设计燃煤锅炉烟气的脱硫处理毕业设计.docx
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设计燃煤锅炉烟气的脱硫处理毕业设计
【关键字】设计
中国矿业大学(北京)
本科生毕业设计(论文)
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指导教师评语(①学生的工作态度和独立工作能力;②综合运用基础理论与专业知识解决问题的能力;③理论依据和技术方法;④取得的主要成果;⑤取得的主要成果及创新点;⑥总体评价;⑦建议成绩;⑧存在问题、可否提交答辩等):
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中国矿业大学(北京)本科生毕业设计(论文)评阅教师评阅书
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评阅教师评语(①论文选题的价值与意义;②综合运用基础理论与专业知识解决问题的能力;③工作量的大小;④创新点评价;⑤写作的规范程度⑥建议成绩;⑦存在问题、可否提交答辩等):
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中国矿业大学(北京)2006级本科生
毕业设计(论文)答辩及综合成绩
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基本
正确
有一般性错误
有原则性错误
回答
不清
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指导教师评价成绩:
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学院领导小组负责人:
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摘要
削减SO2的排放量,控制大气SO2污染,保护大气环境质量,是我国环境保护的重要课题之一。
根据我国目前烟气脱硫技术发展情况,简述了炉前脱硫、炉内脱硫和炉后脱硫三种脱硫工艺技术,并重点介绍了湿法烟气脱硫技术,在此基础上提出了适用于中小型燃煤锅炉的烟气脱硫技术。
根据该热水锅炉的设计参数,通过经济性及差异性等评价分析,提出了双碱法脱硫系统工艺流程,并进行经济效益评估。
因该技术具有除尘效率高,运行费用低,可在较低的液气比下得到较高的脱硫效率,同时还可大大提高石灰石的利用效率,并且无污水排放,没有二次污染。
关键词:
烟气脱硫;中小型锅炉;燃煤;双碱法
ABSTRACT
SO2emissionscuts,andcontrolofatmosphericpollution,protecttheSO2atmosphericenvironmentalqualityandenvironmentalprotectioninisoneoftheimportantissues.Accordingtothepresentsituationoffluegasdesulfurizationtechnologydevelopment,describedthefurnacefrontdesulfurization,furnaceandfurnacedesulfurizerafterthreedesulfurizationtechnologydesulfurization,andmainlydescribesthewetfluegasdesulfurizationtechniqueisproposedbasedonsmallcoal-firedboilersisapplicabletothefluegasdesulfurizationtechnology