脱硫吸收塔SO2吸收系统讲解.docx

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脱硫吸收塔SO2吸收系统讲解

第三章SO2吸收系统

3.1、系统简介

SO2吸收系统是整个脱硫装置的核心系统，对烟气除去SO2等有害成分的过程主要在这个系统完成。

本系统主要是由吸收塔、浆液循环泵、除雾器、吸收塔搅拌器及氧化风机等组成。

石灰石－石膏湿法烟气脱硫是由物理吸收和化学吸收两个过程组成。

在物理吸收过程中SO2溶解于吸收剂中，只要气相中被吸收气体的分压大于液相呈平衡时该气体分压时，吸收过程就会进行，吸收过程取决于气-液平衡，满足亨利定律。

由于物理吸收过程的推动力很小，所以吸收速率较低。

而化学吸收过程使被吸收的气体组分发生化学反应从而有效地降低了溶液表面上被吸收气体的分压，增加了吸收过程的推动力，吸收速率较快。

FGD反应速率取决于四个速率控制步骤，即SO2的吸收、HSO3氧化、石灰石的溶解和石膏的结晶。

3.2、吸收反应原理

3.2.1、物理过程原理

SO2吸收是从气相传递到液相的相间传质过程。

对于吸收机理以双膜理论模型的应用较广，双膜理论模型如图所示。

图中p表示SO2在气相主体中的分压，pi表示在界面上的分压，c和ci则分别表示SO2组分在液相主体及界面上的浓度。

把吸收过程简化为通过气膜和液膜的分子扩散，通过两层膜的分子扩散阻力就是吸收过程的总阻力。

气体吸收质在单位时间内通过单位面积界面而被吸收剂吸收的量称为吸收速率。

根据双膜理论，在稳定吸收操作中，从气相传递到界面吸收质的通量等于从界面传递到液相主体吸收质的通量。

吸收传质速率方程一般表达式为：

吸收速率=吸收推动力×吸收系数，或者吸收速率=吸收推动力/吸收阻力。

吸收系数和吸收阻力互为倒数。

3.2.2、化学过程原理

3.2.1.1、SO2、SO3和HCl的吸收：

烟气中的SO2和SO3与浆液液滴中的水发生如下反应：

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盐酸。

3.2.1.2、与石灰石反应

浆液水相中的石灰石首先发生溶解，吸收塔浆池中石灰石溶解过程如下：

CaCO3+H2O→Ca2++HCO3—+OH—

水中石灰石的溶解是一个缓慢的过程，其过程取决于以下几个因素：

a.固态石灰石颗粒的颗粒尺寸。

颗粒细小的石灰石粉要比颗粒粗大的石灰石粉溶解要快。

b.石灰石的反应率。

活性石灰石的溶解率要比没有活性的石灰石溶解率要快。

c.吸收塔浆液的pH值。

pH值越低，石灰石溶解得越快。

高的pH值对酸性气体的脱除效率有利，但是不利于石灰石的溶解。

低的pH值不利于酸性气体的脱除效率，但是有利于石灰石的溶解。

SO2、SO3、HCl等与石灰石浆液发生以下离子反应：

Ca2++HCO3—+OH—+HSO3—+2H+→Ca2++HSO3—+CO2↑+2H2O

氧化反应：

2HSO3—+O2→2SO42—+2H+

Ca2++HCO3—+OH—+SO42—+2H+→Ca2++SO42—+CO2↑+2H2O

Ca2++HCO3—+OH—+2H++2Cl—→Ca2++2Cl—+CO2↑+2H2O

