第六章 脱硫塔设计

173第六章脱硫塔设计现代化的烟气脱硫脱硫塔的设计必须满足以下几个准则：（1）低能耗，与低“液气”比有关；（2）低压降，与脱硫塔内部的优化设计有关；（3）高流速，与“投资”和“运行费用”的优化有关；（4）高SO2去除率、低的设备/系统维护率，与化学反应行为的优化有关；（5）高“液滴”分离率，避免下游设备垢污沉积和腐蚀；（6）低成本。脱硫塔内的流体力学特性为复杂的气液二相流，这种复杂的逆流两相流给放大准则和测量带来很大的难度。几乎每套装置都需度身定制，对一些特殊环节不进行验证就很难保证系统具有高度可靠性、经济性和一次投入成功率。但是，FGD装置庞大，一般小型试验很难解决问题，大型试验又使得一般工程在财力和时间上无法接受。早期，需要模拟实际工况的几何尺寸和流动条件才能初步确定放大准则，然后对放大准则进行判读并将其应用于实际工况。近年来，随着计算流体力学、化学反应动力学等领域的发展，对脱硫塔设计技术的研究更加深入。例如，对脱硫塔进行CFD模拟，在工作站上可以对不同的FGD设计进行测试并优化，这可能是了解真实流动状态和FGD脱硫效率的唯一途径。此外，脱硫塔为薄壁结构，塔体上分布各种类型的加强筋，矩形开孔尺寸大、塔内件复杂，有时塔体外形不规则，依靠手工对喷淋塔进行流场和力学计算是非常困难的，使得人力计算很难进行。目前，大多采用现代流场分析软件和力学分析软件（如FLUENT6.0和ANSYS9.0）进行流场分析和力学分析。脱硫塔的流场分析和力学分析是脱硫塔优化设计的基础。第一节脱硫塔结构设计脱硫塔的结构设计，包括储浆段、烟气入口、喷淋层、烟气出口、喷淋层间距、喷淋层与除雾器和脱硫塔入口的距离、喷喷嘴特性（角度、流量、粒径分布等）、喷嘴数量和喷嘴方位的设计，是取得脱硫塔最优化性能的重要先决条件。需要指出的是，精准的设计应在两相流和传质以及力学分析的基础上，结合实践经验进行。一、脱硫塔结构定性设计1.塔的总体布置如图6-1所示，一般塔底液面高度h1=6m～15m；最低喷淋层离入口顶端高度h2＝1.2～4m；最高喷淋层离入口顶端高度h3≥vt，v为空塔速度，m/s，t为时间，s，一般取t≥1.0s；喷淋层之间的间距h4≥1.5～2.5m；除雾器离最近（最高层）喷淋层距离应≥1.2m,当最高层喷淋层采用双向喷嘴时，该距离应≥3m；除雾器离塔出口烟道下沿距离应≥1m。喷淋区的高度不宜太高，当高度大于6m时，增加高度对于效率的提高并不经济。喷淋区的烟气速度应与雾滴的滴谱范围相对应。从理论上讲，约有3%～6%的液滴量被夹带，在冷却区的夹带量大约为0.2%～0.5%（与烟气进口的切向流动有关）。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建塔径的确定脱硫塔的传质段的塔径主要取决于塔内传质、气液分布及经济性的考虑。在喷淋塔内，烟气流速较低时，压降上升幅度小于流速的上升幅度。随着烟气流速的提高，压力曲线逐渐变陡，直至液泛。液泛气速接近液滴自由沉降的终端速度，并随着吸收液滴直径的增大而提高。故喷雾塔设计时，烟气流速的选取应与吸收液液滴直径相匹配，按常规，设计气速应为液泛气速的50％～80％。由于喷雾型脱硫塔中，气流分布可以“自我校正”均匀，从这个角度看，塔径可以无限大。但塔的结构设计的经济性和设计难度等影响到塔径的大小，这需作综合分析，必要时分塔。脱硫塔可设计成等直径塔，也可设计成变直径塔，具体应根据侧搅拌层数和储浆量大小确定。3.塔底储浆量的确定确定脱硫塔储浆量的基本要素有：最大的SO2负荷，这依赖于进气的SO2浓度及出气所要求的SO2浓度；各部分的浆液pH值；在考虑了可能存在的离子影响（飞灰、石灰石和工艺水）条件下的石灰石实测溶解速率；石膏品质（如粒径大小）的要求。根据以上要求确定浆液所需停留的名义时间，该时间可由塔底总浆液量除于排石膏浆液量获得。4.塔入口烟道的设计脱硫塔入口烟气的均匀性直接影响到脱硫塔内烟气分布的均匀性。