技术
1、前言
目前，国内引进的烟气脱硫技术很多，以石灰石－石膏湿法烟气脱硫技术应用最为广泛。SO2吸收系统是湿法烟气脱硫的核心技术，集中表现在脱硫核心设备——吸收塔设计方面。比较典型的湿法烟气脱硫吸收塔有喷淋空塔、填料塔、鼓泡塔、液柱塔。各个公司对石灰石-石膏湿法烟气脱硫经过开发研究，结合许多工程实际经验，不断改进发展完善，形成了具有各自特点的湿法烟气脱硫工艺，即使同样属于同类型吸收塔，也有各自的特点。本文主要介绍国华荏原环境工程有限责任公司（以下简称“国华荏原”）脱硫核心设备——吸收塔设计特点。
2、国华荏原的吸收塔
国华荏原的吸收塔分为除雾区、吸收区、浆池区三部分，吸收塔内部结构见附图。吸收塔内部结构的工艺设计与吸收塔内部的工艺过程密切相关。
2.1吸收塔内部的工艺过程
含有污染物的原烟气进入吸收塔内的吸收区，烟气向上流动，加入吸收塔的吸收剂－石灰石浆液通过浆液循环泵由吸收塔的下部抽出送入吸收塔喷淋层，喷淋层喷嘴喷出的雾状浆液向下流动以逆流方式洗涤烟气。烟气中的污染物SO2、SO3、HCL和HF与浆液中的石灰石反应，烟气中的灰尘随洗涤浆液进入吸收塔浆池。净化处理后的烟气流经两级除雾器，将清洁烟气所携带的液滴去除。同时按特定程序用工艺水对除雾器进行冲洗，进行除雾器冲洗有两个目的，一是防止除雾器结垢堵塞，二是冲洗水同时作为烟气蒸发补充水稳定吸收塔液位。
2.2吸收塔内部的主要化学反应
吸收塔内实际的化学反应情况比较复杂,反应是连续进行,而且是可逆的。化学反应总是处在动态平衡过程中,旧的平衡被打破,新的平衡建立。吸收塔内部的有如下主要化学反应：
2.2.1石灰石的溶解过程：
CaCO3 H2O CO2→Ca(HCO3)2CaCO3 2H →Ca2 CO2 H2O
2.2.2吸收过程：
SO2 H2O→H2SO3HCL H2O→2H CL- OH-
HF H2O→2H F- OH-H2SO3→H HSO3-(低PH值时)（吸收区下部）
H2SO3→2H SO32-(高PH值时)（吸收区上部）Ca2 2HSO3-→Ca(HSO3)2
CaCO3 H HSO3-→CaSO3 CO2 H2O
CaCO3 2H SO42-→CaSO4 CO2 H2O
Ca2 SO32-→CaSO3Ca2 2F-→CaF2Ca2 2CL-→CaCL2
2.2.3反应产物的氧化：
2HSO3- O2→2H SO42-2Ca(HSO3)2 O2→CaSO4 2H2O
2CaSO3 O2→2CaSO4
2.2.4结晶生成石膏：
CaSO4 2H2O→CaSO4.2H2OCaSO3 1/2H2O→CaSO3·1/2H2O
吸收塔中的pH值通过注入石灰石浆液进行调节与控制，一般pH值在4.5—5.5之间。吸收塔内的化学反应可以用下图形象表述。
亚硫酸钙的氧化
石膏形成
浆液循环净烟气吸收区
pH值范围：4.5---5.5
pH值范围：4---5
氧化区与SO2反应（pH<5.5）石灰石溶解与HCl反应吸收塔内的化学反应
2.3吸收塔内部的工艺设计
2.3.1除雾区的工艺设计
国华荏原的除雾区在吸收塔内部，除雾器布置在吸收区顶层喷淋层的上部，它主要用于分离由烟气携带的液滴。除雾器具有良好的除雾效果，由阻燃聚丙烯材料制成，其结构形式有平板式和屋顶式，一般设置二级。经浆液洗涤后的净烟气携带有少量的液滴，通过除雾器后液滴含量可以控制在75mg/Nm3以下。除雾器还设有冲洗设备，以便运行时对除雾器进行定时冲洗或根据设定的前后差压进行冲洗。
国华荏原吸收塔除雾区将除雾器上部的吸收塔净烟气引出口设计成圆锥形，这样使烟气经过除雾器时流速均匀分布，避免了因流速不均匀而影响除雾效果。如果除雾效果不好，烟气中携带大量的液滴会对后面的烟道、设备产生积水和结垢。
