2021脫硫吸收塔SO2吸收系統(tǒng)

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1、脫硫吸收塔SO2吸收系統(tǒng) 第三章 SO2吸收系統(tǒng) 3.1、系統(tǒng)簡介 SO2吸收系統(tǒng)是整個脫硫裝置的核心系統(tǒng)，對煙氣除去SO2等有害成分的過程主要在這個系統(tǒng)完成。本系統(tǒng)主要是由吸收塔、漿液循環(huán)泵、除霧器、吸收塔攪拌器及氧化風機等組成。石灰石－石膏濕法煙氣脫硫是由物理吸收和化學吸收兩個過程組成。在物理吸收過程中SO2溶解于吸收劑中，只要氣相中被吸收氣體的分壓大于液相呈平衡時該氣體分壓時，吸收過程就會進行，吸收過程取決于氣-液平衡，滿足亨利定律。由于物理吸收過程的推動力很小，所以吸收速率較低。而化學吸收過程使被吸收的氣體組分發(fā)生化學反應從而有效地降低了溶液表面上被吸收氣體的分壓，增加了吸收過程

2、的推動力，吸收速率較快。FGD反應速率取決于四個速率控制步驟，即SO2的吸收、HSO3氧化、石灰石的溶解和石膏的結晶。 3.2、吸收反應原理 3.2.1、物理過程原理 SO2吸收是從氣相傳遞到液相的相間傳質(zhì)過程。對于吸收機理以雙膜理論模型的應用較廣，雙膜理論模型如圖所示。圖中p表示SO2在氣相主體中的分壓，p i表示在界面上的分壓，c和c i 則分別表示SO2組分在液相主體及界面上的濃度。把吸收過程簡化為通過氣膜和液膜的分子擴散，通過兩層膜的分子擴散阻力就是吸收過程的總阻力。 氣體吸收質(zhì)在單位時間內(nèi)通過單位面積界面而被吸收劑吸收的量稱為吸收速率。根據(jù)雙膜理論，在穩(wěn)定吸收操作中，從氣相傳

3、遞到界面吸收質(zhì)的通量等于從界面?zhèn)鬟f到液相主體吸收質(zhì)的通量。吸收傳質(zhì)速率方程一般表達式為：吸收速率=吸收推動力吸收系數(shù)，或者吸收速率=吸收推動力/吸收阻力。吸收系數(shù)和吸收阻力互為倒數(shù)。 3.2.2、化學過程原理 3.2.1.1、SO2、SO3和HCl的吸收： 煙氣中的SO2和SO3與漿液液滴中的水發(fā)生如下反應： SO2 + H2O → HSO3— + H+ SO3 + H2O → H2SO4 HCl遇到液滴中的水即可迅速被水吸收而形成鹽酸。 3.2.1.2、與石灰石反應 漿液水相中的石灰石首先發(fā)生溶解，吸收塔漿池中石灰石溶解過程如下： CaCO3 + H2O → Ca2+

4、+ HCO3— + OH— 水中石灰石的溶解是一個緩慢的過程，其過程取決于以下幾個因素： a. 固態(tài)石灰石顆粒的顆粒尺寸。顆粒細小的石灰石粉要比顆粒粗大的石灰石粉溶解要快。 b. 石灰石的反應率。活性石灰石的溶解率要比沒有活性的石灰石溶解率要快。 c.吸收塔漿液的pH值。pH值越低，石灰石溶解得越快。 高的pH值對酸性氣體的脫除效率有利，但是不利于石灰石的溶解。低的pH值不利于酸性氣體的脫除效率，但是有利于石灰石的溶解。 SO2、SO3、HCl等與石灰石漿液發(fā)生以下離子反應： Ca2+ + HCO3— + OH—+ HSO3— + 2H+→ Ca2+ + HSO3— + CO2↑

5、+2H2O 氧化反應：2HSO3—+ O2→ 2SO42—+ 2H+ Ca2+ + HCO3— + OH—+ SO42— + 2H+→ Ca2+ + SO42—+ CO2↑+2H2O Ca2+ + HCO3— + OH—+ 2H+ + 2Cl—→ Ca2+ + 2Cl—+ CO2↑+ 2H2O 經(jīng)驗顯示，吸收劑漿液的pH值控制在5.5～6.0之間， pH值為5.6時最佳，此時酸性氣體的脫除率和石灰石的溶解速度都很高。吸收塔漿液池中的pH值是通過調(diào)節(jié)石灰石漿液的投放量來控制的，而加入塔內(nèi)的新制備石灰石漿液的量取決于預計的鍋爐負荷、SO2含量以及實際的吸收塔漿液的pH值。 3.2.1.3

