鍋爐煙氣氨法脫硫塔設(shè)計(jì)

尚恒星

（惠生工程（中國(guó)）有限公司，上海 201210）

氨法脫硫技術(shù)是一種脫硫效率高、低耗能的濕法脫硫方式，副產(chǎn)品硫酸（((NH4)2SO）)可作為農(nóng)用化肥，并且可以跳脫出部分的氮氧化物，初投資較低，所以在燃煤鍋爐煙氣排放治理和控制中得到廣泛應(yīng)用。脫硫塔是氨法脫硫的核心設(shè)備，合理的脫硫塔設(shè)計(jì)是系統(tǒng)長(zhǎng)期高效運(yùn)行的關(guān)鍵。本文介紹氨法脫硫工藝及原理，重點(diǎn)對(duì)脫硫塔及附屬設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算及選型，包括選材及防腐設(shè)計(jì)，總結(jié)實(shí)際運(yùn)行中的注意事項(xiàng)，為類似工程項(xiàng)目提供實(shí)際的參考作用。

1.氨法脫硫工藝化學(xué)原理

氨法脫硫工藝主要是液氨或氨水與煙氣中的SO2發(fā)生酸堿化學(xué)反應(yīng)，生成副產(chǎn)物硫酸銨。根據(jù)反應(yīng)化學(xué)原理，氨法脫硫中，亞硫酸銨對(duì)SO2有更好吸收能力，所以氨法實(shí)際上是(NH4)2SO3、NH4HSO3溶液在不斷循環(huán)中對(duì)SO2的進(jìn)行吸收，同時(shí)亞硫酸氫銨的比例逐漸增加，其溶液吸收能力也同時(shí)降低，亞硫酸氫銨液氨或氨水反應(yīng)，轉(zhuǎn)化成亞硫酸銨。

反應(yīng)原理[1]如下：

2.主要工藝流程

本項(xiàng)目采用液氨作為脫硫劑吸收煙氣中的SO2，副產(chǎn)物為(NH4)2SO3、NH4HSO3，對(duì)其再進(jìn)行氧化，原煙氣熱量對(duì)生成的稀硫酸銨溶液進(jìn)行結(jié)晶，最終產(chǎn)生濃度10%～15%的（NH4)2SO4漿液，(NH4)2SO4漿液經(jīng)過至(NH4)2SO4后處理系統(tǒng)；進(jìn)行硫銨分離、干燥、包裝。脫硫裝置采用的工藝為塔內(nèi)飽和結(jié)晶系統(tǒng)。整套工藝系統(tǒng)包括液氨儲(chǔ)存及供應(yīng)系統(tǒng)、吸收和濃縮系統(tǒng)、氧化系統(tǒng)、(NH4)2SO4后處理系統(tǒng)、煙氣系統(tǒng)、工藝水系統(tǒng)、事故排空系統(tǒng)等。主要工藝流程圖見圖1。

圖 1 氨法脫硫主要工藝流程圖

3.脫硫塔設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本脫硫塔設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1。

表 1 氨法脫硫塔基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

4.脫硫塔及附屬設(shè)備設(shè)計(jì)及選型

4.1 塔體直徑

脫硫塔直徑可由脫硫塔進(jìn)口工況煙氣體積流量和煙氣流速確定，在脫硫塔中，煙氣流速通常為3～4.5m/s[2]。綜合考慮，本項(xiàng)目煙氣的設(shè)計(jì)流速為3.4m/s，則脫硫塔直徑可根據(jù)（1）式計(jì)算:

式（1）中，Q1為實(shí)際工況煙氣量，m3/h；μ為塔內(nèi)煙氣設(shè)計(jì)流速，m/s；D為脫硫塔直徑，m。由（1）計(jì)算，脫硫塔直徑D=10.6m。

4.2 除霧區(qū)設(shè)計(jì)

