脫硫塔塔體設計分析

摘? 要：濕法脫硫系統的最重要非標設備為脫硫塔，脫硫塔的設計分為塔體參數選擇及塔內附屬設備設計。脫硫塔參數選擇和塔內附屬設備設計的合理性直接影響SO2的脫除效率和脫硫塔使用壽命，關系到脫硫系統能否長期高效穩定運行。本文在工程實踐經驗的基礎上闡述了濕法脫硫塔各個功能區域的經驗參數選擇及相應附屬的設備基本設計方法，為脫硫塔的設計提供最基本的理論基礎。

關鍵詞：脫硫塔;噴淋層;除霧器;防腐

中圖分類號：X701? ? 文獻標識碼：A

1 脫硫塔塔體的組成

濕法脫硫塔主要包括漿液氧化區、SO2脫除區、濕煙氣脫水區、凈煙氣排放區等區域組成[1];主要設備包括：攪拌器、進口非標煙道、噴淋層、除霧器等。脫硫塔塔體除考慮風荷載、雪荷載、地震荷載、漿液沖刷、煙氣壓力、塔體及其附件自身重量等結構設計參數外，為保證較高的脫硫效率，還應重點考慮塔體高度、塔體直徑及相關附屬設備等工藝系統設計。本文將對工藝設計參數等做重點闡述。

2 脫硫塔高度設計

脫硫塔塔體高度主要包括漿液池的高度、SO2吸收區的高度及噴淋區的高度、除霧區的高度等部分。

2.1漿液池區域高度計算（h1）

漿液池區域位于塔體底部，漿液池高度計算，取決于漿液池容積和塔徑的確定。計算漿液池容積包括的參數為液氣比（L/G）（選擇具體見本文第4章）;所處理煙氣的標準狀態下的煙氣的容積VN;停留時間t1（亞硫酸鈣被氧化生成石膏所需時間，為t1=2～6min）;一般取值大于4.5min;

漿液池容量及脫硫塔塔徑（見本文第3章）確定后就可以計算漿液池區域高度h1。工程經驗值，漿液池液面高度一般設計為h1=6m～15m。

2.2漿液面與煙氣進口煙道底部距離（h2）

脫硫塔底部漿液液面由于受到攪拌器和鼓入的氧化空氣的影響，液面較靜止時高度有所提升。煙氣進口管道設計時需考慮一定距離，一是避免漿液影響高溫煙氣進入脫硫塔;二是避免漿液倒灌進口管道。工程實踐證明，漿液面與煙氣進口煙道底部距離（h2）一般為800mm～1200mm范圍為宜。

2.3 進口煙道高度（h3）

脫硫塔煙氣進口流速一般取值為12～18m/s，根據煙道設計基本原則，煙道呈矩形，寬度取值較大，高度取值相對較小;在不影響整體結構的情況下，考慮煙道設計的高寬比約為1：2。

2.4 SO2吸收區高度（h4）

噴淋塔SO2吸收區高度設計直接影響脫硫的吸收指標;SO2濃度要達到排放要求，吸收區域必須保證一定的塔體高度。SO2吸收區的傳統的高度計算公式為：h=H0×NTU[2]，其中H0為傳質單元高度，NTU為傳質單元數。

按實際經驗噴淋層距煙道入口頂端最低高度為為2～4m。

2.5 噴淋區高度（h5）

噴淋層的高度可以根據離心式噴頭的噴霧試驗確定，在滿足壓頭的情況下，層間距離不影響噴霧效果，一般層間距按1.8～2.5m選取。噴漿層一般設3～5層。頂部噴淋層與除霧器距離應≥1.2 m。

2.6最上層噴淋管與最下層除霧器距離（h6）

考慮煙氣上升流速及漿液霧滴顆粒的大小、煙氣與漿液的混合等多種因素，最上面的噴淋管與最下面的除霧器間距為2m～3.5m。

2.7除霧區域高度（h7）

為提高除霧效果，脫硫塔內一般設置兩層除霧器，甚至更多;每層除霧器上下設置沖洗水管道。以兩層除霧器設置為例，最底層除霧器向上的沖水管至最上部向下沖水管總高度約3.4～3.5m。

2.8除霧器最上層距塔頂變徑底部距離（h8）

根據工程實踐，最上層除霧器距塔頂變徑底部的距離應≥1.5m。

按上述經驗參數選取相應距離后可初步進行脫硫塔高度設計，并快速確定脫硫塔各組成部分的標高。脫硫塔總高度H=h1+h2+h3+h4+h5+h6+h7+h8。

3 吸收段塔徑設計

煙氣流速、塔內傳質、氣液分布及經濟性等因素直接決定脫硫塔吸收段塔徑的確定;其中最重要的兩個因素為通過脫硫塔的煙氣量及空塔煙氣流速的選擇。濕法脫硫空塔氣速控制在3.0～3.5 m/s范圍內是較合理的，燒結機煙氣脫硫塔反應段選取的空塔氣速一般取值3.1m/s，空塔流速確定后按下面公式計算吸收段塔徑：

