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1、 173 第六章 脱硫塔设计 现代化的烟气脱硫脱硫塔的设计必须满足以下几个准则： （1） 低能耗，与低“液气”比有关； （2） 低压降，与脱硫塔内部的优化设计有关； （3） 高流速，与“投资”和“运行费用”的优化有关； （4） 高 SO2去除率、低的设备/系统维护率，与化学反应行为的优化有关； （5） 高“液滴”分离率，避免下游设备垢污沉积和腐蚀； （6） 低成本。 脱硫塔内的流体力学特性为复杂的气液二相流， 这种复杂的逆流两相流给放大准则和测 量带来很大的难度。 几乎每套装置都需度身定制， 对一些特殊环节不进行验证就很难保证系 统具有高度可靠性、经济性和一次投入成功率。 但是，FGD 装置庞
2、大，一般小型试验很难 解决问题，大型试验又使得一般工程在财力和时间上无法接受。 早期， 需要模拟实际工况的几何尺寸和流动条件才能初步确定放大准则， 然后对放大准 则进行判读并将其应用于实际工况。近年来，随着计算流体力学、化学反应动力学等领域的 发展，对脱硫塔设计技术的研究更加深入。例如，对脱硫塔进行 CFD 模拟，在工作站上可 以对不同的 FGD 设计进行测试并优化， 这可能是了解真实流动状态和 FGD 脱硫效率的唯一途 径。 此外，脱硫塔为薄壁结构，塔体上分布各种类型的加强筋，矩形开孔尺寸大、塔内件复 杂，有时塔体外形不规则，依靠手工对喷淋塔进行流场和力学计算是非常困难的，使得人力 计算很难
3、进行。 目前，大多采用现代流场分析软件和力学分析软件（如 FLUENT6.0 和 ANSYS9.0）进 行流场分析和力学分析。脱硫塔的流场分析和力学分析是脱硫塔优化设计的基础。 第一节 脱硫塔结构设计 脱硫塔的结构设计，包括储浆段、烟气入口、喷淋层、烟气出口、喷淋层间距、喷淋 层与除雾器和脱硫塔入口的距离、喷喷嘴特性（角度、流量、粒径分布等） 、喷嘴数量和喷 嘴方位的设计，是取得脱硫塔最优化性能的重要先决条件。 需要指出的是， 精准的设计应在两相流和传质以及力学分析的基础上， 结合实践经验进 行。 一、脱硫塔结构定性设计 1.塔的总体布置 如图 6-1 所示，一般塔底液面高度 h1=6 m15
4、m；最低喷淋层离入口顶端高度 h21.2 4m； 最高喷淋层离入口顶端高度 h3vt， v 为空塔速度， m/s， t 为时间， s， 一般取 t1.0s； 喷淋层之间的间距 h41.52.5m；除雾器离最近（最高层）喷淋层距离应1.2 m,当最高 层喷淋层采用双向喷嘴时，该距离应3m；除雾器离塔出口烟道下沿距离应1m。 喷淋区的高度不宜太高，当高度大于 6m 时，增加高度对于效率的提高并不经济。喷 淋区的烟气速度应与雾滴的滴谱范围相对应。从理论上讲，约有 3%6%的液滴量被夹带， 在冷却区的夹带量大约为 0.2%0.5%（与烟气进口的切向流动有关） 。 PDF 文件使用 “pdfFactor
5、y Pro“ 试用版本创建 174 1 2 4 3 烟气出口 烟气入口 图 6-1 塔的布置 2.塔径的确定 脱硫塔的传质段的塔径主要取决于塔内传质、气液分布及经济性的考虑。 在喷淋塔内，烟气流速较低时，压降上升幅度小于流速的上升幅度。随着烟气流速的提 高，压力曲线逐渐变陡，直至液泛。液泛气速接近液滴自由沉降的终端速度，并随着吸收液 滴直径的增大而提高。故喷雾塔设计时，烟气流速的选取应与吸收液液滴直径相匹配，按常 规，设计气速应为液泛气速的 5080。 由于喷雾型脱硫塔中，气流分布可以“自我校正”均匀，从这个角度看，塔径可以无限 大。但塔的结构设计的经济性和设计难度等影响到塔径的大小，这需作
