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1、常用脱硫塔分析由此可见，新世纪的最初 4 年，我国钢铁产量增长了 1.8 倍，煤炭和电力的增长均超过 1.5 倍，都是举世瞩目的。电力工业中火电约占 80%，尽管发展迅速，仍然不能满足需求，全国缺电情况依然严重。由此而导致的大气污染形势令人忧虑。煤炭，在我国已探明的一次能源储量中占 90%，在能源消费构成中约占 70%。我国是当今世界头号煤炭产销国，煤烟型污染一直严重困扰着社会经济的发展，SO2 年排放量高达 2000 万 t，居各国之首。据统计，因 SO2 污染造成的农业、森林和健康等方面的社会经济损失每年达 1000 亿元，平均每排放 1tSO2 招致的损失约为 5000 元。这是一个触目
2、惊心的数字！也是对 FGD 的紧急呼唤。新世纪的来临，全社会的环境觉醒，“ 两控区”的目标凸现，新“大气法 ”的修订颁布，国家综合技术和经济实力的增强，给我国的SO2 减排运动提供了前所未有的机遇和动力。无疑，广大环保界期盼已久的FGD 黄金时期终于到来。可以肯定，我国用 1015 年的时间，必将全面解决煤烟型污染问题。为此全国要投入逾千亿巨资实施包括 FGD 在内的 SO2 有效控制措施。FGD 是当前举世公认的控制 SO2 的最有效途径，也是在燃料燃烧排放的过程链中处于终端的保障性控制手段，受到人们的高度关注。历经近半个世纪的发展和不断优化,FGD 技术现已臻于成熟 ,工程效果十分显著。在
3、日、美、德等发达国家普遍实施 FGD 之后，许多发展中国家也陆续仿效，开始应用这项技术。我国自然不例外，在上世纪九十年代引进建造大型示范工程，随后，大批 FGD 项目犹如雨后春笋破土而出。从目前情况看来，脱硫形势很好，许多外国公司争相来华抢滩，国内大小数十家脱硫公司激流勇进。然而我国的有关法律法规和政策尚未健全，脱硫市场在严重缺乏规范中推进。本文仅就 FGD 系统的主体设备脱硫反应塔（器）提出参考性分析述评。1. 脱硫反应塔（器）的类型FGD 工程，无论采用何种工艺流程都有其主体设备脱硫反应塔（器），都是脱硫岛的核心，其他的所有设备设施均围绕主体，服务主体。在湿式洗涤吸收塔中，脱硫过程的特点是
4、，有传质传热，又有化学反应；有物理吸收，又有化学吸收；有气液固多相反应，也有均相反应，还存在催化反应。在处理吸收液时，有氧化、浓缩、结晶、分离、脱水、干燥等多个化工单元操作，有时还有还原再生以及副产物回收加工和贮运等等。所以，应该说 FGD 工程是一个相当复杂的系统。在这个工程系统中，脱硫反应塔（器）的型式多种多样，主要决定于脱硫的工艺过程和操作条件、机组的容量以及技术经济的要求。设计时必须通过充分的调研和分析比选，正确确定。字串 9 工业上采用的脱硫反应塔（器）类型见下表。由表 2 可以看到，每种脱硫工艺都根据自身流程的特点采用适用的脱硫反应塔（器）。在湿法工艺中，采用的吸收塔主要考虑有利于
5、传质而避免结垢堵塞。对于不易结垢的钙法以外的几种工艺，所用的反应器大致相同。湿式钙法的反应器，历来研发最多，因而反应器的类型也最多。在众多的反应器中，早期填充塔不少，但喷淋塔占据绝对优势，是脱硫工艺的主流反应器。2. 脱硫反应塔（器）的选型在选用吸收装置时需要考虑很多因素：处理能力要大、压力损失要小、构造力求简单、吸收效率高、操作弹性大、运行可靠、维修方便等。此外，尚须考虑吸收系统的各种特点。对气膜控制的吸收过程，一般应采用填料塔之类的液相分散型装置，使液相分散，气相湍动，有利于传质。对液膜控制的吸收过程，则宜采用各类板式塔，使液相湍动，气相分散，有利于传质。在必需的液气比下，气膜控制时，应选
