脫硫吸收塔SO2吸收系統(tǒng)

1、 華能井岡山項(xiàng)目部脫硫運(yùn)行培訓(xùn)教材 SO2吸收系統(tǒng)第三章 SO2吸收系統(tǒng)3.1、系統(tǒng)簡(jiǎn)介SO2吸收系統(tǒng)是整個(gè)脫硫裝置的核心系統(tǒng)，對(duì)煙氣除去SO2等有害成分的過(guò)程主要在這個(gè)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(fēng)機(jī)等組成。石灰石石膏濕法煙氣脫硫是由物理吸收和化學(xué)吸收兩個(gè)過(guò)程組成。在物理吸收過(guò)程中SO2溶解于吸收劑中，只要?dú)庀嘀斜晃諝怏w的分壓大于液相呈平衡時(shí)該氣體分壓時(shí)，吸收過(guò)程就會(huì)進(jìn)行，吸收過(guò)程取決于氣-液平衡，滿足亨利定律。由于物理吸收過(guò)程的推動(dòng)力很小，所以吸收速率較低。而化學(xué)吸收過(guò)程使被吸收的氣體組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)從而有效地降低了溶液表面上被吸收氣體的分壓，增

2、加了吸收過(guò)程的推動(dòng)力，吸收速率較快。FGD反應(yīng)速率取決于四個(gè)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(jié)晶。3.2、吸收反應(yīng)原理3.2.1、物理過(guò)程原理SO2吸收是從氣相傳遞到液相的相間傳質(zhì)過(guò)程。對(duì)于吸收機(jī)理以雙膜理論模型的應(yīng)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，pi表示在界面上的分壓，c和ci則分別表示SO2組分在液相主體及界面上的濃度。把吸收過(guò)程簡(jiǎn)化為通過(guò)氣膜和液膜的分子擴(kuò)散，通過(guò)兩層膜的分子擴(kuò)散阻力就是吸收過(guò)程的總阻力。 氣體吸收質(zhì)在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)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，從氣相傳遞到界面

3、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(dá)式為：吸收速率=吸收推動(dòng)力×吸收系數(shù)，或者吸收速率=吸收推動(dòng)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(xué)過(guò)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(yīng)：SO2 + H2O HSO3 + H+SO3 + H2O H2SO4HCl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(yīng)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(guò)程如下：CaCO3 + H2O Ca2+ + HCO3 + OH水中石灰石的溶解是一個(gè)緩慢的

4、過(guò)程，其過(guò)程取決于以下幾個(gè)因素：a. 固態(tài)石灰石顆粒的顆粒尺寸。顆粒細(xì)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(yīng)率?；钚允沂娜芙饴室葲](méi)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(duì)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(yīng)：Ca2+ + HCO3 + OH + HSO3 + 2H+ Ca2+ + HSO3 + CO2+2H2O 氧化反應(yīng)：2HSO3 + O2 2SO42 + 2H+ Ca2+ + HCO3

5、 + OH + SO42 + 2H+ Ca2+ + SO42 + CO2+2H2OCa2+ + HCO3 + OH + 2H+ + 2Cl Ca2+ + 2Cl + CO2+ 2H2O經(jīng)驗(yàn)顯示，吸收劑漿液的pH值控制在5.56.0之間， pH值為5.6時(shí)最佳，此時(shí)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(guò)調(diào)節(jié)石灰石漿液的投放量來(lái)控制的，而加入塔內(nèi)的新制備石灰石漿液的量取決于預(yù)計(jì)的鍋爐負(fù)荷、SO2含量以及實(shí)際的吸收塔漿液的pH值。3.2.1.3、氧化反應(yīng)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

