濕式脫硫塔的問題和改進研究

謝千山

摘 要：針對噴霧塔流場不均勻、湍流強度低的問題，本文提出了基于內芯和盤形噴淋系統的噴霧塔，優化了氣液兩相的流動傳質過程，整體脫硫效率可達到94%-98%，具有良好的環保和經濟效益。

關鍵詞：噴霧塔；噴淋系統；節能減排

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.12.050

1 引言

當前大氣污染形勢十分嚴峻，國家出臺了超低排放的有關標準[1]。許多中小型鍋爐脫硫效率低下，面臨著不改造就被淘汰的窘況。我國大多數鍋爐采用濕式石灰石/石灰-石膏法煙氣脫硫工藝，逆流噴霧塔是目前最主流的塔型[2]，提升濕法脫硫的效率至關重要。

2 噴霧塔簡介及存在的問題

在濕法煙氣脫硫的噴霧塔中，含有SO2的煙氣從吸收塔底部切向噴入，在吸收塔內旋轉上升，同時吸收塔上部的噴嘴將石灰石漿液霧化成液滴，液滴下落的過程中煙氣與之逆流完成傳質過程，煙氣中的SO2得到脫除[2]。

然而，這種傳統的塔型存在一定的問題。一方面，由于受到離心力作用，石灰石漿液中直徑較大的液滴被甩到塔壁上，直徑較小的液滴隨煙氣上升，反應空間的中心形成脫硫劑液滴的空洞區。此區域流動阻力較小，芯部煙氣流量隨之增加。這部分煙氣停留時間很短，速度場分布不均勻，導致氣液兩相混合不充分。并且隨著氣液兩相流湍流強度的減弱，氣膜阻力逐漸增大，反應速率逐漸降低。另一方面，為了達到較高的石灰石漿液覆蓋率，實際運行通常采取加大噴嘴水壓和增加液氣比的方法，這既縮短了液滴在塔內的停留時間，又提高了循環水量和電耗，增加了運行成本。以35t/h循環流化床鍋爐為例，每年僅脫硫設備的水費和循環泵電費就高達200萬元以上。綜上可知，這種形式的噴霧塔仍有很大的改進空間。

3 改進方案及工作原理

3.1 設計思路

根據雙膜理論，石灰石漿液吸收SO2氣體的過程反應速率很快，屬于擴散控制[3]。提高煙氣的湍流強度能減少氣膜傳質阻力，增加氣液兩相接觸面積能增加傳質面積，是提高脫硫效率的最主要措施；而增大液氣比、增加氣液接觸時間的效果不如前兩者明顯[3]。

部分煙氣直接從中心空洞區高速上升，不僅停留時間很短來不及充分反應，而且會干擾主流，造成流動不均勻。此外，噴淋塔內氣相的湍流強度逐漸降低，特別是尾部下降很快，不利于SO2向液滴的擴散。而在吸收塔中心加裝一個圓柱體內芯，則能有效克服這些弊端。

3.2 改進方案

加裝內芯的噴淋塔結構如圖1所示。圓柱體內芯位于塔體的中心軸線上，采用鋼板外襯耐磨防腐材料制成。芯體直徑約為塔筒內徑的1/5，高度比末一級噴淋層高0.5～1m。煙氣入口管道寬度占塔體內徑的25%～30%，避免高速煙氣與內芯直接對沖，沿內芯壁向上流動。

在加裝內芯的基礎上可以采用盤形噴淋系統，如圖2所示。這種形式的噴淋系統是由一個總的進液管道，通過圓盤形的分配管將多個均勻布置的噴嘴串聯形成水路，采用空心錐噴嘴向下噴淋，分配管由支架支撐的方式構成一個噴淋層，布置4層，每層噴淋層使用一臺循環泵，根據流量和高度選型。

3.3 工作原理

煙氣在送風機作用下，受到內芯和塔壁形成的環形區域的約束，做旋轉上升運動，在煙氣量保持不變的情況下流動速度加快。其主要作用有：

（1）圓柱體內芯占據了煙氣流動空間，避免了煙氣從中心空洞直接上升，增加了中心煙氣的停留時間，改善了流場的均勻性，提高了傳質效果；

（2）提高了氣液兩相的相對運動速度，同時提高了氣液兩相流的湍流強度，從而減少了氣相與液相的膜厚度，提高了傳質系數，特別是加快了尾部吸收區擴散速率；

（3）煙氣產生強烈旋轉，煙氣能托住液滴，增加液相的停留時間，強化了液滴的整流作用，氣液兩相混合均勻，有利于快速完全反應；

（4）氣空間減少、脫硫效率提高液氣比隨之下降、可選用壓力較小的噴嘴，都會使循環水量、補水量、水泵電耗降低，達到了節能減排的效果；

（5）灰塵在離心力的作用下黏附在液滴上，并被甩到塔壁隨漿液流下，達到并強化了二次除塵的作用。

3.4 可行性分析

這種采用內芯和盤形噴淋系統的噴霧塔脫硫效率可達94%～98%，而無需增加液氣比或石灰石用量。由于噴嘴壓力、循環水量的減小，水耗電耗也得到降低，一臺35t/h循環流化床鍋爐的煙氣脫硫裝置每年可節水7200噸，節電41.6萬度，節省石灰石32噸，節省運行費用38萬余元。此設計方案便于在現有脫硫設備進行改造，改造費用低，對鈣法、鎂法、氨法等多種煙氣脫硫工藝都適用，便于規模化推廣。

4 結語

針對現有濕法脫硫噴霧塔存在的問題，本文依據流體力學、化學動力學等基本原理，提出了一種可行的改進方法。這種噴霧塔脫硫效率高，結構簡單，運行成本低，可用于現有設備的升級改造。

參考文獻：

[1]王志軒.燃煤電廠大氣污染物“超低排放”基本問題思考[J].環境影響評價，2015，37（04）：14-17.

[2]高苑輝，關亞靜.幾種濕法脫硫吸收塔的特點分析[J].天津電力技術，2000（04）：12-14+25.

[3]蔣文舉主編.煙氣脫硫脫硝技術手冊[M].北京：化學工業出版社，2006：112-119.