.Accordingtothedesignparametersofhotwaterboiler,throughtheeconomyanddifferentevaluationanalysis,thedoublesystemexistsprocess,andevaluateseconomicbenefit.Becauseofthistechnologyhashighefficiency,lowoperatingcost,canbeinthelowerthantheliquidgasdesulfurizationefficiencyunderhigh,alsocangreatlyimprovetheefficiencyandlimestonenosewage,nosecondarypollution.
Keywords:
FGD;midandmini-scaleboiler;bunkercoal;TFGD
1概述
1.1选题背景
在目前和今后相当长的一段时间内,我国的能源结构是以煤为主,煤炭在中国能源结构中的比重高达70%,而且中高硫煤较多。
煤的燃烧排放的大量的SO2是造成我国大气污染的最大污染源,由此带来日益严重的大气污染及酸雨问题,已成为制约我国国民经济和社会持续发展的重要影响因素。
酸雨不仅严重腐蚀建筑物和公共设施,而且毁坏大面积的森林和农作物。
如何经济有效地控制燃煤中的排放是我国乃至世界能源和环保领域亟待解决的关键性问题。
减少燃煤产生的SO2污染,消减SO2的排放量,控制大气SO2污染,保护大气环境质量,是目前及未来相当长的时间内我国环境保护的重要课题之一。
据统计,中国SO2年排放量已超过1600万吨,其中中小型燃煤锅炉排放的SO2占总排放量的36.6%。
1.2选题依据
我国中小型燃煤锅炉因其数量多、范围广、治理难度大及投资限制等诸多因素,成为控制SO2排放的大难题。
我国中小型锅炉以燃煤为主,煤中所含的硫燃烧后几乎全部转化为二氧化硫,如不经处理,直接排放于大气,将严重影响周围的环境。
随着现代化的高速发展,中小型锅炉数量迅速增加SO2的排放量随之剧增。
据统计,1996年我国煤炭产量达13.97亿吨,占全国一次能源总产量的75%左右,1996年全国废气中排放的二氧化硫达到2430万吨,其中约85%是燃煤排放的,煤炭的大量直接燃烧是造成城市大气中二氧化硫和烟尘污染的最直接原因,致使二氧化硫年日均值超过国家二级标准的城市不断增多,酸雨污染域逐步扩展。
因此,研究中小型锅炉烟气脱硫是十分重要的,它被列为“九五”国家重点攻关课题。
为进一步贯彻保护环境、实施可持续发展战略,落实《2010年远景目标纲要》,中国政府出台了《中华人民共和国环境保护法》、《中华人民共和国大气污染防治法》等一系列法规和标准。
“十五”计划规定,2005年后“两控区”内的SO2排放量要减少20%。
为了治理大量燃煤造成的严重酸雨危害,国家不断加大SO2排放的治理力度。
总之,为了节能减排、保护环境,促进经济社会的可持续发展,对燃煤锅炉烟气的脱硫处理已成为一项刻不容缓的大事。
1.3控制SO2排放的方法
控制SO2排放可以采用多种方法,主要途径有3个:
燃烧前脱硫、燃烧中脱硫和燃烧后脱硫(即烟气脱硫)。
其中烟气脱硫技术被认为是控制SO2最为行之有效的途径。
1.3.1炉外脱硫
煤燃烧前脱硫即炉外脱硫常用方法是洗煤,即在燃煤送入炉膛燃烧前进行加工,去除煤中的硫份,降低煤经燃烧产生的烟气中的二氧化硫含量。
但该方法使煤的成本升高。
煤在燃烧过程中脱硫即炉内脱硫常用方法是在煤中掺烧固硫剂,煤在燃烧过程中产生的二氧化硫与固硫剂结合生成固体化合物随炉渣排出。
该方法经济可靠,应用较广。
即在锅炉尾部后除去烟气中所含的二氧化硫,主要方法有2种,一是从烟气中回收硫,变废为宝,综合利用,这在技术上是可行的,且回收效果也很好,但回收硫装置投资大。