烟气入口气液接触处为干湿交界面，浆液在此干燥结垢将影响塔运行的安全性和气流流向。设计时应在烟道入口上方及两侧安设挡水板，防止喷嘴喷出的浆液进入烟道内。运行时，上方挡水板形成的水帘有利于脱硫和气流均布，两侧挡水板可防止喷嘴喷雾产生的背压将浆液抽进烟道内（当烟道档板未关，且无气体进入塔内时）。同时，靠近烟道侧的喷嘴应调整安装角度，防止喷入烟道。烟气入口区域的流体流动受入口烟道与塔的几何尺寸、内部构件、托盘下部的喷淋层以及浆液从托盘流出的方式影响。尽管脱硫塔入口设计扁平,但入口射流上下左右及端部都必然有死滞区、回流区，可通过下述方法改善之：（1）将水平进气方式改为切向斜向下进气，此种结构有利于削弱塔内回流旋涡，降低压损，延长气液接触时间，防止浆液倒流。如图6-2所示。（2）在脱硫塔烟气入口处增设导流板，将大大提高气流分布的均匀性，且可减小压力损失。（3）烟气入口进气方式为斜向下进气，在脱硫塔内部增设托盘或文丘里棒等均压装置。当烟气入口采用合金钢材料时，应设冲洗系统，如图6-3所示。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建塔出口烟道的设计烟气出口出口型式较多，图6-4只是其中的一种。其出口可设计成轴向对称型式（俯视图a）和切向对称型式（俯视图b）。若将脱硫塔出口先适当收缩成锥状，再侧向出口，可避免对脱硫塔的气流分布造成不利的影响。6.喷淋层的设计喷淋层的设计是脱硫塔设计的重点和难点。喷淋层的设计包括浆液管道、喷嘴的选择与布置。喷嘴的数量和喷淋层数取决于脱硫效率,一般采用3～6层。喷淋层可用多台循环泵供浆斜板塔壁烟道入口图6－2烟气入口示意图塔壁烟道入口剖面图俯视图a塔壁烟道入口俯视图b塔壁烟道出口图6－4烟气出口示意图塔壁烟道出口剖面图俯视图a塔壁烟道出口俯视图b塔顶支承件折射板烟气入口烟道脱硫塔壁脱硫塔壁图6-3烟气入口防垢结构示意图折射板冲洗喷嘴烟气入口烟道PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建或一层喷淋层单独对应供浆，后者更适合于大型脱硫塔且烟气负荷变化较大的场合。当某台循环泵或管路需检修时，只要将其停止来即可，不会影响到塔的运行；当锅炉负荷变化时，可通过增加或停止一台循环泵从而达到节能的效果，也可备用一套管路（包括循环泵、喷淋层及相关管道），以满足未来日益严格的环保要求。浆液管道的设计要求保证进入个喷嘴的压力相等，即所谓的均压。一般地，当脱硫塔直径较大时，已设计成多根主管型式，有利于均压。浆液管道在脱硫塔内的支撑固定装置可设计成单根或多根主梁支撑、支管塔壁固定的方式，见图６-5。第一层（最低的一层）喷淋层离烟道上部一般保持2m～4m的距离，以便使浆液能充分地与烟气接触并避免进入烟道内，喷淋层与喷淋层之间的间距为1.5～2.5m，最高喷淋与除雾器间的距离至少应为1.2m。对于逆流型喷淋塔，烟气速度为3～4.5m/s，雾滴的尺寸是有一定的限制范围的，也即对喷嘴最基本的要求是“烟气的携带量”。粒径小于500μm的液滴将被带至除雾器中，如果带至除雾器中的液滴太多，除雾器将无法正常工作，大量的雾滴将进入下游烟道和烟囱。对于一个典型的FGD系统来说，喷嘴形式的雾滴应选定在2500～3000μm之间的雾化颗粒，低于500μm直径的液不能超过5%，这种粒径的雾滴在最大程度地减少烟气中雾滴携带的同时，也能提供足够的吸收SO2的气液表面积。喷嘴供应商均能提供详细的喷嘴粒径分布数据。喷淋层喷嘴喷出的雾冠在1mm范围内能完全覆盖塔断面，一般要求具有120%～250%的覆盖率。喷嘴应具有较大的自由畅通孔径，一般应大于45mm，否则易被结垢碎片等杂物所堵塞。在脱硫塔的喷嘴布置中，若按“等距”布置，则从脱硫塔壁开始0~1.3m的外部圆周区域喷淋密度比脱硫塔中心区域要小的多，塔壁处的烟气速度高，二氧化硫浓度也高。研究表明，脱硫塔中心部份的脱硫效率可达99%～100%，脱硫效率从塔中心至塔壁的脱硫效率则逐渐减少，最终造成总的脱硫效率降低。