6、择气相传质系数大的装置；液膜控制时，则应选择液相传质系数大的装置。对于一般的化学吸收过程，可以按气膜控制来考虑。烟气脱硫，湿式钠法和氨法过程属于气膜控制，而且介质的腐蚀性较强，宜采用填料塔或板式塔；湿式钙法和镁法则应考虑以气膜为主的双膜控制，且因可能发生结垢堵塞，宜采用喷淋塔和液柱塔，也可以采用鼓泡塔和筛板塔。处理气量较小时，可采用旋流板塔和文丘里洗涤器等。脱硫吸收塔（器），根据其结构特点可以分为喷雾型洗涤塔、填料塔、板式塔、流化床和文丘里洗涤器、自激式和机械力洗涤器、离心水膜洗涤器等。其中喷雾型洗涤塔，或称喷淋塔是应用最广泛的塔型，填料塔和板式塔是它的合理改进型。流化床洗涤器，或称湍球塔是由
7、填料塔发展而来。自激式洗涤器（如喷射鼓泡塔）和机械力洗涤器（如旋流板塔）分别在流体和械力作用下产生紊流区，强化气液接触。离心水膜洗涤器则是在洗涤器上部设有进水环形管，可使溢水槽水分布均匀，于洗涤器内壁形成 35mm 厚的水膜，烟气进入洗涤器，在离心力作用下，与水膜接触。上述洗涤器除了文丘里洗涤器所需压力降较高之外，均为中、低压，在 193430Pa 范围内。文丘里洗涤器结构简单，维护成本较低。但是，高效率需要高压力降，一般为245010000Pa 以上，故又称“ 高能耗洗涤器” ，文丘里洗涤器除了普通型式以外，还有射流文丘里、可变喉管文丘里和紧凑型文丘里等。 字串 6 湿式洗涤器的优点之一是使
8、用单个设备就可以对烟气同时进行除尘脱硫。但是，为了提高效率，往往将几个设备联用，例如湿式电滤器，将静电除尘和湿式洗涤的优点集于一体，可以达到低能耗、高效率地除去小至 0.05m微粒。常见的几种洗涤塔器如图所示。2.1 喷淋吸收塔喷淋塔是湿法工艺的主流塔型，在全世界湿法 FGD 系统中占有突出的地位，主要是针对解决内部构件的结垢问题而设计的。喷淋塔多采用逆流方式布置，烟气从喷淋区下部进入吸收塔，烟气流速为 3m/s 左右，液气比 L/G 与煤含硫量和脱硫率关系较大，一般在 825L/m3 之间。喷淋塔优点是塔内构件少，故结垢可能性小，压力损失也小。逆流运行有利于烟气与吸收液充分接触，但阻力损失比
9、顺流大。吸收区高度为 515m，如按塔内流速 3m/s 计算，接触反应时间约 25m。区内设 34 个喷淋层，每个喷淋层都装有多个雾化喷嘴，交叉布置，覆盖率达200%300%。喷嘴入口压力不能太高，在 50200kPa 之间。喷嘴出口流速约10m/s。雾滴直径在 1.33.0mm 之间，液滴在塔内的滞留时间 110s，雾粒在一定条件下呈悬浮状态。 吸收塔底部是氧化槽，氧化槽的功能是接受和储存吸收浆液，溶解石灰石，鼓风氧化 CaSO3，结晶生成石膏。早期的湿式石灰-石灰石法几乎都是在脱硫塔外另设氧化塔，这种工艺易发生结垢和堵塞问题。现在都采用就地强制氧化，循环吸收液在氧化槽内的设计停留时间一般为
10、 48min，与石灰石反应性能有关。石灰石反应性能差，为使之完全溶解，要求它在池内滞留时间长。氧化空气采用罗茨风机或离心风机鼓入，压力约 586kPa，理论上氧化 1mol SO2，需要 1mol O2。由于石灰石的溶解度低，要求底槽的容积很大。为了防止固体沉降，保证浆液更好地混合，需设置一些搅拌器不停地搅动。在吸收塔不同的高度上对吸收浆液的 pH 值连续测量，用来校正和保持吸收塔底槽中灰浆的 pH 值为常数。为了对烟气所夹带的液滴进行分离，设置两级除雾器在洗涤塔的上部，通过这一装置，可达直径大于 17m的液滴分离率为99.9%。2.2 填料塔填料塔也是一种应用广泛的气液传质设备。与板式塔相比
11、，填料塔的基本特点是结构简单、压降低、填料可用耐腐蚀材料制造。早期，填料塔主要应用于实验室和小型工厂，直径多在 0.5 米以下。但近些年来，关于填料塔的研究及其应用取得了巨大的进展，直径数米乃至十几米的填料塔已不足为奇。按照填料的结构有格栅式和由其他填料组成的填料塔。塔体为一圆形筒体，筒内分层安放一定高度的填料层。早期使用的填料是碎石、焦炭等天然块状物。后来广泛使用瓷环（如拉西环）和木格栅等人造填料。这些填料在塔内的堆放方式可分乱堆填料和整砌填料。填料塔操作时，液体自塔上部进入，通过液体分布器均匀喷洒于塔截面上。在填料层内，液体沿填料表面自动分散呈膜状流下。各层填料之间设有液体再分布器，将液体
