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1、华能井冈山项目部脱硫运行培训教材 SO2 吸收系统第三章 SO2吸收系统3. 1、系统简介SO2 吸收系统是整个脱硫装置的核心系统，对烟气除去 SO2 等有害成分的过程主要在这个系统完成。本系统主要是由吸收塔、浆液循环泵、除雾器、吸收塔搅拌器及氧化风机等组成。石灰石石膏湿法烟气脱硫是由物理吸收和化学吸收两个过程组成。在物理吸收过程中SO2溶解于吸收剂中，只要气相中被吸收气体的分压大于液相呈平衡时该气体分压时，吸收过程就会进行，吸收过程取决于气- 液平衡，满足亨利定律 。由于物理吸收过程的推动力很小，所以吸收速率较低。而化学吸收过程使被吸收的气体组分发生化学反应从而有效地降低了溶液表面上被吸收气
2、体的分压， 增加了吸收过程的推动力，吸收速率较快。FGD 反应速率取决于四个速率控制步骤，即 SO2的吸收、 HSO3氧化、石灰石的溶解和石膏的结晶。3.2 、吸收反应原理3.2.1 、物理过程原理SO2吸收是从气相传递到液相的相间传质过程。对于吸收机理以双膜理论模型的应用较广，双膜理论模型如图所示。图中p 表示 SO2在气相主体中的分压，pi表示在界面上的分压，c 和 ci则分别表示SO2组分在液相主体及界面上的浓度。把吸收过程简化为通过气膜和液膜的分子扩散，通过两层膜的分子扩散阻力就是吸收过程的总阻力。气体吸收质在单位时间内通过单位面积界面而被吸收剂吸收的量称为吸收速率。根据双膜理论，在稳
3、定吸收操作中，从气相传递到界面吸收质的通量等于从界面传递到液相主体吸收质的通量。吸收传质速率方程一般表达式为：吸收速率=吸收推动力吸收系数，或者吸收速率=吸收推动力/ 吸收阻力。吸收系数和吸收阻力互为倒数。华能井冈山项目部脱硫运行培训教材 SO2 吸收系统3.2.2 、化学过程原理3.2.1.1、SO2、 SO3和 HCl 的吸收：烟气中的SO2和 SO3与浆液液滴中的水发生如下反应：SO2 + H2O HSO3+ H+ SO3 + H2O H2SO4HCl 遇到液滴中的水即可迅速被水吸收而形成盐酸 。3.2.1.2、与石灰石反应浆液水相中的石灰石首先发生溶解，吸收塔浆池中石灰石溶解过程如下：
4、CaCO3 + H2O Ca2+ + HCO 3 + OH水中石灰石的溶解是一个缓慢的过程，其过程取决于以下几个因素：a. 固态石灰石颗粒的颗粒尺寸。颗粒细小的石灰石粉要比颗粒粗大的石灰石粉溶解要快。b. 石灰石的反应率。活性石灰石的溶解率要比没有活性的石灰石溶解率要快。c.吸收塔浆液的pH值。 pH值越低，石灰石溶解得越快。高的 pH值对酸性气体的脱除效率有利，但是不利于石灰石的溶解。低的 pH值不利于酸性气体的脱除效率，但是有利于石灰石的溶解。SO2、 SO3、 HCl 等与石灰石浆液发生以下离子反应：Ca2+ + HCO 3+ OH+ HSO3+ 2H+ Ca2+ + HSO 3+ CO
5、2+2H2O 氧化反应：2HSO3+ O2 2SO42+ 2H+ Ca2+ + HCO 3+ OH+ SO42 + 2H+ Ca2+ + SO 42+ CO2+2H2OCa2+ + HCO 3+ OH+ 2H+ + 2Cl Ca2+ + 2Cl+ CO2+ 2H2O 经验显示，吸收剂浆液的pH值控制在5.5 6.0 之间， pH 值为 5.6 时最佳 ，此时酸性气体的脱除率和石灰石的溶解速度都很高。吸收塔浆液池中的 pH值是通过调节石灰石浆液的投放量来控制的，而加入塔内的新制备石灰石浆液的量取决于预计的锅炉负荷 、SO2含量 以及 实际的吸收塔浆液的pH值 。3.2.1.3、氧化反应通入吸收塔
