濕法脫硫工藝吸收塔及塔內(nèi)件的設(shè)計(jì)選型
1 吸收塔塔型的選擇
在濕法脫硫工藝中，吸收塔是一個(gè)核心部件，一個(gè)濕法脫硫工程能否成功，關(guān)鍵看吸收塔、塔內(nèi)件及與之相匹配的附屬設(shè)備的設(shè)計(jì)選型是否合理可靠。在脫硫工程中運(yùn)行阻力小、操作方便可靠的吸收塔和塔內(nèi)件的布置形式，將具有較大的發(fā)展前景。
目前，在國(guó)內(nèi)的脫硫工程中，應(yīng)用較多的吸收塔塔型有噴淋吸收空塔、托盤塔、液柱塔、噴射式鼓泡塔等。國(guó)內(nèi)學(xué)者曾在實(shí)驗(yàn)室里對(duì)各種塔型做了實(shí)驗(yàn)測(cè)試（見(jiàn)圖1），從測(cè)試情況看，在塔內(nèi)煙氣流速相同的情況下，噴淋吸收空塔的系統(tǒng)阻力最小，液柱塔的阻力次之，托盤塔的阻力相對(duì)較大。
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由于噴淋吸收空塔塔內(nèi)件較少，結(jié)垢的機(jī)率較小，運(yùn)行維修成本較低，因此噴淋吸收空塔已逐漸成為目前應(yīng)用最廣泛的塔型之一。圖2為噴淋吸收空塔（以下簡(jiǎn)稱吸收塔）的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
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2 噴淋吸收空塔主要工藝設(shè)計(jì)參數(shù)
（1）煙氣流速
在保證除霧器對(duì)煙氣中所攜帶水滴的去除效率及吸收系統(tǒng)壓降允許的條件下，適當(dāng)提高煙氣流速，可加劇煙氣和漿液液滴之間的湍流強(qiáng)度，從而增加兩者之間的接觸面積。同時(shí)，較高的煙氣流速還可持托下落的液滴，延長(zhǎng)其在吸收區(qū)的停留時(shí)間，從而提高脫硫效率。
另外，較高的煙氣流速還可適當(dāng)減少吸收塔和塔內(nèi)件的幾何尺寸，提高吸收塔的性價(jià)比。在吸收塔中，煙氣流速通常為3～4.5m/s。許多工程實(shí)踐表明，3.6m/s≤煙氣流速（110%過(guò)負(fù)荷）≤4.2m/s是性價(jià)比較高的流速區(qū)域。
（2）液氣比(L/G)
L/G決定了SO2的吸收表面積。在吸收塔中，噴淋霧滴的表面積與漿液的噴淋速率成一定的比例關(guān)系。當(dāng)煙氣流速確定以后，L/G成為了影響系統(tǒng)性能的最關(guān)鍵變量，這是因?yàn)闈{液循環(huán)率不僅會(huì)影響吸收表面積，還會(huì)影響吸收塔的其他設(shè)計(jì)，如霧滴的尺寸等。 L/G的主要影響因素有：吸收區(qū)體積、SO2的去除效率、吸收塔空塔速率、原煙氣的SO2濃度、吸收塔漿液的氯含量等。
根據(jù)吸收塔吸收傳質(zhì)模型及氣液平衡數(shù)據(jù)計(jì)算出液氣比(L/G)，從而確定漿液循環(huán)泵的流量。
美國(guó)能源部編制的FGD－PRISM程序的優(yōu)化計(jì)算，L/G以15L/m3 為宜，此時(shí)，SO2的去除效率已接近 100％。L/G超過(guò)15.5L/m3 后，脫硫效率的提高非常緩慢，而且提高L/G將使?jié){液循環(huán)泵的流量增大，增加循環(huán)泵的設(shè)備費(fèi)用，同時(shí)還會(huì)提高吸收塔的壓降，加大增壓風(fēng)機(jī)的功率及設(shè)備費(fèi)用。
（3）吸收塔漿池尺寸
吸收塔漿池尺寸可通過(guò)以下工藝設(shè)計(jì)參數(shù)確定：
1）石膏顆粒（晶種）生長(zhǎng)的停留時(shí)間
濕法脫硫系統(tǒng)中，亞硫酸鈣、硫酸鈣的析出是在循環(huán)漿液的固體顆粒（晶種）表面上進(jìn)行的，為了晶體的生長(zhǎng)和結(jié)晶，循環(huán)漿池里的石膏顆粒必須有足夠的停留時(shí)間，反應(yīng)時(shí)間也必須足夠長(zhǎng)。停留時(shí)間的計(jì)算公式為：