6、、氧化反應 通入吸收塔漿液池內(nèi)的氧氣將亞硫酸氫根氧化成硫酸根： 2HSO3—+ O2→ 2SO42—+ 2H+ 3.2.1.4、石膏形成： Ca2+ + SO42— + 2H2O → CaSO4 ? 2H2O 石膏的結晶主要發(fā)生在吸收塔漿液池內(nèi)，漿液在吸收塔內(nèi)的停留時間、通入空氣的體積和方式都經(jīng)過專門的設計，可保證石膏的結晶生成。 脫硫總反應式： SO2（g）+CaCo3(s)+1/2O2+2H2O(l)→CaSO4.2H2O(s)+CO2(g) WFGD物理和化學反應過程示意圖 1-石灰石的溶解；2- SO2和O2的溶解；3-亞硫酸鈣的氧化；4-石灰石的溶解；5-O2的吸收

7、；6-亞硫酸鈣的強制氧化；7-石膏的結晶； 8-亞硫酸鈣的結晶； 9-可能的結垢；10-持液槽3.3、主要設備作用及結構 3.3.1、吸收塔本體 作用與功能： 煙氣進入吸收塔內(nèi)，自下而上流動與噴淋層噴射向下的石灰石漿液滴發(fā)生反應，吸收SO2、SO3、HF、HCl等氣體。吸收塔采用先進可靠的噴淋空塔，系統(tǒng)阻力小，塔內(nèi)氣液接觸區(qū)無任何填料部件，有效地杜絕了塔內(nèi)堵塞結垢現(xiàn)象。石灰石漿液制備系統(tǒng)制成的新石灰石漿液通過石灰石漿液泵送入吸收塔漿液池內(nèi)，石灰石在漿液池中溶解并與漿液池中已經(jīng)生成石膏的漿液混合，由吸收塔漿液循環(huán)泵將漿液輸送至噴淋層。漿液通過空心錐型噴嘴霧化，與煙氣充分接觸。在吸收塔漿液池

8、中部區(qū)域，氧化風機供給的空氣通過布置在漿液池內(nèi)的噴槍與漿液在攪拌器的協(xié)助下進一步反應生成石膏（CaSO42H2O）。 3.3.1.1、噴淋層 每只吸收塔配備四臺漿液循環(huán)泵，采用單元制運行方式，每一臺循環(huán)泵對應一層噴淋裝置。循 環(huán)泵將塔內(nèi)的漿液從下部漿液池打到噴淋層，經(jīng)過噴嘴噴淋，形成顆粒細小、反應活性很高的霧化液滴。本設計的液氣比選在16.24L/Nm3。四層噴淋層可以根據(jù)煙氣負荷的大小選擇投用的層數(shù)，以降低能源的消耗和保證出口煙氣的溫度。 噴淋層采用高級的螺旋狀噴嘴，在同等噴霧條件下，對循環(huán)泵的壓力需求較低。該種噴嘴可使噴出的三重環(huán)狀液膜氣液接觸效率高，能達到高效吸收性能和高除塵性能

9、。噴淋層的布置增加了漿液與氣體的接觸面積和幾率，保證吸收塔橫截面能被完全布滿，使SO2、SO3、HF、HCl等被充分去除。由于在吸收塔內(nèi)吸收劑漿液通過循環(huán)泵反復循環(huán)與煙氣接觸，吸收劑利用率很高。 吸收塔內(nèi)部結構示意圖 噴淋層和噴嘴實物圖 噴淋效果圖噴嘴實物圖 3.3.1.2、吸收塔漿液池 吸收塔漿液池的主要功能如下： 完成酸性物質(zhì)和石灰石的反應酸性物質(zhì)： 通過強制氧化把亞硫酸鹽氧化成硫酸鹽 提供石灰石足夠的溶解時間 促使過飽和溶液里面的石膏結晶 提供石膏晶體充分長大的停滯時間 根據(jù)日本川崎公司多年的工程經(jīng)驗并結合工程設計參數(shù)，對吸收塔進行了優(yōu)化設計。其優(yōu)點有：①、低進

