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          濕法脫硫關鍵參數如何選取?

          2020-06-15 15:11:24

          蝙蝠俠 www.tortlawmarketing.com
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          01丨 吸收塔塔型的選擇
          在濕法脫硫工藝中,吸收塔是一個核心部件,一個濕法脫硫工程能否成功,關鍵看吸收塔、塔內件及與之相匹配的附屬設備的設計選型是否合理可靠。在脫硫工程中運行阻力小、操作方便可靠的吸收塔和塔內件的布置形式,將具有較大的發展前景。

          目前,在國內的脫硫工程中,應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。國內學者曾在實驗室里對各種塔型做了實驗測試(見圖1),從測試情況看,在塔內煙氣流速相同的情況下,噴淋吸收空塔的系統阻力最小,液柱塔的阻力次之,托盤塔的阻力相對較大。

          由于噴淋吸收空塔塔內件較少,結垢的機率較小,運行維修成本較低,因此噴淋吸收空塔已逐漸成為目前應用最廣泛的塔型之一。圖2為噴淋吸收空塔(以下簡稱吸收塔)的結構簡圖。

          02丨 噴淋吸收空塔主要工藝設計參數
          1. 煙氣流速

          在保證除霧器對煙氣中所攜帶水滴的去除效率及吸收系統壓降允許的條件下,適當提高煙氣流速,可加劇煙氣和漿液液滴之間的湍流強度,從而增加兩者之間的接觸面積。同時,較高的煙氣流速還可持托下落的液滴,延長其在吸收區的停留時間,從而提高脫硫效率。

          另外,較高的煙氣流速還可適當減少吸收塔和塔內件的幾何尺寸,提高吸收塔的性價比。在吸收塔中,煙氣流速通常為3~4.5m/s。許多工程實踐表明,3.6m/s≤煙氣流速(110%過負荷)≤4.2m/s是性價比較高的流速區域。

          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系。當煙氣流速確定以后,L/G成為了影響系統性能的最關鍵變量,這是因為漿液循環率不僅會影響吸收表面積,還會影響吸收塔的其他設計,如霧滴的尺寸等。L/G的主要影響因素有:吸收區體積、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。

          根據吸收塔吸收傳質模型及氣液平衡數據計算出液氣比(L/G),從而確定漿液循環泵的流量。

          美國能源部編制的FGD-PRISM程序的優化計算,L/G以15L/m3為宜,此時,SO2的去除效率已接近100%。L/G超過15.5L/m3后,脫硫效率的提高非常緩慢,而且提高L/G將使漿液循環泵的流量增大,增加循環泵的設備費用,同時還會提高吸收塔的壓降,加大增壓風機的功率及設備費用。

          3. 吸收塔漿池尺寸

          吸收塔漿池尺寸可通過以下工藝設計參數確定:

          1) 石膏顆粒(晶種)生長的停留時間

          濕法脫硫系統中,亞硫酸鈣、硫酸鈣的析出是在循環漿液的固體顆粒(晶種)表面上進行的,為了晶體的生長和結晶,循環漿池里的石膏顆粒必須有足夠的停留時間,反應時間也必須足夠長。停留時間的計算公式為:

          RT=(V×ρ×SC)/TSP

          其中:RT—停留時間(min);TSP—石膏成品產量(干基)(kg/min);V—漿池體積(m3);ρ—漿液密度(kg/m3);SC—漿液含固量(%)。 如生產的石膏要在水泥或石膏行業使用,FGD的石膏成品含水量必須<10%,石膏必須結晶成平均直徑為35~50μm的立方晶體,停留時間必須>15小時。對于拋棄系統,由于石膏成品要被拋棄,石膏成品含水量可>15%,這樣系統的停留時間可縮小到10小時左右。

          2) 石灰石溶解的停留時間

          如要求吸收塔內的石灰石充分溶解,則石灰石在循環漿池內必須有足夠長的停留時間。一般來說,石灰石的停留時間須>4.3min。石灰石溶解的停留時間按下式計算:

          T=V/(N×RF)

          其中:T—停留時間(min);V—漿池體積(m3);N—循環泵數;RF—單臺循環泵流量(m3 /h)。

          3) 氧化反應的體積和氧氣從空氣轉移到液體的深度氧氣從空氣轉移到液體的深度,是指吸收塔漿液池內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,一部分是吸收塔內煙氣中的氧氣進入漿液液滴的自然氧化,另一部分是空氣通過曝氣管網進入漿液池后的強制氧化。

          具體計算時,應先根據煙氣中的氧氣含量和SO2入口濃度,確定自然氧化和強制氧化的比例,計算出強制氧化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。

          實際空氣用量計算公式:

          實際空氣[(kg/min)]=計算氧化空氣[(kg/min)]×氧硫比(β)

          根據以上1)、2),并結合3)可計算出吸收塔漿池的體積,取最大值后根據直徑計算出漿液池高度,再根據理論氧化空氣量和氧硫比β計算出實際空氣用量。

          03丨 吸收塔的結構尺寸
          1. 吸收塔吸收區高度(見下表)

          2. 煙氣進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液位會有所波動,加之該區間需接進料接管,因此煙氣進口底部至漿液面的距離一般定為800~1200mm為宜。

          3. 煙氣進出口高度

          根據進出口煙氣流速及煙氣量確定進出口面積。一般希望進氣在塔內能分布均勻,且煙道呈方形,故寬/高取值較大,而高度尺寸則取值較小。

          04丨 吸收塔的內件設計
          1. 噴嘴

          噴嘴將循環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的變化而變化。一般情況下,噴嘴的類型由濕法脫硫系統的特殊要求等來確定。

          目前,在濕法脫硫系統中常用的噴嘴有切向噴嘴、軸向噴嘴、螺旋形噴嘴。

          切向噴嘴(見圖3)通常形成中空圓錐噴流型式,這樣大部分霧滴噴出時會形成一個環狀(見圖4)。這種噴嘴是將漿液沿切線方向引入旋轉室,并通過與入口成90°的孔排出,在旋轉室內沒有任何部件。由于切向噴嘴價格只有螺旋噴嘴的一半,因此其性能價格比比螺旋噴嘴高。如果在旋流腔的封閉端裝有葉片,則會形成實心圓錐噴流型式。

          軸向噴嘴(見圖5)產生的是實心圓錐噴流型式(見圖6)。與切向噴嘴相比,軸向噴嘴產生相同粒度的液滴時壓降較小,即在壓降相同時,其液滴的粒度會更小。

          螺旋噴嘴(見圖7)產生的是一系列同心中空圓錐噴流型式(見圖8)。與軸向噴嘴一樣,其入口和出口也在同一條中心軸上,但其內部沒有微調葉片,而是將噴嘴本身設計成一個直徑不斷縮小的螺旋形狀,從而將液流剪切成兩個或更多的同心螺旋環。在噴嘴下面一米處的截面上的噴射模式是由一個或多個同心環構成。只有一個同心環的噴嘴是空心錐;有多個同心環的噴嘴是實心錐。螺旋噴嘴形成的液滴尺寸與中空圓錐噴流型的切向噴嘴差不多,但壓降更小。當壓力相同,液體流量更大時,螺旋噴嘴比軸向噴嘴更適合一些。但是螺旋噴嘴因結構較脆弱,在對吸收塔進行維護時易被損壞。

          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良,但斷裂系數低、抗沖擊性能極差。

          2) 反應連接碳化硅(RBSC)。用于制造螺旋型噴嘴。該材料防腐防銹性能優良,斷裂系數是SNBSC的5~7倍,不耐沖擊。

          3) 鈷合金6(cobalt alloy6-AMS 5387)。用于制造螺旋實心錐形噴霧噴嘴。該材料防腐防銹性能優良,抗沖擊能力強。

          4) 聚氨酯(polyurethane)。該材料防腐防銹性能優良,所有的MP和TH系列噴嘴都可以采用聚氨酯材料制造。

          相對而言,反應連接的碳化硅材料,在濕法脫硫中應用較為廣泛。

          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

          吸收塔噴淋層的設計,應使噴淋層的布置達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,以保證在適當的L/G條件下能可靠地實現所要求的脫硫效率,且在吸收塔的內表面不產生結垢。

          一個噴淋層由帶連接支管的漿液母管和噴嘴組成(見圖9)。漿液循環一般采用單元制設計,每個噴淋層配一臺吸收塔再循環泵,從而保證吸收塔內所要求的漿液噴淋覆蓋率。各層噴嘴在上下空間上應錯開布置,應保證漿液重疊覆蓋率至少達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,應等于能覆蓋170%~250%的吸收塔橫截面的面積。

          為保證選擇的噴嘴在工作流量條件下能滿足對煙氣的噴淋效果,每一層噴淋層的所有噴嘴在設計布置時,應進行仔細計算,反復調整,以避免出現噴淋死角。另外,噴嘴的設計還應保證每個圓形螺旋形區域具有相同的噴霧密度。

