脫硫塔塔體設(shè)計(jì)分析

摘? 要：濕法脫硫系統(tǒng)的最重要非標(biāo)設(shè)備為脫硫塔，脫硫塔的設(shè)計(jì)分為塔體參數(shù)選擇及塔內(nèi)附屬設(shè)備設(shè)計(jì)。脫硫塔參數(shù)選擇和塔內(nèi)附屬設(shè)備設(shè)計(jì)的合理性直接影響SO2的脫除效率和脫硫塔使用壽命，關(guān)系到脫硫系統(tǒng)能否長(zhǎng)期高效穩(wěn)定運(yùn)行。本文在工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上闡述了濕法脫硫塔各個(gè)功能區(qū)域的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)選擇及相應(yīng)附屬的設(shè)備基本設(shè)計(jì)方法，為脫硫塔的設(shè)計(jì)提供最基本的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：脫硫塔;噴淋層;除霧器;防腐

中圖分類(lèi)號(hào)：X701? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 脫硫塔塔體的組成

濕法脫硫塔主要包括漿液氧化區(qū)、SO2脫除區(qū)、濕煙氣脫水區(qū)、凈煙氣排放區(qū)等區(qū)域組成[1];主要設(shè)備包括：攪拌器、進(jìn)口非標(biāo)煙道、噴淋層、除霧器等。脫硫塔塔體除考慮風(fēng)荷載、雪荷載、地震荷載、漿液沖刷、煙氣壓力、塔體及其附件自身重量等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)外，為保證較高的脫硫效率，還應(yīng)重點(diǎn)考慮塔體高度、塔體直徑及相關(guān)附屬設(shè)備等工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文將對(duì)工藝設(shè)計(jì)參數(shù)等做重點(diǎn)闡述。

2 脫硫塔高度設(shè)計(jì)

脫硫塔塔體高度主要包括漿液池的高度、SO2吸收區(qū)的高度及噴淋區(qū)的高度、除霧區(qū)的高度等部分。

2.1漿液池區(qū)域高度計(jì)算（h1）

漿液池區(qū)域位于塔體底部，漿液池高度計(jì)算，取決于漿液池容積和塔徑的確定。計(jì)算漿液池容積包括的參數(shù)為液氣比（L/G）（選擇具體見(jiàn)本文第4章）;所處理煙氣的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的煙氣的容積VN;停留時(shí)間t1（亞硫酸鈣被氧化生成石膏所需時(shí)間，為t1=2～6min）;一般取值大于4.5min;

漿液池容量及脫硫塔塔徑（見(jiàn)本文第3章）確定后就可以計(jì)算漿液池區(qū)域高度h1。工程經(jīng)驗(yàn)值，漿液池液面高度一般設(shè)計(jì)為h1=6m～15m。

2.2漿液面與煙氣進(jìn)口煙道底部距離（h2）

脫硫塔底部漿液液面由于受到攪拌器和鼓入的氧化空氣的影響，液面較靜止時(shí)高度有所提升。煙氣進(jìn)口管道設(shè)計(jì)時(shí)需考慮一定距離，一是避免漿液影響高溫?zé)煔膺M(jìn)入脫硫塔;二是避免漿液倒灌進(jìn)口管道。工程實(shí)踐證明，漿液面與煙氣進(jìn)口煙道底部距離（h2）一般為800mm～1200mm范圍為宜。

2.3 進(jìn)口煙道高度（h3）

脫硫塔煙氣進(jìn)口流速一般取值為12～18m/s，根據(jù)煙道設(shè)計(jì)基本原則，煙道呈矩形，寬度取值較大，高度取值相對(duì)較小;在不影響整體結(jié)構(gòu)的情況下，考慮煙道設(shè)計(jì)的高寬比約為1：2。

2.4 SO2吸收區(qū)高度（h4）

噴淋塔SO2吸收區(qū)高度設(shè)計(jì)直接影響脫硫的吸收指標(biāo);SO2濃度要達(dá)到排放要求，吸收區(qū)域必須保證一定的塔體高度。SO2吸收區(qū)的傳統(tǒng)的高度計(jì)算公式為：h=H0×NTU[2]，其中H0為傳質(zhì)單元高度，NTU為傳質(zhì)單元數(shù)。