ＲＴ＝（Ｖ×ρ× SC）/TSP
其中：RT—停留時(shí)間（min）；TSP—石膏成品產(chǎn)量（干基）(kg/min)；Ｖ—漿池體積（m3 ）；ρ—漿液密度（kg/m3 ）；SC—漿液含固量（%）。 如生產(chǎn)的石膏要在水泥或石膏行業(yè)使用，F(xiàn)GD的石膏成品含水量必須<10%，石膏必須結(jié)晶成平均直徑為 35～50μm的立方晶體，停留時(shí)間必須>15小時(shí)。對(duì)于拋棄系統(tǒng)，由于石膏成品要被拋棄，石膏成品含水量可 >15%，這樣系統(tǒng)的停留時(shí)間可縮小到10小時(shí)左右。
2）石灰石溶解的停留時(shí)間
如要求吸收塔內(nèi)的石灰石充分溶解，則石灰石在循環(huán)漿池內(nèi)必須有足夠長(zhǎng)的停留時(shí)間。一般來(lái)說(shuō)，石灰石的停留時(shí)間須>4.3min。石灰石溶解的停留時(shí)間按下式計(jì)算：
T=V/（N×RF） 其中：T—停留時(shí)間（min）；Ｖ—漿池體積（m3 ）； N—循環(huán)泵數(shù)；RF—單臺(tái)循環(huán)泵流量（m3 /h）。
3）氧化反應(yīng)的體積和氧氣從空氣轉(zhuǎn)移到液體的深度氧氣從空氣轉(zhuǎn)移到液體的深度，是指吸收塔漿液池內(nèi)釋放氧化空氣的曝氣管或噴槍的位置。亞硫酸鹽或亞硫酸氫鹽的氧化分為兩部分，一部分是吸收塔內(nèi)煙氣中的氧氣進(jìn)入漿液液滴的自然氧化，另一部分是空氣通過(guò)曝氣管網(wǎng)進(jìn)入漿液池后的強(qiáng)制氧化。
具體計(jì)算時(shí)，應(yīng)先根據(jù)煙氣中的氧氣含量和SO2入口濃度，確定自然氧化和強(qiáng)制氧化的比例，計(jì)算出強(qiáng)制氧化SO2需要的理論空氣量，再考慮一定的空氣富裕量，即氧硫比β。
實(shí)際空氣用量計(jì)算公式:
實(shí)際空氣[(kg/min)]=計(jì)算氧化空氣 [(kg/min)]×氧硫比(β)
根據(jù)以上1）、2），并結(jié)合3）可計(jì)算出吸收塔漿池的體積，取最大值后根據(jù)直徑計(jì)算出漿液池高度，再根據(jù)理論氧化空氣量和氧硫比β計(jì)算出實(shí)際空氣用量。
3 吸收塔的結(jié)構(gòu)尺寸
（1）吸收塔吸收區(qū)高度（見(jiàn)下表）
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（2）煙氣進(jìn)口底部至漿液面的距離考慮到漿液鼓入氧化空氣和攪拌時(shí)液位會(huì)有所波動(dòng)，加之該區(qū)間需接進(jìn)料接管, 因此煙氣進(jìn)口底部至漿液面的距離一般定為800～1200mm為宜。
（3）煙氣進(jìn)出口高度
根據(jù)進(jìn)出口煙氣流速及煙氣量確定進(jìn)出口面積。一般希望進(jìn)氣在塔內(nèi)能分布均勻, 且煙道呈方形, 故寬/高取值較大, 而高度尺寸則取值較小。
4 吸收塔的內(nèi)件設(shè)計(jì)
（1）噴嘴
噴嘴將循環(huán)漿液分散成小液滴以增大氣液接觸面積，從而沖洗、冷卻煙氣。噴嘴的類型和材料隨濕法脫硫工藝的不同和處理液體性質(zhì)的變化而變化。一般情況下，噴嘴的類型由濕法脫硫系統(tǒng)的特殊要求等來(lái)確定。
目前，在濕法脫硫系統(tǒng)中常用的噴嘴有切向噴嘴、軸向噴嘴、螺旋形噴嘴。
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切向噴嘴（見(jiàn)圖3）通常形成中空?qǐng)A錐噴流型式，這樣大部分霧滴噴出時(shí)會(huì)形成一個(gè)環(huán)狀（見(jiàn)圖4）。這種噴嘴是將漿液沿切線方向引入旋轉(zhuǎn)室，并通過(guò)與入口成90°的孔排出，在旋轉(zhuǎn)室內(nèi)沒(méi)有任何部件。由于切向噴嘴價(jià)格只有螺旋噴嘴的一半，因此其性能價(jià)格比比螺旋噴嘴高。如果在旋流腔的封閉端裝有葉片，則會(huì)形成實(shí)心圓錐噴流型式。
