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、
2、经济 性和 一次 投 入 成 功 率。 但是 ， FGD装置庞大 ， 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
3、 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
4、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 m 15m； 最 低 喷淋层 离 入 口顶端 高 度 h2 1.2 4m； 最
5、 高 喷淋层 离 入 口顶端 高 度 h3 vt， v为 空 塔速 度 ， m/s， t为 时间 ， s， 一般 取 t 1.0s； 喷淋层 之 间 的 间 距 h4 1.5 2.5m；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
6、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 “pdfFactory 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
7、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 50 80 。 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 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
8、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
9、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 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
10、， 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 ， 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
11、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
12、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.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 3 6层 。 喷淋层 可 用 多 台循 环 泵供 浆 斜板 塔 壁 烟 道 入 口 图 6 2 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
13、b 塔 壁 烟 道 出口 图 6 4 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 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 ，
14、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
15、 式 ， 见 图 -5。 第 一 层 （ 最 低的 一 层 ） 喷淋层 离烟 道 上 部 一般保 持 2m 4m的 距 离，以 便 使 浆 液能 充 分 地 与烟气 接 触 并 避免 进入 烟 道 内， 喷淋层 与 喷淋层 之 间 的 间 距 为 1.5 2.5m， 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 3 4.5m/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 500 m的液滴 将 被 带 至 除 雾器 中 ， 如 果 带 至 除
