大型機組濕法脫硫吸收塔噴淋系統設計優化

譚學謙

(中國能源建設集團 廣東省電力設計研究院有限公司，廣州　510063)

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大型機組濕法脫硫吸收塔噴淋系統設計優化

譚學謙

(中國能源建設集團 廣東省電力設計研究院有限公司，廣州510063)

摘要：石灰石—石膏濕法煙氣脫硫系統中，噴淋層是吸收塔內最為核心的部件之一，其設計直接影響到脫硫系統的性能參數和運行可靠性。對于大直徑吸收塔，塔內噴嘴密布，如何保證塔內高的脫硫效率，同時又不會發生漿液噴穿塔壁和支撐梁的問題，是大型吸收塔噴淋層設計的難題之一。對大型直徑吸收塔噴淋層設計進行了研究和優化，以便為國內同類型脫硫工程吸收塔的設計提供借鑒及參考作用。

關鍵詞：煙氣脫硫；吸收塔；噴淋層；噴嘴；支撐梁

噴淋層是濕法脫硫吸收塔系統最為重要的部件，煙氣中SO2的脫除主要是由噴淋層和噴嘴完成的。目前國內投運的濕法脫硫裝置中，有部分電廠出現脫硫效率偏低或脫硫效率雖然達到，但又發生吸收塔壁或支撐梁被漿液噴穿的問題。這主要是由噴淋層設計不當造成的。不合理的噴淋層設計，不僅無法使得吸收塔達到脫硫效率，同時也容易出現漿液噴穿塔壁或支撐梁的問題，影響塔體結構安全。對于脫硫效率要求高的大型機組(如1 000 MW等級)吸收塔，塔徑一般設計較大，達到18～20 m。為了達到較高的脫硫效率(≥95%)，塔內需要布置更多的噴嘴和支撐梁，這更容易發生塔壁或梁穿孔的情況。因此，在噴淋層設計時更應慎重。本文以20 m直徑吸收塔設計為例，重點對噴淋層系統的設計進行了研究，提出了如下設計優化。

1噴淋層設計優化

對于百萬千瓦等級機組，由于煙氣量大，所需的噴淋漿液量也較大，一般單層噴淋層設計流量達到11 000～15 000 m3/h。噴淋層多采用4層，噴淋層的一側是與循環泵出口管道連接，通過循環泵將漿液均勻地輸送到噴淋層上的每個噴嘴。每層噴淋層的母管和支管內介質設計流速在1.5～3.0 m/s范圍之間。

常規濕法脫硫塔內噴淋層配置中，單母管式噴淋層設計一般適用于小直徑吸收塔，而大直徑吸收塔一般采用雙母管式噴淋層，從而減少了每根噴淋母管的尺寸和下部支撐梁的荷載，進一步降低支撐梁的截面大小。同時通過優化塔內噴淋層支撐梁的布置，減少漿液噴淋到支撐梁的機會。圖1和圖2分別為20 m直徑吸收塔噴淋層布置圖和霧化效果圖。

圖1　20 m直徑吸收塔噴淋層布置圖

圖2　20 m直徑吸收塔噴淋霧化效果圖

為了方便工作人員檢修和維護，每層噴淋層之間的間距為1.8～2 m。由于噴淋層在塔內跨度很大，且支管上布置有較多的噴嘴，荷重較大。因此，在塔內設有支撐梁固定噴淋層。支撐梁采用空心梁結構，表面襯有橡膠內襯。噴淋層支管是通過FRP管卡固定在支撐梁上，母管則通過管座安裝在支撐梁上。安裝結構形式見圖3。

圖3　噴淋層安裝結構形式

2噴嘴選型優化

為了保證漿液霧滴充分均勻地分布在整個吸收塔斷面上，噴淋層管道上布置有足夠數量的噴嘴。噴嘴的密度是由噴淋層的噴淋重疊率確定的。根據計算，直徑為20 m的百萬機組吸收塔每層噴淋層至少需212個噴嘴。為了保證吸收塔較好的噴淋效果，在噴淋重疊率不高的地方適當增加了噴嘴。經優化過的塔內噴嘴個數為224個。噴嘴流量值根據循環漿液量和噴嘴密度計算得出。噴嘴材料采用SiC，能有效地抵抗漿液的磨損及腐蝕。噴嘴通過直接粘結方式固定在噴淋層支管上。漿液的霧化程度是影響吸收塔脫硫率的主要因素，其取決于噴嘴的種類和運行壓力。

對于大直徑吸收塔，噴嘴的選型及布置一般遵循如下原則：

(1)吸收塔壁區，采用實心噴嘴布置，以避免未脫硫的煙氣從塔壁短路排走。

(2)吸收塔中心區，采用空心噴嘴布置。由于空心噴嘴在塔中心區產生的壓力較小，可使未脫硫的煙氣集中在塔中心進行充分脫硫。

(3)噴嘴布置時應確保避免將漿液噴淋到支撐梁和噴淋管道上。

由于吸收塔處理煙氣量較大，為了達到較高的漿液噴淋霧化效果，可混合使用如下3種型式的大流量切線型噴嘴(見圖4)：單向實心噴嘴、雙向空心噴嘴和雙側向空心噴嘴。有效的噴嘴設計，保證塔內達到98%的脫硫率。