12、重新均布于塔截面上，进入下层填料。 气体自塔下部进入，通过填料缝隙自由空间，从塔上部排出。离开填料层的气体可能挟带少量雾滴，因此，需要在塔顶安装除沫器。气液两相在填料塔内进行接触，填料上的液膜表面即为气液两相的主要传质表面。在气液两相逆流流动的填料塔内，正常操作时气相是连续相，液相是分散相。气体通过每米填料的压力降p/Z（Z 为填料层高度）与填料的尺寸、类别、堆放方式有关，且随两相的流速而变化。干填料层的压力损失约与气速的1.82.0 次方成比例，表明气流在实际操作中是湍流。当气速固定，液体喷淋密度增大时，气流的压力降增加。如液流量（或喷淋密度）固定，增大气速到开始拦液（这一点称为载点），其相
13、应的气速称为载点气速。当气速继续增大，填料层中的持液量愈积愈多，充满了整个空隙，气体压力降几乎是垂直上升。同时在填料层顶部开始出现鼓泡液层，进而充满全塔，这时塔内气、液两相间发生了由原来气相连续、液相分散变为液相连续、气相分散，产生气体以泡状通过液体的液泛现象。开始出现此现象的点称为泛点，相应的气速称为液泛速度。泛点为普通填料塔的操作极限。要使操作平稳，压力降不致于过大，气流速度必须低于液泛速度；如考虑到操作中波动较大，或要求压力降平稳，则气流速度还应低于载点速度。填料是影响填料塔经济性的最重要因素。填料塔的传质效率很大程度上取决于液体喷淋是否均匀和填料是否全部被湿润。因此，计算得到的塔径 D
14、T 值还应以喷淋密度来校核，保证喷淋密度 U5m3/(m2h)。填料塔的总高度包括填料层、填料段间空隙以及塔顶、塔底各部分的高度。一般大中型填料塔段间空隙可取 800mm 左右，塔顶空间高度取 1000mm，塔底空间高度取1500mm。为使气体沿塔截面均匀分布，填料层高度 Z 与塔径 DT 之比不宜过小，以Z/DT=1.52.0 为其下限；过大则会使压力降急剧增加，宜以 10 为其上限。填料塔的液泛速度、塔径、塔高、填料层高和压力降等均可通过计算确定。在设计空塔气速时，通常均先计算液泛速度，然后再乘以安全系数作为实际操作气速。2.3 板式塔板式塔是一种应用广泛的气液传质设备，它由一个通常呈圆柱
15、形的壳体及其中按一定间距水平设置的若干块塔板所组成。板式塔正常工作时，液体在重力作用下自上而下横向通过各层塔板后由塔底排出；气体在压差推动下，经均布在塔板上的开孔由下而上穿过各层塔板后由塔顶排出。在每块塔板上皆贮有一定的液体，气体穿过板上液层时，两相进行接触传质。在板式塔内形成气液界面所需的能量是由气体提供的。板式塔具有以下两方面的功能： （1）在每块塔板上气液两相必须保持密切而充分的接触，为传质过程提供足够大且不断更新的相际接触表面，减小传质阻力；（2）在塔内应尽量使气液两相呈逆流流动，以提供最大的传质动力。当气液两相进、出塔的浓度一定时，两相逆流接触时的平均传质推动力最大。在板式塔内，各块
16、塔板正是按两相逆流的原则组合起来的。除保证气液两相在塔板上有充分的接触之外，板式塔的设计意图是力图在塔内造成一个对传质过程最有利的理想流动条件，即在总体上使两相呈逆流流动，而在每一块塔板上两相呈均匀的错流接触。板式塔的主要构件是塔板。各种塔板的桔构大同小异，主要构造包括：（1） 塔板上的气体通道筛孔（2） 溢流堰（3） 降液管通常一块塔板只有一个降液管，称为单流型塔板。当塔径或流体流量很大时，降液管的数目将是多个。气体通道的形式很多，对塔板性能的影响极大，各种塔板的主要区别就在于气体通道的形式不同。筛孔板的气体通道最为简单，它是在塔板上均匀地开出许多圆形小孔，称为筛孔。筛孔的直径通常是38mm，直径为 1225mm 的大孔径筛板也应用得相当普遍。这种大孔径筛板塔又叫做穿流板塔。筛板塔是板式塔的一种。工业上常用筛孔直径为 38mm，推荐采用 45mm。对于碳钢及铜合金塔板孔径 d0 一般应不宜小于板厚 ，对于不锈钢塔板 d0 应不小于（1.52.