4 液氣比、鈣硫比參數選擇

正常情況下石灰石-石膏法脫硫液氣比為為≤20L/Nm3;石灰-石膏法脫硫液氣比為≤10L/Nm3;鈣硫比一般取值1.03～1.05。煙氣中SO2濃度、煙氣中的粉塵、工藝水的品質、漿液的PH值等因素直接影響液氣比、鈣硫比的確定，在設計選擇時根據待處理的煙氣實際情況選擇確定。

5 噴淋層的設計

噴淋層系統主要包括噴淋層主管、噴淋層干管、噴淋層支管、噴嘴及支撐梁等;漿液管道設計、噴嘴的選擇與布置是噴淋層設計的主要內容。良好的噴淋層設計應滿足漿液在噴淋主管及干管及支管內均勻分配。

為了保證較高的脫硫效率，噴淋層一般設置3～6層，每臺循環泵對應一層噴淋層;一般設計時備用一層，即可滿足環保要求的提高，也可在其他噴淋層檢修時使用。

噴淋層區域設置噴淋層支撐主梁與支撐次梁，噴淋層主管道、干管道與支管道布置在支撐梁上，與之固定;為保證進入脫硫塔的煙氣與噴淋下來的漿液充分接觸，最底部噴淋層與進口煙道上部距離應保持在2m～4m的間距;為避免噴淋時互相干擾，每層噴淋層之間應保持1.5～2.5m的距離;除霧器下部設置向上的沖洗水系統，因此，最上部的噴淋層與除塵器應保持2～3.5m距離。

噴淋層的干管沿噴淋主管對稱布置，組成由主、干、分支管網系統，使漿液均勻分布在脫硫塔內，要保證較高的噴淋覆蓋率，一般覆蓋率應大于200%。噴淋管為避免酸性氣體的腐蝕，材質選用玻璃鋼材料，系統分段制作，采用纏繞或粘接的連接工藝。

噴嘴選擇空心錐切線型噴嘴，根據壓力、流量、噴射角度及噴淋覆蓋率對噴嘴進行選擇。噴嘴與噴淋支管道采用玻璃布纏繞固定，噴嘴與管路連接支管的長度一般為20cm，采用承插連接方式避免堵塞現象的發生。

噴嘴的霧化顆粒直徑一般在2500～3000μm之間，低于500μm直徑的液不能超過5%，此種粒徑的霧滴的選擇可以最大程度地減少上升煙氣夾帶霧滴，氣液表面積大幅提高，能夠保證二氧化硫的吸收效率。塔壁附近選用90°角的蝸殼螺旋噴嘴，避免沖刷塔壁;其余部分選用120°角的空心錐切線型噴嘴。

6 除霧器設計

6.1除霧器組成及材質

除霧器系統主要部件為除霧器的本體、支撐梁、支撐架、沖洗水管道、噴嘴、及相關密封、連接、固定等附屬構件組成。

除霧器的主要材質為聚丙烯PP、玻璃鋼FRP、不銹鋼（如316L等）材料;由于不銹鋼雖綜合性能良好，但價格昂貴，而濕法脫硫系統運行溫度一般在80℃左右，在此溫度區間，有良好的耐酸性能的PP材質除霧器可完全適用，且價格便宜，因此得到廣泛應用。由于PP材質的除霧器耐溫性差、強度較低，通常情況下，PP材料的除霧器的強度為30MPa，僅為玻璃鋼的20%;且隨著溫度的升高，強度快速下降。因此，脫硫系統在啟動使用前，為保護除霧器不受高溫煙氣的侵害，必須先啟動循環泵，噴淋漿液，降低塔內上升煙氣的溫度，從而延長PP材質除霧器的使用壽命。

6.2除霧原理

經噴淋脫硫后含有大量含水霧煙氣以一定速度流經除霧器，由于氣體的慣性撞擊作用，煙氣中的霧滴直接撞擊除霧器波形板而被收集，當液滴收集的小液滴匯集成大液滴，且自身重力大于煙氣上升而產生的上升力和液滴表面張力的合力時，匯聚而成的液滴便從波形板表面滑落而被去除。

除霧器波形板采用多折向結構，大大增加了煙氣中霧滴被捕集的概率，在上一個轉彎處未被收集的霧滴，再經過下一個轉彎處會與波形板再次碰撞而被收集，這樣多折向結構的除霧器反復聚集霧滴，大大提高了霧滴的去除效率。

