西安交通大学
毕 业 设 计（论文）

烟气脱硫吸收塔设计

摘 要

针对目前国内火电厂烟气脱硫装置大多由国外引进，用于大型机组烟气处理的现状，结合我国国情设计石灰石－石膏烟气脱硫装置，其适用于小型机组，投资和运行费用较低，便于广泛应用。本设计主要设计吸收塔部分。
本设计用于小型机组的烟气脱硫，以喷淋塔作为吸收塔，结合筛板塔气液分布均匀的优点，在喷淋空塔中加装一筛孔板。采用价廉易得的石灰石为原料，脱硫产物石膏品质优良，可代替天然石膏使用。系统封闭运行，绝大部分废水经处理后作为工艺水回用，同时减少耗水量和污染。
装置应用就地氧化方式，减少了占地面积，简化了工艺和控制设备。

关键词： 湿法脱硫，吸收塔，设计

ABSTRACT

To the situation that the wet flue gas desulfurization system for unit in thermal power were introduce form other country and fit for large-sized unit normally, The system in the paper is fit for small-sized unit in thermal. construction and operation costs of is reduced remarkably, the system is acceptable. The massion of the paper is design of absorber.
The system is fit for small-sized unit in thermal, spray type power is the absorber..  In sieve-plate tower, gas and liquid is well-distributed,  a shower plate in the spray type power. The raw material is limestone because of its low-price, the product-gypasum is reliable enough to take the palce of natural gypasum. The system run closed, sanitary be disposed and revolved mostly, the water pollution is reduced at the same time .
To reduce the required site area and equipment, simplify process and vontontrol system, simultanceous SO2 with the forced oxidation.

KEY WORDS：WFGD, absorber, design
目 录

前 言………………………………………………… 1
第1章 吸收塔的选型  ……………………………… 3
1.1 工艺原理………………………………………… 3
1.2 塔型选择………………………………………… 4
1.3 氧化方式的选择 ………………………………… 5
第2章 脱硫系统概述  ……………………………… 7
2.1 脱硫系统流程简介 ……………………………… 7
2.2 吸收设备的布置 ………………………………… 8
2.3 脱硫风机的布置 ……………………………… 11
第3章 吸收塔设计及吸收平衡计算……………… 12
 3.1 塔本体设计 …………………………………… 12
 3.2 喷林区设计 …………………………………… 16
   3.3 除雾器设计 …………………………………… 19
     3.4循环泵选型……………………………………… 20  
\3.5 排出泵选型……………………………………  21
 3.6 鼓风机及氧化装置…………………………… 22
   第4章 子系统概况…………………………………  25
4.1 通风系统…………………………………………25
4.2 吸收系统…………………………………………26
4.3 浆液制备系统…………………………………  27
4.4 废水废渣处理系统…………………………… 29
第5章 脱硫系统经济分析……………………………31
设计小结 ………………………………………………33
参考文献……………………………………………… 34
附 录……………………………………………………36
文献翻译……………………………………………… 39

