濕法煙氣脫硫塔噴淋層設(shè)計(jì)

李正青

（浙江菲達(dá)脫硫工程有限公司技術(shù)部，浙江 杭州 310053）

0 前言

SO2是人類從事工業(yè)化生產(chǎn)活動(dòng)以來制造出的常見大氣污染物，其不僅與煙塵PM2.5產(chǎn)生協(xié)同作用，誘發(fā)疾病，形成酸雨還會(huì)對生態(tài)造成不可逆的破壞。

按吸收劑及脫硫產(chǎn)物在脫硫過程中的干濕狀態(tài)可將脫硫技術(shù)分為濕法脫硫（WFGD）、干法脫硫（DFGD）和半干法脫硫（SDFGD）。其中濕法脫硫應(yīng)用最廣，占市場份額的85%。

各類濕法脫硫塔中，噴淋空塔的塔內(nèi)件相對少，壓阻小，應(yīng)用最廣。噴淋層是噴淋空塔中最重要的部件，SO2最直接的吸收去除反應(yīng)即在噴淋區(qū)內(nèi)完成，噴淋區(qū)內(nèi)足夠的噴淋量和良好的氣液傳質(zhì)是脫硫效率最重要的保證。

1 噴淋效果的影響因素

影響脫硫塔噴淋效果的因素有：液氣比、煙氣在塔內(nèi)停留時(shí)間、漿液溫度、漿液濃度、噴淋覆蓋率、覆蓋均勻性、噴淋液滴顆粒尺寸。

1.1 液氣比

在入口煙氣量一定的前提下，液氣比由噴淋量決定。噴淋量等于每層噴淋量乘以噴淋層數(shù)。基于雙膜理論，分析了SO2吸收所歷經(jīng)的三個(gè)階段，得出了吸收有效區(qū)的高度在2 m左右。由于石灰石溶解速率的限制，增加吸收區(qū)高度，脫硫效率的增加不明顯[1]。

1.2 煙氣在塔內(nèi)停留時(shí)間

首先，在一定的煙氣量的前提下，吸收塔的塔徑?jīng)Q定了煙氣流速。接下來再確定噴淋區(qū)的高度即可確定煙氣在塔內(nèi)停留時(shí)間。

1.3 噴淋覆蓋率

噴淋覆蓋率按下式計(jì)算：α=N×A0/A×100%，式中：

α——覆蓋率，%；

N——單個(gè)噴淋層噴嘴數(shù)量，個(gè)；

A0——距離噴嘴出口1 m處測得的單個(gè)噴嘴噴淋面積，m2；

A——噴淋塔橫截面積，m2。

噴淋層的覆蓋率以200%～300%為宜。A0主要由噴霧角決定，噴霧角是指漿液離開噴嘴后形成的液膜錐的錐角，主要受噴嘴孔半徑、旋轉(zhuǎn)室半徑和漿液入口半徑等因素的影響。通常為90°或120°。注意，若噴淋層噴嘴出口1 m處噴嘴噴到噴淋管、梁和塔壁，計(jì)算覆蓋率時(shí)需扣除這些無效面積；A0并非按噴霧角所表示的1 m高圓錐橫切面直接計(jì)算，因漿液噴出后的流體能量損失，距離噴嘴出口1 m處測得的單個(gè)噴嘴噴淋面積較小。實(shí)際面積大約為噴霧角所表示的面積的70%。

1.4 覆蓋均勻性

主要通過噴淋管和噴嘴的布置來體現(xiàn)。噴嘴盡量均勻地布置在吸收塔截面上，噴淋管的布置應(yīng)使到達(dá)噴嘴的漿液流動(dòng)路徑短、拐彎少、壓力流量均等。

1.5 噴淋液滴顆粒尺寸

通過選擇合適的噴嘴來達(dá)到適合液滴粒徑的分布。理想液滴粒徑一般在500～1000μm。噴淋液滴粒徑過大，比表面積不夠，氣液接觸面小。噴淋液滴粒徑也不是越小越好，粒徑過小，易被氣化或被氣流帶走，直接減少了用于噴淋吸收的液滴量，而且增加了除霧器的負(fù)擔(dān)。通常直徑小于500μm的液滴數(shù)量不應(yīng)超過總量的5%。