濕煙氣經除霧器后，煙氣中夾帶的液滴分離出來，越聚越多，慢慢匯集形成水流，在重力的作用下，流入至漿液池，氣液分離達標后的煙氣直接排放或進入后續處理單元。

6.3除霧器的設置

濕法脫硫系統除霧器分為平板型和屋脊型兩種，一般直徑≥10m的大型脫硫塔選用屋脊型除塵器，直徑小于10m脫硫塔選用平板型除霧器。脫硫塔噴淋層上部設置除霧器的支撐梁，將除霧器布置在支撐梁上。

脫硫塔內設置兩級平板型除霧器，其除霧器葉片間距選20～40mm為宜。除霧器設計時，兩層除霧器要求阻力小于200Pa，通過除霧器的濕煙氣水的質量濃度必須低于75mg/m3。

6.4除霧器沖洗水系統

為保證濕法脫硫塔除霧器系統能夠長時間連續穩定運行，不堵塞、不結垢，必須在除霧器上下設置沖洗水系統;除霧器沖洗水系統包括沖洗水管道、管道支架、噴嘴及固定、密封等連接件。設置沖洗水系統一是保證除霧器本身的沖洗，保證除霧器葉片間干凈，不結垢;二是脫硫塔補給工業新水，維持脫硫塔的正常運行的水平衡。

除霧器沖洗水系統的沖洗方式有兩種，一是瞬間大流量沖洗;二是長時間小流量沖洗。選擇沖洗方式可根據運行工況進行，當煙氣量突然變大，或SO2濃度突然提高，導致除霧器阻力瞬間變大時，選擇第一種沖洗方式;當低負荷或無負荷運行時，選擇第二中沖洗方式。

除塵器沖洗水的壓力在不同位置是不相同的，靠近噴淋層的第一級除霧器，沖洗水壓比第二級除霧器沖洗水壓力高;正對氣流方向的除霧器斷面沖洗水壓力高于背對氣流方向除霧器斷面沖洗水壓力;正對氣流方向水壓應控制在2.5×l05Pa以內，背對氣流方向的沖洗水壓應>1.0×105Pa即可。

除霧器斷面上瞬時沖洗耗水量一般情況下約為1～4m3/h，一般沖洗覆蓋率選在100%～300%之間。

確定沖洗覆蓋率后可以計算除霧器沖洗水系統所需的噴嘴數量。

沖洗面選擇、沖洗水壓力、沖洗強度、噴嘴角度、沖洗頻率、沖洗水水質等因素在設計除霧器沖洗系統也必須考慮。

沖洗水系統的補充水量可以通過沖洗次數、沖洗順序及沖洗間隔來調整;沖洗頻率在滿足自身沖洗要求外還取決于脫硫塔每小時水量的蒸發;當脫硫塔內水位較低時，不能滿足脫硫系統的運行要求時，啟動沖洗程序，對脫硫塔進行補水，保證脫硫塔的正常運行。

為快速降低除霧器葉片上聚集漿液的飽和度，避免除霧器葉片間結垢，除霧器沖洗水要盡可能采用工藝新水。

7 煙氣入口煙道的設計

脫硫煙氣在塔內分布的均勻性直接受脫硫塔入口煙道布置的影響，且可直接影響脫硫效率。高溫煙氣由煙道入口進入脫硫塔，干濕交界面存在于氣液接觸處，此處漿液容易干燥結垢，影響塔內氣流均布和脫硫塔的穩定運行。為避免上述問題的產生，在煙道入口上方及兩側設計擋水板，防止下落的漿液進入煙道內。在漿液下落時，設計在上面擋水板形成的水簾，有利于煙氣與漿液的充分混合和氣流均布，兩側擋水板可防止產生背壓將漿液吸入煙道內。

進口煙道一般按圖1方法設計：

（1）煙道斜向下進氣，傾斜角為一般為15°，可降低壓損，削弱塔內回流旋渦，防止漿液倒流，延長氣液接觸時間，如圖1所示。

（2）在脫硫塔煙道入口處增設導流板，減小壓力損失同時提高氣流分布的均勻性。

8管口的設置

脫硫塔塔體管口主要包括工藝所需求的相關管口、檢修時使用的人孔、相關儀表設備安裝孔等。具體如下：

噴淋漿液管道安裝孔，每層至少設置1個;除霧器安裝孔，每層除霧器至少設置1個;脫硫塔底部清渣孔，至少設置1個;煙氣入口煙道檢修孔，至少設置1個;循環泵漿液管道入口，數量與噴淋層數量對應;液位計接口，一般為2～3個，石膏漿液排出口2個;排污口1個;溢流口1個;濾液返回口1個;事故池漿液返回口1個;地坑漿液返回口1個;測攪拌接口2～6個;測攪拌沖洗管口2～6個;氧化風接口2～6個，差壓計接口2～4個;且應留有備用孔。為方便脫硫塔清理、維護、檢修，有特殊要求在脫硫塔上相應位置還可以設置人孔、檢修孔等。