          3. 除霧器

          1) 除霧器功能簡介

          除霧器用來分離煙氣所攜帶的液滴。在吸收塔內,由上下二級除霧器(水平式或菱形)及沖洗水系統(包括管道、閥門和噴嘴等)組成。

          經過凈化處理后的煙氣,在流經兩級臥式除霧器后,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。在一級除霧器的上、下部及二級除霧器的下部,各有一組帶噴嘴的集箱。集箱內的除霧器清洗水經噴嘴依次沖洗除霧器中沉積的固體顆粒。經洗滌和凈化后的煙氣流出吸收塔,最終通過煙氣換熱器和凈煙道排入煙囪。

          2) 除霧器的要求

          在濕法脫硫系統中,對除霧器的一般要求為:在正常運行工況下除霧器出口煙氣中的霧滴濃度應不大于75mg/m3;盡可能地將≤15μm的微滴除掉;系統的壓力降要小;無堵塞;容易清洗。其中,無堵塞、高效率是選擇除霧器的關鍵。

          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。

          折流板除霧器從結構形式上,又可分為平板式和屋頂式兩種(見圖11、圖12)。其中,平板式除霧器一般設兩層,由多片波形板組成,整齊地鋪設在支承梁上。其材料要求有一定剛度, 在氣體通過時不會波動變形,安裝、檢修人員踩壓在上面時也不會歪塌。歐洲國家的脫硫裝置,為改善耐溫性能,當溫度>90℃時,首選材料是添加了滑石粉的增強聚丙烯,美國一般用玻璃纖維增強塑料(FRP) ,而在我國,這兩種材料均有應用。屋頂式除霧器是近年來興起的一種高效除霧器,其優點是允許更高的空塔速度和較高的除霧效率,提高了塔內煙氣擾度和湍流烈度,提高了脫硫效率。

          4. 氧化空氣管網

          在大濕法中,氧化空氣進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,噴槍的形式較為簡單。而氧化曝氣管是一種帶許多小孔的開放式管路,由于采用多重進口設計,可在操作過程中實現對噴管的沖洗,提高運行可靠性;氧化空氣通過曝氣管上均勻分布的氣孔進入漿液池,在攪拌器切割、擾動下與漿液池中的亞硫酸鹽進行充分反應生成穩定的硫酸鹽。

          曝氣管采用主管側面開孔、末端開放式端口的形式(液體密封),以避免擴散管結垢,保證設備正常運行。曝氣管的運用可提高氧的利用率,降低設備運行所需的動力。每個曝氣管在吸收塔外用一個截止閥與一個沖洗水管相連,以便在正常運行時,對每一組擴散管進行清洗。多個工程的運行顯示,在正常工況下,一般不需對氧化曝氣管進行清洗。

          自清洗式氧化曝氣管系統的主要特點為:氧化空氣分布均勻,氧化性能高,保證石膏的生成效果和質量;系統整體結構簡單、壓降小,方便檢修和清洗;在氧化空氣用量較低的情況下,能保證氧化反應的徹底進行;氧化空氣分布裝置設計獨特,具有自清洗功能,可有效防止分布管的堵塞。

          氧化空氣管網的設計要求為:管道強度以及撓度不超過1/400;氧化管網可采用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構簡圖。

          5. 攪拌器及濾網

          為避免吸收塔漿液池內的晶粒沉積,保證氧化空氣與亞硫酸鹽的充分接觸與反應,在吸收塔漿液池內,通常設置側進式攪拌器(見圖14),側進式攪拌器的基本要求如下:

          1) 保證塔內石膏漿液離底懸浮,使氧化空氣分布最優;

          2) 所有與介質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,并能確保在動載荷作用下,接口處漿液不會泄露,可以長期安全可靠運行;

          5) 軸的機械密封能承受腐蝕和磨損,結構上保證在吸收塔正常工作時能進行維修、更換,而不需停車。

          另外,為防止吸收塔漿液池內大直徑固體顆粒進入循環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,常常設置過濾網(見圖15)。

          濾網及網孔的基本要求如下:

          1) 網孔面積應為泵吸入口面積的3倍以上;

          2) 網孔在篩網半圓柱體及頂部蓋板上應按比例分布;

          3) 過濾網的材料一般采用PP、FRP或1.4529不銹鋼;

          4) PP、FRP板厚度按設計壓力6kg/cm2進行計算。

          05丨 結語
          以上扼要介紹了濕法脫硫中較為常見的吸收塔—噴淋空塔及塔內件的設計要求、結構參數和材料的選擇原則。在進行具體工程設計時,技術人員還應結合煤質狀況、鍋爐負荷變化、脫硫場地大小及業主的合理要求等因素進行綜合考慮。必要時,還應通過計算機軟件對所設計的吸收塔內的速度場、溫度場、濃度場進行數值模擬計算,以優化、調整塔內件的結構布置,從而設計出脫硫效率較高,能耗較低,運行穩定、可靠的吸收塔。

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