二是湿法脱硫技术,该方法是以碱性药剂作为吸收剂,在旋流除尘脱硫塔内,烟气与吸收液充分接触反应,生成亚硫酸盐和硫酸盐,随灰水排至沉灰池沉淀处理,达到水质标准后的清水循环使用。
该方法目前已较广泛地应用于中小型工业锅炉的烟气脱硫。
2烟气脱硫技术
所谓烟气脱硫就是应用化学或者物理的方法将烟气中的SO2予以固定和脱除。
按照脱硫方式和产物的处理形式划分,烟气脱硫一般可分为干法、半干法和湿法3类。
2.1干法烟气脱硫技术
2.1.1 电子束脱硫法
烟气经喷雾冷却塔后进入反应器,在高能量的电子束照射下,烟气中的各种气体分子如NO、O2和水蒸气发生辐射反应,产生大量的离子自由基等活性物质。
这些活性离子与SO2和NOx反应生成硫酸和硝酸,再与先加入的的氨反应生成硫酸铵和硝酸铵。
其优点是:
工艺简单,并且可以同时高效脱硫、脱硝,脱硫率在95%上,脱硝率在80%上;脱硫过程不需要废水处理;反应副产品——硫酸铵和硝酸铵可作为化肥的原料;占地面积小,适合于旧厂改造。
其缺点为投资和运行费用非常高,技术含量高。
2.1.2 循环硫化床脱硫技术
循环流化床锅炉脱硫是近几年来国内较广泛应用的一种脱硫技术。
其特点是:
①燃料适应性广,几乎可燃用各种优、劣质燃料;②燃烧效率高,对无烟煤可达97%.对其他煤种可达98%~99.5%;③脱硫效率高。
脱硫效率可达85%~90%;④两段低温燃烧,NOx排放量小[<(100~200)×10-6];⑤负荷调节范围大,其负荷调节范围25%~100%;⑥飞灰和炉渣的含碳量低,通常低于4%~5%,有利于飞灰和炉渣的综合利用。
该脱硫技术的原理是将烟气通入床料为脱硫剂的循环流化床内,使烟气和脱硫剂在床内反应,从而达到脱硫的目的。
主要采用石灰石(CaCO3)和白云石(CaCO3·MgCO3)作为脱硫剂。
其反应式为:
S+O2→SO2
石灰石焙烧:
CaCO3-CaO+CO2
2CaO+SO2+O2-2CaSO4
脱硫后的最终产物是硫酸钙。
由于循环流化床技术投资小,运行费用不高,脱硫效率较高,可以达到喷雾干燥法水平,因此近年来受到越来越多的关注。
2.2 半干法脱硫技术
2.2.1 喷雾干燥法
喷雾干燥法以石灰浆液作为吸收剂,利用高速旋转雾化器把吸收剂浆液雾化成细小液滴,喷人吸收塔与SO2进行反应,生成亚硫酸钙和部分硫酸钙,从而达到脱硫的目的。
另外,烟气将热量传递给吸收剂使之不断干燥,所以废渣以干态排出。
该法脱硫效率可达到80%~85%。
优点是:
流程简单、占地面积小、投资较少、运行费用不高,适合旧厂改造;脱硫产物为干态,无废水排放。
缺点是技术要求高、维护复杂;反应生成物太细小、除尘不易;腐蚀问题是技术关键。
喷雾干燥法是工业中应用比较高的脱硫工艺。
多年来国内外的学者一直不断进行该工艺的理论研究,来提高脱硫效率和脱硫剂的利用率。
2.2.2 炉内喷钙脱硫尾部增湿活化工艺
炉内喷钙加尾部增湿活化工艺是在炉内喷钙脱硫工艺的基础上在锅炉尾部增设了增湿段,以提高脱硫效率。
目前,该工艺在德国、法国、奥地利、芬兰等国已有工业运行装置,美国、加拿大等亦正在研究。
为了克服喷射吸收剂后,烟尘比电阻升高,影响除尘效果及脱硫效率不够高的弊端,芬兰IVO公司开发了炉内喷钙加尾部增湿活化工艺,即在锅炉尾部烟道上安装活化反应器,将烟气增湿,延长滞留时间,使剩余的吸收剂和SO2发生反应。
它适用于中、低硫煤锅炉,当Ca/S=2.5时,脱硫效率可达80%。
2.3湿法烟气脱硫技术
湿法烟气脱硫(WFGD)是指液体或浆状吸收剂在湿状态下脱硫和处理脱硫产物。
该法具有脱硫反应速度快、脱硫效率高等优点。
但其存在的结垢及烟气温降等问题也亟待解决。
在湿法烟气脱硫技术中比较成熟的技术主要有:
钙基、镁基、双碱法、氨法和海水脱硫法等。