10、口SO2濃度導致酸堿吸收反應速率下降，大容量吸收塔漿池為噴淋過程中物理溶解于漿液中的酸性物質(zhì)在漿池內(nèi)與溶解態(tài)石灰石的反應提供充分的反應時間，由此確保高的脫硫效率。 ②、為石灰石提供充分的溶解時間，確保不大于1.03的鈣硫比。 ③、為亞硫酸鈣提供充分的氧化空間和氧化時間，確保良好的氧化效果。 ④、為石膏晶體長大提供充分的停滯時間，確保生成高品質(zhì)的粗粒狀（而非片狀和針狀）石膏晶體。 ⑤、同時，為了在煙氣參數(shù)如煙氣流量、煙氣溫度和SO2初始濃度發(fā)生快速變化的情況下，能使吸收塔正常、穩(wěn)定地運行，漿液池容量的設計保證提供充分的氣固緩沖容積，確保系統(tǒng)具有良好的耐沖擊性和穩(wěn)定性。 當鍋爐原煙氣通過

11、吸收塔時，會蒸發(fā)帶走一部分吸收塔內(nèi)的水分，石膏結晶也會帶走一定的水分，廢水排放也會帶走一部分水，這樣將導致吸收塔漿液中的固體濃度逐步增大，進而影響反應的正常進行。漿液的液位由吸收塔的液位控制系統(tǒng)控制，流失的水將通過除霧器沖洗水來補充，同時 亦通過向吸收塔補充新鮮工藝水來保持液位。塔內(nèi)漿液的密度通過調(diào)節(jié)吸收塔內(nèi)石膏漿液的排放量來控制。 吸收塔漿液池上部設溢流口，保證漿液液位低于吸收塔煙氣入口段的下沿。溢流管道上配備有吸收塔密封箱，它可以容納吸收塔的溢流液，同時為吸收塔提供了增壓保護，保證系統(tǒng)運行的安全穩(wěn)定。密封箱的液位由周期性補充工藝水來維持。 密封箱實物圖 3.3.1.3、吸收塔頂部設

12、有放空閥。在正常運行時該閥門是關閉的，當FGD裝置走旁路或當FGD裝置停運時，閥門開啟。在調(diào)試及FGD系統(tǒng)檢修時打開，可排除漏進的煙氣，有通氣、通風、通光的作用，方便工作人員操作；FGD停運時，可避免煙氣在系統(tǒng)內(nèi)冷凝并腐蝕系統(tǒng)。 排空閥實物圖 3.3.1.4、漿液池攪拌器 漿液池里面的漿液為含有多種溶解鹽的水溶液，其中懸浮態(tài)維持在15wt%的水平。為了保證這些固態(tài)物質(zhì)能夠真正懸浮在漿液中，漿液池周圍安裝了5臺側進式攪拌器。 吸收塔攪拌器外觀圖 攪拌器葉片（吸收塔內(nèi)） 3.3.2、吸收塔漿液循環(huán)泵 吸收塔漿液循環(huán)泵安裝在吸收塔旁的循環(huán)泵房內(nèi)，用于吸收塔內(nèi)石膏漿液的循環(huán)。采用單流

13、和單級臥式離心泵，包括泵殼、葉輪、軸、軸承、出口彎頭、底板、進口、密封盒、軸封、基礎框架、 地腳螺栓、機械密封和所有的管道、閥門及就地儀表和電機。 漿液循環(huán)泵配有油位指示器、聯(lián)軸器防護罩和泄漏液的收集設備等。配備單個機械密封，不用沖洗或密封水，密封元件配有人工沖洗的連接管。軸承型式為耐磨型。 吸收塔選配的是四臺流量都是5640m3/h的離心式循環(huán)泵，在保證噴嘴前壓力相同的前提下，泵的揚程分別為14.6m/16.6m/18.6m/20.6m。 吸收塔的操作液位的設計能充分保證泵的工作性能，泵的葉輪背后不氣蝕；同時，選擇了較大的泵入口管管徑，能有效防止氣蝕的發(fā)生，延長泵的使用壽命。在塔內(nèi)循