2 噴嘴的布置和噴淋管的設(shè)計(jì)

2.1 噴嘴的布置

噴嘴的布置方式有矩陣型和同心圓型，兩種方式均能實(shí)現(xiàn)噴嘴的均勻布置，有些改造噴淋管的局部位置噴嘴布置困難時(shí)，還可采用其他不規(guī)則型，圓周一圈最好采用同心圓型，此處多采用90°實(shí)心噴嘴，角度小可以減少對塔壁的沖刷，實(shí)心錐可實(shí)現(xiàn)無死角覆蓋，充分鎖氣。吸收塔中心區(qū)多采用120°空心錐噴嘴，此類噴嘴產(chǎn)生的噴淋壓力較小，既有利于引導(dǎo)煙氣又減小了壓阻。噴嘴的布置應(yīng)結(jié)合噴淋管的設(shè)計(jì)忌噴到梁。

2.2 噴淋管的設(shè)計(jì)

噴淋管的設(shè)計(jì)主要是噴淋支管的設(shè)計(jì)，母管中的漿液是通過二級(jí)支管、三級(jí)支管等流到末端的各個(gè)噴嘴。噴淋支管設(shè)計(jì)的原則是流道最短、流場順暢、流速均勻，分壓均等。為此，應(yīng)使每根二級(jí)支管所到達(dá)噴嘴的數(shù)量盡量相等，即二級(jí)支管的分支小管數(shù)量盡量相同。噴淋母管最適合的漿液流速為2.3～2.5 m/s，噴淋支管最適合的漿液流速為1.5～1.8 m/s。若噴淋支管設(shè)計(jì)不當(dāng)，則流速過快處噴淋管易磨損，流速過慢處漿液顆粒易沉積，造成噴嘴堵塞。且噴嘴的流量不均會(huì)影響噴淋覆蓋的均勻性。支管與母管連接處，流向改變，流速不均，此處管壁需要加厚或加固。

此外，噴淋管的設(shè)計(jì)和噴嘴的布置是相互影響的，當(dāng)噴嘴布置受限噴到梁時(shí)，可以通過噴嘴偏轉(zhuǎn)角度和噴淋支管的下沉或偏移來避免[2]。

圖1 噴淋母管附近噴嘴偏轉(zhuǎn)示意圖

圖2 支撐梁附近噴嘴下沉和偏轉(zhuǎn)示意圖

多層噴淋上下錯(cuò)開布置，層間距1.5～2.0 m。為了保證被噴淋的煙氣分布均勻，最底層噴淋層中心線與吸收塔入口頂端之間至少留2.2～4.0 m的距離。為了減輕除霧器的負(fù)擔(dān)，最頂層噴淋層中心線與除霧器之間的距離也需要留足，具體根據(jù)除霧器性能來確定。

除了常規(guī)的噴淋母管伸入塔內(nèi)后分支布置的方式以外，另一種方式是母管布置在塔外，二級(jí)分支后，從塔的兩側(cè)進(jìn)入吸收塔，在一個(gè)平面內(nèi)交叉布置。這種布置方式有效地避免了噴嘴噴射母管，同時(shí)噴嘴布置的密度更大，均勻性也更好。因此，在煙氣入口成分和需要的脫硫效率相同的前提下，這種布置可以降低塔高和漿液循環(huán)泵電耗[3]。

3 噴淋層支撐梁的設(shè)計(jì)

噴淋層支撐梁有承梁和穿梁兩種型式。承梁即普通的位于噴淋管下部的支撐梁。穿梁是指噴淋母管穿過主梁中央的支撐方式，這種方式可抬高梁的標(biāo)高，減小噴梁機(jī)會(huì)。

