大气污染控制---脱硫塔设计.doc

1 大气污染控制课程设计大气污染控制课程设计 脱硫塔设计脱硫塔设计报告报告书书 报告人： 陈 玉 班级：环境1101班 学号： 11233002 指导老师： 任福民 大气污染控制工程课程设计任务 1.1 设计任务与目的 任务：完成某电厂湿法钙基烟气脱硫工艺流程中吸收塔的设计。 目的：通过该设计，使学生能够综合运用课堂上学过的理论知识和专业知 识。以巩固和深化课程内容；熟悉使用规范、设计手册和查阅参考资料，培养 学生分析问题、解决问题和独立工作的能力；进一步提高学生计算、绘图和编 写说明书的基本技能。 1.2 设计内容和步骤 某电厂地处东南季风区，四季分明，温暖湿润，春季温暖雨连绵，夏季炎 热雨量大，秋季凉爽干燥，冬季低温，少雨雪。 根据当地气象台多年气象资料统计，其特征值如下： 累年平均气压： 1011.0hPa 累年最高气压： 1038.9hPa 累年最低气压： 986.6hPa 累年平均气温： 17.6 极端最高气温： 40.9 极端最低气温： -9.9 厂址处全年北(N)风出现频率为 20.0%，西北 (NW)风 出现频率为 14.7%， 西(W)风出现频率 13.1%，南(S)风出现频率 6.0%，东北(WE)风出现频率 9.6%， 东(E)风出现频率 8.3%，东南(SE)风出现频率 8.0%，西南(SW)风出现频率 7.2%，静风出现频率为 13.1%。 电厂有 4 台 60MW 的发电机组，占地面积 25000m2。电厂所用煤的组成成分： C 70.7%；灰分 12.1%；S 2.7%；H 3.2%；水分 9.0%； O 2.3%，每小时煤的用 量 90t，采用石灰石石膏脱硫工艺流程，脱硫率要求为 85-90%。 1. 根据上述资料，确定烟气量(锅炉燃烧的过剩空气系数取a=1.05-1.2,锅 炉每小时用煤 90t)、烟气中 SO2浓度和每天石灰石（其纯度为 90%）的消耗量 (设系统钙硫比为 1.1-1.2 时，脱硫率达到 85-90%)；(过剩空气系数系数、钙 硫比和脱硫率在给的范围内自定，希望不要雷同) 2. 计算和设计各处理构筑物。 （1）吸收喷淋塔 确定吸收塔的大小，塔内气流速度以及停留时间； 根据烟气量确定循环浆液喷淋层数，除雾器层数（不超过 4 层） ； 绘制 1：501：200 的吸收塔，标上各部分尺寸； 要有详细的技术和说明 （2）总平面图设计 根据前述条件，绘制湿法烟气脱硫电厂的平面布置图(1：2001：2000)： 包括处理构筑物的平面布置及输配水管线的布置。生产性辅助建筑物（鼓风机 房、浆液泵房、配电间、锅炉房、机修间、化验室、仓库等） ，环保设施（脱硫 设备、污水处理厂及灰场等） 、以及生活福利建筑（办公室、车库、宿舍、食堂、 传达室等）的布置。 具体要求： 平面布置应尽量紧凑，在规定的范围内结合远期发展布置，并应考虑施 工上的方便。 平面布置中应考虑事故排除和超越管。 厂内应有道路通向各构筑物，以便运输；合理布置上、下水管、空气管、 蒸气管、电缆等管线。 厂内应充分绿化，以改善卫生条件和美化环境。 4 台发电机组以及与其配套的实施在图中均要绘出。 1.3 设计成果 1. 设计说明书要求 （1）整理后的说明书应编有章节目录，设计任务来源，原始资料和设计要 求放在最前，分组表随其后，各人在分组表中划定自己的设计条件。 （2）处理构筑物的设计与计算应按流程的先后次序分章节编写。 （3）对所采用的设计数据（反映了设计者的设计思想及设计原则）应做必 要的说明。 （4）说明书要求 A4 开纸，用钢笔书写或打印（正文宋体、小四号字， 1.5行距） ，草图要求按比例. （5）设计计算书各构筑物的计算过程、主要设备（如吸收塔、等）的 选取等； 2. 图纸要求 总平面图比例 1：2001：2000，并附有图例，建筑物名称及必要的说 明。 吸收塔按已有说明给出。 1.4 主要参考资料 1 郝吉明, 马广大. 大气污染控制工程. 2 吴忠标. 大气污染控制工程. 3 魏先勋 等. 环境工程设计手册(修订版). 4 刘天齐. 三废处理工程技术手册(废气卷). 目 录 一、钙基湿法烟气脱硫工艺.1 1.概述.1 2.湿法烟气脱硫的工作原理.19 3.脱硫机理3 4.石灰石湿法烟气脱硫装置.21 二、烟气脱硫工艺主要设备吸收塔19 1.吸收塔的设计7 2.吸收塔的选型7 3.基础资料处理8 4.烟气脱硫吸收塔工艺技术要求8 5.喷淋吸收塔主要工艺设计参数.11 6.喷淋塔的高度设计12 三、 总平面图设计19 1.一般规定.19 2.总平面布置.19 3.交通运输.20 4.综合管线布置.21 四、配套设施设计计算19 1.增压风机的选型21 2.烟气换热器的选型21 3.浆液循环泵的选型22 4.氧化风机的选型22 5.氧化吸收池搅拌机的选型.23 6.石灰石浆液制备系统23 五、存在的问题.19 1.烟气降温问题.21 2.结垢和堵塞问题24 3.废水的处理.22 六、课程设计心得体会19 七、参考文献.19 1 一、钙基湿法烟气脱硫工艺 1. 概述 能源和环境是当今社会发展的两大主题。中国的资源特点和经济发展水平 决定了以煤为主的能源结构将长期存在, 国内每年都会消费数亿吨煤。煤所含 的杂质硫在燃烧时会排放酸性气体SO2, 这种气体在高空为雨雪所溶解而形成酸 雨, 可导致动植物大量死亡, 给生态系统造成很大的破坏, 还会严重侵蚀桥梁 楼屋、船舶车辆、机电设备等, 给经济的发展带来严重影响, 并对人类的健康 造成危害。自上世纪80 年代以来, 由于我国经济的飞速发展,SO2 排放量也日 益增多, 据统计, 2005 年全国SO2 排放量为2549 万吨。大量SO2 的排放, 使 中国酸雨区迅速扩大, 目前已覆盖四川盆地和长江以南、青藏高原以东的广大 地区, 占国土总面积的1/3, 而且每年还以10 万km2 的速度在递增。因此, 控 制和减少SO2 排放量已是刻不容缓、迫在眉睫了, 国家环保总局和国家发改委 将采用多项措施加强SO2 污染的防治。专家认为消减SO2 排放总量是今后中国 环保工作的重点, 对烟气脱硫是控制SO2 污染的主要措施之一。但到目前为止, 我国还仅限于燃煤电厂的脱硫( 仅有12%装机容量的火电厂建有烟气脱硫装置) 。因此开发新型高效、脱硫产物可循环再利用的脱硫技术已是当务之急。 目前, 二氧化硫污染控制技术颇多, 诸如改善能源结构、采用清洁燃料等, 而烟气脱硫技术则是控制二氧化硫最有效的手段之一。国内外已开发和研究的 脱硫方法有近200 种, 但真正工业化应用的不过10 余种。根据脱硫产物的状态 可分为干法和湿法, 干法是指无论加入锅炉尾部烟道中的脱硫剂是干态或湿态 的, 脱硫的最终产物是干态的。干法的优点是烟气中水汽含量少, 对风机及其 它设备不易造成腐蚀; 缺点是设备庞大, 投资大, 对操作技术要求高, 且脱硫 效率低。湿法是以水溶液或浆液作脱硫剂, 生成的脱硫产物存在于水溶液或浆 液中。湿法烟气脱硫工艺是目前世界上应用最广的FGD脱硫效率高等特点。