按實(shí)際經(jīng)驗(yàn)噴淋層距煙道入口頂端最低高度為為2～4m。

2.5 噴淋區(qū)高度（h5）

噴淋層的高度可以根據(jù)離心式噴頭的噴霧試驗(yàn)確定，在滿(mǎn)足壓頭的情況下，層間距離不影響噴霧效果，一般層間距按1.8～2.5m選取。噴漿層一般設(shè)3～5層。頂部噴淋層與除霧器距離應(yīng)≥1.2 m。

2.6最上層噴淋管與最下層除霧器距離（h6）

考慮煙氣上升流速及漿液霧滴顆粒的大小、煙氣與漿液的混合等多種因素，最上面的噴淋管與最下面的除霧器間距為2m～3.5m。

2.7除霧區(qū)域高度（h7）

為提高除霧效果，脫硫塔內(nèi)一般設(shè)置兩層除霧器，甚至更多;每層除霧器上下設(shè)置沖洗水管道。以?xún)蓪映F器設(shè)置為例，最底層除霧器向上的沖水管至最上部向下沖水管總高度約3.4～3.5m。

2.8除霧器最上層距塔頂變徑底部距離（h8）

根據(jù)工程實(shí)踐，最上層除霧器距塔頂變徑底部的距離應(yīng)≥1.5m。

按上述經(jīng)驗(yàn)參數(shù)選取相應(yīng)距離后可初步進(jìn)行脫硫塔高度設(shè)計(jì)，并快速確定脫硫塔各組成部分的標(biāo)高。脫硫塔總高度H=h1+h2+h3+h4+h5+h6+h7+h8。

3 吸收段塔徑設(shè)計(jì)

煙氣流速、塔內(nèi)傳質(zhì)、氣液分布及經(jīng)濟(jì)性等因素直接決定脫硫塔吸收段塔徑的確定;其中最重要的兩個(gè)因素為通過(guò)脫硫塔的煙氣量及空塔煙氣流速的選擇。濕法脫硫空塔氣速控制在3.0～3.5 m/s范圍內(nèi)是較合理的，燒結(jié)機(jī)煙氣脫硫塔反應(yīng)段選取的空塔氣速一般取值3.1m/s，空塔流速確定后按下面公式計(jì)算吸收段塔徑：

4 液氣比、鈣硫比參數(shù)選擇

正常情況下石灰石-石膏法脫硫液氣比為為≤20L/Nm3;石灰-石膏法脫硫液氣比為≤10L/Nm3;鈣硫比一般取值1.03～1.05。煙氣中SO2濃度、煙氣中的粉塵、工藝水的品質(zhì)、漿液的PH值等因素直接影響液氣比、鈣硫比的確定，在設(shè)計(jì)選擇時(shí)根據(jù)待處理的煙氣實(shí)際情況選擇確定。

5 噴淋層的設(shè)計(jì)

噴淋層系統(tǒng)主要包括噴淋層主管、噴淋層干管、噴淋層支管、噴嘴及支撐梁等;漿液管道設(shè)計(jì)、噴嘴的選擇與布置是噴淋層設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。良好的噴淋層設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足漿液在噴淋主管及干管及支管內(nèi)均勻分配。

為了保證較高的脫硫效率，噴淋層一般設(shè)置3～6層，每臺(tái)循環(huán)泵對(duì)應(yīng)一層噴淋層;一般設(shè)計(jì)時(shí)備用一層，即可滿(mǎn)足環(huán)保要求的提高，也可在其他噴淋層檢修時(shí)使用。