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軸向噴嘴（見(jiàn)圖5）產(chǎn)生的是實(shí)心圓錐噴流型式（見(jiàn)圖6）。與切向噴嘴相比，軸向噴嘴產(chǎn)生相同粒度的液滴時(shí)壓降較小，即在壓降相同時(shí)，其液滴的粒度會(huì)更小。
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螺旋噴嘴（見(jiàn)圖7）產(chǎn)生的是一系列同心中空?qǐng)A錐噴流型式（見(jiàn)圖8）。與軸向噴嘴一樣，其入口和出口也在同一條中心軸上，但其內(nèi)部沒(méi)有微調(diào)葉片，而是將噴嘴本身設(shè)計(jì)成一個(gè)直徑不斷縮小的螺旋形狀，從而將液流剪切成兩個(gè)或更多的同心螺旋環(huán)。在噴嘴下面一米處的截面上的噴射模式是由一個(gè)或多個(gè)同心環(huán)構(gòu)成。只有一個(gè)同心環(huán)的噴嘴是空心錐；有多個(gè)同心環(huán)的噴嘴是實(shí)心錐。螺旋噴嘴形成的液滴尺寸與中空?qǐng)A錐噴流型的切向噴嘴差不多，但壓降更小。當(dāng)壓力相同，液體流量更大時(shí)，螺旋噴嘴比軸向噴嘴更適合一些。但是螺旋噴嘴因結(jié)構(gòu)較脆弱，在對(duì)吸收塔進(jìn)行維護(hù)時(shí)易被損壞。
在濕法脫硫中噴嘴的材料一般有以下幾種：
1）氮連接碳化硅（SNBSC）。用于制造空心錐形噴霧的切線型噴嘴。該材料防腐防銹性能優(yōu)良，但斷裂系數(shù)低、抗沖擊性能極差。
2）反應(yīng)連接碳化硅（RBSC）。用于制造螺旋型噴嘴。該材料防腐防銹性能優(yōu)良，斷裂系數(shù)是SNBSC的5～ 7倍，不耐沖擊。
3）鈷合金6（cobalt alloy6-AMS 5387）。用于制造螺旋實(shí)心錐形噴霧噴嘴。該材料防腐防銹性能優(yōu)良，抗沖擊能力強(qiáng)。
4）聚氨酯（polyurethane）。該材料防腐防銹性能優(yōu)良，所有的MP和TH系列噴嘴都可以采用聚氨酯材料制造。
相對(duì)而言，反應(yīng)連接的碳化硅材料，在濕法脫硫中應(yīng)用較為廣泛。
噴嘴的連接型式有法蘭連接、絲扣連接和承插連接三種。如噴漿管用FRP或PP材料，則宜采用后兩者連接方式。
（2）噴淋層
吸收塔噴淋層的設(shè)計(jì)，應(yīng)使噴淋層的布置達(dá)到所要求的噴淋漿液的覆蓋率，使吸收漿液與煙氣充分接觸，以保證在適當(dāng)?shù)腖/G條件下能可靠地實(shí)現(xiàn)所要求的脫硫效率，且在吸收塔的內(nèi)表面不產(chǎn)生結(jié)垢。
一個(gè)噴淋層由帶連接支管的漿液母管和噴嘴組成（見(jiàn)圖9）。漿液循環(huán)一般采用單元制設(shè)計(jì)，每個(gè)噴淋層配一臺(tái)吸收塔再循環(huán)泵，從而保證吸收塔內(nèi)所要求的漿液噴淋覆蓋率。各層噴嘴在上下空間上應(yīng)錯(cuò)開(kāi)布置，應(yīng)保證漿液重疊覆蓋率至少達(dá)170%～ 250%，即噴嘴頂端下0.9m的錐形噴霧覆蓋的面積乘以每層的噴嘴數(shù)，應(yīng)等于能覆蓋170%～250%的吸收塔橫截面的面積。
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為保證選擇的噴嘴在工作流量條件下能滿足對(duì)煙氣的噴淋效果，每一層噴淋層的所有噴嘴在設(shè)計(jì)布置時(shí)，應(yīng)進(jìn)行仔細(xì)計(jì)算，反復(fù)調(diào)整，以避免出現(xiàn)噴淋死角。另外，噴嘴的設(shè)計(jì)還應(yīng)保證每個(gè)圓形螺旋形區(qū)域具有相同的噴霧密度。
（3）除霧器
