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1、1 8)研Resea究rch进Progr展ess 屈 鼹瑟屋 嚼 翳胸 钧 四 孙琦明(浙江蓝天求是环保集团有限公司，杭州3 1 0 0 1 2)摘要：本文着重介绍了湿式石灰石 石膏烟气脱硫工艺中的核心设备吸收塔的结构形式及喷嘴、喷淋层、除雾器、侧进式搅拌器、氧化空气管等塔内件的设计要求。关键词：吸收塔；喷嘴；喷淋层；除雾器；侧进式搅拌器 中图分类号：X 7 0 1 3 文献标志码：A 文章编号：1 0 0 8 5 3 7 7(2 0 0 7)0 4 0 0 1 8 0 5 M o d e l S e l e c t i o n o f De s i g n f o r Ab s o r b
2、i n g T o we r a n d I t S I n s i d e F i t t i n g s i n We t Pr o c e s s o f FGD T e c h n o l o g y SUN Qi mi n g 1 吸收塔塔型的选择 在湿法脱硫工艺中，吸收塔是一个核心部件，一个 湿法脱硫工程能否成功，关键看吸收塔、塔内件及与之 相匹配的附属设备的设计选型是否合理可靠。在脱硫工 程中运行阻力小、操作方便可靠的吸收塔和塔内件的布 置形式，将具有较大的发展前景。目前，在国内的脱硫工程中，应用较多的吸收塔塔型有 喷淋吸收空塔、托盘塔、液柱塔、喷射式鼓泡塔等。国内学者 曾在实验
3、室里对各种塔型做了实验测试(见图1)，从测试情 况看，在塔内烟气流速相同的情况下，喷淋吸收空塔的系统 阻力最小，液柱塔的阻力次之，托盘塔的阻力相对较大。至 4 0 3 0 。蓍10 萎?喷淋吸收空塔 2 5 0 重2 0 0 垂 。蓍10 0 萎 5 0 塔内风速(m s)喷淋托盘塔 塔 内风速(m s)喷淋液柱塔 图1主要吸收塔塔型测试情况 中一环保产业 2 0 0 7 4 -一 j“I 1 一一 I I 1 I 由于喷淋吸收空塔塔 内件较少，结垢的机率较小，运行维修成本较低，因此喷淋吸收空塔已逐渐成为 目前 应用最广泛的塔型之一。图2 为喷淋吸收空塔(以下简 称吸收塔)的结构简图。图2 喷
4、淋吸收空塔 结构 2 喷淋吸收空塔主要工艺设计参数(1)烟 气流速 在保证除雾器对烟气中所携带水滴的去除效率及吸 收系统压降允许的条件下，适当提高烟气流速，可加剧 烟 气和 浆液液滴 之间的湍流强度，从而增加两者之间的 接触面积。同时，较高的烟气流速还可持托下落的液 滴，延长其在吸收区的停留时间，从而提高脱硫效率。维普资讯 http:/ 另外，较高的烟气流速还可适当减少吸收塔和塔内件的 几何尺寸，提高吸收塔的性价比。在吸收塔中，烟气流 速通常为3 4 5 m s。许多工程实践表明，3 6 m s 烟 气流速(1 l 0 过负荷)4 2 m s 是性价比较高的流速 区域。(2)液 气比(L G)
5、L G决定了S O，的吸收表面积。在吸收塔中，喷淋 雾滴的表面积与浆液的喷淋速率成一定的比例关系。当 烟气流速确定以后，L G成为了影响系统性能的最关键 变量，这是因为浆液循环率不仅会影响吸收表面积，还 会影响吸收塔的其他设计，如雾滴的尺寸等。L G的主要影响因素有：吸收区体积、S O，的去除 效率、吸收塔空塔速率、原烟气的S O，浓度、吸收塔浆 液的氯含量等。根据吸收塔吸收传质模型及气液平衡数据计算出液 气 B(L G)，从而确定浆液循环泵的流量。美国能源部编制的F GDP RI S M程序的优化计 算，L G以l 5 L m 为宜，此时，S O，的去除效率已接近 1 0 0。L G 超过l
6、 5 5 L m 后，脱硫效率的提高非常缓 慢，而且提高L G 将使浆液循环泵的流量增大，增加循 环泵的设备费用，同时还会提高吸收塔的压降，加大增 压风机的功率及设备费用。(5)吸 收塔 浆池尺寸 吸收塔浆池尺寸可通过以下工艺设计参数确定：1)石膏颗粒(晶种)生长的停留时间 湿法脱硫系统中，亚硫酸钙、硫酸钙的析出是在循 环浆液的固体颗粒(晶种)表面上进行的，为了晶体的 生长和结晶，循环浆池里的石膏颗粒必须有足够的停 留时间，反应时间也必须足够长。停 留时间的计算公 式为：RT=(VX p X S C)TS P 其中：R T 停留时间(rai n)；T S P 一石膏成品产 量(干基)(k g
