康曉燕

(同方環(huán)境股份有限公司，北京 100083)

煙氣脫硫裝置吸收塔漿池的工藝設(shè)計(jì)

康曉燕

(同方環(huán)境股份有限公司，北京 100083)

在石灰石—石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)中，吸收塔是脫除SO2和生成石膏的反應(yīng)器，而漿池則是發(fā)生這些反應(yīng)最主要的部位，其設(shè)計(jì)直接影響到脫硫系統(tǒng)的性能參數(shù)和運(yùn)行可靠性。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)某百萬機(jī)組吸收塔漿池的設(shè)計(jì)實(shí)例，對(duì)吸收塔漿池的結(jié)構(gòu)尺寸等關(guān)鍵工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述，為國(guó)內(nèi)同類型脫硫工程吸收塔漿池的設(shè)計(jì)提供參考。

吸收塔;直徑;漿池容積;漿池直徑

吸收塔是石灰石—石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)的核心設(shè)備，污染物SO2的脫除和副產(chǎn)物石膏的生成都在吸收塔內(nèi)完成，而吸收塔漿池又是這些反應(yīng)發(fā)生的主要區(qū)域;因此，吸收塔漿池的設(shè)計(jì)在吸收塔的設(shè)計(jì)中占有舉足輕重的地位，直接影響到脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行和性能保證。本文以浙江玉環(huán)百萬機(jī)組濕法煙氣脫硫工程吸收塔的設(shè)計(jì)為例對(duì)吸收塔漿池的工藝設(shè)計(jì)做簡(jiǎn)要介紹。該工程是國(guó)內(nèi)最大最早的單臺(tái)機(jī)組脫硫工程，2007年底投入商業(yè)運(yùn)行，完全達(dá)到脫硫效果。

1 吸收塔的反應(yīng)原理

吸收塔采用煙氣和漿液逆流接觸的方式布置，煙氣從噴淋區(qū)下部進(jìn)入吸收塔，石灰石漿液通過循環(huán)泵送至吸收塔上部的噴淋層，通過噴淋層上的噴嘴霧化形成小液滴，與自下而上的煙氣逆流接觸，氣液充分接觸并對(duì)煙氣中的SO2進(jìn)行洗滌。在塔底布置漿液池，為防止固體沉淀，漿池側(cè)面布置攪拌器;實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制氧化，用專門的氧化風(fēng)機(jī)往漿池內(nèi)鼓入空氣。除霧器則布置在吸收塔頂部煙氣出口之前的位置，脫除煙氣夾帶的水分。

2 吸收塔的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

本工程吸收塔為噴淋空塔型式，采用鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯玻璃鱗片防腐，直徑18.4 m，高34 m，循環(huán)漿池布置在塔底部。主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 吸收塔主要設(shè)計(jì)參數(shù)

3 吸收塔漿池設(shè)計(jì)

3.1 吸收塔直徑的設(shè)計(jì)

吸收塔的設(shè)計(jì)直徑與吸收塔的空塔氣速有關(guān)。一般來說，較高的空塔氣速增加了氣相的湍流程度，SO2的傳質(zhì)和脫硫效率都會(huì)提高，相應(yīng)會(huì)降低循環(huán)泵的流量，減小循環(huán)泵電耗;同時(shí)直徑較小的吸收塔從設(shè)備本身、內(nèi)部件(噴淋層、除霧器、襯里等)和循環(huán)泵等方面能夠減少投資成本。但吸收塔的壓損將會(huì)增大，相應(yīng)增加了系統(tǒng)中增壓風(fēng)機(jī)的能耗;而且除霧器在高氣速下很容易失效，液滴沖破除霧器的“阻隔”，造成凈煙氣中較高的液滴夾帶，除霧器的壓降也會(huì)明顯增加。同時(shí)，高氣速在較大直徑的吸收塔內(nèi)會(huì)導(dǎo)致煙氣分布的不均勻現(xiàn)象，如果塔內(nèi)沒有相應(yīng)的修正措施，將會(huì)導(dǎo)致脫硫效率的降低。一般從經(jīng)濟(jì)上綜合考慮塔與循環(huán)泵的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，選取適當(dāng)?shù)目账馑?，降低脫硫系統(tǒng)總電耗。