16、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 2500 3000 m之 间 的 雾 化 颗 粒 ，低 于 500 m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。 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
17、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
18、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 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
19、 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 ， 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
20、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 A A 方 纲 防 腐 橡胶 聚炳烯 浆 液 管 道 图 6 5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 2 3 个， 石膏 浆 液 排 出口 1 2个； 排 污 口 1个； 溢 流 口 一 个； 滤 液 返
21、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 2 6个； 搅拌 机 冲洗管 口 2 6个； 差 压计 接 口 2 4个。 当 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
22、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 15 20 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 线 开口 通 常 要 比 循 环 泵 进 口
23、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
24、 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 表 开口位 置 脱硫塔 进 口 探 测 仪 表 （压力， 温
25、度 ， 试验 口 等 ）应 布 置在 烟 道 进 口 的 法 兰 附 近 。 脱硫塔压降 指示 仪 表 应 布 置在入 口 烟 道 顶 部，高 于 顶 部 喷淋层 ， 最 好 在 脱硫塔的 入 口 侧 。 脱硫塔 出口 仪 表 （压力、 温 度 、 试验 口 等 ）应 布 置在 烟 道 出口 的 法 兰 附 近 。 溢 流 管 脱 硫 塔 反 冲洗 口 排 污 口 塔 壁 塔 底 图 6-6 塔 排 污 口结构示 意 图 PDF 文 件使 用 “pdfFactory Pro“ 试 用 版 本 创建 178 9.脱硫塔的 振 动问题 脱硫塔 顶层 不 宜 设 置大量 照 明 灯 具 、 检修
26、电 源箱 、 照 明 配 电 箱 等 设备， 循 环 泵 出口 管路 固 定 部 件 应 牢 固 ， 否 则 易 造 成脱硫塔 晃 动 。 其 中 前 者 可 能 是 由 于 共振 造 成塔 晃 动 ， 后 者 则 是 由 于 管 道 牵 引 塔体 一 起 晃 动 。脱硫塔 晃 动 会 对 脱硫塔 壳 体以 及 内部设备 造 成 疲 劳 性 损 伤 。 10.脱硫塔的 冲洗 在 石灰石 -石膏 法 脱硫 工 艺中 ， 结 垢和 堵塞 是经 常 遇 到 的 情 况 ，为 了 防止 和 减 轻 这种 情 况 的 发 生 ， 需 用 一定 压力的 工 艺水 进 行 冲洗 ， 主 要 冲洗 脱硫塔的