经验显示，吸收剂浆液的pH值控制在5.5～6.0之间，pH值为5.6时最佳，此时酸性气体的脱除率和石灰石的溶解速度都很高。

吸收塔浆液池中的pH值是通过调节石灰石浆液的投放量来控制的，而加入塔内的新制备石灰石浆液的量取决于预计的锅炉负荷、SO2含量以及实际的吸收塔浆液的pH值。

3.2.1.3、氧化反应

通入吸收塔浆液池内的氧气将亚硫酸氢根氧化成硫酸根：

2HSO3—+O2→2SO42—+2H+

3.2.1.4、石膏形成：

Ca2++SO42—+2H2O→CaSO4•2H2O

石膏的结晶主要发生在吸收塔浆液池内，浆液在吸收塔内的停留时间、通入空气的体积和方式都经过专门的设计，可保证石膏的结晶生成。

脱硫总反应式：

SO2（g）+CaCo3（s）+1/2O2+2H2O（l）→CaSO4.2H2O（s）+CO2（g）

WFGD物理和化学反应过程示意图

1-石灰石的溶解；2-SO2和O2的溶解；3-亚硫酸钙的氧化；4-石灰石的溶解；5-O2的吸收；

6-亚硫酸钙的强制氧化；7-石膏的结晶；8-亚硫酸钙的结晶；9-可能的结垢；10-持液槽

3.3、主要设备作用及结构

3.3.1、吸收塔本体

作用与功能：

烟气进入吸收塔内，自下而上流动与喷淋层喷射向下的石灰石浆液滴发生反应，吸收SO2、SO3、HF、HCl等气体。

吸收塔采用先进可靠的喷淋空塔，系统阻力小，塔内气液接触区无任何填料部件，有效地杜绝了塔内堵塞结垢现象。

石灰石浆液制备系统制成的新石灰石浆液通过石灰石浆液泵送入吸收塔浆液池内，石灰石在浆液池中溶解并与浆液池中已经生成石膏的浆液混合，由吸收塔浆液循环泵将浆液输送至喷淋层。

浆液通过空心锥型喷嘴雾化，与烟气充分接触。

在吸收塔浆液池中部区域，氧化风机供给的空气通过布置在浆液池内的喷枪与浆液在搅拌器的协助下进一步反应生成石膏（CaSO4·2H2O）。

3.3.1.1、喷淋层

每只吸收塔配备四台浆液循环泵，采用单元制运行方式，每一台循环泵对应一层喷淋装置。

循环泵将塔内的浆液从下部浆液池打到喷淋层，经过喷嘴喷淋，形成颗粒细小、反应活性很高的雾化液滴。

本设计的液气比选在16.24L/Nm3。

四层喷淋层可以根据烟气负荷的大小选择投用的层数，以降低能源的消耗和保证出口烟气的温度。

喷淋层采用高级的螺旋状喷嘴，在同等喷雾条件下，对循环泵的压力需求较低。

该种喷嘴可使喷出的三重环状液膜气液接触效率高，能达到高效吸收性能和高除尘性能。

喷淋层的布置增加了浆液与气体的接触面积和几率，保证吸收塔横截面能被完全布满，使SO2、SO3、HF、HCl等被充分去除。

由于在吸收塔内吸收剂浆液通过循环泵反复循环与烟气接触，吸收剂利用率很高。

吸收塔内部结构示意图

喷淋层和喷嘴实物图

喷淋效果图喷嘴实物图

3.3.1.2、吸收塔浆液池

吸收塔浆液池的主要功能如下：

完成酸性物质和石灰石的反应酸性物质：

通过强制氧化把亚硫酸盐氧化成硫酸盐

提供石灰石足够的溶解时间

促使过饱和溶液里面的石膏结晶

提供石膏晶体充分长大的停滞时间

根据日本川崎公司多年的工程经验并结合工程设计参数，对吸收塔进行了优化设计。

其优点有：

①、低进口SO2浓度导致酸碱吸收反应速率下降，大容量吸收塔浆池为喷淋过程中物理溶解于浆液中的酸性物质在浆池内与溶解态石灰石的反应提供充分的反应时间，由此确保高的脱硫效率。