7、mi n)；V一浆池体积(m)；p 一浆液 密度(k g m)；S C 一浆液含固量()。如生产的石膏要在水泥或石膏行业使用，F G D的石 膏成品含水量必须l 5 小时。对于 抛弃系统，由于石膏成品要被抛弃，石膏成品含水量可 l 5，这样系统的停留时间可缩小到l 0 小时左右。2)石灰石溶解的停留时间 研 I究 I进 I展 l 1 9Research Prog re ss l 如要求吸收塔内的石灰石充分溶解，则石灰石在循 环浆池内必须有足够长的停留时间。一般来说，石灰石 的停留时间须4 3 mi n。石灰石溶解的停留时间按下式 计算：T=V (N X RF)其中：卜停留时间(mi n)；V一
8、浆池体积(m)；N一循环泵数；R F 一单台循环泵流量(m h)。3)氧化反应的体积和氧气从空气转移到液体的深度 氧气从空气转移到液体的深度，是指吸收塔浆液池 内释放氧化空气的曝气管或喷枪的位置。亚硫酸盐或亚 硫酸氢盐的氧化分为两部分，一部分是吸收塔内烟气中 的氧气进入浆液液滴的自然氧化，另一部分是空气通过 曝气管网进入浆液池后的强制氧化。具体计算时，应先根据烟气中的氧气含量和S O，入 口浓度，确定 自然氧化和强制氧化的比例，计算出强 制氧化S O，需要的理论空气量，再考虑一定的空气富裕 量，即氧硫 比p。实际空气用量计算公式：实际空气(k g m i n)=计算氧化空气【(k g m i
9、n)X氧 硫比(p)根据以上1)、2)，并结合3)可计算出吸收塔浆池 的体积，取最大值后根据直径计算出浆液池高度，再根 据理论氧化空气量和氧硫 比p 计算出实际空气用量。3 吸收塔的结构尺寸(1)吸 收塔吸收 区高度(见下表)吸收塔吸收区高度参数表(2)烟气进 12底部至浆液面的距离 考虑到浆液鼓入氧化空气和搅拌时液位会有所波动，加之该区间需接进料接管，因此烟气进E l 底部至浆液面的 距离一般定为8 0 0-1 2 0 0 mm宜。(5)烟 气进 出口高度 CHI N A E NVI R 0N ME N TAL P R OT E CT1 0N I NDU ST RY 2 0 0 7 4 维普
10、资讯 http:/ 2 0 根据进出口烟气流速及烟气量确定进出口面积。一 般希望进气在塔内能分布均匀，且烟道呈方形，故宽 高 取值较大，而高度尺寸则取值较小。4 吸收塔的内件设计(1)喷嘴 喷嘴将循环浆液分散成小液滴以增大气液接触面 积，从而冲洗、冷却烟气。喷嘴的类型和材料随湿法 脱硫工艺的不同和处理液体性质的变化而变化。一般 情况下，喷嘴的类型由湿法脱硫系统的特殊要求等来 确定。目前，在湿法脱硫系统中常用的喷嘴有切向喷嘴、轴向喷嘴、螺旋形喷嘴。切向喷嘴(见图3)通常形成中空圆锥喷流型式，这样大部分雾滴喷出时会形成一个环状(见图4)。这 种喷嘴是将浆液沿切线方向引入旋转室，并通过与入口 成9
11、0。的孑 L 排出，在旋转室内没有任何部件。由于切向 喷嘴价格只有螺旋喷嘴的一半，因此其性能价格比比螺 旋喷嘴高。如果在旋流腔的封闭端装有叶片，则会形成 实心圆锥喷流型式。图3切向喷嘴 图4切向喷嘴喷淋照片 轴向喷嘴(见图5)产生的是实心圆锥喷流型式(见 图6)。与切向喷嘴相比，轴向喷嘴产生相同粒度的液滴 时压降较小，即在压降相同时，其液滴的粒度会更小。存 图5轴向喷嘴结构示意 图6轴向喷嘴喷淋照片 螺旋喷嘴(见图7)产生的是一系列同心 中空圆锥 喷流型式(见图8)。与轴向喷嘴一样，其入E l 和出E l 也在 同一条中心轴上，但其内部没有微调叶片，而是 将喷嘴本身设计成一个直径不断缩小 的螺