6、浆液池内的氧气将亚硫酸氢根氧化成硫酸根：2HSO3+ O2 2SO42+ 2H+ 3.2.1.4、石膏形成：Ca2+ + SO 42+ 2H2O CaSO4 ? 2H2O 华能井冈山项目部脱硫运行培训教材 SO2 吸收系统石膏的结晶主要发生在吸收塔浆液池内，浆液在吸收塔内的停留时间、通入空气的体积和方式都经过专门的设计，可保证石膏的结晶生成。脱硫总反应式：SO2（ g）+CaCo3(s)+1/2O2+2H2O(l) CaSO4.2H2O(s)+CO2(g) WFGD 物理和化学反应过程示意图1- 石灰石的溶解；2- SO2和 O2的溶解； 3- 亚硫酸钙的氧化；4- 石灰石的溶解；5-O2的吸
7、收；6- 亚硫酸钙的强制氧化；7- 石膏的结晶； 8- 亚硫酸钙的结晶； 9- 可能的结垢；10- 持液槽3.3 、主要设备作用及结构3.3.1 、吸收塔本体作用与功能：烟气进入吸收塔内，自下而上流动与喷淋层喷射向下的石灰石浆液滴发生反应，吸收 SO2、SO3、HF、HCl 等气体。 吸收塔采用先进可靠的喷淋空塔，系统阻力小， 塔内气液接触区无任何填料部件，有效地杜绝了塔内堵塞结垢现象。 石灰石浆液制备系统制成的新石灰石浆液通过石灰石浆液泵送入吸收塔浆液池内，石灰石在浆液池中溶解并与浆液池中已经生成石膏的浆液混合，由吸收塔浆液循环泵将浆液输送至喷淋层。浆液通过空心锥型喷嘴雾化，与烟气充分接触。
8、在吸收塔浆液池中部区域，氧化风机 供给的空气通过布置在浆液池内的喷枪与浆液在搅拌器的协助下进一步反应生成石膏（CaSO42H2O） 。3.3.1.1、喷淋层每只吸收塔配备四台浆液循环泵，采用单元制运行方式，每一台循环泵对应一层喷淋装置。循华能井冈山项目部脱硫运行培训教材 SO2 吸收系统环泵将塔内的浆液从下部浆液池打到喷淋层，经过喷嘴喷淋，形成颗粒细小、反应活性很高的雾化液滴。本设计的液气比选在16.24L/Nm3。四层喷淋层可以根据烟气负荷的大小选择投用的层数，以降低能源的消耗和保证出口烟气的温度。喷淋层采用高级的螺旋状喷嘴，在同等喷雾条件下，对循环泵的压力需求较低。该种喷嘴可使喷出的三重环
9、状液膜气液接触效率高，能达到高效吸收性能和高除尘性能。喷淋层的布置增加了浆液与气体的接触面积和几率，保证吸收塔横截面能被完全布满，使SO2、SO3、HF 、HCl 等被充分去除。由于在吸收塔内吸收剂浆液通过循环泵反复循环与烟气接触，吸收剂利用率很高。吸收塔内部结构示意图华能井冈山项目部脱硫运行培训教材 SO2 吸收系统喷淋层和喷嘴实物图喷淋效果图喷嘴实物图3.3.1.2、吸收塔浆液池吸收塔浆液池的主要功能如下：完成酸性物质和石灰石的反应酸性物质：通过强制氧化把亚硫酸盐氧化成硫酸盐提供石灰石足够的溶解时间促使过饱和溶液里面的石膏结晶提供石膏晶体充分长大的停滞时间根据日本川崎公司多年的工程经验并结
10、合工程设计参数，对吸收塔进行了优化设计。其优点有：、低进口SO2浓度导致酸碱吸收反应速率下降，大容量吸收塔浆池为喷淋过程中物理溶解于浆液中的酸性物质在浆池内与溶解态石灰石的反应提供充分的反应时间，由此确保高的脱硫效率。、为石灰石提供充分的溶解时间，确保不大于1.03 的钙硫比。、 为亚硫酸钙提供充分的氧化空间和氧化时间，确保良好的氧化效果。、为石膏晶体长大提供充分的停滞时间，确保生成高品质的粗粒状（而非片状和针状）石膏晶体。、同时，为了在烟气参数如烟气流量、烟气温度和SO2初始浓度发生快速变化的情况下，能使吸收塔正常、稳定地运行，浆液池容量的设计保证提供充分的气固缓冲容积，确保系统具有良好的耐
11、冲击性和稳定性。当锅炉原烟气通过吸收塔时，会蒸发带走一部分吸收塔内的水分，石膏结晶也会带走一定的水分，废水排放也会带走一部分水，这样将导致吸收塔浆液中的固体浓度逐步增大，进而影响反应的正常进行。 浆液的液位由吸收塔的液位控制系统控制，流失的水将通过除雾器冲洗水来补充，同时华能井冈山项目部脱硫运行培训教材 SO2 吸收系统亦通过向吸收塔补充新鲜工艺水来保持液位。 塔内浆液的密度通过调节吸收塔内石膏浆液的排放量来控制。吸收塔浆液池上部设溢流口，保证浆液液位低于吸收塔烟气入口段的下沿。溢流管道上配备有吸收塔密封箱，它可以容纳吸收塔的溢流液，同时为吸收塔提供了增压保护，保证系统运行的安全稳定。密封箱的