②、为石灰石提供充分的溶解时间，确保不大于1.03的钙硫比。

③、为亚硫酸钙提供充分的氧化空间和氧化时间，确保良好的氧化效果。

④、为石膏晶体长大提供充分的停滞时间，确保生成高品质的粗粒状（而非片状和针状）石膏晶体。

⑤、同时，为了在烟气参数如烟气流量、烟气温度和SO2初始浓度发生快速变化的情况下，能使吸收塔正常、稳定地运行，浆液池容量的设计保证提供充分的气固缓冲容积，确保系统具有良好的耐冲击性和稳定性。

当锅炉原烟气通过吸收塔时，会蒸发带走一部分吸收塔内的水分，石膏结晶也会带走一定的水分，废水排放也会带走一部分水，这样将导致吸收塔浆液中的固体浓度逐步增大，进而影响反应的正常进行。

浆液的液位由吸收塔的液位控制系统控制，流失的水将通过除雾器冲洗水来补充，同时亦通过向吸收塔补充新鲜工艺水来保持液位。

塔内浆液的密度通过调节吸收塔内石膏浆液的排放量来控制。

吸收塔浆液池上部设溢流口，保证浆液液位低于吸收塔烟气入口段的下沿。

溢流管道上配备有吸收塔密封箱，它可以容纳吸收塔的溢流液，同时为吸收塔提供了增压保护，保证系统运行的安全稳定。

密封箱的液位由周期性补充工艺水来维持。

密封箱实物图

3.3.1.3、吸收塔顶部设有放空阀。

在正常运行时该阀门是关闭的，当FGD装置走旁路或当FGD装置停运时，阀门开启。

在调试及FGD系统检修时打开，可排除漏进的烟气，有通气、通风、通光的作用，方便工作人员操作；FGD停运时，可避免烟气在系统内冷凝并腐蚀系统。

排空阀实物图

3.3.1.4、浆液池搅拌器

浆液池里面的浆液为含有多种溶解盐的水溶液，其中悬浮态维持在15wt%的水平。

为了保证这些固态物质能够真正悬浮在浆液中，浆液池周围安装了5台侧进式搅拌器。

吸收塔搅拌器外观图

搅拌器叶片（吸收塔内）

3.3.2、吸收塔浆液循环泵

吸收塔浆液循环泵安装在吸收塔旁的循环泵房内，用于吸收塔内石膏浆液的循环。

采用单流和单级卧式离心泵，包括泵壳、叶轮、轴、轴承、出口弯头、底板、进口、密封盒、轴封、基础框架、地脚螺栓、机械密封和所有的管道、阀门及就地仪表和电机。

浆液循环泵配有油位指示器、联轴器防护罩和泄漏液的收集设备等。

配备单个机械密封，不用冲洗或密封水，密封元件配有人工冲洗的连接管。

轴承型式为耐磨型。

吸收塔选配的是四台流量都是5640m3/h的离心式循环泵，在保证喷嘴前压力相同的前提下，泵的扬程分别为14.6m/16.6m/18.6m/20.6m。

吸收塔的操作液位的设计能充分保证泵的工作性能，泵的叶轮背后不气蚀；同时，选择了较大的泵入口管管径，能有效防止气蚀的发生，延长泵的使用寿命。

在塔内循环泵入口管路上，装设大孔径的过滤器。

浆液循环泵实物图

3.3.3、氧化空气系统

每套吸收塔的氧化系统由氧化风机、氧化空气喷枪及相应的管道、阀门组成。

氧化空气通过氧化空气喷枪均匀地分布在吸收塔底部浆液池中，将CaSO3氧化成CaSO4，进而结晶析出。

氧化空气系统是吸收系统的一个重要组成部分，氧化空气的功能是促使吸收塔浆液池内的亚硫酸氢根氧化成硫酸根，从而增强浆液进一步吸收SO2的能力，同时使石膏得以生成。