12、旋形状，从 中曩环保产业 2 0 0 7，4 而将液流剪切成两个或更多的同心螺旋环。在喷嘴下 面一米处的截面上的喷射模式是 由一个或多个同心环 构成。只有一个同心环的喷嘴是空心锥；有多个 同心 环的喷嘴是实心锥。螺旋喷嘴形成的液滴尺寸与中空 圆锥喷流型的切向喷嘴差不多，但压降更小。当压力 相同，液体流量更大时，螺旋喷嘴 比轴向喷嘴更适合 一些。但是螺旋喷嘴因结构较脆弱，在对吸收塔进行 维护时易被损坏。一 一 图7螺旋喷嘴 图8螺旋喷嘴喷淋照片 在湿法脱硫中喷嘴的材料一般有以下几种：1)氮连接碳化硅(S NB S C)。用于制造空心锥形 喷雾的切线型喷嘴。该材料防腐防锈性能优 良，但断裂 系数低
13、、抗冲击性能极差。2)反应连接碳化硅(R B S C)。用于制造螺旋型喷 嘴。该材料防腐防锈l 生 能优 良，断裂系数是S NB S C 的5 7 倍，不耐冲击。3)钻合金6(c o b a l t a l l o y 6-A MS 5 3 8 7)。用于制 造螺旋实心锥形喷雾喷嘴。该材料防腐防锈性能优 良，抗冲击能力强。4)聚氨酯(p o l y u r e t h a n e)。该材料防腐防锈性 能优良，所有的MP 和T H系列喷嘴都可以采用聚氨酯材 料制造。相对而言，反应连接的碳化硅材料，在湿法脱硫中 应用较为广泛。喷嘴的连接型式有法兰连接、丝扣连接和承插连接 三种。如喷浆管用F RP
14、或P P 材料，则宜采用后两者连 接方式。(2)喷淋层 吸收塔喷淋层的设计，应使喷淋层的布置达到所要 求的喷淋浆液的覆盖率，使吸收浆液与烟气充分接触，以保证在适当的L G 条件下能可靠地实现所要求的脱硫 效率，且在吸收塔的内表面不产生结垢。一个 喷淋层 由带连接支管 的浆液母 管和喷嘴组 成(见图9)。浆液循环一般 采用单元制设计，每个 维普资讯 http:/ 喷淋层配一台吸收塔再循环泵，从而保证吸收塔 内 所要求的浆液喷淋覆盖率。各层 喷嘴在上下空间上 应错开布置，应保证浆液重叠覆盖率至少达 1 7 0 2 5 0，即喷嘴顶端下0 9 m的锥形喷雾覆盖 的面积乘 以每层的喷嘴数，应等于能覆盖
15、1 7 0 2 5 0 的吸收 塔 横 截面 的 面积。图9 喷淋层平、剖面示意 为保证选择的喷嘴在工作流量条件下能满足对烟气 的喷淋效果，每一层喷淋层的所有喷嘴在设计布置时，应进行仔细计算，反复调整，以避免出现喷淋死角。另 外，喷嘴的设计还应保证每个圆形螺旋形区域具有相同 的喷雾密度。(5)除雾器 1)除雾器功能简介 除雾器用来分离烟气所携带的液滴。在吸收塔内，由上下二级除雾器(水平式或菱形)及冲洗水系统(包 括管道、阀门和喷嘴等)组成。经过净化处理后的烟气，在流经两级卧式除雾器 后，其所携带的浆液微滴被除去。从烟气中分离出来的 小液滴慢慢凝聚成较大的液滴，然后沿除雾器叶片往下 滑落至浆液池
16、。在一级除雾器的上、下部及二级除雾器 的下部，各有一组带喷嘴的集箱。集箱内的除雾器清洗 水经喷嘴依次冲洗除雾器中沉积的固体颗粒。经洗涤和 净化后的烟气流出吸收塔，最终通过烟气换热器和净烟 道排人烟囱。2)除雾器的要求 在湿法脱硫系统中，对除雾器的一般要求为：在正 常运行工况下除雾器出口烟气中的雾滴浓度应不大于 7 5 mg m；尽可能地将 1 5 m的微滴除掉；系统的压 力降要小；无堵塞；容易清洗。其中，无堵塞、高效率 是选择除雾器的关键。3)除雾器的形式 除雾器从工作原理上可分为折流板和旋流板两种 形式。在大湿法中折流板除雾器应用的较多。折流板 R研e s eIa究r c hIP进r o g
17、 rIe展s s l 2 1 l I 烟气 图1 0 折流板 除雾器工作原理示意 除雾器 中两板之间的距离为3 0 5 0 ram，烟气中的液 滴在折流板 中曲折流动与壁面不断碰撞凝聚成大颗粒 液滴后在重力作用下沿除雾器叶片往下滑落，直到浆 液池，从 而除去烟气所携带的液滴。工作原理如图 1 0 所 示。折流板除雾器从结构形式上，又可分为平板式和屋 顶式两种(见图1 1、图1 2)。其中，平板式除雾器一般 设两层，由多片波形板组成，整齐地铺设在支承梁上。其材料要求有一定刚度，在气体通过时不会波动变形，安装、检修人员踩压在上面时也不会歪塌。欧洲国家的 脱硫装置，为改善耐温性能，当温度9 0 C时