噴淋層區(qū)域設(shè)置噴淋層支撐主梁與支撐次梁，噴淋層主管道、干管道與支管道布置在支撐梁上，與之固定;為保證進(jìn)入脫硫塔的煙氣與噴淋下來(lái)的漿液充分接觸，最底部噴淋層與進(jìn)口煙道上部距離應(yīng)保持在2m～4m的間距;為避免噴淋時(shí)互相干擾，每層噴淋層之間應(yīng)保持1.5～2.5m的距離;除霧器下部設(shè)置向上的沖洗水系統(tǒng)，因此，最上部的噴淋層與除塵器應(yīng)保持2～3.5m距離。

噴淋層的干管沿噴淋主管對(duì)稱(chēng)布置，組成由主、干、分支管網(wǎng)系統(tǒng)，使?jié){液均勻分布在脫硫塔內(nèi)，要保證較高的噴淋覆蓋率，一般覆蓋率應(yīng)大于200%。噴淋管為避免酸性氣體的腐蝕，材質(zhì)選用玻璃鋼材料，系統(tǒng)分段制作，采用纏繞或粘接的連接工藝。

噴嘴選擇空心錐切線型噴嘴，根據(jù)壓力、流量、噴射角度及噴淋覆蓋率對(duì)噴嘴進(jìn)行選擇。噴嘴與噴淋支管道采用玻璃布纏繞固定，噴嘴與管路連接支管的長(zhǎng)度一般為20cm，采用承插連接方式避免堵塞現(xiàn)象的發(fā)生。

噴嘴的霧化顆粒直徑一般在2500～3000μm之間，低于500μm直徑的液不能超過(guò)5%，此種粒徑的霧滴的選擇可以最大程度地減少上升煙氣夾帶霧滴，氣液表面積大幅提高，能夠保證二氧化硫的吸收效率。塔壁附近選用90°角的蝸殼螺旋噴嘴，避免沖刷塔壁;其余部分選用120°角的空心錐切線型噴嘴。

6 除霧器設(shè)計(jì)

6.1除霧器組成及材質(zhì)

除霧器系統(tǒng)主要部件為除霧器的本體、支撐梁、支撐架、沖洗水管道、噴嘴、及相關(guān)密封、連接、固定等附屬構(gòu)件組成。

除霧器的主要材質(zhì)為聚丙烯PP、玻璃鋼FRP、不銹鋼（如316L等）材料;由于不銹鋼雖綜合性能良好，但價(jià)格昂貴，而濕法脫硫系統(tǒng)運(yùn)行溫度一般在80℃左右，在此溫度區(qū)間，有良好的耐酸性能的PP材質(zhì)除霧器可完全適用，且價(jià)格便宜，因此得到廣泛應(yīng)用。由于PP材質(zhì)的除霧器耐溫性差、強(qiáng)度較低，通常情況下，PP材料的除霧器的強(qiáng)度為30MPa，僅為玻璃鋼的20%;且隨著溫度的升高，強(qiáng)度快速下降。因此，脫硫系統(tǒng)在啟動(dòng)使用前，為保護(hù)除霧器不受高溫?zé)煔獾那趾Γ仨毾葐?dòng)循環(huán)泵，噴淋漿液，降低塔內(nèi)上升煙氣的溫度，從而延長(zhǎng)PP材質(zhì)除霧器的使用壽命。

6.2除霧原理

經(jīng)噴淋脫硫后含有大量含水霧煙氣以一定速度流經(jīng)除霧器，由于氣體的慣性撞擊作用，煙氣中的霧滴直接撞擊除霧器波形板而被收集，當(dāng)液滴收集的小液滴匯集成大液滴，且自身重力大于煙氣上升而產(chǎn)生的上升力和液滴表面張力的合力時(shí)，匯聚而成的液滴便從波形板表面滑落而被去除。

除霧器波形板采用多折向結(jié)構(gòu)，大大增加了煙氣中霧滴被捕集的概率，在上一個(gè)轉(zhuǎn)彎處未被收集的霧滴，再經(jīng)過(guò)下一個(gè)轉(zhuǎn)彎處會(huì)與波形板再次碰撞而被收集，這樣多折向結(jié)構(gòu)的除霧器反復(fù)聚集霧滴，大大提高了霧滴的去除效率。