除霧器設(shè)置在吸收塔頂部。目前最廣泛使用的是折流板除霧器， 折流板除霧器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)中等尺寸和大尺寸霧滴的捕捉效率較高。其主要原理為：由于慣性作用，當(dāng)含有霧沫的煙氣流經(jīng)除霧器時(shí)，霧沫與折板相碰撞，最終附著在板表面上，并隨氣流至折形板轉(zhuǎn)彎處。由于重力、離心力、摩擦、吸附和液體的表面張力作用使得液滴越來越大，當(dāng)液滴自重超過表面張力和氣體上升力的合力時(shí)，液滴便被分離下來[3]。多折向結(jié)構(gòu)增加了霧沫被捕集的概率，大大提高了除霧效率。經(jīng)過折流板除霧器后，可達(dá)到含液量小于75mg/Nm3的要求，霧滴去除率：99.75%，直徑大于17μm的霧滴顆粒必須100%。第一級(jí)采用兩通道折流板除霧器。第二級(jí)采用三通道折流板除霧器。設(shè)置兩層沖洗水，以防積垢和堵塞。除霧器以模塊化地多個(gè)組件進(jìn)行安裝。而且每個(gè)組件能通過吸收塔人孔進(jìn)入。

4.3 噴淋吸收區(qū)

噴淋層設(shè)計(jì)首先要滿足脫硫效率的要求，目前對(duì)于系統(tǒng)脫硫效率不低于95%的吸收塔，噴淋層一般設(shè)計(jì)為3～5層[4]，滿足脫硫所需的表面積，同時(shí)可以滿足鍋爐負(fù)荷和含硫量變化的工況；噴淋層的布置應(yīng)盡可能地降低噴射漿液對(duì)塔壁的沖刷磨損，減少沿塔壁流淌的漿液量，且噴出的液滴能夠均勻且完全覆蓋整個(gè)脫硫塔的截面。噴淋層主要組成為噴嘴、漿液主管及支管，各層噴嘴需在上下空間交錯(cuò)布置，以保證漿液覆蓋率可以達(dá)到170%～250%。本設(shè)計(jì)采用空心錐切線型噴嘴。

噴嘴噴管的計(jì)算：?jiǎn)螄姽茏畲罅髁浚?/p>

式(2)中， Dmax為單噴淋管可選最大管徑，0.04m；?為噴淋管內(nèi)最大流速，6m/s。

噴淋層在塔內(nèi)覆蓋率的確定：噴淋層在脫硫塔內(nèi)覆蓋率α初選200%：

式(3)中，AEFF為單層噴嘴在脫硫塔內(nèi)的有效覆蓋面積，m2；n為噴嘴個(gè)數(shù)；Ao為單個(gè)噴嘴的覆蓋面積，m2； h為噴嘴覆蓋高度，m ；A為脫硫塔面積，m2；θ為噴霧角。

式(5)中，Qt為脫硫循環(huán)液總量，m3/h；Q為單個(gè)噴嘴流量，L/s。

所以，每層噴嘴個(gè)數(shù)為56個(gè)，覆蓋率200%，可以滿足要求。

噴淋區(qū)高度：本脫硫塔吸收區(qū)噴淋層為3層設(shè)計(jì)，提濃區(qū)噴淋層為2層。噴淋區(qū)總高為10m。

4.4 煙氣進(jìn)出口

進(jìn)出口流速一般為12-30 m/s，以此確定進(jìn)出口面積，煙氣從漿液池以上側(cè)面開孔，開孔成正方形。煙氣進(jìn)口為4.0 m×4.0 m，煙氣出口尺寸為4.2 m×4.2 m。煙氣進(jìn)口采用下切進(jìn)入吸收塔設(shè)計(jì)，下切角為15°，增加煙氣與噴淋液接觸時(shí)間，防止?jié){液倒流，充分吸收，同時(shí)削弱塔內(nèi)漩渦回流，壓損降低。煙氣進(jìn)口上方的折射板，與煙氣進(jìn)口頂側(cè)成 30 度角，此設(shè)置可以保證將上方落下液體流向塔中心，防止噴淋液流入煙氣進(jìn)口[5]。

4.5 漿液池設(shè)計(jì)

漿液池容量V根據(jù)脫硫循環(huán)液總量Qt和漿液停留時(shí)間來確定。

式(7)中，t為漿液停留時(shí)間，為確保亞硫酸銨更加充分地氧化為硫酸銨，停留時(shí)間設(shè)計(jì)為0.5 h。

根據(jù)式(7)計(jì)算，漿液池高度h3為8.44 m。

4.6 循環(huán)泵

一級(jí)循環(huán)泵：本工程噴淋層為3層，漿液循環(huán)系統(tǒng)采用單元制設(shè)計(jì)，每個(gè)脫硫噴淋層對(duì)應(yīng)設(shè)置1臺(tái)脫硫循環(huán)泵，脫硫循環(huán)液總量Qt為1606.9 m3/h，考慮10%的余量，則每臺(tái)一級(jí)循環(huán)泵的流量為535m3/h。