18、，首选材 料是添加了滑石粉的增强聚丙烯，美国一般用玻璃纤维 增强塑料(F R P)，而在我国，这两种材料均有应用。屋 顶式除雾器是近年来兴起的一种高效除雾器，其优点是 允许更高的空塔速度和较高的除雾效率，提高了塔内烟 气扰度和湍流烈度，提高了脱硫效率。图1 1平板式除雾器实物照片 图1 2屋顶式除雾器示意(4)氧化 空气管网 在大湿法中，氧化空气进入吸收塔浆液池的形式一 般有氧化曝气管和喷枪两种。其中，喷枪的形式较为简 单。而氧化曝气管是一种带许多小孔的开放式管路，由 于采用多重进 口设计，可在操作过程中实现对喷管的冲 洗，提高运行可靠性；氧化空气通过曝气管上均匀分布 的气孔进入浆液池，在搅拌
19、器切割、扰动下与浆液池中 CHl NA E N Vl R 0N ME NTAL P R OT E CTI ON l NDU ST RY 2 0 0 7 4 维普资讯 http:/ 2 2 研8ese究rGh进Progr展ess 的亚硫酸盐进行充分反应生成稳定的硫酸盐。曝气管采用主管侧面开孔、末端开放式端口的形式(液体密封)，以避免扩散管结垢，保证设备正常运 行。曝气管的运用可提高氧的利用率，降低设备运行所 需的动力。每个曝气管在吸收塔外用一个截止阀与一个 冲洗水管相连，以便在正常运行时，对每一组扩散管进 行清洗。多个工程的运行显示，在正常工况下，一般不 需对氧化曝气管进行清洗。自清洗式氧化曝气
20、管系统的主要特点为：氧化空气 分布均匀，氧化性能高，保证石膏的生成效果和质量；系统整体结构简单、压降小，方便检修和清洗；在氧化 空气用量较低的情况下，能保证氧化反应的彻底进行；氧化空气分布装置设计独特，具有 自清洗功能，可有效 防止分布管的堵塞。氧化空气管 网的设计要求为：管道强度 以及挠度 不超过1 4 0 0；氧化管网可采用F R P 或P P 管道；所有用 于支撑氧化管连接配件的金属材料需防腐或采用耐磨 合金。图1 3 为自清洗式氧化曝气管结构简图。氧化空 气母管 空气 图1 3 自清洗式氧化曝气管结构(5)搅拌 器及滤 网 为避免吸收塔浆液池内的晶粒沉积，保证氧化空气 与亚硫酸盐的充分
21、接触与反应，在吸收塔浆液池内，通 常设置侧进式搅拌器(见图1 4)，侧进式搅拌器的基本 要求如下：一 图1 4侧进式搅拌器实物照片 中一环保产业 2 0 0 7 4 1)保证塔内石膏浆液离底悬浮，使氧化空气分布 最优；2)所有与介质接触的搅拌器材料能耐2 0 0 0 0 p p m浓 度的氯离子，搅拌器叶片和轴材料为1 4 5 2 9 不锈钢；3)轴、轴承能承受浆叶上的作用力，在扭矩和弯矩 的作用下，能保持轴刚性；4)搅拌器接 口与吸收塔易于安装连接，并能确保 在动载荷作用下，接口处浆液不会泄露，可以长期安全 可靠运行；5)轴的机械密封能承受腐蚀和磨损，结构上保证在 吸收塔正常工作时能进行维修
22、、更换，而不需停车。另外，为防止吸收塔浆液池内大直径固体颗粒进入 循环浆液泵或石膏排出泵，引起泵体的磨损及喷嘴和旋 流子的堵塞，在这些泵的吸入 口，常常设置过滤网(见 图1 5)。一 图1 5 吸收 塔浆液循环泵入 口滤 网 滤网及网孔的基本要求如下：1)网孔面积应为泵吸入口面积的3 倍以上；2)网孔在筛网半 圆柱体及顶部盖板上应按 比例 分布；3)过滤 网的材料一般采用P P、F RP 或1 4 5 2 9 不 锈钢；4)P P、F RP 板厚度按设计压力6 k g c m 进行计算。5 结语 以上扼要介绍了湿法脱硫中较为常见的吸收塔喷 淋空塔及塔内件的设计要求、结构参数和材料的选择原 则。在进行具体工程设计时，技术人员还应结合煤质状况、锅炉负荷变化、脱硫场地大小及业主的合理要求等因素进 行综合考虑。必要时，还应通过计算机软件对所设计的吸 收塔内的速度场、温度场、浓度场进行数值模 拟计算，以优 化、调整塔内件的结构布置，从而设计出脱硫效率较高，能 耗较低，运行稳定、可靠的吸收塔。维普资讯 http:/