圖1 煙氣流速和能耗的關(guān)系

圖1顯示了不同空塔氣速下增壓風(fēng)機(jī)、循環(huán)泵及綜合電耗的曲線。由圖1可以看到，空塔氣速在3.8 m/s時(shí)，F(xiàn)GD綜合電耗最低;同時(shí)為適應(yīng)負(fù)荷的變化，在煙氣入口流量增加10%時(shí)，空塔氣速控制在約4.1 m/s，吸收塔仍然可以保證在非常經(jīng)濟(jì)的工況下運(yùn)行。

3.2 吸收塔漿池的設(shè)計(jì)

吸收塔漿池的容積從三個(gè)方面確定：①石膏晶體生長(zhǎng)需要的停留時(shí)間;②石灰石溶解需要的停留時(shí)間;③氧化反應(yīng)需要的氧化空氣體積和氧氣從空氣轉(zhuǎn)移到液相中需要的高度根據(jù)上面三個(gè)方面分別計(jì)算出三個(gè)漿池容積，取其中最大的作為設(shè)計(jì)容積［1］。

3.2.1 石膏晶體生長(zhǎng)需要的停留時(shí)間

石膏顆粒在循環(huán)漿池中足夠長(zhǎng)的停留時(shí)間對(duì)于晶體化和晶體的生長(zhǎng)是非常有必要的。只有這樣，F(xiàn)GD的副產(chǎn)物石膏才能得到更好的利用。

停留時(shí)間是根據(jù)下面的公式計(jì)算出來的：

RT=(VSump×ρLURRY× SC)/TSP

式中：RT——停留時(shí)間，min;

TSP——干石膏產(chǎn)量，kg/min;

VSump——漿池體積，m3;

ρLURRY——漿池密度，kg/m3;

SC：漿池的固體含量;

作為FGD副產(chǎn)物的石膏用做墻板或者在混凝土行業(yè)使用時(shí)含水量必須小于10%。為了滿足這種要求，石膏晶體形狀必須是立方體，平均直徑在35～50 μm，而達(dá)到這種尺寸必須超過15 h的停留時(shí)間［4］。

對(duì)于拋棄型的系統(tǒng)，副產(chǎn)物直接拋棄，沒有必須要滿足的要求，石膏含水量較高(＞15%)，這樣的系統(tǒng)停留時(shí)間的要求是大于10 h。

本工程中用石膏作為建筑材料，停留時(shí)間按照15 h計(jì)算，得到的漿池容積是1 402 m3。

3.2.2 石灰石溶解的停留時(shí)間

吸收塔漿池的一個(gè)重要功能是石灰石的溶解，為SO2的脫除提供足夠的Ca2+，循環(huán)漿池為溶解提供足夠的停留時(shí)間，直到漿液被循環(huán)泵吸入進(jìn)入噴淋層。根據(jù)石灰石原料的粒徑條件，一般滿足90%＜44 μm，漿液的停留時(shí)間是＞4.2 min［5］。

石灰石溶解的停留時(shí)間根據(jù)下面的公式計(jì)算出來：

RT=VSump/n RF

式中：RT——停留時(shí)間，min;

VSump—— 漿池體積，m3;

n——循環(huán)泵數(shù)量;

RF——每臺(tái)循環(huán)泵的流量，m3/min;

本工程循環(huán)漿液停留時(shí)間按4.2 min考慮，循環(huán)漿池的計(jì)算容積是2 800 m3。

3.2.3 氧化空間

為了保證塔內(nèi)反應(yīng)的充分和防止在漿池壁以及噴淋層上的結(jié)垢，被吸收的SO2要求100%被氧化。小部分氧化反應(yīng)是由煙氣中攜帶的氧氣完成的，大部分氧化是在吸收塔漿池完成的，因此漿池容積的設(shè)計(jì)也要滿足這個(gè)要求。

氧化反應(yīng)如下式表示：

亞硫酸根的氧化有一部分是自然氧化，來自煙氣中的氧氣進(jìn)入液滴，強(qiáng)制氧化是通過注入到漿池中的氧化空氣完成的。

根據(jù)入口煙氣中的SO2和O2的實(shí)際濃度判斷自然氧化率的范圍在10% ～30%［6］。尤其是漿池中存在重金屬離子如Mn2+、Fe3+，自然氧化率就可能在這些金屬離子的催化作用下進(jìn)一步提高［5］。本工程的自然氧化率為20%。

