烟气脱硫装置吸收塔浆池的工艺设计

2010-09-26康晓燕

河南化工 2010年20期

关键词：气速循环泵石灰石

康晓燕

(同方环境股份有限公司，北京 100083)

烟气脱硫装置吸收塔浆池的工艺设计

康晓燕

(同方环境股份有限公司，北京 100083)

在石灰石—石膏湿法烟气脱硫系统中，吸收塔是脱除SO2和生成石膏的反应器，而浆池则是发生这些反应最主要的部位，其设计直接影响到脱硫系统的性能参数和运行可靠性。本文结合国内某百万机组吸收塔浆池的设计实例，对吸收塔浆池的结构尺寸等关键工艺设计进行了阐述，为国内同类型脱硫工程吸收塔浆池的设计提供参考。

吸收塔;直径;浆池容积;浆池直径

吸收塔是石灰石—石膏湿法烟气脱硫系统的核心设备，污染物SO2的脱除和副产物石膏的生成都在吸收塔内完成，而吸收塔浆池又是这些反应发生的主要区域;因此，吸收塔浆池的设计在吸收塔的设计中占有举足轻重的地位，直接影响到脱硫系统的运行和性能保证。本文以浙江玉环百万机组湿法烟气脱硫工程吸收塔的设计为例对吸收塔浆池的工艺设计做简要介绍。该工程是国内最大最早的单台机组脱硫工程，2007年底投入商业运行，完全达到脱硫效果。

1 吸收塔的反应原理

吸收塔采用烟气和浆液逆流接触的方式布置，烟气从喷淋区下部进入吸收塔，石灰石浆液通过循环泵送至吸收塔上部的喷淋层，通过喷淋层上的喷嘴雾化形成小液滴，与自下而上的烟气逆流接触，气液充分接触并对烟气中的SO2进行洗涤。在塔底布置浆液池，为防止固体沉淀，浆池侧面布置搅拌器;实现强制氧化，用专门的氧化风机往浆池内鼓入空气。除雾器则布置在吸收塔顶部烟气出口之前的位置，脱除烟气夹带的水分。

2 吸收塔的主要设计参数

本工程吸收塔为喷淋空塔型式，采用钢结构，内衬玻璃鳞片防腐，直径18.4 m，高34 m，循环浆池布置在塔底部。主要设计参数见表1。

表1 吸收塔主要设计参数

3 吸收塔浆池设计

3.1 吸收塔直径的设计

吸收塔的设计直径与吸收塔的空塔气速有关。一般来说，较高的空塔气速增加了气相的湍流程度，SO2的传质和脱硫效率都会提高，相应会降低循环泵的流量，减小循环泵电耗;同时直径较小的吸收塔从设备本身、内部件(喷淋层、除雾器、衬里等)和循环泵等方面能够减少投资成本。但吸收塔的压损将会增大，相应增加了系统中增压风机的能耗;而且除雾器在高气速下很容易失效，液滴冲破除雾器的“阻隔”，造成净烟气中较高的液滴夹带，除雾器的压降也会明显增加。同时，高气速在较大直径的吸收塔内会导致烟气分布的不均匀现象，如果塔内没有相应的修正措施，将会导致脱硫效率的降低。一般从经济上综合考虑塔与循环泵的最优化设计，选取适当的空塔气速，降低脱硫系统总电耗。

图1 烟气流速和能耗的关系

图1显示了不同空塔气速下增压风机、循环泵及综合电耗的曲线。由图1可以看到，空塔气速在3.8 m/s时，FGD综合电耗最低;同时为适应负荷的变化，在烟气入口流量增加10%时，空塔气速控制在约4.1 m/s，吸收塔仍然可以保证在非常经济的工况下运行。

3.2 吸收塔浆池的设计

吸收塔浆池的容积从三个方面确定：①石膏晶体生长需要的停留时间;②石灰石溶解需要的停留时间;③氧化反应需要的氧化空气体积和氧气从空气转移到液相中需要的高度根据上面三个方面分别计算出三个浆池容积，取其中最大的作为设计容积［1］。

3.2.1 石膏晶体生长需要的停留时间

石膏颗粒在循环浆池中足够长的停留时间对于晶体化和晶体的生长是非常有必要的。只有这样，FGD的副产物石膏才能得到更好的利用。

停留时间是根据下面的公式计算出来的：

RT=(VSump×ρLURRY× SC)/TSP

式中：RT——停留时间，min;

TSP——干石膏产量，kg/min;

VSump——浆池体积，m3;

ρLURRY——浆池密度，kg/m3;

SC：浆池的固体含量;

作为FGD副产物的石膏用做墙板或者在混凝土行业使用时含水量必须小于10%。为了满足这种要求，石膏晶体形状必须是立方体，平均直径在35～50 μm，而达到这种尺寸必须超过15 h的停留时间［4］。