为此，可采取脱硫塔中间布置空心双向喷嘴、塔壁布置实心喷嘴的方式来增加塔壁附近的喷淋密度。这种方式虽然在一定程度上改善了塔内气流的均布，但由此带来的问题是壁流也很严重。7.除雾器区域的设计脱硫塔一般采用两级除雾器，两级除雾器间的距离应为1.8m左右，以便检修维护。除雾器距最近喷淋层的距离与该层采用的喷嘴形式有关，当采用向下喷雾的喷嘴时，其间距应大于1.2m；当采用双向喷雾的喷嘴时，其间距应大于3m。除雾器上沿距烟道出口下沿应大于1m。8.脱硫塔各孔、管口的设计脱硫塔应易于清理、维护、检修，这就要求脱硫塔内部结构要简单，不留死角、有足够的操作空间。在相应的位置设置人孔、安装检修孔。脱硫塔上主要的人孔、安装孔管道孔如下：除雾器安装孔，每级至少一个；喷淋浆液管道安装孔，至少一个；脱硫塔底部清渣孔，至少一个，在孔外常配有电动葫芦；烟气入口烟道设置一人孔，以便大修时清理烟道可能的积垢。AAAA方纲防腐橡胶聚炳烯浆液管道图6－5浆液管道在脱硫塔中的布置方式PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建脱硫塔上主要的管孔：循环泵浆液管道入口，一般为3个；液位计接口，一般为2～3个，石膏浆液排出口1～2个；排污口1个；溢流口一个；滤液返回口1个；事故罐浆液返回口1个；地坑浆液返回1个；搅拌机接口2～6个；搅拌机冲洗管口2～6个；差压计接口2～4个。当设计存在不确定因素时，应留有备用孔。(1)循环泵入口当采用搅拌曝气一体化（ALS）及曝气管（FAS）时，搅拌机和脱硫浆液循环泵、石膏浆液排浆泵入口的相对位置要特别注意。应采取措施，防止过多的气体被吸入泵内，影响泵的性能和使用寿命，严重时甚至引起泵的断流。实践表明，当泵吸入的气体体积超过2%时，泵的效率、杨程、流量将出现陡降。为尽可能减少泵吸入的空气量，对ALS形式，搅拌器应在循环管线转过15°～20°角的空间范围内均布；对于FAS形式，在泵入口加设隔板或将靠近泵入口的曝气管提高到3m以上。进口管口按常规布置，它们通常距烟道入口90°或180°。在脱硫塔壳体上，循环泵管线开口通常要比循环泵进口管线大一些。(2）排污口脱硫塔的浆液排空如图６-6所示，设冲洗水口，目的是在当排空口堵塞时，可用高压水进行疏通。浆液排空应布置在脱硫塔地沟附近。(3)烟气排空口烟气排空口设在脱硫塔的顶部，并配置电动调节阀，供脱硫塔检修时用。(４)溢流口脱硫塔的溢流口供脱硫塔液位发生故障时用，如图６-7所示。从图６-8可以看出，溢流管冒出的腐蚀性气体容易对脱硫塔保温层已造成破坏，采用水封方式可以避免从溢流管冒出的腐蚀性气体对塔塔壁的腐蚀，但应注意出口位置，以防出现虹吸现象。溢流管口的布置应在脱硫塔地沟附近，溢流管口的高度要至少低于循环浆罐最低工作液位0.5m。图６-7塔溢流管示意图图６-8塔溢流管出口照片(5)重力回流工艺管口的方位应与石膏浆泵管口至少成45°，并向塔内倾斜45°左右。(6)有关仪表开口位置脱硫塔进口探测仪表（压力，温度，试验口等）应布置在烟道进口的法兰附近。脱硫塔压降指示仪表应布置在入口烟道顶部，高于顶部喷淋层，最好在脱硫塔的入口侧。脱硫塔出口仪表（压力、温度、试验口等）应布置在烟道出口的法兰附近。溢流管脱硫塔反冲洗口排污口塔壁塔底图6-6塔排污口结构示意图PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建脱硫塔的振动问题脱硫塔顶层不宜设置大量照明灯具、检修电源箱、照明配电箱等设备，循环泵出口管路固定部件应牢固，否则易造成脱硫塔晃动。其中前者可能是由于共振造成塔晃动，后者则是由于管道牵引塔体一起晃动。脱硫塔晃动会对脱硫塔壳体以及内部设备造成疲劳性损伤。10.脱硫塔的冲洗在石灰石-石膏法脱硫工艺中，结垢和堵塞是经常遇到的情况，为了防止和减轻这种情况的发生，需用一定压力的工艺水进行冲洗，主要冲洗脱硫塔的如下部位：塔壁“干-湿”交界区