9 漿液池區域相關附屬設備基本設計

9.1 氧化空氣管道

漿液吸收SO2后的落入漿池中，漿液池中存在大量Ca（HSO3）2 和CaSO3，漿液池中須通入大量空氣，通過氧化的作用，使化學性質不穩定的硫酸氫鈣和亞硫酸鈣結晶生成穩定的石膏CaSO4·2H2O。

氧化空氣管道在漿液池中安裝方式如下：

插入管道式、噴霧式、機械攪拌管式、螺旋攪拌機直入管式、螺旋攪拌機插入管式等。但目前通常以管道插入式為主。

根據單位時間要氧化的Ca（HSO3）2和CaSO3計算理論需氧量。根據經驗鼓入的空氣中只有10%的氧氣參與氧化反應，計算實際需要空氣量，并根據曝氣壓力選取合適的氧化風機。

攪拌器與氧化空氣管道配合使用，氧化空氣噴入漿液池時會有振動現象產生，因此，氧化空氣管道須設置支承并與塔壁固定。一般氧化空氣管道插入漿液池漿液面下4m左右為宜。

9.2 漿液攪拌設備

由于漿液在漿液池中處于旋流狀態，才能保證漿液與空氣中的氧氣充分接觸提高氧化效率，還能使漿液中固體顆粒不會沉淀而結垢;因此，必須設置攪拌器，一般選擇三葉推進式水平攪拌器。

攪拌器設置高度及安裝角度要求較高，據設備廠安裝資料，底部設置一層時，攪拌器安裝高度為距脫硫塔底板1.5～2.0m左右，攪拌器中心軸須下傾10°，與中心徑向偏差5°～6°之間。

10 防腐設計

脫硫塔塔體工況條件苛刻，承受著化學、溫度、濕度的腐蝕和煙塵、漿液的沖刷、磨損等。為保證脫硫塔正常使用壽命，必須對脫硫塔塔壁及內壁支撐梁等附屬部件進行防腐。國內濕法脫硫塔一般采用玻璃鱗片、襯橡膠、鎳基合金為基礎的襯里等防腐方法。

由于玻璃鱗片（乙烯酯樹脂）具有良好結合的機械性能和防滲透性，即使在180℃條件下，短時間里仍具有良好的化學穩定性和防滲透性，且施工維修方便，因此，脫硫塔一般采用玻璃鱗片防腐。脫硫塔內側壁各區域的防腐要求如下：

10.1漿液池區域

由于漿液攪拌器和氧化空氣管道均設置在漿液池區域，因此，漿液池區域會發生較強烈氧化反應和機械攪拌作用;池內漿液的pH值保持在5左右，溫度為40～50℃左右;此區域承受著強酸腐蝕、漿液磨蝕等。因此，玻璃鱗片防腐層厚度須為3.5～4.0mm左右。

10.2噴淋層區域

噴淋區域主要承受漿液對塔壁內側的沖刷磨蝕和腐蝕。為了提高噴淋層區域抗漿液沖刷的能力，塔壁內側受沖刷部位除進行玻璃鱗片的常規防腐外還應加覆含有0.4mm玻璃短纖維的玻璃鱗片做增強處理，增強后防腐層總厚度須在4mm以上。

10.3除霧器區域

到達除霧器區域的煙氣在經過噴淋層后，已除去99%左右的SO2，煙氣溫度降為45℃～70℃左右，但煙氣中仍含有大量水分和漿液的液滴，除霧器區域承受著較低濃度SO2的腐蝕和氣流沖刷。因此，該區域的塔體防腐不需特別加強，塔壁涂2mm厚玻璃鱗片即可。

10.4煙氣進口區

進口煙道內側煙溫較高，此區域一般內襯2mm厚的316L不銹鋼薄板。

11 結論及建議

本文為脫硫塔設計經驗總結，為脫硫塔的塔體設計提供最基本理論基礎。希望通過工程實踐，不斷的總結，不斷的完善，能夠設計出適合我國冶金行業效率更高、壽命更長、更合理的脫硫塔塔體系統。

參考文獻

[1]石灰石/石灰-石膏濕法脫硫煙氣脫硫工程通用技術規范[S].中華人民共和國國家環境保護標準（HJ179-2018），2018.

[2]韓香玉.石灰石/石灰-石膏濕法脫硫塔的設計研究[M].北京：華北電力大學，2006.

收稿日期：2021-08-03

作者簡介：張亞志（1981—），男，遼寧阜新人，本科，高級工程師，研究方向：煙氣脫硫超凈化處理。