1）除霧器功能簡(jiǎn)介
除霧器用來(lái)分離煙氣所攜帶的液滴。在吸收塔內(nèi)，由上下二級(jí)除霧器（水平式或菱形）及沖洗水系統(tǒng)（包括管道、閥門和噴嘴等）組成。
經(jīng)過(guò)凈化處理后的煙氣，在流經(jīng)兩級(jí)臥式除霧器后，其所攜帶的漿液微滴被除去。從煙氣中分離出來(lái)的小液滴慢慢凝聚成較大的液滴，然后沿除霧器葉片往下滑落至漿液池。在一級(jí)除霧器的上、下部及二級(jí)除霧器的下部，各有一組帶噴嘴的集箱。集箱內(nèi)的除霧器清洗水經(jīng)噴嘴依次沖洗除霧器中沉積的固體顆粒。經(jīng)洗滌和凈化后的煙氣流出吸收塔，最終通過(guò)煙氣換熱器和凈煙道排入煙囪。
2）除霧器的要求
在濕法脫硫系統(tǒng)中，對(duì)除霧器的一般要求為：在正常運(yùn)行工況下除霧器出口煙氣中的霧滴濃度應(yīng)不大于 75mg/m3 ；盡可能地將≤15μm的微滴除掉；系統(tǒng)的壓力降要。粺o(wú)堵塞；容易清洗。其中，無(wú)堵塞、高效率是選擇除霧器的關(guān)鍵。
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3）除霧器的形式
除霧器從工作原理上可分為折流板和旋流板兩種形式。在大濕法中折流板除霧器應(yīng)用的較多。折流板除霧器中兩板之間的距離為30～50mm，煙氣中的液滴在折流板中曲折流動(dòng)與壁面不斷碰撞凝聚成大顆粒液滴后在重力作用下沿除霧器葉片往下滑落，直到漿液池，從而除去煙氣所攜帶的液滴。工作原理如圖10所示。
折流板除霧器從結(jié)構(gòu)形式上，又可分為平板式和屋頂式兩種（見(jiàn)圖11、圖12）。其中，平板式除霧器一般設(shè)兩層, 由多片波形板組成, 整齊地鋪設(shè)在支承梁上。其材料要求有一定剛度, 在氣體通過(guò)時(shí)不會(huì)波動(dòng)變形, 安裝、檢修人員踩壓在上面時(shí)也不會(huì)歪塌。歐洲國(guó)家的脫硫裝置, 為改善耐溫性能, 當(dāng)溫度>90℃時(shí), 首選材料是添加了滑石粉的增強(qiáng)聚丙烯, 美國(guó)一般用玻璃纖維增強(qiáng)塑料(FRP) , 而在我國(guó)，這兩種材料均有應(yīng)用。屋頂式除霧器是近年來(lái)興起的一種高效除霧器，其優(yōu)點(diǎn)是允許更高的空塔速度和較高的除霧效率，提高了塔內(nèi)煙氣擾度和湍流烈度，提高了脫硫效率。
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（4）氧化空氣管網(wǎng)
在大濕法中，氧化空氣進(jìn)入吸收塔漿液池的形式一般有氧化曝氣管和噴槍兩種。其中，噴槍的形式較為簡(jiǎn)單。而氧化曝氣管是一種帶許多小孔的開(kāi)放式管路，由于采用多重進(jìn)口設(shè)計(jì)，可在操作過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)噴管的沖洗，提高運(yùn)行可靠性；氧化空氣通過(guò)曝氣管上均勻分布的氣孔進(jìn)入漿液池，在攪拌器切割、擾動(dòng)下與漿液池中的亞硫酸鹽進(jìn)行充分反應(yīng)生成穩(wěn)定的硫酸鹽。
曝氣管采用主管側(cè)面開(kāi)孔、末端開(kāi)放式端口的形式（液體密封），以避免擴(kuò)散管結(jié)垢，保證設(shè)備正常運(yùn)行。曝氣管的運(yùn)用可提高氧的利用率，降低設(shè)備運(yùn)行所需的動(dòng)力。每個(gè)曝氣管在吸收塔外用一個(gè)截止閥與一個(gè)沖洗水管相連，以便在正常運(yùn)行時(shí)，對(duì)每一組擴(kuò)散管進(jìn)行清洗。多個(gè)工程的運(yùn)行顯示，在正常工況下，一般不需對(duì)氧化曝氣管進(jìn)行清洗。