湿法 烟气脱硫过程是气液反应, 脱硫反应速度快, 脱硫效率高, 钙利用率高, 在钙 硫比等于1 时, 可达到90%以上的脱硫效率。当前已开发的湿法烟气脱硫技术, 主要是石灰石/ 石膏洗涤法, 它占整个湿法烟气脱硫技术的36.7%, 因此本文拟 对其工作原理、化学反应机理、工程流程、主要设备及其在实际应用中易出现 的问题进行探讨。 2 2.湿法烟气脱硫的工作原理 湿法石灰石/ 石膏烟气脱硫工艺是以价廉易得的石灰石粉作为吸收剂, 烟 气中的二氧化硫与浆液中的碳酸钙以及通入的空气进行化学反应, 最终产品为 石膏。由于吸收浆液是循环利用, 脱硫吸收剂的利用率很高。湿法烟气脱硫装 置的核心是吸收塔, 它是一个单级的开放式喷淋、一体化吸收二氧化硫的装置。 吸收塔分为洗涤区、再循环区和气流区三部分。在洗涤区中二氧化硫和三氧化 硫溶解生成亚硫酸和硫酸, 此区由四层喷淋层组成, 浆液从再循环区通过四个 循环泵打至各喷淋层, 在喷嘴的作用下浆液被雾化, 与逆流而上的原烟气充分 接触并吸收烟气中的二氧化硫和三氧化硫, 同时溶解并洗涤烟气中的大部分烟 尘。吸收塔底部为石灰石浆液的储存底槽, 储存浓度为20%的石灰石浆液。底槽 四周安装有贴边搅拌器, 以保持对底槽浆液的不停搅拌, 使新鲜石灰石浆与因 吸收了SO2 而酸化的洗涤液能良好地混合和反应。同时底槽还布置有很多大口 径空气管, 空气管出口加在搅拌器叶片加压面上, 以产生非常小的气泡, 有利 于物质交换。因空气泡还能带出液体中的CO2, 改善了石灰石粉的溶解条件。在 加了空气管的底槽中, 进行石灰石溶解、中和、氧化和石膏结晶等过程。该工 艺的脱硫效率可达90%, 其脱硫系统见图1。 3 3. 脱硫机理 石灰石/ 石膏湿法洗涤的化学反应较为复杂,所表现出的反应主要是SO2 与 CaO 或CaCO3 作用,生成亚硫酸钙及硫酸钙。石灰石/ 石膏洗涤脱硫的反应为: SO2 的吸收;SO2 与水化合成H2SO3; 电离出的氧与洗涤液中的CaSO3 反应。以 CaO 为例, 主要的反应为: SO2(g)+H2O H2SO3 Ca(OH)2(aq)+H2SO3(aq) CaSO3(aq)+2H2O CaSO3(aq) CaSO3(s) CaSO3(aq)+1/2O2(aq) CaSO4(aq) CaSO4(aq) CaSO4(s) Ca(OH)2(s) Ca(OH)2(aq) Ca(OH)2 石灰浆滴与SO2 的反应过程较为复杂,许多科研工作者先后进行了这方 面的研究工作,Brogren 和Kanlesson 认为, 石灰浆滴与SO2 的反应存在2 个受 4 控区域: 在烟道内SO2 浓度低的区域SO2 向浆滴的传质主要受气膜控制, 而在 高浓度区,传质受浆滴内部液相控制。有学者认为, SO2 向浆滴表面的扩散过程 受气膜控制, 而液相一侧并非由液膜来控制, 而是由参与反应的离子扩散速度 来决定。从反应动力学来看, SO2 是溶解度大小为中等的气体, 在烟道内温度 较高, SO2 溶解度很低, 气相推动力最大, SO2 在气相的扩散不再是整个反应 过程的控制速率, 液相参与反应的离子扩散成为主导因素。随着反应温度与SO2 浓度的逐渐降低, 气相推动力减弱, SO2 向浆滴表面的扩散速率与液相参与反 应离子的扩散速率等共同成为控制反应的因素。当反应温度接近于湿球温度时, SO2 浓度达到最小, 此时气相推动力也最小。SO2 向液相的扩散所受阻力相对 于参与反应的离子扩散过程来说处于主导地位, 传质阻力为气相传质所控制。 