最常用的钙基脱硫技术是以石灰石浆液吸收烟气中的二氧化硫,先生成亚硫酸钙,然后再被氧化为硫酸钙,即石灰石-石膏法。
许多学者在钙基吸附剂中加入了不同的添加剂,从而对其脱硫效果进行了不断改善。
通过水合作用将硫酸钙、氧化钙和粉煤灰合成为高活性的烟气脱硫吸附剂。
通过统计学实验设计和两种人工智能算法(神经网络和遗传运算法则),给出了吸附剂合成的完整模型和最优化方法。
还在不同条件下使用钙基吸附剂进行了烟气脱硫实验,并阐述了烟气中NO和O2在烟气脱硫过程中所产生的协同作用。
将RHA加入CaO中做成钙基吸附剂,并研究了RHA吸附剂脱硫活性的影响因素。
研究结果表明,在吸附剂的制备过程中,RHA的量、CaO的量、两者量的比及水合阶段是影响吸附剂脱硫活性的关键因素。
除此之外,吸附剂的物理性质如孔径分布和表面形态也是影响其脱硫活性的重要因素。
为了研究粉煤灰中Fe2O3含量对钙基脱硫性能的影响,分别以CaO和CaO与Fe2O3的混合物为吸收剂进行实验,并加以比较。
结果表明,加入一定量的,可以显著提高脱硫效率和氧化钙的利用率。
当温度在650~750℃时,Fe2O3与氧化钙的质量配比为1∶10时效果最好,脱硫效率可达94%,钙利用率为54%。
钙基脱硫技术是目前世界上技术最成熟的脱硫工艺之一,脱硫率在90%以上。
该法效率高,运行可靠性好;但却存在初期投资大,占地面积大,设备易结垢,有废水排放等缺点。
2.3.2 镁基烟气脱硫技术
本方法采用具有良好化学活性和来源丰富的MgO为原料,将其制成浆液,然后利用Mg(OH)2浆液吸收烟气中的SO2。
在实验室由碱性铁矿渣成功制备了Mg基脱硫剂,并通过模拟试验装置研究了其烟气脱硫效果。
模拟试验结果表明:
在Mg(OH)2乳浊液质量浓度21.2~42.4g/L、气液体积比5(L/m3)、烟气停留时间为30s的工况条件下,可将烟气中SO2质量浓度从1210mg/L降至140mg/L以下,脱硫的效率可达88.4%。
为更好的提高镁法湿法烟气脱硫的脱硫效率,从脱硫剂氧化镁的活性出发,通过X射线衍射分析研究了高温煅烧制备的氧化镁,得出随着碱式碳酸镁煅烧温度的升高,生成的氧化镁结晶程度越来越大,活性越来越差。
试验煅烧温度控制在550~800℃,升温时间采用4h,保温时间1.5h,在此试验条件下,活性最好的氧化镁的脱硫效率比活性最差的氧化镁脱硫效率平均提高约3%左右,从而在相同条件下降低了镁法脱硫的投资成本。
镁法脱硫比较复杂,费用也比较高,但不存在如钙基脱硫系统常见的结垢问题,终产物采用再生手段,既节约了吸收剂又省去了废物处理的麻烦,因此这种方法还是颇受青睐的。
2.3.3 双碱法烟气脱硫技术
双碱法烟气脱硫系统的特点是先用碱性吸收液进行脱硫,然后再用石灰乳和石灰石粉末再生吸收液。
以钠碱双碱法进行试验,即采用NaOH和Na2SO3吸收SO2,吸收液再用石灰或石灰石进行再生反应生成CaSO3或CaSO4沉淀,再生后的NaOH溶液返回洗涤器。
试验结果表明,吸收液的pH值应控制在6.5~7.0,当文氏管的液气比为1~2(L/m3),入口烟气中SO2质量浓度为1000~4000mg/L时,脱硫率可达95~98%。
以处理量为1800m3/h的亚硫酸钠循环法烟气脱硫装置为实验对象,着重研究吸收液pH值、液气体积比L/G、吸收液成份和脱硫剂初始浓度等因素对脱硫效率的影响,并对脱硫剂再生过程和再生清液的脱硫特性进行研究。
结果表明吸收液pH值决定硫成份在溶液中的状态,从而影响脱硫效率,当pH>6时,脱硫效率高且随pH增大变化平缓;当pH<6时,脱硫效率随pH减少急剧降低。
为抑制Na2SO3发生氧化副反应生成Na2SO4,通过调整pH值及加入抑制剂等方法研究了双碱法烟气脱硫系统中对亚硫酸盐氧化的抑制作用。