27、如 下部 位 ：塔 壁 “ 干 -湿 ” 交界 区 、除 雾器 、 氧 化用 喷嘴 。 （ 1） 塔 壁 “ 干 -湿 ” 交界 区 的 冲洗 在 脱硫塔烟气 入 口 处 至 第 一 层喷嘴 之 间 ，以 及最 后一 层喷嘴 与烟气 出口 之 间 ， 属 于 “ 干 - 湿 ” 交界 区 ，这 些 部分 最 容 易 结 垢，这 些 部分的 结 垢 属 于 “ 湿 -干 ” 结 垢。 由 于 浆 液 中 含 有 4 CaSO、 3 CaSO、 3 CaCO及 飞灰中 含 有 硅 、 铁 、 铝 等 物 质 ，这 些 物 质 具 有 较 大 的 粘 度 ， 当 浆 液 碰撞 到 塔 壁 时 ， 它
28、们 中 的部分 便 粘 附 于 塔 壁 而 沉积下 来 。 同 时 ， 由 于 烟气 具 有 较 高的 温 度 ， 加 快 沉积 层 的 水 分 蒸 发 ，沉积 层 逐渐 形 成 结构 致 密 的、 类 似 于 水 泥 的 硬 垢。 当 垢 层 达 到 一定 厚 度后 ， 也 可 能脱 落 ， 砸伤 喷嘴 和 防 腐内 衬 ， 因 此 ， 需要 及 时进 行 冲洗 。 冲洗 方 式 一般 采 用 喷嘴 进 行 连续 冲洗或 间 隔 冲洗 ， 间 隔 冲洗 的 周 期一般 应 小于 2h。 （ 2） 除 雾器 的 冲洗 气 水 分离 器 的 结 垢 类 型 也 属 于 “ 湿 -干 ” 结 垢，
29、 它 是 由 雾 滴 所 携 带 的 浆 液 碰 到 折板 而 形 成的。 一般 采 用 喷嘴 进 行 间 隔 冲洗 ， 冲洗 周 期 为 30min 60min。 需要 注 意 的 是 冲洗 水 压 不 宜 过 高， 尤 其是 向 下 冲洗 的 喷嘴 ， 否 则 容 易 发 生 飞 溅 而 使 烟气 含 湿 量 增 高。 具 体 水 压应 根据 喷嘴 性能 及 其 与气 水 分离 器 的 距 离 来确定 。 （ 3） 氧 化用 喷嘴 的 冷却 冲洗 氧 化用 喷嘴 容 易 受 3 CaCO 、 O H CaSO 2 4 2 、 3 CaSO的 结 晶 析出 沉积 于 喷嘴 内 腔 而 发 生
30、 堵塞 现 象 。 一般 采 用 0.1 0.3MPa 的 水 进 行 间 隔 冲洗 ， 间 隔 冲洗 周 期不大于 20min。 二、脱硫塔的优化设计 实 施 以下设计 可 提 高脱硫 效 率、降低投 资和运行费用。 1 增 加 液体 再 分 布 装置 （ ALRD） 由 前 述 可 知 ， 短 路 和 壁 流 减 少 了 气液 接 触 的有 效传质面 积，液气 交 接 面 处 的 传质效 率 也 很 低。 图 -9液体 再 分 布 装置 （ ALRD） 液体 再 分 布 装置 （ ALRD， MET专 利产 品 ， 如图 -9所示 ） 是 把 塔 壁 上 的液 膜 收 集 起 来 ， 重
31、新破 碎 成液滴，分 配到 烟气 中 ， 一 方面 靠近 塔 壁 的 喷嘴 也 可 布 置得 离塔 壁 远 些 ， 既 可 减 少 贴 壁 流 动 的 浆 液， 又可 减 轻 对 塔 壁 防 腐 层 的 冲 刷 ； 另 一 方面 又可使 贴 壁 流 动 的 浆 液 发 挥 余热 ， 克服 了壁 流现 象 造 成脱硫 效 率降低的 负 面 影响 。 安 装 液体 再 分 配 装置后 的性能 测试 结 果表明 ，系统脱硫 效 率 可 提 高 2 5 。 2 提 高脱硫塔气速 将 逆流脱硫塔的气速 增 加 到 4 5m/s， 提 高流速 可 提 高气液两相的 湍 动 ， 一 方面 可 降 低烟气与液
32、滴 之 间 的 膜厚 度 ，液 膜 增 强 因 子增 加 ， 从而提 高 总传质 系 数 ； 另 一 方面 ， 喷淋 液 滴的下降速 度 减 小 ， 持 液 量 增 大 ， 使得 吸收区 的 传质面 积 增 大 。 当 烟气流速低 于 3m/s时 ，脱硫 效 率与烟气速 度无 关；高 于 3m/s时 ，液滴 表 面 的 振 动 PDF 文 件使 用 “pdfFactory Pro“ 试 用 版 本 创建 179 加 大 ，液滴 中 的 混 合 增 强 ， 表 面更 新 加 快 ， 可 促 进 二 氧 化硫 吸收 反应，有 利 于 脱硫 效 率的 提 高； 当 烟气流速 从 3.0m/s提 高