強(qiáng)制氧化率決定實(shí)際需要的氧化空間，單位氧化空間能夠氧化的SO2用化學(xué)氧化率R表示，公式如下：

式中：dMSO2/dt，在漿池中需要被氧化溶解的SO2。

函數(shù)f(pH)是受漿液pH值影響的數(shù)值，具體表述如下：

5.5 ＜pH值＜6

f=1.4×10-3mol/(L·min)-1

pH值≈4.5

f= 1.1 ×10-3～ 2.7× 10-3mol/(L· min)-1

在石灰石濕法脫硫工藝中吸收塔漿池典型的pH值范圍一般是5.5～6，根據(jù)上面的公式計(jì)算氧化空間。

Voxy=714.3×SO2，oxidized

式中：Voxy——最小氧氣空間，L;

SO2，oxidized——在漿池中需要被氧化的溶解的SO2，mol/min。

由計(jì)算可得出，本工程中的最小氧化空間為1 028 m3。

3.3 實(shí)際漿池尺寸

根據(jù)上述三個(gè)方面的計(jì)算，按照石膏晶體生長(zhǎng)、石灰石溶解和氧化空間計(jì)算得出的漿池容積分別是1 402 m3、2 800 m3、1 028 m3。一般漿池直徑取值按照吸收區(qū)直徑一致的原則，在這種情況下，吸收區(qū)直徑是18.4 m，按照石膏晶體生長(zhǎng)需要的時(shí)間計(jì)算，漿池高度是5.3 m;按照石灰石溶解需要的時(shí)間計(jì)算，漿池高度是10.5 m;按照氧化空間計(jì)算，氧化空氣的最小插入深度為3.9 m，再考慮氧化空氣管下部有3倍的循環(huán)管道直徑(DN1200)的安全裕量，防止空氣進(jìn)入循環(huán)泵入口引起泵氣蝕和攪拌器葉輪的氣蝕，計(jì)算得出的吸收塔漿池高度為7.5 m。根據(jù)漿池高度取最大值計(jì)算，得到的高度應(yīng)是10.5 m。

在工藝設(shè)計(jì)時(shí)增加0.3 m作為液位控制的安全裕量，增加0.5 m作為吸收塔漿池因?yàn)樽⑷肟諝夂篌w積增大的裕量，最終設(shè)計(jì)為漿池高度為11.3 m。

如果需要降低吸收塔漿池的液位，則需要設(shè)計(jì)成變徑塔。降低吸收塔液位的原因很多，有時(shí)因?yàn)榈刭|(zhì)條件要求增大基礎(chǔ)面積，有時(shí)為了降低吸收塔的總高。根據(jù)計(jì)算得出的漿池體積，保證兩個(gè)設(shè)計(jì)前提：一是變徑角度60°，二是變徑上部保持400 mm的有效液位。通過設(shè)定一個(gè)漿池直徑，就可計(jì)算出變徑后的漿池高度。

在循環(huán)項(xiàng)目中，如果采用變徑漿池，根據(jù)漿池容積2 800 m3，吸收區(qū)直徑18.4 m，設(shè)定漿池直徑是22 m，變徑上部400 mm的漿池容積是106 m3，變徑處的漿池容積是1 001 m3，可以計(jì)算得出直徑22 m處漿池的高度是4.5 m，整個(gè)漿池高度即為8 m。和不變徑的漿池高度10.5 m相比降低了2.5 m。

4 結(jié)論和建議

吸收塔漿池的工藝設(shè)計(jì)是建立在吸收塔物料平衡的基礎(chǔ)上，主要有3點(diǎn)：①吸收塔內(nèi)煙氣流速的確定直接影響系統(tǒng)的電耗和設(shè)備的投資，選擇最佳的操作點(diǎn)，一般是3.8 m/s，確定吸收塔的直徑。②循環(huán)漿池的容積則是通過石膏晶體生長(zhǎng)時(shí)間、石灰石溶解時(shí)間和最小氧化空氣體積三個(gè)方面比較大小確定的。③循環(huán)漿池的液位高低有漿池直徑變徑和不變徑兩種設(shè)計(jì)方法。

［1］ 秦 鐘.燃煤煙氣脫硫脫硝技術(shù)及工程實(shí)例［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

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［3］ 薛 琴.2X300MW機(jī)組石灰石—石膏煙氣脫硫吸收塔設(shè)計(jì)［J］.電力環(huán)境保護(hù)，2008，24(4)：24-26.

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1003-3467(2010)20-0028-03

2010-09-25

康曉燕(1973-)，女，工程師，從事煙氣脫硫設(shè)計(jì)工作，電話：13671344637。