濕煙氣經(jīng)除霧器后，煙氣中夾帶的液滴分離出來(lái)，越聚越多，慢慢匯集形成水流，在重力的作用下，流入至漿液池，氣液分離達(dá)標(biāo)后的煙氣直接排放或進(jìn)入后續(xù)處理單元。

6.3除霧器的設(shè)置

濕法脫硫系統(tǒng)除霧器分為平板型和屋脊型兩種，一般直徑≥10m的大型脫硫塔選用屋脊型除塵器，直徑小于10m脫硫塔選用平板型除霧器。脫硫塔噴淋層上部設(shè)置除霧器的支撐梁，將除霧器布置在支撐梁上。

脫硫塔內(nèi)設(shè)置兩級(jí)平板型除霧器，其除霧器葉片間距選20～40mm為宜。除霧器設(shè)計(jì)時(shí)，兩層除霧器要求阻力小于200Pa，通過(guò)除霧器的濕煙氣水的質(zhì)量濃度必須低于75mg/m3。

6.4除霧器沖洗水系統(tǒng)

為保證濕法脫硫塔除霧器系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，不堵塞、不結(jié)垢，必須在除霧器上下設(shè)置沖洗水系統(tǒng);除霧器沖洗水系統(tǒng)包括沖洗水管道、管道支架、噴嘴及固定、密封等連接件。設(shè)置沖洗水系統(tǒng)一是保證除霧器本身的沖洗，保證除霧器葉片間干凈，不結(jié)垢;二是脫硫塔補(bǔ)給工業(yè)新水，維持脫硫塔的正常運(yùn)行的水平衡。

除霧器沖洗水系統(tǒng)的沖洗方式有兩種，一是瞬間大流量沖洗;二是長(zhǎng)時(shí)間小流量沖洗。選擇沖洗方式可根據(jù)運(yùn)行工況進(jìn)行，當(dāng)煙氣量突然變大，或SO2濃度突然提高，導(dǎo)致除霧器阻力瞬間變大時(shí)，選擇第一種沖洗方式;當(dāng)?shù)拓?fù)荷或無(wú)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，選擇第二中沖洗方式。

除塵器沖洗水的壓力在不同位置是不相同的，靠近噴淋層的第一級(jí)除霧器，沖洗水壓比第二級(jí)除霧器沖洗水壓力高;正對(duì)氣流方向的除霧器斷面沖洗水壓力高于背對(duì)氣流方向除霧器斷面沖洗水壓力;正對(duì)氣流方向水壓應(yīng)控制在2.5×l05Pa以?xún)?nèi)，背對(duì)氣流方向的沖洗水壓應(yīng)>1.0×105Pa即可。

除霧器斷面上瞬時(shí)沖洗耗水量一般情況下約為1～4m3/h，一般沖洗覆蓋率選在100%～300%之間。

確定沖洗覆蓋率后可以計(jì)算除霧器沖洗水系統(tǒng)所需的噴嘴數(shù)量。

沖洗面選擇、沖洗水壓力、沖洗強(qiáng)度、噴嘴角度、沖洗頻率、沖洗水水質(zhì)等因素在設(shè)計(jì)除霧器沖洗系統(tǒng)也必須考慮。

沖洗水系統(tǒng)的補(bǔ)充水量可以通過(guò)沖洗次數(shù)、沖洗順序及沖洗間隔來(lái)調(diào)整;沖洗頻率在滿(mǎn)足自身沖洗要求外還取決于脫硫塔每小時(shí)水量的蒸發(fā);當(dāng)脫硫塔內(nèi)水位較低時(shí)，不能滿(mǎn)足脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行要求時(shí)，啟動(dòng)沖洗程序，對(duì)脫硫塔進(jìn)行補(bǔ)水，保證脫硫塔的正常運(yùn)行。

為快速降低除霧器葉片上聚集漿液的飽和度，避免除霧器葉片間結(jié)垢，除霧器沖洗水要盡可能采用工藝新水。

7 煙氣入口煙道的設(shè)計(jì)

