硫塔，主要有喷淋空塔、填料塔、双回路塔及喷射鼓炮塔等四种。

脱硫除尘器

　　近年来，我国许多部门对燃煤工业锅炉及窑炉烟气脱硫技术进行了研究及开发。

为了经济简便起见，常常将烟气除尘及脱硫一体化处理，即在同一个设备内处理。

为此，将脱硫除尘一体化设备成为脱硫除尘器。

　　我国中小型燃煤锅炉常用的脱硫除尘器，主要有旋流塔板脱硫除尘器、空心塔脱硫除尘器、填料塔脱硫除尘器以及流化床脱硫除尘器等。

5、湿法烟气脱硫技术的应用

（1）湿法烟气脱硫在燃煤发电厂及中小型燃煤锅炉上获得广泛的应用，成为当今世界上燃煤发电厂采用的脱硫主导工艺技术。

这是由于湿法烟气脱硫效率高、设备小、易控制、占地面积小以及适用于高中低硫煤等。

　　目前，在国内外燃煤发电厂中，湿法烟气硫占总烟气脱硫的85%左右，并有逐年增加的趋势。

在我国中小型燃煤锅炉中，湿法烟气脱硫占98%以上，接近100%。

（2）在国内外燃煤发电厂中，湿法烟气脱硫中，石灰石/石灰——石膏法、石灰石/石灰抛弃法烟气脱硫，占烟气脱硫总量的83%左右，其中石灰石/石灰——石膏法占45%以上，并有逐年增加的趋势，而石灰石/石灰-石膏抛弃法呈逐年下降的趋势。

　　这是由于石灰石/石灰——石膏法副产建筑材料石膏，对环境不造成二次污染所致。

在我国中小型燃煤锅炉上，石灰抛弃法烟气脱硫占主导地位，SO2一般不回收，多以硫酸盐或亚硫酸盐抛弃。

　　（3）湿法石灰石/石灰——石膏烟气脱硫中，由于石灰石来源丰富，价格比石灰低得多，多年来形成了湿法石灰石——石膏烟气脱硫技术，并在国内外燃煤发电厂中获得广泛的应用，其应用量有逐年增加的趋势。

　　（4）湿法石灰石/石灰工艺可适用于高中低硫煤种。

　　（5）湿法烟气脱硫技术，尤其是石灰石/石灰烟气脱硫技术，除在燃煤发电厂获得广泛应用外，在硫酸工业、钢铁工业、有色冶金工业、石油化工以及燃煤工