对于抛弃型的系统，副产物直接抛弃，没有必须要满足的要求，石膏含水量较高(＞15%)，这样的系统停留时间的要求是大于10 h。

本工程中用石膏作为建筑材料，停留时间按照15 h计算，得到的浆池容积是1 402 m3。

3.2.2 石灰石溶解的停留时间

吸收塔浆池的一个重要功能是石灰石的溶解，为SO2的脱除提供足够的Ca2+，循环浆池为溶解提供足够的停留时间，直到浆液被循环泵吸入进入喷淋层。根据石灰石原料的粒径条件，一般满足90%＜44 μm，浆液的停留时间是＞4.2 min［5］。

石灰石溶解的停留时间根据下面的公式计算出来：

RT=VSump/n RF

式中：RT——停留时间，min;

VSump—— 浆池体积，m3;

n——循环泵数量;

RF——每台循环泵的流量，m3/min;

本工程循环浆液停留时间按4.2 min考虑，循环浆池的计算容积是2 800 m3。

3.2.3 氧化空间

为了保证塔内反应的充分和防止在浆池壁以及喷淋层上的结垢，被吸收的SO2要求100%被氧化。小部分氧化反应是由烟气中携带的氧气完成的，大部分氧化是在吸收塔浆池完成的，因此浆池容积的设计也要满足这个要求。

氧化反应如下式表示：

亚硫酸根的氧化有一部分是自然氧化，来自烟气中的氧气进入液滴，强制氧化是通过注入到浆池中的氧化空气完成的。

根据入口烟气中的SO2和O2的实际浓度判断自然氧化率的范围在10% ～30%［6］。尤其是浆池中存在重金属离子如Mn2+、Fe3+，自然氧化率就可能在这些金属离子的催化作用下进一步提高［5］。本工程的自然氧化率为20%。

强制氧化率决定实际需要的氧化空间，单位氧化空间能够氧化的SO2用化学氧化率R表示，公式如下：

式中：dMSO2/dt，在浆池中需要被氧化溶解的SO2。

函数f(pH)是受浆液pH值影响的数值，具体表述如下：

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

在石灰石湿法脱硫工艺中吸收塔浆池典型的pH值范围一般是5.5～6，根据上面的公式计算氧化空间。

Voxy=714.3×SO2，oxidized

式中：Voxy——最小氧气空间，L;

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

由计算可得出，本工程中的最小氧化空间为1 028 m3。

3.3 实际浆池尺寸

根据上述三个方面的计算，按照石膏晶体生长、石灰石溶解和氧化空间计算得出的浆池容积分别是1 402 m3、2 800 m3、1 028 m3。一般浆池直径取值按照吸收区直径一致的原则，在这种情况下，吸收区直径是18.4 m，按照石膏晶体生长需要的时间计算，浆池高度是5.3 m;按照石灰石溶解需要的时间计算，浆池高度是10.5 m;按照氧化空间计算，氧化空气的最小插入深度为3.9 m，再考虑氧化空气管下部有3倍的循环管道直径(DN1200)的安全裕量，防止空气进入循环泵入口引起泵气蚀和搅拌器叶轮的气蚀，计算得出的吸收塔浆池高度为7.5 m。根据浆池高度取最大值计算，得到的高度应是10.5 m。

在工艺设计时增加0.3 m作为液位控制的安全裕量，增加0.5 m作为吸收塔浆池因为注入空气后体积增大的裕量，最终设计为浆池高度为11.3 m。

如果需要降低吸收塔浆池的液位，则需要设计成变径塔。降低吸收塔液位的原因很多，有时因为地质条件要求增大基础面积，有时为了降低吸收塔的总高。根据计算得出的浆池体积，保证两个设计前提：一是变径角度60°，二是变径上部保持400 mm的有效液位。通过设定一个浆池直径，就可计算出变径后的浆池高度。

在循环项目中，如果采用变径浆池，根据浆池容积2 800 m3，吸收区直径18.4 m，设定浆池直径是22 m，变径上部400 mm的浆池容积是106 m3，变径处的浆池容积是1 001 m3，可以计算得出直径22 m处浆池的高度是4.5 m，整个浆池高度即为8 m。和不变径的浆池高度10.5 m相比降低了2.5 m。

4 结论和建议

吸收塔浆池的工艺设计是建立在吸收塔物料平衡的基础上，主要有3点：①吸收塔内烟气流速的确定直接影响系统的电耗和设备的投资，选择最佳的操作点，一般是3.8 m/s，确定吸收塔的直径。②循环浆池的容积则是通过石膏晶体生长时间、石灰石溶解时间和最小氧化空气体积三个方面比较大小确定的。③循环浆池的液位高低有浆池直径变径和不变径两种设计方法。

［1］秦钟.燃煤烟气脱硫脱硝技术及工程实例［M］.北京：化学工业出版社，2002.

［2］谭学谦.浅谈600MW机组湿法脱硫吸收塔的工艺设计［J］.电力建设，2007，28(4)：52-56.

［3］薛琴.2X300MW机组石灰石—石膏烟气脱硫吸收塔设计［J］.电力环境保护，2008，24(4)：24-26.

［4］尹连庆，徐峥，孙晶.脱硫石膏品质影响因素及其资源化利用［J］.电力环境保护，2008，24(1)：28-30.

［5］韩琪，李忠华.石灰石/石膏湿法烟气脱硫的化学过程研究［J］.电力环境保护，2002，18(1)：1-3.