14、環(huán)泵入口管路上，裝設大孔徑的過濾器。 漿液循環(huán)泵實物圖 3.3.3、氧化空氣系統(tǒng) 每套吸收塔的氧化系統(tǒng)由氧化風機、氧化空氣噴槍及相應的管道、閥門組成。氧化空氣通過氧化空氣噴槍均勻地分布在吸收塔底部漿液池中，將CaSO3氧化成CaSO4，進而結晶析出。 氧化空氣系統(tǒng)是吸收系統(tǒng)的一個重要組成部分，氧化空氣的功能是促使吸收塔漿液池內(nèi)的亞硫酸氫根氧化成硫酸根，從而增強漿液進一步吸收SO2的能力，同時使石膏得以生成。氧化空氣注入不充分或分布不均勻都將會引起吸收效率的降低，嚴重時還可能導致吸收塔漿液池中亞硫酸鈣含量過高而結垢，甚至發(fā)生亞硫酸鈣包裹石灰石顆粒使其無法溶解。因此，對該部分的優(yōu)化設置對提

15、高整個設備的脫硫效率和石膏產(chǎn)品的質(zhì)量顯得尤為重要。 氧化和結晶主要發(fā)生在吸收塔漿液池中。吸收塔漿液池的尺寸足夠保證提供漿液完成亞硫酸鈣 的氧化和石膏（CaSO4? 2H2O）的結晶的時間。氧化空氣入塔前經(jīng)增濕降溫，使氧化空氣達到飽和狀態(tài)，可有效防止分布管空氣出口處的結垢。 本系統(tǒng)氧化空氣噴槍布置在吸收塔漿液池中下部，為石灰石溶解、亞硫酸鈣氧化和石膏結晶過程提供最佳反應條件。氧化空氣噴槍上部漿液因為剛吸收了大量SO2，pH值略低，有利于石灰石的進一步溶解和石膏的生成，對提高石膏的品質(zhì)有利，氧化空氣噴槍下部由于有新加入的石灰石漿液，pH值略高，將漿液提升至噴淋層的吸收塔循環(huán)泵入口位于該區(qū)域，

16、有利于提高吸收SO2的能力。 氧化空氣由二臺氧化風機提供。從空氣總管起，各個空氣支管在吸收塔外垂直向下接到氧化空氣噴槍。該方式尤其適合大尺寸的吸收塔，氧化效果好，布氣均勻，氧化空氣的利用率高，氧化空氣用量少且保證石膏品質(zhì)。眾多工程實際表明，正常運行狀況下（除吸收塔維修期間外），一般不必要對其進行清洗。 該系統(tǒng)的主要特點如下： 氧化空氣分布均勻； 氧化性能高； 在氧化空氣用量較低的情況下保證了氧化反應的徹底進行； 氧化空氣噴槍具有自清洗功能。 氧化風機采用羅茨風機，每臺包括潤滑系統(tǒng)、進出口消音器、進氣室、進口風道（包括過濾器），吸收塔內(nèi)分配系統(tǒng)及其與風機之間的風道、管道、閥門、發(fā)蘭

17、和配件、電機、聯(lián)軸節(jié)、電機和風機的共用基礎底座、就地控制柜、冷卻器等。 羅茨風機是一種定排量回轉式風機，如圖所示，靠安裝在機殼1上的兩根平行軸5上的兩個“8”字形的轉子2及6對氣體的作用而抽送氣體。轉子由裝在軸末端的一對齒輪帶動反向旋轉。當轉子旋轉時，空腔7從進風管8吸入氣體，在空腔4的氣體被逐出風管，而空腔9內(nèi)的氣體則被圍困在轉子與機殼之間隨著轉子的旋轉向出風管移動。當氣體排到出風管內(nèi)時，壓力突然增高，增加的大小取決于出風管的阻力的情況而無限制。只要轉子在轉動，總有一定體積的氣體排到出風口，也有一定體積的氣體被吸入。 羅茨風機原理示意圖 3.3.4、除霧器 3.3. 4.1、功能與