2.2.2吸收区的工艺设计
吸收塔内从原烟气入口到最上面的喷淋层喷淋层这一区域为吸收区。吸收区主要布置有原烟气入口和喷淋层。
原烟气入口设计成向下倾斜的矩形接口，与吸收塔液面成15°角。采用矩形接口使吸收塔高度降低，一般接口的宽/高比控制在2～2.5之间，倾斜有利于原烟气在吸收塔内扩散，延长烟气在塔内冷却停留时间并保护吸收塔原烟气入口对侧的防腐层。
吸收塔原烟气入口处烟气温度较高、喷淋层浆液飞溅，冷热交融、工作环境恶，在这一区域采用耐热变和耐腐蚀性能好的合金材料进行防腐，并设计有冲洗装置。
单层喷淋层多层喷淋层
喷淋层由喷淋主管、喷淋支管、喷嘴和支撑件组成。喷淋支管和雾化喷嘴合理分布喷嘴使平面使喷嘴喷出的雾状浆液能覆盖吸收塔断面而不漏空隙，喷淋层喷出的雾化浆液减小了烟气的有效通流面积减小使相对流速提高，烟气与雾状液滴强烈磨檫碰撞增强了传质强度。各层喷淋管束交错布置在不同层上将浆液喷入吸收区，喷淋浆液在吸收区均匀分布，使进入吸收塔内的全部烟气均能与浆液充分接触，避免了因浆液分布不均而使部分烟气未与浆液接触、反应而逃逸出吸收区。喷淋管束交错布置增大了烟气与浆液液滴接触的传质面积，并且对向上流动的烟气产生强烈的扰流作用，从而使传质增强，延长了烟气在吸收区的停留时间，使反应更为充分。
吸收区喷淋层数的设置取决于烟气量和烟气中污染物SO2的浓度，烟气量越大、SO2浓度越高需要的设置喷淋层数就越多，反之，烟气量越小、SO2浓度越低需要设置的喷淋层数就越少，但一般不少于三层。
每层喷淋层对应一台泵浆液循环泵，保证了FGD装置有良好的负荷适应性和对SO2浓度变化的适应性。烟气量较少或烟气中SO2浓度较低工况下，通过停运部分喷淋层和对应的浆液循环泵可以有效地降低厂用电耗，提高运行的经济性。
喷淋层喷嘴的布置和喷嘴形式选择对提高SO2脱硫效率及降低烟气携带液滴的含量有很大影响。喷淋层喷嘴均匀布置使浆液能覆盖吸收塔断面，从结构上为浆液在整个吸收塔断面上均匀分布使烟气不从空隙逃逸提供了可能。喷嘴的形式和性能是保证雾滴均匀分布的重要因素。每层喷淋层上布置有足够数量的中空锥切线型浆液喷嘴以保证雾滴均匀分布在吸收塔断面上。为达到要求的SO2脱硫效率，雾滴直径不能过大也不能过小，如果雾滴过大，则烟气与浆液间的传质面积减小，不能保证SO2充分脱除，如果雾滴直径过小，会导致在吸收区滞留时间太短，还未来得及与烟气中的SO2充分反应，就被烟气带走，也不能保证SO2充分脱除，还会造成烟气携带水量大。国华荏原在喷淋层设计中，最高层喷淋层选用中空锥切线型单向喷嘴，向下喷射；最高层以下喷淋层选用中空锥切线型双向喷嘴，向上、向下同时喷射。
中空锥切线型喷嘴具有单个喷嘴流量低、喷射角度大、雾滴粒径均匀、在小体积流量时也不易堵塞等优点。为防止介质腐蚀和磨损，喷嘴采用碳化硅材料制成，使FGD装置可用性提高。
氧化空气分隔管
2.2.3吸收塔浆池分区设计
吸收塔浆池汇集来自吸收区的浆液、加入的石灰石浆液以及滤液水，经浆液循环泵送到吸收区吸收烟气中的SO2，鼓入的氧化空气将CaSO3强制氧化为CaSO4，生成的石膏晶体从浆池排出。
国华荏原的浆池采用了独特的分隔管设计方案，浆池分隔管也称为氧化空气分隔管，将浆池分成上下两个部分，并在分隔管之间布置氧化空气喷管。氧化空气分隔管上部为氧化区，下部为结晶区，在靠吸收塔底部设置有独特的浆液扰动系统。
