中小鍋爐濕法脫硫系統設計的優化措施初探

随着國家環保形勢的日益嚴峻,環保法規的不斷完善,超低排放成為大多數新建脫硫項目的要求,即脫硫系統出口二氧化硫含量需達到35 mg/Nm3以下。根據國内燃煤電廠使用的普遍煤質,一般脫硫系統進口按照1500~2000 mg/Nm3原始二氧化硫濃度考慮,脫硫率需要達到98%以上。
目前,從原材料的經濟性考慮,目前國内脫硫還是以鈣法濕法為主流。限于石灰石本身的反應活性以及吸收反應的塔闆理論,鈣法脫硫在達到效率95%以後,脫硫效率繼續增加所需要的液氣比也會大大增加,從而帶來初始投資的大大增加,以及後期運行費用及維護費用的大大增加。
為了保證較高的脫硫效率,近幾年出現許多諸如單塔雙循環和雙塔循環等各種優化工藝,但是無可避免帶來較多的投資成本增加、占地面積增大、電耗增大等不利影響,如何在傳統脫硫工藝設計中進行必要的優化,盡量不增加大的投資和用電設備,是諸多行業設計者一直在努力思考的方向,筆者從多年一線設計及調試的經驗出發,做了一些總結和歸納。
       脫硫反應本質上是酸堿中和反應,酸堿反應的速率除了物料本身的反應活性外,其他主要參考因素是反應時間和接觸效率。不管采取何種設計優化,要麼是增大反應停留時間,要麼是增大氣液接觸效率。


       1、脫硫塔進   口煙氣改為切向進 入。煙氣徑向進入 脫硫塔後,會直接 接觸對面塔壁後直 線上升,煙氣有效 行程為脫硫塔進口 到最上層噴淋距 離,一般按照四層 噴淋考慮,最大行 程為8 m(一般單層噴淋間距為1.8~2 m)。若煙氣以一定夾角切向進入脫硫塔,則會沿着塔壁螺旋上升,煙氣有效行程大大增加,類似于傳統水膜除塵的煙氣進塔方式。若采用75°夾角進入,一般煙氣行程可增大15%~20%,也就相當于反應停留時間增大了15%~20%。
2、增加煙氣托盤。托盤一般由不鏽鋼制成,主要由多孔闆和支撐結構構成,噴淋漿液遇到托盤時,在托盤表面形成一層緻密漿液水膜,煙氣通過時,相當于經曆了一個短暫的鼓泡脫硫層,基本上所有的二氧化硫分子均與漿液有充分接觸,根據經驗來說,一般一層脫硫相當于一層噴淋層的實際脫硫效果,即常規脫硫設計液氣比為20的話,增加一層托盤,可以将設計液氣比降低到15左右,脫硫效果基本相同。
3、調整循環泵揚程。一般脫硫系統中,噴淋層設置在10~18 m之間,以18 m的噴淋層為例,建議循環泵揚程在26 m以上,這樣可以經過管路損失後,到達每一個噴頭的壓力達到0.5 bar以上,從而保證整個塔内所有噴嘴的設計霧化效果,不至于出現因為尾端部分噴嘴的霧化效果不佳給整體噴淋效果帶來的損失。
       4、優化噴淋層布置。除了必要的流體計算,塔内噴淋主管的逐步縮徑之外,需要特别注意的是,噴淋支管的設計一定要避開噴淋層支架梁,一般需要所有的噴淋支管均下降20~30 cm後再安裝噴頭(具體下降高度根據噴淋層支架梁的大小決定),這樣除了可有效表面噴淋直接噴到梁上導緻梁下出現局部漿液“真空”外,也可以防止漿液對噴淋梁的沖刷,造成梁的腐蝕。
       5、在脫硫塔進口設置降溫噴淋裝置。一般傳統設計中,在濕法脫硫煙氣進口設置緊急事故噴淋,是為了在脫硫系統煙溫報警時,利用消防水進行緊急噴淋降溫,保護塔内的玻璃鋼噴淋層和PP除霧器。脫硫塔進口溫度一般在130℃左右,進入塔内和漿液接觸時,會降溫到100℃以下,随着煙氣逐漸上升以及和漿液的不斷接觸,最終出口溫度在60~70℃。實際上,煙氣由130℃降溫到70℃的過程,雖然很塊,但不可能瞬時完成。根據塔内平均氣速3~3. 5m/s,即使此降溫過程隻需要0.5~s時間,也表明在達到設定溫度之前,煙氣已經經過了2~3. 5m的行程。而此行程中,煙氣因為溫度較高,實際體積較大,此時,氣速會超過設定氣速。即在煙氣未降溫至平均溫度之前,煙氣實際流速會大于設定流速。很顯然,煙氣進口至第一層噴淋層頂端,是漿液密度最大的時候(因為有多層噴淋的漿液累加),此區域為脫硫效率成敗關鍵區域。如果在煙氣接觸漿液之前,煙氣溫度已經有顯著降低,将大大增加此區域的實際脫硫效果。所以,在煙氣進塔之初,增加一些降溫措施,會從很大程度上改善此問題。當然,增加降溫噴淋後需要重點考慮脫硫系統的水平衡問題。
       6、設置多段變徑。脫硫塔的直徑由煙氣量和設計氣速決定。理論上,氣速的降低等同于脫硫塔高度的增加,從而增大反應時間,有利于脫硫反應的進行。但脫硫塔直徑加大,一方面增加了投資成本,另一方面也會帶來煙氣阻力增大等不利影響。故綜合考慮,可以設置脫硫塔為三段變徑塔,以100000 Nm3/h煙氣量為例,氣速3~3.5 m時,脫硫塔直徑在4 m左右,為了平衡脫硫塔高度和直徑的關系,筆者在設計時,底部漿液池設計直徑6.5 m,中部噴淋區域設計直徑5 m,噴淋區域上方除霧區域設計直徑3.8 m。這樣,漿液池變大,保證了煙氣進口高度在6 m左右,降低了吸收塔總高度,此高度可以利用在中間實際噴淋脫硫區域。脫硫區域實際氣速在3 m以下,保證了充足的反應時間,也不至于整個脫硫塔直徑過大導緻煙氣阻力大大增加。頂部除霧區域3.8 m的直徑可以保證實際氣速在4 m/s以下,足以滿足除霧器除霧性能對于煙氣實際流速的需要。

       綜上,在不增加系統電耗的前提下,在設計中盡量采取一些較小的局部優化,在原始二氧化硫含量不是特别高的情況下,常規的單塔脫硫亦可滿足目前超低排放的需要,從而給很多中小企業節約大量投資成本,達到良好的經濟和社會效益。


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