氧化空气注入不充分或分布不均匀都将会引起吸收效率的降低，严重时还可能导致吸收塔浆液池中亚硫酸钙含量过高而结垢，甚至发生亚硫酸钙包裹石灰石颗粒使其无法溶解。

因此，对该部分的优化设置对提高整个设备的脱硫效率和石膏产品的质量显得尤为重要。

氧化和结晶主要发生在吸收塔浆液池中。

吸收塔浆液池的尺寸足够保证提供浆液完成亚硫酸钙的氧化和石膏（CaSO4•2H2O）的结晶的时间。

氧化空气入塔前经增湿降温，使氧化空气达到饱和状态，可有效防止分布管空气出口处的结垢。

本系统氧化空气喷枪布置在吸收塔浆液池中下部，为石灰石溶解、亚硫酸钙氧化和石膏结晶过程提供最佳反应条件。

氧化空气喷枪上部浆液因为刚吸收了大量SO2，pH值略低，有利于石灰石的进一步溶解和石膏的生成，对提高石膏的品质有利，氧化空气喷枪下部由于有新加入的石灰石浆液，pH值略高，将浆液提升至喷淋层的吸收塔循环泵入口位于该区域，有利于提高吸收SO2的能力。

氧化空气由二台氧化风机提供。

从空气总管起，各个空气支管在吸收塔外垂直向下接到氧化空气喷枪。

该方式尤其适合大尺寸的吸收塔，氧化效果好，布气均匀，氧化空气的利用率高，氧化空气用量少且保证石膏品质。

众多工程实际表明，正常运行状况下（除吸收塔维修期间外），一般不必要对其进行清洗。

该系统的主要特点如下：

氧化空气分布均匀；

氧化性能高；

在氧化空气用量较低的情况下保证了氧化反应的彻底进行；

氧化空气喷枪具有自清洗功能。

氧化风机采用罗茨风机，每台包括润滑系统、进出口消音器、进气室、进口风道（包括过滤器），吸收塔内分配系统及其与风机之间的风道、管道、阀门、发兰和配件、电机、联轴节、电机和风机的共用基础底座、就地控制柜、冷却器等。

罗茨风机是一种定排量回转式风机，如图所示，靠安装在机壳1上的两根平行轴5上的两个“8”字形的转子2及6对气体的作用而抽送气体。

转子由装在轴末端的一对齿轮带动反向旋转。

当转子旋转时，空腔7从进风管8吸入气体，在空腔4的气体被逐出风管，而空腔9内的气体则被围困在转子与机壳之间随着转子的旋转向出风管移动。

当气体排到出风管内时，压力突然增高，增加的大小取决于出风管的阻力的情况而无限制。

只要转子在转动，总有一定体积的气体排到出风口，也有一定体积的气体被吸入。

罗茨风机原理示意图

3.3.4、除雾器

3.3.4.1、功能与原理

除雾器用于分离烟气携带的液滴，防止冷烟气玷污GGH、烟道等。

本工程采用折流板除雾器，是利用液滴与固体表面的相互撞击而将液滴凝聚并捕集。

气液通过曲折的挡板，流线多次偏转，液滴则由于惯性而撞在挡板上被捕集。

经过净化处理的烟气流经两级卧式除雾器，在此处将烟气携带的浆液微滴除去。

从烟气中分离出来的小液滴慢慢凝聚成比较大的液滴，然后沿除雾器叶片的下部往下滑落，直到浆液池。

经洗涤和净化的烟气流出吸收塔，最终通过烟气换热器升温后经净烟道排入烟囱。

3.3.4.2、构成

二级除雾器（水平式），配备冲洗水系统和喷淋系统（包括管道、阀门和喷嘴等）。

除雾系统包括一台安装在下部的粗除雾器和一台安装在上部的细除雾器，彼此平行下层除雾器（一级除雾器）的上下面和上层除雾器（二级除雾器）的下面设有冲洗喷嘴，正常运行时下层除雾器的底面和顶面，上层除雾器的底面自动按程序轮流清洗各区域。