试验结果表明,当pH值从3.0增加到6.0时,亚硫酸盐的氧化速率迅速增加,当pH>6时,其氧化速率变化不明显,因此建议选择低pH值;当加入硫代硫酸钠为抑制剂时,发现其对于亚硫酸盐的氧化具有很强的抑制作用,随着硫代硫酸钠浓度的增加,其对于亚硫酸盐氧化的抑制作用增加,当硫代硫酸钠的浓度为12.67mol/L时,其对于亚硫酸盐氧化的抑制作用可达到97.6%。
双碱法由于采用液相吸收,而亚硫酸氢盐通常比亚硫酸盐更易溶解,从而可避免钙基脱硫法所经常遇到的结垢问题,且可以得到纯度较高的副产品石膏。
此法的缺点是,在操作过程中,Na2SO3会发生氧化副反应生成Na2SO4,Na2SO4较难再生,需不断地向系统中补充Na2SO3或NaOH,增加碱的耗量,且会影响副产物石膏的质量。
2.3.4 氨法烟气脱硫技术
氨法烟气脱硫,通常分为两步,即SO2的脱除和NH4HSO3的氧化。
前一步骤的主要目的是洗涤烟气中的SO2,净化烟气,并生成(NH4)2SO3溶液。
氧化过程则将(NH4)2SO3溶液氧化成(NH4)2SO4溶液,然后干燥结晶。
使用开放式连续氨法脱硫实验系统分别在反应环境温度为40℃、50℃、60℃、70℃、80℃和90℃条件下进行烟气脱硫实验。
实验结果表明,氨对SO2的脱除率最高达到99%,最低也在60%以上;在低温下脱硫率很高,随着温度的升高,脱硫率开始下降;温度继续升高,脱硫率则开始上升;大约温度为70±5℃时,脱硫率为最低。
因此在实际氨法脱硫工程中,脱硫过程温度宜控制在60以下或在80℃以上。
氨法烟气脱硫技术工艺简单,脱硫效率高,且副产物(NH4)2SO4可用作化肥。
但在脱硫过程中(NH4)2SO4溶液的氧化需要额外补充能量,增加了系统的能耗和运行费用;且氨的挥发损失,以及由此引起尾气中存在气溶胶,使得氨的利用率不高,同时产生了二次污染。
这些缺点都制约着氨法烟气脱硫技术的进一步发展。
2.3.5 海水脱硫技术
烟气中SO2被海水吸收转化成HSO3-和SO32-,此过程所产生的H+与海水中的CO32-、HCO3-反应生成CO2和H2O,这就使得海水具有较大的SO2吸收容量。
海水的天然碱度(pH值在7.3~8.6之间)是影响脱硫效率的主要因素,其中所含有的大量CO32-和HCO3-是控制海水pH值的主要因素。
研究了海水烟气脱硫过程中所排出的酸化海水的中和问题。
从吸收塔里排出的酸化海水在排放之前,先利用天然海水的碱度中和,再通过曝气池使CO2反渗透溶解到酸化海水中以强化中和效果。
研究结果表明,随着曝气速率、海水盐度、SO2的溶解浓度及温度的提高,中和速率加快。
该法以海水作为吸收剂,节约淡水资源,不存在废弃物处理及结垢堵塞等问题,且脱硫效率高,建设和运行费用低,适合我国的技术现状,但仅适用于沿海城市的废气处理,应用局限性较大。
2.3.6 微生物法烟气脱硫技术
微生物法烟气脱硫是利用微生物水溶液或悬浮乳液吸收气相中硫化物,然后利用微生物脱除液相中溶解的硫化物。
微生物脱硫过程是先利用厌氧菌种将硫酸盐还原为H2S,再经过好氧菌种把H2S氧化成硫,硫再与金属离子结合成硫化物沉淀。
利用自制的鼓泡反应器,进行了含氧化亚铁硫杆菌的酸性铁溶液脱除烟气中SO2的实验研究。
结果表明,Fe3+在脱硫实验过程中既有催化作用,又有氧化作用;细菌将Fe2+氧化为Fe3+,再通过Fe3+氧化脱硫。
当初始Fe3+质量浓度为7.37g/L时,脱硫10h,其效率仍高达80%;较细菌直接脱硫相比,脱硫率明显提高。
以电厂粉煤灰治理烟气中的SO2,利用粉煤灰中的碱性氧化物进行初级脱硫,同时脱硫细菌在适宜条件下的迅速繁殖将粉煤灰水中的不溶性Fe2O3离子化,使微生物脱硫和Fe3+的催化作用结合起来,脱硫效率能达到80%以上。
微生物法可在常温常压下操作,设备要求简单,投资少,能耗低,操作费用低,无二次污染;但也存在投资工艺不成熟,菌种的驯化时间较长等缺点。
2.4湿法和干法烟气脱硫的优缺点