6、成：Ca2+ + SO42 + 2H2O CaSO4 2H2O石膏的結(jié)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(shí)間、通入空氣的體積和方式都經(jīng)過(guò)專門的設(shè)計(jì)，可保證石膏的結(jié)晶生成。脫硫總反應(yīng)式：SO2（g）+CaCo3(s)+1/2O2+2H2O(l)CaSO4.2H2O(s)+CO2(g)WFGD物理和化學(xué)反應(yīng)過(guò)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；6-亞硫酸鈣的強(qiáng)制氧化；7-石膏的結(jié)晶； 8-亞硫酸鈣的結(jié)晶； 9-可能的結(jié)垢；10-持液槽3.3、主要設(shè)備作用及結(jié)構(gòu)3.3.1、吸收塔本體作用與功能：煙氣進(jìn)入吸收塔內(nèi)，自

7、下而上流動(dòng)與噴淋層噴射向下的石灰石漿液滴發(fā)生反應(yīng)，吸收SO2、SO3、HF、HCl等氣體。吸收塔采用先進(jìn)可靠的噴淋空塔，系統(tǒng)阻力小，塔內(nèi)氣液接觸區(qū)無(wú)任何填料部件，有效地杜絕了塔內(nèi)堵塞結(jié)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(guò)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(guò)空心錐型噴嘴霧化，與煙氣充分接觸。在吸收塔漿液池中部區(qū)域，氧化風(fēng)機(jī)供給的空氣通過(guò)布置在漿液池內(nèi)的噴槍與漿液在攪拌器的協(xié)助下進(jìn)一步反應(yīng)生成石膏（CaSO4·2H2O）。3.3.1.1、噴淋層每只吸收塔配備四臺(tái)漿液循環(huán)泵，采用單

8、元制運(yùn)行方式，每一臺(tái)循環(huán)泵對(duì)應(yīng)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(guò)噴嘴噴淋，形成顆粒細(xì)小、反應(yīng)活性很高的霧化液滴。本設(shè)計(jì)的液氣比選在16.24L/Nm3。四層噴淋層可以根據(jù)煙氣負(fù)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(jí)的螺旋狀噴嘴，在同等噴霧條件下，對(duì)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(dá)到高效吸收性能和高除塵性能。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(guò)循環(huán)泵反復(fù)循環(huán)與煙氣接觸，吸收劑利用率

9、很高。吸收塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 噴淋層和噴嘴實(shí)物圖 噴淋效果圖 噴嘴實(shí)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(yīng) 酸性物質(zhì)：通過(guò)強(qiáng)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(shí)間促使過(guò)飽和溶液里面的石膏結(jié)晶提供石膏晶體充分長(zhǎng)大的停滯時(shí)間根據(jù)日本川崎公司多年的工程經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合工程設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)吸收塔進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。其優(yōu)點(diǎn)有：、低進(jìn)口SO2濃度導(dǎo)致酸堿吸收反應(yīng)速率下降，大容量吸收塔漿池為噴淋過(guò)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(yīng)提供充分的反應(yīng)時(shí)間，由此確保高的脫硫效率。、為石灰石提供充分的溶解時(shí)間，確保不大于1.03的鈣硫比。、為亞硫酸

10、鈣提供充分的氧化空間和氧化時(shí)間，確保良好的氧化效果。、為石膏晶體長(zhǎng)大提供充分的停滯時(shí)間，確保生成高品質(zhì)的粗粒狀（而非片狀和針狀）石膏晶體。、同時(shí)，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(yùn)行，漿液池容量的設(shè)計(jì)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(dāng)鍋爐原煙氣通過(guò)吸收塔時(shí)，會(huì)蒸發(fā)帶走一部分吸收塔內(nèi)的水分，石膏結(jié)晶也會(huì)帶走一定的水分，廢水排放也會(huì)帶走一部分水，這樣將導(dǎo)致吸收塔漿液中的固體濃度逐步增大，進(jìn)而影響反應(yīng)的正常進(jìn)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(guò)除霧器沖洗水來(lái)補(bǔ)充，同時(shí)亦通過(guò)向吸收塔補(bǔ)充新