6、综合分析，必要时分 塔。 脱硫塔可设计成等直径塔， 也可设计成变直径塔， 具体应根据侧搅拌层数和储浆量大 小确定。 3.塔底储浆量的确定 确定脱硫塔储浆量的基本要素有：最大的 SO2负荷，这依赖于进气的 SO2浓度及出气所 要求的 SO2浓度；各部分的浆液 pH 值；在考虑了可能存在的离子影响（飞灰、石灰石和工 艺水）条件下的石灰石实测溶解速率；石膏品质（如粒径大小）的要求。根据以上要求确定 浆液所需停留的名义时间，该时间可由塔底总浆液量除于排石膏浆液量获得。 4.塔入口烟道的设计 脱硫塔入口烟气的均匀性直接影响到脱硫塔内烟气分布的均匀性。 烟气入口气液接触处为干湿交界面， 浆液在此干燥结垢将
7、影响塔运行的安全性和气流流 向。 设计时应在烟道入口上方及两侧安设挡水板， 防止喷嘴喷出的浆液进入烟道内。 运行时， 上方挡水板形成的水帘有利于脱硫和气流均布， 两侧挡水板可防止喷嘴喷雾产生的背压将浆 液抽进烟道内（当烟道档板未关，且无气体进入塔内时） 。同时，靠近烟道侧的喷嘴应调整 安装角度，防止喷入烟道。 烟气入口区域的流体流动受入口烟道与塔的几何尺寸、内部构件、托盘下部的喷淋层 以及浆液从托盘流出的方式影响。尽管脱硫塔入口设计扁平,但入口射流上下左右及端部都 必然有死滞区、回流区，可通过下述方法改善之： （1）将水平进气方式改为切向斜向下进气，此种结构有利于削弱塔内回流旋涡，降低压 损，
8、延长气液接触时间，防止浆液倒流。如图 6-2 所示。 （2）在脱硫塔烟气入口处增设导流板，将大大提高气流分布的均匀性，且可减小压力损 失。 （3）烟气入口进气方式为斜向下进气，在脱硫塔内部增设托盘或文丘里棒等均压装置。 当烟气入口采用合金钢材料时，应设冲洗系统，如图 6-3 所示。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 175 5.塔出口烟道的设计 烟气出口出口型式较多，图 6-4 只是其中的一种。其出口可设计成轴向对称型式（俯 视图 a）和切向对称型式（俯视图 b） 。 若将脱硫塔出口先适当收缩成锥状，再侧向出口，可避免对脱硫塔的气流分布造成不 利的影响。 6.
9、喷淋层的设计 喷淋层的设计是脱硫塔设计的重点和难点。 喷淋层的设计包括浆液管道、喷嘴的选择与布置。 喷嘴的数量和喷淋层数取决于脱硫效率,一般采用 36 层。 喷淋层可用多台循环泵供浆 斜板 塔壁 烟道入口 图62 烟气入口示意图 塔壁 烟道入口 剖面图俯视图a 塔壁 烟道入口 俯视图b 塔壁 烟道出口 图64 烟气出口示意图 塔壁 烟道出口 剖面图俯视图a 塔壁 烟道出口 俯视图b 塔顶 支承件 折射板 烟气入口烟道 脱硫塔壁 脱硫塔壁 图6-3 烟气入口防垢结构示意图 折射板 冲洗喷嘴 烟气入口烟道 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 176 或一层喷淋层单独
10、对应供浆， 后者更适合于大型脱硫塔且烟气负荷变化较大的场合。 当某台 循环泵或管路需检修时，只要将其停止来即可，不会影响到塔的运行；当锅炉负荷变化时， 可通过增加或停止一台循环泵从而达到节能的效果，也可备用一套管路（包括循环泵、喷淋 层及相关管道） ，以满足未来日益严格的环保要求。 浆液管道的设计要求保证进入个喷嘴的压力相等，即所谓的均压。一般地，当脱硫塔直 径较大时，已设计成多根主管型式，有利于均压。浆液管道在脱硫塔内的支撑固定装置可设 计成单根或多根主梁支撑、支管塔壁固定的方式，见图-5。 第一层（最低的一层）喷淋层离烟道上部一般保持 2m4m 的距离，以便使浆液能充分 地与烟气接触并避免
11、进入烟道内，喷淋层与喷淋层之间的间距为 1.52.5m，最高喷淋与除 雾器间的距离至少应为 1.2m。 对于逆流型喷淋塔，烟气速度为 34.5m/s，雾滴的尺寸是有一定的限制范围的，也即 对喷嘴最基本的要求是“烟气的携带量” 。粒径小于 500m 的液滴将被带至除雾器中，如果 带至除雾器中的液滴太多，除雾器将无法正常工作，大量的雾滴将进入下游烟道和烟囱。对 于一个典型的 FGD 系统来说， 喷嘴形式的雾滴应选定在 25003000m 之间的雾化颗粒， 低 于 500m 直径的液不能超过 5%， 这种 粒径的雾滴在最大程度地减少烟气中 雾滴携带的同时，也能提供足够的吸 收 SO2的气液表面积。