33、 到 4.5m/s时 ，脱流率 上 升幅 度 较 大 ， 进一步 提 高烟气流速 时 ， 脱流率的 提 高 趋 于 平 缓 。 同 时 ，烟气流速 受 除 雾器 性能和液 泛 速 度 的 制 约 。 低烟气流速 时 ，压降的 增 大 幅 度大于 传质面 积， 而 高烟气流速 时 ， 结 果 则相反， 传质面 积的 增 大 幅 度大于 压降。这 一 点 在 ABB的高流速 实验 中也 得 到 证实 ： 在 脱硫率 不 变 的 条件 下， 烟速 从 2 3m s提 高 到 4 3m s，液气比 减 少 32 ，相应的 传质 速率 增 加 50 ， 总 能耗 可 下降 25 ； 根据中 试 结 果
34、， 从 节 能 观 点 出发 ， 空 塔流速 最 好 大于 4 57m s。 3 增 加 托盘 、气流分 布 板 4 采 用 Sauter粒径更 小 双向 喷嘴 尺寸 较 小 的 喷嘴 可 降低 雾 滴 平 均直 径 ， 增 加了 比 表 面 积， 增 加了 塔 断 面 覆盖 率。 例如 ， 某 脱硫塔 每 个 喷淋层 原 来是 由 25只 130mm的 喷嘴 组 成， 每 只 喷嘴 的流 量 为 31.5L/s， 后来 改 为 每 层 60至 84只 50mm的 喷嘴 ， 每 只 喷嘴 的流 量 为 12.6L/s,前 后 压力 操 作 不 变 ， 同 时 增 加了 一 块穿 流 孔 板 ，
35、以 改 变 塔 入 口 处 的气流分 布 。 经 此 改 进后 ，脱硫 效 率 由 80%提 高 到 96%。 PDF 文 件使 用 “pdfFactory Pro“ 试 用 版 本 创建 180 第二 节 脱硫塔内的气 动 特性 喷淋 塔内的流 动 较 为复杂，脱硫塔的塔 径 、 洗 涤 区 高 度 、液滴 粒径 分 布 、液滴 初 始 速 度 和 喷 射 角 均影响 脱硫塔的气 动 特性（气液分 布 、压降、液滴 停留 时间 、塔内 持 液 量等 ）。 吸 收 塔压降 在 整 个脱硫系统能耗 中 占 有 较 大 的比 例 ， 直 接 影响 脱硫 装置 运行的 经济 性， 是 脱硫 系统设
36、计 中 的 一 个 重 要经济 、 技术指 标 ；液滴 停留 时间 和塔内 持 液 量 与 传质面 积有关， 是决 定 脱硫 效 率的 主 要 因 素 。这 些 也 是 FGD系统 建 模时 的 重 要 参 数 ， 也 是 优化脱硫塔设计的 基础 。 本 节 以 某 逆流 托盘 喷淋 塔为 例 进 行 讨 论 。 根据 脱硫塔内的流体特性， 可将 脱硫塔（ 如图 6-10所示 ）分为 四 个特 定 区 域 ：烟气 入 口 区 、 托盘 区 域 、 喷淋 区 域 、除 雾 区 域 ， 无一 例外 表 现为二相流的特性。 一 、烟气 入 口 区 域 烟气 入 口 区 域 的流体流 动受入 口 烟
37、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 。 此 部 份 的压降 由 三 种 基 本 机 理 造 成： 一是 烟气的 膨胀拐 弯 和内部 构 件 的 拖曳 ；二 是 托盘 下部 喷淋层 和 托盘 淋 降 造 成 的 曳 力 损失 ； 三 是 托盘 下部 喷嘴 造 成的 动 力 损失 。烟气 膨胀 造 成的压力 损失 可 根据 有关流体 阻 力 手 册查 相 似 的 阻 力系 数 计 算 出 来 ； 喷淋层 和 托盘 淋 降 造 成的压力 损失 可 根据 总 的 动 力 平 衡 建 立 起 流体 通 量 、 总 的液滴
38、曳 力与烟气压降的关系 式 计 算 出 来 ； 累 积液滴 曳 力和 单 个液滴 曳 力 可 根据 二相流 模 型 建 立 方 程 ， 托盘 下部 喷嘴 造 成的 动 力 损失 可 采 用脱硫 喷淋 区 的 专 用计 算程 序 计 算 出 来 。 烟气 入 口 区 域 压降的计 算 结 果 如图 6-11所示 ，计 算 出 来 的压降与脱硫塔 数 据 库 中 的 数 据 吻 合 得很 好 。 从 图 中 可 以 看 出 ，烟气 膨胀 及喷淋层 带来 的 动 力 损失 占 了总 压降的 大 部分，这 些 机 理 可 根据 几 何 相 似 性 进 行放 大 ， 此 处 所 用的几 何 相 似 性