11、鮮工藝水來(lái)保持液位。塔內(nèi)漿液的密度通過(guò)調(diào)節(jié)吸收塔內(nèi)石膏漿液的排放量來(lái)控制。吸收塔漿液池上部設(shè)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(shí)為吸收塔提供了增壓保護(hù)，保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定。密封箱的液位由周期性補(bǔ)充工藝水來(lái)維持。 密封箱實(shí)物圖3.3.1.3、吸收塔頂部設(shè)有放空閥。在正常運(yùn)行時(shí)該閥門是關(guān)閉的，當(dāng)FGD裝置走旁路或當(dāng)FGD裝置停運(yùn)時(shí)，閥門開(kāi)啟。在調(diào)試及FGD系統(tǒng)檢修時(shí)打開(kāi)，可排除漏進(jìn)的煙氣，有通氣、通風(fēng)、通光的作用，方便工作人員操作；FGD停運(yùn)時(shí)，可避免煙氣在系統(tǒng)內(nèi)冷凝并腐蝕系統(tǒng)。 排空閥實(shí)物圖3.3.1.4、漿液池?cái)嚢杵鳚{

12、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(tái)側(cè)進(jìn)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?jī)?nèi)，用于吸收塔內(nèi)石膏漿液的循環(huán)。采用單流和單級(jí)臥式離心泵，包括泵殼、葉輪、軸、軸承、出口彎頭、底板、進(jìn)口、密封盒、軸封、基礎(chǔ)框架、地腳螺栓、機(jī)械密封和所有的管道、閥門及就地儀表和電機(jī)。漿液循環(huán)泵配有油位指示器、聯(lián)軸器防護(hù)罩和泄漏液的收集設(shè)備等。配備單個(gè)機(jī)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

13、的是四臺(tái)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(yáng)程分別為14.6m/16.6m/18.6m/20.6m。吸收塔的操作液位的設(shè)計(jì)能充分保證泵的工作性能，泵的葉輪背后不氣蝕；同時(shí)，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(zhǎng)泵的使用壽命。在塔內(nèi)循環(huán)泵入口管路上，裝設(shè)大孔徑的過(guò)濾器。漿液循環(huán)泵實(shí)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(fēng)機(jī)、氧化空氣噴槍及相應(yīng)的管道、閥門組成。氧化空氣通過(guò)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(jìn)而結(jié)晶析出。氧化空氣系統(tǒng)是吸收系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，氧化空氣的功能是促使吸收塔漿

14、液池內(nèi)的亞硫酸氫根氧化成硫酸根，從而增強(qiáng)漿液進(jìn)一步吸收SO2的能力，同時(shí)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(huì)引起吸收效率的降低，嚴(yán)重時(shí)還可能導(dǎo)致吸收塔漿液池中亞硫酸鈣含量過(guò)高而結(jié)垢，甚至發(fā)生亞硫酸鈣包裹石灰石顆粒使其無(wú)法溶解。因此，對(duì)該部分的優(yōu)化設(shè)置對(duì)提高整個(gè)設(shè)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(jié)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(jié)晶的時(shí)間。氧化空氣入塔前經(jīng)增濕降溫，使氧化空氣達(dá)到飽和狀態(tài)，可有效防止分布管空氣出口處的結(jié)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

15、鈣氧化和石膏結(jié)晶過(guò)程提供最佳反應(yīng)條件。氧化空氣噴槍上部漿液因?yàn)閯偽樟舜罅縎O2，pH值略低，有利于石灰石的進(jìn)一步溶解和石膏的生成，對(duì)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，有利于提高吸收SO2的能力。氧化空氣由二臺(tái)氧化風(fēng)機(jī)提供。從空氣總管起，各個(gè)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?xì)饩鶆?，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(shí)際表明，正常運(yùn)行狀況下（除吸收塔維修期間外），一般不必要對(duì)其進(jìn)行清洗。該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下：氧化空氣分布均勻；氧化