自清洗式氧化曝氣管系統(tǒng)的主要特點(diǎn)為：氧化空氣分布均勻，氧化性能高，保證石膏的生成效果和質(zhì)量；系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壓降小，方便檢修和清洗；在氧化空氣用量較低的情況下，能保證氧化反應(yīng)的徹底進(jìn)行；氧化空氣分布裝置設(shè)計(jì)獨(dú)特，具有自清洗功能，可有效防止分布管的堵塞。
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氧化空氣管網(wǎng)的設(shè)計(jì)要求為：管道強(qiáng)度以及撓度不超過(guò)1/400；氧化管網(wǎng)可采用FRP或PP管道；所有用于支撐氧化管連接配件的金屬材料需防腐或采用耐磨合金。
圖13為自清洗式氧化曝氣管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
（5）攪拌器及濾網(wǎng)
為避免吸收塔漿液池內(nèi)的晶粒沉積，保證氧化空氣與亞硫酸鹽的充分接觸與反應(yīng)，在吸收塔漿液池內(nèi)，通常設(shè)置側(cè)進(jìn)式攪拌器（見(jiàn)圖14），側(cè)進(jìn)式攪拌器的基本要求如下：
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1）保證塔內(nèi)石膏漿液離底懸浮，使氧化空氣分布最優(yōu)；
2）所有與介質(zhì)接觸的攪拌器材料能耐20000ppm濃度的氯離子，攪拌器葉片和軸材料為1.4529不銹鋼； 3）軸、軸承能承受漿葉上的作用力，在扭矩和彎矩的作用下，能保持軸剛性；
4）攪拌器接口與吸收塔易于安裝連接，并能確保在動(dòng)載荷作用下，接口處漿液不會(huì)泄露，可以長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行；
5）軸的機(jī)械密封能承受腐蝕和磨損，結(jié)構(gòu)上保證在吸收塔正常工作時(shí)能進(jìn)行維修、更換，而不需停車。
另外，為防止吸收塔漿液池內(nèi)大直徑固體顆粒進(jìn)入循環(huán)漿液泵或石膏排出泵，引起泵體的磨損及噴嘴和旋流子的堵塞，在這些泵的吸入口，常常設(shè)置過(guò)濾網(wǎng)（見(jiàn)圖15）。
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濾網(wǎng)及網(wǎng)孔的基本要求如下：
1）網(wǎng)孔面積應(yīng)為泵吸入口面積的3倍以上；
2）網(wǎng)孔在篩網(wǎng)半圓柱體及頂部蓋板上應(yīng)按比例分布；
3）過(guò)濾網(wǎng)的材料一般采用PP、FRP或1.4529不銹鋼；
4）PP、FRP板厚度按設(shè)計(jì)壓力6kg/cm2 進(jìn)行計(jì)算。
5 結(jié)語(yǔ)
以上扼要介紹了濕法脫硫中較為常見(jiàn)的吸收塔—噴淋空塔及塔內(nèi)件的設(shè)計(jì)要求、結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料的選擇原則。在進(jìn)行具體工程設(shè)計(jì)時(shí)，技術(shù)人員還應(yīng)結(jié)合煤質(zhì)狀況、鍋爐負(fù)荷變化、脫硫場(chǎng)地大小及業(yè)主的合理要求等因素進(jìn)行綜合考慮。必要時(shí)，還應(yīng)通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的吸收塔內(nèi)的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，以優(yōu)化、調(diào)整塔內(nèi)件的結(jié)構(gòu)布置，從而設(shè)計(jì)出脫硫效率較高，能耗較低，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠的吸收塔。
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