湿法烟气脱硫技术以其脱硫效率高、适应范围广、钙硫比低、技术成熟、副产物石膏可做商品出售等优点,成为当今占主导地位的烟气脱硫方法。
另外该技术具有投资大、动力消耗大、占地面积大、设备复杂、运行费用和技术要求高等缺点,限制了它的发展速度。
干法脱硫技术与湿法相比具有投资少、占地面积小、运行费用低、设备简单、维修方便、烟气无需再热等优点,可是它却存在钙硫比高、脱硫效率低、副产物不能商品化等缺点。
3中小型锅炉烟气脱硫特点及技术
3.1中小型锅炉烟气脱硫的主要特点
小型锅炉是泛指容量在60t/h以下的锅炉。
在我国,4t/h以下的锅炉数量占小型锅炉总数的70%以上。
其主要特点为:
(1)功能以供热为主,基本都是工业锅炉;
(2)布局分散,遍及城乡各地,而且多处于人群聚居地和工商业区;
(3)燃料以煤为主,约占90%,燃油和燃气的小锅炉仅占10%左右;
(4)燃煤来源不稳定,一般多为统配煤,因此煤质不易保证,通常硫分在1%上下,灰分在20%以上;
(5)燃烧方式比较落后,90%以上的小锅炉都是低效的层燃炉,效率多在60%~75%之间,链条炉占2/3,往复炉占1/4,甚至还有振排炉、下饲炉和抛煤炉等;
(6)负荷波动较大,开停频繁,因此化学腐蚀严重,对设备、材料均有较高的要求;
(7)排放烟囱低矮,多在15~60m之间。
不易排放扩散,对生活带空气污染的贡献率高达40%~65%;
(8)烟气成分复杂,净化难度大,投资运行费用高,副产物的回收利用价值小;
(9)机械化和自控水平低,运行管理差,脱硫设备达标和连续运行相对困难。
3.2中小型锅炉烟气脱硫工艺的选择
中小型锅炉烟气脱硫工艺与大型火电厂的烟气脱硫工艺原理基本相同,工艺选择的依据原则也是一致的,即技术、经济和工程三统一的原则,技术上要成熟可行,经济上要合理,性价比高,工程上要具备实施的可能性。
迄今,经过实践检验的烟气脱硫工艺不下20种,真正适用于中小型锅炉的却不多,因此必须根据其特点和具体实施的条件加以综合、分析和比较才能确定。
在比较中,要强调因地、因厂、因炉制宜,不可随意、随机、随大流,必须严格执行有关排放标准和总量控制,不可过分追求脱硫效率和经济效益,应当立足于“短、易、实”,即短流程,易操作,实在有效。
从总体上讲,确定中小型锅炉烟气脱硫适用工艺的条件主要取决于以下3项:
(1)锅炉的容量,即需处理的烟气量;
(2)燃煤的硫分,直接影响烟气的SO2浓度;
(3)环境排放标准。
总而言之,湿式工艺的普遍优势是脱硫效率较高,大多在90%~95%以上,对烟气浓度的适应能力较强。
主要劣势是占地多,设备腐蚀严重,废水须处理。
干(半干)式工艺的普遍优势是流程短,占地少,无腐蚀,一次投资比湿法节省1/4。
但其主要劣势是脱硫效率相对较低,一般只有85%~90%。
湿式或干(半干)式烟气脱硫工艺共同的特点是处理中小烟气量和SO2中低浓度;副产物基本上都需要妥善处理。
因此,中小型锅炉烟气脱硫适用技术选择的难点在于更加着重于经济性和差异性,所谓经济性就是在性价比方面的要求可能更高,差异性就是在因地制宜,因厂制宜,甚至因炉制宜方面的要求可能更加具体和凸显重要。
3.3适用于中小型锅炉烟气脱硫的主要技术
以石灰为脱硫剂,制成乳液对烟气进行洗涤,吸收其中的SO2。
这个化学过程既简单又复杂。
在CaO-SO2-SO3-CO2-H2O体系中存在着一系列的平衡关系。
石灰中的Ca、Mg,飞灰中的K、Na、Cl等,气体中的CO2、SO2、SO3、O2和NOx等相互作用,可以生成40多种酸性或中性产物和7种固体物质。
其中,离子型反应22个,固液反应6个,气液反应2个。
这是一个十分复杂的气-液-固三相体系。
其中的不少机理至今还未被揭示。
石灰法处理烟气时,用一定浓度的石灰乳吸收二氧化硫,生成亚硫酸钙,其反应如
(1)式所示:
Ca(OH)2+SO2→CaSO3·1/2H2O+1/2H2
(1)
反应生成的亚硫