前 言

能源工业是国民经济的基础，我国的能源结构以煤为主且在短期内难以改变。煤炭的大量使用，造成严重的环境问题，其中SO2是形成酸雨的主要物质之一，因此燃煤脱硫对环境保护、社会效益、经济效益各方面非常重要。
迄今为止，国内外火电厂采用的脱硫工艺已有二百余种。按脱硫工艺在生产中所处部位可分为燃烧前脱硫、燃烧中脱硫和燃烧后脱硫；燃烧后脱硫有湿法、半干法和干法。在各种技术中，90％以上采用湿法烟气脱硫技术（WFGD），其中最成熟、应用最广泛的是石灰石－石膏湿法技术。
石灰石－石膏湿法工艺适合大机组烟气脱硫。采用价廉易得的石灰石或石灰作为脱硫吸收剂，石灰石经破碎磨细成粉状与水混合搅拌成吸收浆液。在吸收塔内，吸收浆液与烟气接触混合，烟气中的SO2与浆液中的CaCO3及鼓入的氧化空气进行化学反应被脱除，最终反应产物为石膏。脱硫后的烟气经除雾器除去带出的细小液滴，经再热器加热升温后排入烟囱。脱硫石膏经脱水装置脱水后回收或抛弃。吸收浆液循环利用，吸收剂利用率很高。
该法的主要特点有：
⑴ 脱硫效率高，可达95％以上。
⑵ 技术成熟，运行可*性高，费用低。特别是新建的大机组采用该工艺，使用寿命长，可取得良好的投资效益。
⑶ 对煤种适应范围广，采用高硫份燃煤，也能获得较高的脱硫效率，达到排放标准。
⑷ 吸收剂原料石灰石价廉易得，便于降低运行成本。
⑸ 副产品脱硫石膏品位好，虽不足以抵消运行费用，至少可以避免二次污染。
我国从20世纪70年代开始电站锅炉的烟气脱硫技术的研究，但进展缓慢。由于工业发展，燃煤增加，酸雨的危害日益严重，对SO2的污染控制技术在七五期间被列入国家重点攻关项目。此后经过多年努力，与引进技术相结合，建立了大型工业装置。我国引进的技术虽然设备先进、运行稳定、自控程度高，但投资和运行费用极高，以目前我国的情况很难推广应用。因此急需根据我国国情，开发适应我国市场需要的烟气脱硫技术，达到产业化应用。
本设计用于小型机组的烟气脱硫，选用喷淋塔作为吸收塔，吸收烟气中SO2的反应在吸收塔中进行。吸收塔具有单级再循环系统，单塔具有再除尘、吸收和氧化功能。塔的上部为除雾器，以除去气流中夹带的雾沫，防止管道及再热器腐蚀，除雾器前安装清洗水管系统，周期性冲洗除雾器表面沉积物。中部为逆流喷淋塔，设4个喷淋层，各层装有多个雾化喷嘴，交*布置，加装筛孔板使气液分布均匀。底部为持液槽，降低硫酸钙的过饱和度,把亚硫酸盐氧化为石膏。
第1章 吸收塔的选型

1.1 工艺原理
石灰石－石膏湿法烟气脱硫反应机理复杂，其中最主要是石灰石浆中CaCO3和烟气中SO2涉及的反应，如下。
在吸收区，烟气中的SO2溶解于吸收液，离解为H＋和HSO3－：
SO2(g)  SO2(aq)                    (1-1)
SO2(aq) ＋ H2O(l)  H+ ＋ HSO3－ 2H+ ＋ SO32－    (1-2)
式(1-2)为慢反应，是速度控制过程之一。在持液槽中，HSO3－被鼓入的空气强制氧化为SO32－：
HSO3－＋ O2(g)   SO42－ ＋H＋                 (1-3)
磨细的石灰石粉与工艺水配成质量浓度为30％的石灰石浆液送入持液槽，石灰石的溶解度非常低（≈0.015kg/m2），其溶解反应为：
 CaCO3(s)  Ca2+ ＋ CO32－                      (1-4)
在浆液中，H＋与部分溶解的石灰石反应：
H＋＋SO42－＋Ca2+＋CO32－＋2 H2O  CaSO4•2H2O(s)＋HCO3－        (1-5)
此反应促进石灰石的溶解，同时H＋和HCO3－结合产生CO2和H2O：
H＋＋HCO3－  CO2(aq)＋H2O                      (1-6)
        CO2(aq)  CO2(g)                    (1-7)
总反应式为：
SO2(g)＋CaCO3(s)＋ O2(g)＋2 H2O(l)  CaSO4•2H2O(s)＋CO2(g)
                                                   (1-8)
由于反应为快速化学反应，因此吸收过程的总速率与SO2 /O2在气液相中的传质，石灰石（CaCO3）在水中的溶解速度有关。
解析以上的化学吸收过程是非常必要的，它决定了应该选用什么类型的吸收装置。在吸收区，SO2溶解度很大，传质为气膜控制，可选用持液量小，比表面积高的传质设备，如填料塔、喷雾塔。