16、性能高；在氧化空氣用量較低的情況下保證了氧化反應(yīng)的徹底進(jìn)行；氧化空氣噴槍具有自清洗功能。氧化風(fēng)機(jī)采用羅茨風(fēng)機(jī)，每臺(tái)包括潤(rùn)滑系統(tǒng)、進(jìn)出口消音器、進(jìn)氣室、進(jìn)口風(fēng)道（包括過(guò)濾器），吸收塔內(nèi)分配系統(tǒng)及其與風(fēng)機(jī)之間的風(fēng)道、管道、閥門、發(fā)蘭和配件、電機(jī)、聯(lián)軸節(jié)、電機(jī)和風(fēng)機(jī)的共用基礎(chǔ)底座、就地控制柜、冷卻器等。羅茨風(fēng)機(jī)是一種定排量回轉(zhuǎn)式風(fēng)機(jī)，如圖所示，靠安裝在機(jī)殼1上的兩根平行軸5上的兩個(gè)“8”字形的轉(zhuǎn)子2及6對(duì)氣體的作用而抽送氣體。轉(zhuǎn)子由裝在軸末端的一對(duì)齒輪帶動(dòng)反向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，空腔7從進(jìn)風(fēng)管8吸入氣體，在空腔4的氣體被逐出風(fēng)管，而空腔9內(nèi)的氣體則被圍困在轉(zhuǎn)子與機(jī)殼之間隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)向出風(fēng)管移動(dòng)。當(dāng)

17、氣體排到出風(fēng)管內(nèi)時(shí)，壓力突然增高，增加的大小取決于出風(fēng)管的阻力的情況而無(wú)限制。只要轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)，總有一定體積的氣體排到出風(fēng)口，也有一定體積的氣體被吸入。 羅茨風(fēng)機(jī)原理示意圖3.3.4、除霧器3.3.4.1、功能與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(guò)曲折的擋板，流線多次偏轉(zhuǎn)，液滴則由于慣性而撞在擋板上被捕集。經(jīng)過(guò)凈化處理的煙氣流經(jīng)兩級(jí)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(lái)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

18、出吸收塔，最終通過(guò)煙氣換熱器升溫后經(jīng)凈煙道排入煙囪。3.3.4.2、構(gòu)成二級(jí)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(tái)安裝在下部的粗除霧器和一臺(tái)安裝在上部的細(xì)除霧器，彼此平行下層除霧器（一級(jí)除霧器）的上下面和上層除霧器（二級(jí)除霧器）的下面設(shè)有沖洗噴嘴，正常運(yùn)行時(shí)下層除霧器的底面和頂面，上層除霧器的底面自動(dòng)按程序輪流清洗各區(qū)域。當(dāng)除霧器壓降超出設(shè)定值時(shí)即自動(dòng)完成一個(gè)沖洗程序。除霧器沖洗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shè)置一層沖洗噴嘴，該層噴嘴可異常情況或檢修時(shí)對(duì)二級(jí)除霧器進(jìn)行人工沖洗，以確保除

19、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SO2濃度、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(fù)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(fù)荷與CaCO3和SO2的摩爾比。隨著CaCO3的加入，吸收塔漿液將達(dá)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(jié)晶，但高的pH值有利于SO2的吸收?？梢?jiàn)pH值對(duì)WFGD的影

20、響非常復(fù)雜和重要。 從化學(xué)原理分析，當(dāng)堿液的濃度較低時(shí)，化學(xué)傳質(zhì)的速度較低。當(dāng)提高堿液濃度到某一值時(shí)，傳質(zhì)速度達(dá)到最大值，此時(shí)的堿液濃度稱為臨界濃度。煙氣脫硫的化學(xué)吸收過(guò)程中，以堿液為吸收劑吸收煙氣中的SO2時(shí)，適當(dāng)提高堿液（吸收劑）濃度，可以提高對(duì)SO2的吸收效率，吸收劑達(dá)到臨界濃度時(shí)脫硫效率最高。但當(dāng)堿液濃度超過(guò)臨界濃度之后，進(jìn)一步提高堿液濃度并不能提高脫硫效率。為此應(yīng)控制合適的pH值，此時(shí)脫硫效率最高，Ca/S摩爾比最合理，吸收劑量利用最佳。WFGD運(yùn)行結(jié)果還表明，較低的PH值可以降低堵塞和結(jié)垢的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在石灰石-石膏法煙氣脫硫中，pH值一般控制在5.05.6之間較適宜。3.4.2、液氣比對(duì)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