当除雾器压降超出设定值时即自动完成一个冲洗程序。

除雾器冲洗系统的设计特别注意到FGD装置入口的飞灰浓度及除雾器沉积物的影响。

在吸收塔上层除雾器上部增加设置一层冲洗喷嘴，该层喷嘴可异常情况或检修时对二级除雾器进行人工冲洗，以确保除雾器的高可靠性。

水平式立式

除雾器原理示意图

3.4、影响吸收的主要因素

影响脱硫效率的因素有pH值、L/G、Ca/S摩尔比、FGD入口烟气流量和SO2浓度、石灰石品质、浆液浓度等。

3.4.1、PH值的影响

如图示，随着烟气中SO2含量的变化，吸收剂石灰石的加入量以SO2的脱除率为函

数。

SO2负荷决定于烟气体积流量和原烟气的SO2含量。

加入的CaCO3流量取决于SO2负荷与CaCO3和SO2的摩尔比。

随着CaCO3的加入，吸收塔浆液将达到某一pH值。

脱硫效率随持液槽中PH的升高而提高。

低的pH值有利于石灰石的溶解、HSO3-的氧化和石膏的结晶，但高的pH值有利于SO2的吸收。

可见pH值对WFGD的影响非常复杂和重要。

从化学原理分析，当碱液的浓度较低时，化学传质的速度较低。

当提高碱液浓度到某一值时，传质速度达到最大值，此时的碱液浓度称为临界浓度。

烟气脱硫的化学吸收过程中，以碱液为吸收剂吸收烟气中的SO2时，适当提高碱液（吸收剂）浓度，可以提高对SO2的吸收效率，吸收剂达到临界浓度时脱硫效率最高。

但当碱液浓度超过临界浓度之后，进一步提高碱液浓度并不能提高脱硫效率。

为此应控制合适的pH值，此时脱硫效率最高，Ca/S摩尔比最合理，吸收剂量利用最佳。

WFGD运行结果还表明，较低的PH值可以降低堵塞和结垢的风险。

因此，在石灰石-石膏法烟气脱硫中，pH值一般控制在5.0～5.6之间较适宜。

3.4.2、液气比对脱硫率的影响

由下图可以看出：

亚硫酸盐亚硫酸盐亚硫酸盐是一种含氧酸盐,分子式为Na2SO3其酸根为亚硫酸根SO32-.其酸酐为二氧化硫SO2.在地表水中通常不存在亚硫酸盐.如果亚硫酸盐排放到出水中来源于市政污水,那么它就很容易氧化成硫酸盐.亚硫酸钠是亚硫酸盐存在的最常见的形式,是优良的还原剂,用来清除氧.

提高液气比有利于提高脱硫效率；

液气比对石灰石的利用率影响较小；

提高液气比有利于亚硫酸盐的氧化。

3.4.3、石灰石浆液品质的影响

如图所示，石灰石的碾磨越细越有利于提高脱硫率。

由此也可以得出：

石灰石碾磨越细越有利于提高石灰石的利用率即降低钙硫比，但是碾磨的成本也会增高，例如磨机的电耗、钢耗，另外为了保证出力也会增加投资。

所以选择和保持合理的石灰石颗粒的细度是很重要的。

3.5、主要设备规范

名称

规格型号

单位

数量

吸收塔

φ12700×35400（H），浆池容积1317m3

个

1×2

喷淋管

FRP

层

4×2

吸收塔喷嘴

螺旋型，SiC，流量108.46m3/h，雾化压力0.3bar

个

208×2+5

吸收塔侧进式搅拌器

N=37kW

台

5×2

氧化风机

Q=4250Nm3/h;氧化风机出口消音器后压力：

82.9kPa

套

（2+1S）×2

氧化空气加湿喷嘴

流量：

39l/min，连接尺寸3/4"

个

2×2

除雾器

φ12700，两级

套

1×2

吸收塔浆液循环泵

Q=5640m3/h,P=20.6mH/18.6mH/16.6mH/14.6,

N=560kW/500/450/400kW

台

4×2

石膏浆液排出泵

Q=72m3/h

台

（1+1S）×2