18、原理 除霧器用于分離煙氣攜帶的液滴，防止冷煙氣玷污GGH、煙道等。本工程采用折流板除霧器，是利用液滴與固體表面的相互撞擊而將液滴凝聚并捕集。氣液通過曲折的擋板，流線多次偏轉，液滴則由于慣性而撞在擋板上被捕集。經(jīng)過凈化處理的煙氣流經(jīng)兩級臥式除霧器，在此處將煙氣攜帶的漿液微滴除去。從煙氣中分離出來的小液滴慢慢凝聚成比較大的液滴，然后沿除霧器葉片的下部往下滑落，直到漿液池。經(jīng)洗滌和凈化的煙氣流出吸收塔，最終通過煙氣換熱器升溫后經(jīng)凈煙道排入煙囪。 3.3. 4.2、構成 二級除霧器（水平式），配備沖洗水系統(tǒng)和噴淋系統(tǒng)（包括管道、閥門和噴嘴等）。 除霧系統(tǒng)包括一臺安裝在下部的粗除霧器和一臺安裝

19、在上部的細除霧器，彼此平行下層除霧器（一級除霧器）的上下面和上層除霧器（二級除霧器）的下面設有沖洗噴嘴，正常運行時下層除霧器的底面和頂面，上層除霧器的底面自動按程序輪流清洗各區(qū)域。當除霧器壓降超出設定值時即自動完成一個沖洗程序。 除霧器沖洗系統(tǒng)的設計特別注意到FGD 裝置入口的飛灰濃度及除霧器沉積物的影響。在吸收塔上層除霧器上部增加設置一層沖洗噴嘴，該層噴嘴可異常情況或檢修時對二級除霧器進行人工沖洗，以確保除霧器的高可靠性。 水平式 立式 除霧器原理示意圖 3.4、影響吸收的主要因素 影響脫硫效率的因素有pH 值、L/G 、Ca/S 摩爾比、FGD 入口煙氣流量和SO 2濃度

20、、石灰石品質(zhì)、漿液濃度等。 3.4.1、PH 值的影響 如圖示，隨著煙氣中SO2含量的變化，吸收劑石灰石的加入量以SO2的脫除率為函 數(shù)。SO2負荷決定于煙氣體積流量和原煙氣的SO2含量。加入的CaCO3流量取決于SO2負荷與CaCO3和SO2的摩爾比。隨著CaCO3的加入，吸收塔漿液將達到某一pH值。脫硫效率隨持液槽中PH的升高而提高。低的pH值有利于石灰石的溶解、HSO3-的氧化和石膏的結晶，但高的pH值有利于SO2的吸收?？梢妏H值對WFGD的影響非常復雜和重要。 從化學原理分析，當堿液的濃度較低時，化學傳質(zhì)的速度較低。當提高堿液濃度到某一值時，傳質(zhì)速度達到最大值，此時的堿液

21、濃度稱為臨界濃度。煙氣脫硫的化學吸收過程中，以堿液為吸收劑吸收煙氣中的SO2時，適當提高堿液（吸收劑）濃度，可以提高對SO2的吸收效率，吸收劑達到臨界濃度時脫硫效率最高。但當堿液濃度超過臨界濃度之后，進一步提高堿液濃度并不能提高脫硫效率。為此應控制合適的pH值，此時脫硫效率最高，Ca/S摩爾比最合理，吸收劑量利用最佳。WFGD 運行結果還表明，較低的PH值可以降低堵塞和結垢的風險。因此，在石灰石-石膏法煙氣脫硫中，pH值一般控制在5.0～5.6之間較適宜。 3.4.2、液氣比對脫硫率的影響 由下圖可以看出：亞硫酸鹽亞硫酸鹽亞硫酸鹽是一種含氧酸鹽,分子式為Na2SO3其酸根為亞硫酸根SO3 2-.其酸酐為二氧化硫SO2.在地表水中通常不存在亞硫酸鹽.如果亞硫酸鹽排放到出水中來源于市政污水,那么它就很容易氧化成硫酸鹽.亞硫酸鈉是亞硫酸鹽存在的最常見的形式,是優(yōu)良的還原劑,用來清除氧. 提高液氣比有利于提高脫硫效率； 液氣比對石灰石的利用率影響較小； 提高液氣比有利于亞硫酸鹽的氧化。 3.5、主要設備規(guī)范