1.2 塔型选择
  吸收塔是烟气脱硫系统的核心装置，在塔内要完成以下主要工艺步骤：⑴ 石灰石浆液吸收SO2气体；⑵ 烟气与石灰石浆液分离；⑶ 浆液的中和；⑷ 中间产物氧化成石膏；⑸ 石膏结晶析出。要求吸收塔气液接触面积大，气体吸收反应良好，压力损失小，并且适用于大容量烟气处理，主要有喷淋塔、填料塔、板式塔等类型。
  喷淋塔一般有3～4个喷淋层，每层有多个喷嘴，石灰石浆液经喷嘴雾化后均匀喷淋于塔中。烟气可与液滴紧密接触，顺流、逆流方式均可。逆流运行利于烟气和吸收液充分接触，但压力损失也大。气流带出的液态雾滴由除雾器捕获。由于塔内构件少，大大减少结垢和堵塞的机会，压力损失也小。
 填料塔用于脱硫剂为清洁液体，且脱硫过程中不产生沉淀物的情况。填料延长了气－液接触的停留时间，从而获得更高的脱硫效率。
 用于烟气脱硫的板式塔主要为筛板塔，由于烟气量较大，操作状态为喷射工况以提高塔内气速。但大直径的塔在工业中较少应用。
 由于本设计中采用的脱硫剂为石灰石浆液，易出现磨蚀、结垢、堵塞等情况，且塔内构件越多，结垢的危险性越大。故选用喷淋塔。同时借鉴筛板塔气液分布均匀的优点，在喷淋层下加装筛孔板使烟气分布均匀。

1.3 氧化方式的选择
 湿式石灰石－石膏洗涤工艺分为自然氧化和强制氧化两种，主要区别在于是否在吸收塔底部的持液槽中通入强制氧化空气。强制氧化工艺中，吸收浆液中的HSO3－几乎全被鼓入的空气氧化成SO42－，脱硫产物为石膏。自然氧化工艺中，浆液中的HSO3－仅在吸收塔中被烟气中剩余的氧气部分氧化为SO42－，脱硫副产物主要是CaSO3和CaHSO3。
 强制氧化工艺在很多方面均比自然氧化工艺更优越，见表1－1。
首先，强制氧化工艺的固体产物97％以上为石膏，颗粒的名义直径为32μm，晶体较大，沉淀速率快，脱水容易，一般经旋流分离和离心分离（或过滤）二级处理能得到含水率10％以下的固体产物。脱硫石膏的技术性能完全可以代替天然石膏用于石膏墙板、水泥等的生产中，即使是用于土地回填，石膏的质量也优于亚硫酸钙渣泥。因石出售石膏和减少废渣处理量可节约一部分运行费用。
表 1－1 强制氧化和自然氧化工艺的比较[1]
方式 副产品
成分 副产品
晶体尺寸 用途 脱水 运行
可*性
强制氧化 石膏，90％；
水，10％ 10～100μm 水泥
墙板 容易
水力旋流器＋
过滤机或离心机 ≥99％
自然氧化 硫酸钙，亚
硫酸钙，50
～60％；水，
50～40％ 1～5μm 填埋 不容易
沉降槽＋过滤器 95～99％
有结垢
问题
 自然氧化工艺的固体产物为混合物，主要是CaHSO3，颗粒的名义直径为2.1μm。因为晶体小、沉淀速率慢、脱水困难，需用增稠器和离心分离器（或过滤器）二级处理，最终产物仍含有40～50％的水。其处理方式主要是用飞灰和生石灰固化处理后填埋，处理费用大。
 其次，石灰石系统中常遇到的问题是石膏引起的结垢和堵塞，经过不断改进，目前此问题主要存在于自然氧化的WFGD中，必须采取工艺控制技术和采用阻氧剂等预防结垢和堵塞，使工艺复杂化。
 比较强制氧化和自然氧化的特点，本设计选用强制氧化方式。
 综上所述，本设计选用喷淋塔作为吸收塔，在下部的大容积持液槽中进行强制氧化。