二級(jí)循環(huán)泵：提濃噴淋層為2層，每個(gè)噴淋層對(duì)應(yīng)設(shè)置1臺(tái)循環(huán)泵，循環(huán)泵流量為標(biāo)況煙氣量與提濃液氣比的乘積，即：

考慮10%的余量，由(8)計(jì)算得二級(jí)循環(huán)泵流量Qn=400 m3/h。

4.7 脫硫塔壁厚

首先假設(shè)脫硫塔計(jì)算壁厚小于16 mm，查得Q235B鋼板的許用應(yīng)力為 [σ]t=113Mpa。

漿液池以上部分計(jì)算壓力：Pc=0.202 MPa （2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）。

脫硫塔漿液池部分（簡(jiǎn)稱下部分）計(jì)算壓力：

式(9)中，ρ為漿液密度，1257 kg/m3。

對(duì)于脫硫塔頂部以下漿液池以上的部分計(jì)算壁厚：

式(10)中，Φ為焊接接頭系數(shù)，取Φ=1；C為壁厚附加量， C= C2+ C1 ；C1 為鋼板厚度負(fù)偏差，0.6 mm；C2 為腐蝕裕量，1.00mm。

根據(jù)式（10）計(jì)算，脫硫塔上部分選用的Q235B鋼板壁厚為11 mm，與假設(shè)7.00mm≤16.00 mm 相符。

根據(jù)式（11），脫硫塔漿液池部分的計(jì)算壁厚：

塔底部壁厚圓整后取Sn’=16 mm 。

4.8 脫硫塔主要尺寸

脫硫塔主要尺寸見表2。

表2 脫硫塔主要尺寸 單位：m

區(qū)段名稱 數(shù)值噴淋區(qū)間總高 10除霧器總高 4.5出口煙道高度 4.2出口煙道寬度 4.2吸收塔總高度 32.7

5.防腐設(shè)計(jì)

氨法脫硫系統(tǒng)腐蝕的形式多種多樣，其中最突出的是以煙氣中酸酐溶解于水形成的酸液和脫硫劑氨液引起的麻點(diǎn)腐蝕。另外，有些區(qū)域還需承受漿液、煙塵的磨損、沖刷等苛刻的工況，因此要求采用材料需既防腐又可以耐沖刷、磨損。本工程防主要防腐材質(zhì)選擇如下：脫硫塔本體采用碳鋼襯玻璃鱗片；脫硫塔入口采用內(nèi)襯1.4529合金；進(jìn)、出口煙道采用內(nèi)襯玻璃鱗片；循環(huán)泵濾網(wǎng)采用1.4529合金。

6.結(jié)論及注意事項(xiàng)

本工程脫硫塔實(shí)際運(yùn)行穩(wěn)定，脫硫塔進(jìn)出口脫硫效率≥98%；脫硫后煙氣中SO2含量在設(shè)計(jì)工況下小于37mg/Nm3；脫硫裝置出口氨逃逸不大于8mg/Nm3，氨逃逸率、回收率≥98%等；各指標(biāo)均能滿足規(guī)范及項(xiàng)目要求。設(shè)計(jì)過程中的結(jié)論及注意事項(xiàng)如下：

采用折流板除霧器實(shí)現(xiàn)了分離效率高，不易阻塞，阻力小，安裝面積小，操作方便，安全可靠，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)；

空心錐切線型噴嘴自由暢通直徑大，具有自清潔功能，避免堵塞；各噴淋層錯(cuò)開布置，保證漿液重疊覆蓋率，最外層噴嘴與塔壁要保持合理距離，防止塔壁穿孔漏漿；

煙氣進(jìn)口下切角為15°，煙氣入口通過設(shè)置導(dǎo)流板，改善了煙氣流場(chǎng)。煙道入口內(nèi)襯1.4529合金，解決了腐蝕和磨損的問題；

在除霧器與上層脫硫噴淋裝置之間設(shè)置工藝水噴淋裝置，可以更好地解決氨法脫硫工藝中氣溶膠含量較高和氨逃逸的問題。