在梁的一端偏下位置，應(yīng)該設(shè)置排氣及檢漏孔，且在十字形交叉梁的接口處內(nèi)部開小孔使梁的內(nèi)部連通。此小孔的作用有三：（1）密封焊時(shí)排氣；（2）運(yùn)行溫度變化時(shí)平衡梁內(nèi)外壓力；（3）裝置運(yùn)行過程中，及時(shí)發(fā)現(xiàn)梁的穿孔損壞，及時(shí)修復(fù)。因支撐梁為中空結(jié)構(gòu)，若梁損壞，漿液將進(jìn)入梁內(nèi)部，小孔將滴液。為了便于觀察，小孔應(yīng)該設(shè)置在便于觀察的一端，比如離平臺(tái)較近或朝向道路的一面。

為了保證梁的強(qiáng)度，梁的拼接也有規(guī)定，若鋼材需要對接，對接焊縫為45°斜焊縫，對接焊縫不要在梁的中心處，應(yīng)在梁的1/3～1/4處。支撐梁的面板和側(cè)板不允許有縱向拼接焊縫。

噴嘴的布置盡量不要噴到支撐梁，若布置困難或布置失誤噴到梁，可在梁噴到的部位包PP板保護(hù)。

4 噴淋層和增效環(huán)的協(xié)同作用

增效環(huán)為一圓錐環(huán)，通常設(shè)置在每層噴淋層下部的塔內(nèi)壁上，其作用如下所述。

4.1 杜絕煙氣的逃逸

塔壁內(nèi)側(cè)周圍，噴淋覆蓋重疊率較小，沖刷力較小，漿液噴到塔壁時(shí)順著塔壁流下，喪失了液滴的形態(tài)，氣液傳質(zhì)效果很差，形成噴淋薄弱區(qū)，上升的煙氣易從此處“逃逸”到塔頂而沒有進(jìn)行有效的氣液接觸。設(shè)置增效環(huán)后，塔內(nèi)周圍煙氣逃逸的通道被打斷，煙氣路徑更集中，煙氣流通截面內(nèi)壓力更均勻。并且，漿液打在增效環(huán)上流下形成一圈水幕，形成二次噴淋，上升煙氣穿過水幕，能有效提高噴淋效果。

4.2 減弱塔壁沖刷

塔內(nèi)壁不可避免地要承受噴淋漿液的沖刷，尤其是為了避免煙氣逃逸，周圍一圈噴嘴往往離塔壁距離較近，那么沖刷作用更厲害。合理布置增效環(huán)的位置，讓噴淋漿液大部分的直接沖刷轉(zhuǎn)移到增效環(huán)上，大大減小了塔壁防腐層的破壞程度。為了延長增效環(huán)的壽命，增效環(huán)的沖刷面通常用合金制作或貼襯合金，還有一種方式是加蓋PP 板，用螺栓固定[4]。

5 結(jié)論

（1）提高液氣比、增加煙氣在塔內(nèi)停留時(shí)間、提高噴淋覆蓋率和覆蓋均勻性、選擇液滴顆粒尺寸適合的噴嘴，有利于提高噴淋效果。

（2）噴淋層圓周一圈噴嘴多采用同心圓型排列方式，噴嘴選擇90°實(shí)心噴嘴，防止煙氣從塔壁附近逃逸。通過噴淋管的合理的分支和變徑，使支管流速適宜，流態(tài)順暢、分壓均等，有利于均衡每個(gè)噴嘴的噴淋效果，提高噴淋層整體噴淋均勻性。

（3）若噴嘴噴到支撐梁是很不經(jīng)濟(jì)的，既降低了噴淋覆蓋率又降低了梁的使用壽命。可以通過噴嘴偏轉(zhuǎn)角度和噴淋支管的下沉或偏移的方式來避免。

（4）噴淋層下部塔壁上適合位置安裝增效環(huán)，既可有效地杜絕煙氣逃逸，又能轉(zhuǎn)移噴淋漿液對塔壁的直接沖刷，一舉兩得。