39、要 求 所 有的几 何尺寸 均按 同 一 放 大 因 子 进 行 线 性放 大 ，除 了 几 何尺寸 方面 的 考虑 以 外 ， 水 力学特性的放 大 也 应 保 持 相 似 的流体流 动 ， 如 果 入 口 雷诺 数 大于 20000，流体为 紊 流 状态 ， 即 可很 容 易 获 得动 力相 似 性。 并 且 ， 对于动 力相 似 性，液气 动量 比应与流 场 单 元 动 力比相 等 。 图 6-11 入 口 区 域 压降比 较 二、 托盘 区 域 托盘 是一 种两相逆流 筛 孔 板 ， 在 筛 孔 板 上 表 面 设有 单 元 隔 离 板 ， 将上 表 面 隔 离 一 个个 单 元 ，烟
40、气 在 托盘 上 表 面形 成 泡沫 层 ， 同 时 浆 液 也从中 落 下。气流和液流 之 间 有 规 律 地 脉 动 ， 气流和液流 间 歇 通过 小 孔 。 托盘 上 的 隔 离 板 是 为 了 防止 脉 动 过 大 ， 造 成气流 通 量不 均匀 。特 别 当 脱硫 直 径 增 大后 ， 若 无 隔 离 板 ， 即 会 出 现有 些 孔 只通 气， 不 落 液的现 象 ， 而 有 些 则 刚 好 相反，这 势 必 将 严 重 影响 气液 间 传质 ，降低脱硫 效 率。 由 于 托盘 的 每一 个 隔 离 区 有 多 个 通路 存 在 ，这种 脉 动 流 动可 视 为准 稳 态 流 动
41、。 托盘产生 的压降 进一步 促 进 了 烟气分 布 的 均匀 性， 为 喷淋层 洗 涤 区 的气液 均匀 接 触 提 供 了更 为 良 好 的 保证 ， 烟气 入 口 烟气 出口 除 雾器 喷淋层 图 6 10 脱硫塔 示 意 图 贮 浆 池 托盘或 其 他元 件 0% -25% 模型预测 实验数据 入口影响 液滴曳力损失 托盘底喷淋区域 75% 25% 50% 100% 120% 150% PDF 文 件使 用 “pdfFactory Pro“ 试 用 版 本 创建 181 托盘产生 的压降 由 三 部分 组 成， 一是 托盘 的 干 板 压降；二 是 表 面 张 力 产 生 的压降；
42、三 是 托盘 上 表 面 的 泡沫 持 液 层 产生 的 静 压降。 托盘 的 干板 压降 是 烟气 加 速 通过 小 孔 时 产生 的，计 算时 应 考虑 液体 所 占 的 开孔面 积， 对 方 程 中 的 面 积 进 行 修 正 。 表 面 张 力 产生 的压降 是 为 了 克服 气液 间 的 表 面 张 力， 对于 圆 形孔 ， 表 面 张 力 产生 的压降 是 气液 表 面 张 力特性和 孔径 的 简 单 函 数 。 静 压降为 托盘 上 表 面 的气液 泡沫 层 产生 的，与 泡沫 层 的高 度 有 关， 泡沫 层 的高 度可 以 通过 两相流 中 液相压力 平 衡 计 算 获 得
43、。 托盘 压降计 算 结 果 如图 6-12所示 ，与脱硫塔 数 据 库 相 吻 合 。 从 图 中 可 以 看 出 ， 托盘 上 表 面 的 泡沫 层 产生 的 静 压降 占 据主 导 位 置 。 三 、 喷淋 区 域 喷淋 区 位 于 托盘 和除 雾器 之 间 ， 雾 化的 浆 液与烟气逆流 接 触 ， 假 定 此 区 域 的气流和液流 是 均匀 的，则 可 采 用 一 维 动量 方 程 中 的 迁移 通 量 公 式 进 行分 析 。 动量 方 程 中 的 迁移 通 量模型 按 照 扩散 原 理 模拟 了 气液两相流 间 速 度 的 差 异 ， 在 单 相流 动量 方 程 中考虑 了 两相