脫硫煙氣在塔內(nèi)分布的均勻性直接受脫硫塔入口煙道布置的影響，且可直接影響脫硫效率。高溫?zé)煔庥蔁煹廊肟谶M(jìn)入脫硫塔，干濕交界面存在于氣液接觸處，此處漿液容易干燥結(jié)垢，影響塔內(nèi)氣流均布和脫硫塔的穩(wěn)定運(yùn)行。為避免上述問(wèn)題的產(chǎn)生，在煙道入口上方及兩側(cè)設(shè)計(jì)擋水板，防止下落的漿液進(jìn)入煙道內(nèi)。在漿液下落時(shí)，設(shè)計(jì)在上面擋水板形成的水簾，有利于煙氣與漿液的充分混合和氣流均布，兩側(cè)擋水板可防止產(chǎn)生背壓將漿液吸入煙道內(nèi)。

進(jìn)口煙道一般按圖1方法設(shè)計(jì)：

（1）煙道斜向下進(jìn)氣，傾斜角為一般為15°，可降低壓損，削弱塔內(nèi)回流旋渦，防止?jié){液倒流，延長(zhǎng)氣液接觸時(shí)間，如圖1所示。

（2）在脫硫塔煙道入口處增設(shè)導(dǎo)流板，減小壓力損失同時(shí)提高氣流分布的均勻性。

8管口的設(shè)置

脫硫塔塔體管口主要包括工藝所需求的相關(guān)管口、檢修時(shí)使用的人孔、相關(guān)儀表設(shè)備安裝孔等。具體如下：

噴淋漿液管道安裝孔，每層至少設(shè)置1個(gè);除霧器安裝孔，每層除霧器至少設(shè)置1個(gè);脫硫塔底部清渣孔，至少設(shè)置1個(gè);煙氣入口煙道檢修孔，至少設(shè)置1個(gè);循環(huán)泵漿液管道入口，數(shù)量與噴淋層數(shù)量對(duì)應(yīng);液位計(jì)接口，一般為2～3個(gè)，石膏漿液排出口2個(gè);排污口1個(gè);溢流口1個(gè);濾液返回口1個(gè);事故池漿液返回口1個(gè);地坑漿液返回口1個(gè);測(cè)攪拌接口2～6個(gè);測(cè)攪拌沖洗管口2～6個(gè);氧化風(fēng)接口2～6個(gè)，差壓計(jì)接口2～4個(gè);且應(yīng)留有備用孔。為方便脫硫塔清理、維護(hù)、檢修，有特殊要求在脫硫塔上相應(yīng)位置還可以設(shè)置人孔、檢修孔等。

9 漿液池區(qū)域相關(guān)附屬設(shè)備基本設(shè)計(jì)

9.1 氧化空氣管道

漿液吸收SO2后的落入漿池中，漿液池中存在大量Ca（HSO3）2 和CaSO3，漿液池中須通入大量空氣，通過(guò)氧化的作用，使化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定的硫酸氫鈣和亞硫酸鈣結(jié)晶生成穩(wěn)定的石膏CaSO4·2H2O。

氧化空氣管道在漿液池中安裝方式如下：

插入管道式、噴霧式、機(jī)械攪拌管式、螺旋攪拌機(jī)直入管式、螺旋攪拌機(jī)插入管式等。但目前通常以管道插入式為主。

根據(jù)單位時(shí)間要氧化的Ca（HSO3）2和CaSO3計(jì)算理論需氧量。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)鼓入的空氣中只有10%的氧氣參與氧化反應(yīng)，計(jì)算實(shí)際需要空氣量，并根據(jù)曝氣壓力選取合適的氧化風(fēng)機(jī)。

攪拌器與氧化空氣管道配合使用，氧化空氣噴入漿液池時(shí)會(huì)有振動(dòng)現(xiàn)象產(chǎn)生，因此，氧化空氣管道須設(shè)置支承并與塔壁固定。一般氧化空氣管道插入漿液池漿液面下4m左右為宜。