12、喷嘴供应商均能 提供详细的喷嘴粒径分布数据。 喷淋层喷嘴喷出的雾冠在 1mm 范 围内能完全覆盖塔断面，一般要求具 有 120%250%的覆盖率。 喷嘴应具有较大的自由畅通孔 径，一般应大于 45mm，否则易被结垢 碎片等杂物所堵塞。 在脱硫塔的喷嘴布置中， 若按 “等 距”布置，则从脱硫塔壁开始 01.3m 的外部圆周区域喷淋密度比脱硫塔中心区域要小的多， 塔壁处的烟气速度高， 二氧化硫浓度 也高。研究表明，脱硫塔中心部份的脱硫效率可达 99%100%，脱硫效率从塔中心至塔壁 的脱硫效率则逐渐减少，最终造成总的脱硫效率降低。为此，可采取脱硫塔中间布置空心双 向喷嘴、 塔壁布置实心喷嘴的方式来
13、增加塔壁附近的喷淋密度。 这种方式虽然在一定程度上 改善了塔内气流的均布，但由此带来的问题是壁流也很严重。 7.除雾器区域的设计 脱硫塔一般采用两级除雾器，两级除雾器间的距离应为 1.8m左右，以便检修维护。 除雾器距最近喷淋层的距离与该层采用的喷嘴形式有关，当采用向下喷雾的喷嘴时， 其间距应大于 1.2m；当采用双向喷雾的喷嘴时，其间距应大于 3m。 除雾器上沿距烟道出口下沿应大于 1m。 8.脱硫塔各孔、管口的设计 脱硫塔应易于清理、维护、检修，这就要求脱硫塔内部结构要简单，不留死角、有足够 的操作空间。在相应的位置设置人孔、安装检修孔。 脱硫塔上主要的人孔、安装孔管道孔如下：除雾器安装孔
14、，每级至少一个；喷淋浆液管 道安装孔，至少一个；脱硫塔底部清渣孔，至少一个，在孔外常配有电动葫芦；烟气入口烟 道设置一人孔，以便大修时清理烟道可能的积垢。 A A AA 方纲 防腐橡胶 聚炳烯 浆液管道 图65浆液管道在脱硫塔中的布置方式 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 177 脱硫塔上主要的管孔：循环泵浆液管道入口，一般为 3 个；液位计接口，一般为 23 个，石膏浆液排出口 12 个；排污口 1 个；溢流口一个；滤液返回口 1 个；事故罐浆液返 回口 1 个；地坑浆液返回 1 个；搅拌机接口 26 个；搅拌机冲洗管口 26 个；差压计接口 24 个。 当
15、设计存在不确定因素时，应留有备用孔。 (1)循环泵入口 当采用搅拌曝气一体化（ALS）及曝气管（FAS）时，搅拌机和脱硫浆液循环泵、石膏浆 液排浆泵入口的相对位置要特别注意。应采取措施，防止过多的气体被吸入泵内，影响泵的 性能和使用寿命，严重时甚至引起泵的断流。实践表明，当泵吸入的气体体积超过 2%时， 泵的效率、杨程、流量将出现陡降。为尽可能减少泵吸入的空气量，对 ALS 形式，搅拌器应 在循环管线转过 1520角的空间范围内均布；对于 FAS 形式，在泵入口加设隔板或将 靠近泵入口的曝气管提高到 3m 以上。 进口管口按常规布置，它们通常距烟道入口 90或 180。在脱硫塔壳体上，循环泵管
16、 线开口通常要比循环泵进口管线大一些。 (2）排污口 脱硫塔的浆液排空如图-6 所示，设冲洗水口，目 的是在当排空口堵塞时，可用高压水进行疏通。 浆液排空应布置在脱硫塔地沟附近。 (3)烟气排空口 烟气排空口设在脱硫塔的顶部，并配置电动调节 阀，供脱硫塔检修时用。 ()溢流口 脱硫塔的溢流口供脱硫塔液位发生故障时用，如图-7 所示。从图-8 可以看出，溢 流管冒出的腐蚀性气体容易对脱硫塔保温层已造成破坏， 采用水封方式可以避免从溢流管冒 出的腐蚀性气体对塔塔壁的腐蚀，但应注意出口位置，以防出现虹吸现象。 溢流管口的布置应在脱硫塔地沟附近， 溢流管口的高度要至少低于循环浆罐最低工作液 位 0.5m。 图-7 塔溢流管示意图 图-8 塔溢流管出口照片 (5)重力回流工艺管口的方位应与石膏浆泵管口至少成 45，并向塔内倾斜 45左右。 (6)有关仪