12、液位由周期性补充工艺水来维持。密封箱实物图3.3.1.3、吸收塔顶部设有放空阀。在正常运行时该阀门是关闭的，当FGD装置走旁路或当FGD装置停运时，阀门开启。在调试及FGD系统检修时打开，可排除漏进的烟气，有通气、通风、通光的作用，方便工作人员操作；FGD停运时，可避免烟气在系统内冷凝并腐蚀系统。华能井冈山项目部脱硫运行培训教材 SO2 吸收系统排空阀实物图3.3.1.4、浆液池搅拌器浆液池里面的浆液为含有多种溶解盐的水溶液，其中悬浮态维持在15wt% 的水平。为了保证这些固态物质能够真正悬浮在浆液中，浆液池周围安装了5台侧进式搅拌器。吸收塔搅拌器外观图搅拌器叶片（吸收塔内）3.3.2 、吸收
13、塔浆液循环泵吸收塔浆液循环泵安装在吸收塔旁的循环泵房内，用于吸收塔内石膏浆液的循环。采用单流和单级卧式离心泵，包括泵壳、叶轮、轴、轴承、出口弯头、底板、进口、密封盒、轴封、基础框架、华能井冈山项目部脱硫运行培训教材 SO2 吸收系统地脚螺栓、机械密封和所有的管道、阀门及就地仪表和电机。浆液循环泵配有油位指示器、联轴器防护罩和泄漏液的收集设备等。配备单个机械密封，不用冲洗或密封水，密封元件配有人工冲洗的连接管。轴承型式为耐磨型。吸收塔选配的是四台流量都是5640m3/h 的离心式循环泵，在保证喷嘴前压力相同的前提下，泵的扬程分别为14.6m/16.6m/18.6m/20.6m。吸收塔的操作液位的
14、设计能充分保证泵的工作性能，泵的叶轮背后不气蚀；同时，选择了较大的泵入口管管径，能有效防止气蚀的发生，延长泵的使用寿命。在塔内循环泵入口管路上，装设大孔径的过滤器。浆液循环泵实物图3.3.3 、氧化空气系统每套吸收塔的氧化系统由氧化风机、氧化空气喷枪及相应的管道、阀门组成。氧化空气通过氧化空气喷枪均匀地分布在吸收塔底部浆液池中，将CaSO3氧化成 CaSO4，进而结晶析出。氧化空气系统是吸收系统的一个重要组成部分，氧化空气的功能是促使吸收塔浆液池内的亚硫酸氢根氧化成硫酸根，从而增强浆液进一步吸收SO2的能力，同时使石膏得以生成。氧化空气注入不充分或分布不均匀都将会引起吸收效率的降低，严重时还可
15、能导致吸收塔浆液池中亚硫酸钙含量过高而结垢， 甚至发生亚硫酸钙包裹石灰石颗粒使其无法溶解。因此，对该部分的优化设置对提高整个设备的脱硫效率和石膏产品的质量显得尤为重要。氧化和结晶主要发生在吸收塔浆液池中。吸收塔浆液池的尺寸足够保证提供浆液完成亚硫酸钙华能井冈山项目部脱硫运行培训教材 SO2 吸收系统的氧化和石膏（CaSO4? 2H2O ）的结晶的时间。氧化空气入塔前经增湿降温，使氧化空气达到饱和状态，可有效防止分布管空气出口处的结垢。本系统氧化空气喷枪布置在吸收塔浆液池中下部，为石灰石溶解、 亚硫酸钙氧化和石膏结晶过程提供最佳反应条件。氧化空气喷枪上部浆液因为刚吸收了大量SO2，pH值略低，有
16、利于石灰石的进一步溶解和石膏的生成，对提高石膏的品质有利，氧化空气喷枪下部由于有新加入的石灰石浆液，pH值略高，将浆液提升至喷淋层的吸收塔循环泵入口位于该区域，有利于提高吸收SO2的能力。氧化空气由二台氧化风机提供。从空气总管起， 各个空气支管在吸收塔外垂直向下接到氧化空气喷枪。该方式尤其适合大尺寸的吸收塔，氧化效果好，布气均匀，氧化空气的利用率高，氧化空气用量少且保证石膏品质。众多工程实际表明，正常运行状况下（除吸收塔维修期间外），一般不必要对其进行清洗。该系统的主要特点如下：氧化空气分布均匀；氧化性能高；在氧化空气用量较低的情况下保证了氧化反应的彻底进行；氧化空气喷枪具有自清洗功能。氧化风机采用罗茨风机，每台包括润滑系统、进出口消音器、 进气室、 进口风道 （包括过滤器） ，吸收塔内分配系统及其与风机之间的风道、管道、阀门、发兰和配件、电机、联轴节、电机和风机的共用基础底座、就地控制柜、冷却器等。罗茨风机是一种定排量回转式风机，如图所示，靠安装在