9.2 漿液攪拌設(shè)備

由于漿液在漿液池中處于旋流狀態(tài)，才能保證漿液與空氣中的氧氣充分接觸提高氧化效率，還能使?jié){液中固體顆粒不會(huì)沉淀而結(jié)垢;因此，必須設(shè)置攪拌器，一般選擇三葉推進(jìn)式水平攪拌器。

攪拌器設(shè)置高度及安裝角度要求較高，據(jù)設(shè)備廠安裝資料，底部設(shè)置一層時(shí)，攪拌器安裝高度為距脫硫塔底板1.5～2.0m左右，攪拌器中心軸須下傾10°，與中心徑向偏差5°～6°之間。

10 防腐設(shè)計(jì)

脫硫塔塔體工況條件苛刻，承受著化學(xué)、溫度、濕度的腐蝕和煙塵、漿液的沖刷、磨損等。為保證脫硫塔正常使用壽命，必須對(duì)脫硫塔塔壁及內(nèi)壁支撐梁等附屬部件進(jìn)行防腐。國(guó)內(nèi)濕法脫硫塔一般采用玻璃鱗片、襯橡膠、鎳基合金為基礎(chǔ)的襯里等防腐方法。

由于玻璃鱗片（乙烯酯樹(shù)脂）具有良好結(jié)合的機(jī)械性能和防滲透性，即使在180℃條件下，短時(shí)間里仍具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和防滲透性，且施工維修方便，因此，脫硫塔一般采用玻璃鱗片防腐。脫硫塔內(nèi)側(cè)壁各區(qū)域的防腐要求如下：

10.1漿液池區(qū)域

由于漿液攪拌器和氧化空氣管道均設(shè)置在漿液池區(qū)域，因此，漿液池區(qū)域會(huì)發(fā)生較強(qiáng)烈氧化反應(yīng)和機(jī)械攪拌作用;池內(nèi)漿液的pH值保持在5左右，溫度為40～50℃左右;此區(qū)域承受著強(qiáng)酸腐蝕、漿液磨蝕等。因此，玻璃鱗片防腐層厚度須為3.5～4.0mm左右。

10.2噴淋層區(qū)域

噴淋區(qū)域主要承受漿液對(duì)塔壁內(nèi)側(cè)的沖刷磨蝕和腐蝕。為了提高噴淋層區(qū)域抗?jié){液沖刷的能力，塔壁內(nèi)側(cè)受沖刷部位除進(jìn)行玻璃鱗片的常規(guī)防腐外還應(yīng)加覆含有0.4mm玻璃短纖維的玻璃鱗片做增強(qiáng)處理，增強(qiáng)后防腐層總厚度須在4mm以上。

10.3除霧器區(qū)域

到達(dá)除霧器區(qū)域的煙氣在經(jīng)過(guò)噴淋層后，已除去99%左右的SO2，煙氣溫度降為45℃～70℃左右，但煙氣中仍含有大量水分和漿液的液滴，除霧器區(qū)域承受著較低濃度SO2的腐蝕和氣流沖刷。因此，該區(qū)域的塔體防腐不需特別加強(qiáng)，塔壁涂2mm厚玻璃鱗片即可。

10.4煙氣進(jìn)口區(qū)

進(jìn)口煙道內(nèi)側(cè)煙溫較高，此區(qū)域一般內(nèi)襯2mm厚的316L不銹鋼薄板。

11 結(jié)論及建議

本文為脫硫塔設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，為脫硫塔的塔體設(shè)計(jì)提供最基本理論基礎(chǔ)。希望通過(guò)工程實(shí)踐，不斷的總結(jié)，不斷的完善，能夠設(shè)計(jì)出適合我國(guó)冶金行業(yè)效率更高、壽命更長(zhǎng)、更合理的脫硫塔塔體系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2021-08-03

作者簡(jiǎn)介：張亞志（1981—），男，遼寧阜新人，本科，高級(jí)工程師，研究方向：煙氣脫硫超凈化處理。