氧化区位于浆池的上部，大截面的氧化空气分隔管把它与下部的结晶区分开。分隔管的面积占据了吸收塔浆池一半的断面面积，氧化空气管布置于分隔管之间，在每根氧化空气管的下部分布有足够数量的小孔，使由氧化风机鼓入的空气均匀分布在浆液中，从而提高了氧化空气的利用率。分隔管之间因通流面积减小，向下流动的浆液与向上移动的氧化空气逆流接触，加强了氧化的效能。氧化区浆液PH较低，由于硫酸根和亚硫酸根的平衡，提高了氧化效率。氧化空气分隔管的阻挡作用使喷淋层洗涤烟气后的浆液在氧化区的下降速度减慢，延长了浆液中CaSO3在浆池氧化区的停留时间，使CaSO3充分氧化为CaSO4，有效避免了CaSO3在吸收塔内壁上的结垢。CaSO3的稳定性差，易分解，CaCO4性能稳定，优于天然石膏，不会对环境造成二次污染。随着氧化空气的喷入，石灰石溶解反应后的CO2被强制排出，加速了石灰石的溶解，提高了石灰石的利用率。
氧化空气分隔管下部为结晶区，氧化生成的CaSO4结晶成石膏晶体CaSO4·2H2O，在此区域被排出吸收塔，同时新鲜的石灰石浆液加入浆池，然后随洗涤浆液送到吸收区。较大的浆池容积保证了石膏浆液在吸收塔内有较长的停留时间，一般在十个小时以上，使石膏有足够的时间结晶和长大，以利于石膏脱水。石膏浆液的排出口位于石灰石含量最低而石膏含量最高之处，有利于获得高纯度的石膏，为石膏的综合利用创造了有利条件。
新鲜石灰石浆液加入到浆池底部，提高了浆液pH值，通过循环泵送至吸收区，从而提高了循环浆液吸收SO2的能力。石灰石加入量取决于进入吸收塔的烟气量和烟气中SO2浓度，直接体现在浆液pH的变化上。当进入吸收塔的烟气量和（或）烟气中SO2浓度增大，浆液中的石灰石因与烟气中的SO2反应而减少，浆液pH值降低，加入石灰石后浆液的PH值提高，运行中通过调节石灰石浆液的加入量将吸收塔浆池的pH值控制在4.5～5.5的范围。
大容量的浆池以及优化的吸收区设计使系统对烟气量的变化和SO2浓度的变化适应范围广，更适合于处理烟气量大，SO2含量高的烟气。
2.2.4吸收塔浆液“扰动”设计
国华荏原在吸收塔浆池的设计中没有采用传统的搅拌器，采用独特的“扰动系统”代替搅拌器实现了搅拌作用。“扰动系统”由安装在塔外的浆液扰动泵和塔内的扰动喷嘴层组成，扰动喷嘴层包括扰动管道和扰动喷嘴。通过扰动泵把吸收塔浆池内的浆液抽出泵入塔内的扰动喷嘴层，扰动喷嘴向吸收塔浆池底部喷射浆液，扰动喷嘴喷出的浆液流速很高，带动浆池中的浆液扰动悬浮起来，有效地防止了浆液中固体物的沉积。在吸收塔停运期间，扰动系统可以停运，尤其是吸收塔辅助设备故障检修时，可不运行扰动系统，节约电耗。当吸收塔准备启动运行时，先启动扰动泵，将塔浆池上部的含固量较低的“清水”通过扰动泵抽出泵入扰动喷嘴层对吸收塔浆液进行扰动，等到塔底部浆池的浆液被扰动均匀后，切换泵的入口阀门，抽取浆池底部的浆液进行循环扰动，增强扰动效果，浆液的喷射扰动有利于加入的新鲜石灰石浆液在浆池内得到均匀混合。采用悬浮扰动系统在吸收塔浆池内没有机械搅拌器和任何转动部件，只有管道和扰动喷嘴，减少了检修维护工作量。吸收塔运行期间更换或维修扰动泵不影响脱硫系统的运行，也不需将吸收塔浆池内的浆液排空。除吸收塔内部件检修维护情况下，均可不需要排空吸收塔浆池。
3.技术优点
国华荏原石灰石-石膏湿法烟气脱硫核心设备――吸收塔在工艺设计上有如下优点：
1）吸收塔采用喷淋式空塔，系统阻力小，没有填料等内部件，运行维护方便。
2）吸收塔净烟气出口圆锥形设计使通过除雾器的烟气流速分布均匀。
3）采用两级高效除雾器，布置在吸收塔内，有效降低了烟气中携带的液滴含量。除雾器设计成可更换的组件形式，便于维修和更换。
4）优化的喷淋层布置及良好的喷嘴雾化和传质交换，石灰石利用效率高，保证了脱硫效率。
5）独特的吸收塔浆池结构，使脱硫反应中间产物得到充分氧化和结晶。
6）独特的浆液扰动系统，有效防止了浆液沉淀和沉积，提高了系统的可用率和安全性。
高效除雾器
喷淋层
氧化空气分隔管
氧化空气管
扰动喷嘴层
净烟气出口
滤网
原烟气入口
除雾区
吸收区
浆池区
吸收塔内部结构
(本文作者：石英国华荏原环境工程有限责任公司)
|
|