44、 间 的 迁移 和 平 均 混 合 物 特性， 添 加了多 个 参 数 。 同 时 ，气液 间 的 迁移 速 度 也根据 实验 数 据 进 行 了 修 正 。 1.液滴 在 塔内的运 动 与分 布 |(1） 忽略 液滴与塔 壁 的 碰撞 而 产生 凝 聚 和分 裂 ， 对 液滴 进 行 受 力分 析 ，液滴 在 塔内 受 到 表 面 曳 力、 形 体 曳 力和 重 力 作 用， 其 中 ， 表 面 曳 力的反 作 用力 即 为液滴（液相） 对 气相的 作 用力。 在 逆流 喷淋 塔 中 ，液滴塔内液滴 先作 减 速运 动 ， 再 作 匀 速运 动 。 (2） 距喷嘴 较 远 处 ， 由 于 液
45、滴 加 速 或 加 速 至 其 终 端 速 度 ，液滴 浓 度 与 喷嘴角 度 和液滴 初 始 速 度无 关。 在 顺 流脱硫塔 中 ，液滴 浓 度随 距 离的 增 加 而 单调 降低。 对于 较 大 液滴 初 始 速 度 ， 喷嘴角 度 增 加 使 液滴 浓 度 降低，速 度 减 慢 ， 但对于 较 小 的液滴速 度 ， 在 脱硫塔的 上 部，液滴 的 浓 度随 喷淋角 度 的 增 加 而增 加 。 喷嘴喷 射 角 度带来 的液滴 浓 度 的相 对 变 化 随 液滴 垂 直 速 度 分 量 的 增 加 而 扩 大 。 一般 地 ， 在 逆流脱硫塔 中 ， 喷嘴角 度 的 增 加 将 导 致
46、液滴 局 部 浓 度 的 增 加 。 (3） 在 顺 流脱硫塔 中 ，液滴 浓 度随 距 离（离 喷淋层 ）的降低 而 持 续 降低； 在 逆流脱硫塔 中 ，则 随 高速液滴 初 始 速 度 的 增 加 而增 加 ， 随 低速液滴 初 始 速 度 的 减 小 而 减 小 ， 局 部 浓 度随 距 离的 增 加 、气速的降低（ 对 逆流脱硫塔）、液滴 初 速 度 的降低 而 降低。 (4)一般 地 ， 停留 时间随 喷淋角 度 的 增 加 、液滴 初 始 速 度 的降低、 Rev（ 描 过 气流流 经 脱 硫塔的 参 数 ）的降低 而增 加 ， 随 雷诺 数 的 减 小 而 减 少 ， 但 当
47、液滴 初 始 速 度很 低 或 在 顺 流脱硫 塔 中 ， 停留 时间随 喷 射 角 的 增 加 而 降低。 仅 在 逆流脱硫塔 中 ， 当 使 用的 喷嘴角 度很大时 或 无 气流 时 ， 可 观 测 到停留 时间随 喷嘴角 度 的 增 加 而 降低。 在 喷嘴雾 化 过 程 中 ， 喷雾层 相 互 覆盖 ，部分 雾 滴 发 生 碰撞 ，液滴 轨 道 计 算 表明 ，液滴 间 碰撞 的 结 果 是 部分液滴 发 生 凝 聚 ， 实验 已 证 明 了 这 一 点 。 实验 表明 ，液滴 间 的 碰撞 对 液滴 粒 径 的分 布 和 吸收 效 率有 重 大 影响 ，为优化流体 动 力学，必须 将
48、 液滴 间 的 碰撞 考虑 进 去。 采 用 流体流 动 数 字 模拟 技术 ， 可对 液滴 粒径 分 布 和 喷嘴 的 布 置 作出 预 测 。 并确定 所 需 的 停留 时间 ， 做 这种优化 后 ， 在保 持 脱硫 效 率 不 变 的 条件 下，流 量可 降低 20% 30%。 图 6-13图 10-15为 喷嘴 工 作 时 的 照 片 。 125% 100% 75% 50% 25% 0% 压降分 量 静 压 混 合 压 头 表 面 张 力 干板 压降 图图 6 12 托盘 区 域 压降比 较 模型 预 测 测试 数 据 PDF 文 件使 用 “pdfFactory Pro“ 试 用 版
49、 本 创建 182 图 6-13喷嘴 工 作 时 的 照 片 之 一 图 6-14喷嘴 工 作 时 的 照 片 之 二 图 6-15喷嘴 工 作 时 的 照 片 之 三 由 图 可 看 出 ， 同 一 水 面 上 两个 喷嘴 （ 左右 布 置 ） 之 间 雾 滴 碰撞 后 产生 的 凝 聚 ， 破 碎 效 果 较 显著 ； 不 同 水 面 上 两个 喷嘴 （ 上 、下 布 置 ） 之 间 雾 滴 碰撞 后 产生 的 凝 聚 ， 破 碎 效 果 不 明 显 。 考虑到 脱硫塔内的 浆 液液滴 密 度 较 高， 将 会 有 大量 的液滴 发 生 碰撞 ， 并 产生 凝 聚 。 如 果 有 大量 的液滴 发 生 凝 聚 ， 那么 随着 液滴的降 落 ， 其 比 表 面 积 将不 断 减 少