圖4　大流量切線型噴嘴

單向實心切線型噴嘴使漿液從切線方向進入噴嘴的旋渦室內，然后從與入口方向成直角的噴孔噴出。此類噴嘴內部無任何分離件，可允許自由通過的漿液顆粒尺寸大約是噴孔尺寸的80%以上。此類噴嘴最大流量的使用范圍為1 200 l/min，壓損 為0.8 bar。其優點在于噴嘴內部通道很大，能有效地防止結垢堵塞。此外，此類實心噴嘴漿液霧化效果均勻，特別適合布置在吸收塔壁區域。大型吸收塔各層噴淋層所配置的噴嘴類型，如表1所示。

表1　大型吸收塔噴淋層噴嘴配置

雙向空心切線型噴嘴是由兩個不在同一個中心軸上的上下對開的單個切線型噴嘴構成，其在噴淋時能同時產生上下兩個噴淋區。雙向空心切線型噴嘴最大流量的使用范圍為≤1 600 l/min，壓損為0.8 bar，向上噴淋量/向下噴淋量=50∶50。該類型噴嘴特別適合用于大直徑的吸收塔和較高的漿液流量。

雙側向空心切線型噴嘴配置有兩個單獨的切線噴嘴，能形成兩個同時向下的噴淋區域。比起單向的噴嘴，此類噴嘴具有如下優點：適用于較大的漿液流量，通過兩個噴嘴開孔能將噴淋漿液分布均勻。每一個開孔相當于一個單個的切線噴嘴。同時能將漿液液滴分布得更為細小，更利于SO2吸收反應。雙側向空心切線型噴嘴適合用于直徑大于15 m的吸收塔。其最大流量的使用范圍亦為≤1 600 l/min，壓損為0.8 bar。

3噴嘴布置優化

由于塔內設置有支撐梁，因此在進行噴淋層設計時，應注意如下細節，特別是對布置在吸收塔壁和噴淋層母管附近的噴嘴更應該注意，以避免磨損情況的發生：圖5為塔壁區噴嘴的布置。圖6為噴淋母管附近噴嘴的布置。若噴淋母管直徑DN>800和支撐梁直接布置在噴淋母管下方，則噴嘴的布置如圖7所示。

圖5　塔壁區噴嘴的布置

圖6　噴淋母管附近噴嘴的布置

圖7　噴嘴與噴淋母管(DN>800)的布置距離

總而言之，完成噴淋層的布置后應對噴嘴的位置進行認真核對，必須避免將漿液直接噴淋到支撐梁上，對支撐梁造成磨損。如果發現有這種情況時，應改變噴嘴的位置。改變噴嘴的位置有如下兩種方式：將噴嘴位置調低；旋轉噴嘴，但最大旋轉角度不要超過15°。

如果采取這些措施仍無法避免噴嘴將漿液噴淋到支撐梁上，應采用在支撐梁上貼4～5 mm厚PP板方式進行加厚，PP板長度約1 000 mm。

4結語

對于大型直徑吸收塔，噴淋層的設計是整個系統設計的難點，同時也是最為關鍵的設計環節。因此，在設計時首先應根據脫硫效率和循環漿液量等參數計算出噴淋層母管和各支管管徑、每個噴嘴流量及壓力，確定好噴嘴形式；然后進行噴淋層及噴嘴的初步布置，同時應結合噴淋母管、塔內支撐梁和塔壁等對每個噴嘴位置進行放樣計算，出現漿液噴淋到上述部件時，應對噴嘴位置進行調整。最后，當整個噴淋層設計好后，還應在塔內進行煙氣流態及漿液霧化效果的計算機流場模擬，確保塔內脫硫效果達到最佳。

(本文編輯：嚴加)

Design Optimization of Wet FGD Absorber Spray Layer for Large Unit

TAN Xue-qian

(Guangdong Electric Power Design Institute, Guangzhou 510063, China)

Abstract:The spray layer is the most important part of absorber in wet limestone-gypsum FGD system. Its design will affect the performance parameter and operation reliability. For large-diameter absorber, how to ensure the nozzle distribution density, absorber high efficiency, and to prevent slurry from injecting through absorber wall and support beam are problems in spray system designing. The super-large absorber spray layer design is studied and optimized this paper, with a view to providing reference for the future design.

Key words:FGD; absorber; spray layer; nozzle; support beam

DOI：10.11973/dlyny201602019

作者簡介：譚學謙(1974), 男, 高級工程師，主要從事電力行業煙氣脫硫和脫硝技術研究和設計等工作。

中圖分類號：X773

文獻標志碼：B

文章編號：2095-1256(2016)02-0237-03

收稿日期：2015-12-23