在Ca(OH)2 石灰浆滴与SO2 吸附反应的过程中, O2 也参与了反应, 其反应过程 可描述为:。432 2 1 CaSOCaSOO 4.石灰石湿法烟气脱硫装置 典型的石灰石湿法脱硫系统从功能上可以分为烟气系统、石灰石浆液制备 系统、吸收塔系统、石膏脱水系统、废水处理系统、公用系统和事故浆液排放 系统。 4.1 烟气系统 烟气系统通常包括一台单独的增压风机、一台气气换热器和电厂现有烟囱。 在增压风机上游和气气换热器再热侧系统出口下游都设有双百叶窗隔离挡板。 在现有旁路烟道上亦安装有两个双百叶窗旁路挡板，这些挡板的开度可以随烟 气流量的变化进行调节。每个烟气挡板可以配置两台密封风机，以防止烟气泄 漏。 GGH 利用未脱硫的热烟气（一般 130150）加热已脱硫的洁净烟气（一 般 4655） ，一般加热到 80左右，然后排放，以避免低温湿烟气腐蚀烟道、 烟囱内壁，并可提高烟气抬升高度。 在烟气离开吸收塔前，会通过一个两级除雾器，以除去烟囱中携带的细小 液滴。沉淀在除雾器上的颗粒不利于烟气流经吸收塔，会影响塔内压降和烟气 5 流向分布。为了防止固体颗粒积聚在除雾器上，需定期对除雾器进行冲洗。除 雾器设有冲洗水系统，工艺水从喷嘴喷出冲洗除雾器。 4.2 石灰石浆液制备系统 石灰石料应密切主要其水分含量，进入石灰石粉制备系统磨粉机地入磨物 料的表面水分一般小于 1%，否则就会严重恶化操作，甚至造成糊磨、堵塞。同 时 应主要氯化物、氟化物和煤灰等杂质不要混入石灰石料中，以免影响脱硫系 统的正常运行和脱硫石膏的品质。 石灰石浆液制备时，成品分经仓底的两套叶轮给料机输送到石灰石浆液池， 工业水通过水泵和调节阀门注入石灰石浆液池，调节石灰石浆液的密度至 1230kg/m3（含固量 30%） 。在石灰石浆液泵的出口管道设有密度监测点，从而保 证 30%的石灰石浆液的制备和供应。配置合格的石灰石浆液通过石灰石浆液泵 输送到吸收塔下部浆液槽，根据烟气负荷、脱硫塔烟气入口的 SO2 浓度和 PH 值 来控制喷入吸收塔的浆液量，剩余部分返回浆液池。为了防止结块和堵塞，要 使浆液不断流动循环。 4.3 吸收塔系统 吸收塔是烟气脱硫系统的核心装置，要求气液接触面积大，其他的吸收反 应良好，压力损失小，并且适用于大容量烟气处理。 进入吸收塔的热烟气经过逆向喷淋浆液的冷却、洗涤，烟气中的 SO2 与浆 液进行吸收反应生成亚硫酸氢根（HSO3-） 。HSO3-被鼓入的空气氧化为硫酸根 （SO42-） ，SO42-与浆液中的钙离子（Ca2+）反应生成硫酸钙（CaSO4） ，CaSO4进一 步结晶为石膏（CaSO42 H2O） 。同时烟气中的 Cl、F 和灰尘等大多数杂质也在 吸收塔中被去除。含有石膏、灰尘和杂质的吸收剂浆液的一部分被排入石膏脱 水系统。吸收塔中装有水冲洗系统，将定期进行冲洗，以防止雾滴中的石膏、 灰尘和其他物质堵塞元件。 吸收塔主要有喷淋塔、填料塔、液柱塔和鼓泡塔四种类型，将在下一章详 细讨论。 4.4 石膏脱水系统 在吸收塔浆液槽中石膏不断产生，为了使浆液密度保持在设定的运行范围 内，将石膏浆液（15%20%固体含量）通过石膏浆液泵打入脱水站。该站包括一 6 个水力旋流器及浆液分配器，在这里将石膏浆液中的水予以脱除，使底流石膏 固体含量达到 50%。在水力旋流器中，石膏浆液流进一个圆柱箱中，并由此流 到敞开的各个旋流子中，在此处根据入口压力的大小，可将石膏输送至旋流器 的底流，将滤液送入石膏水力旋流器上部的溢流箱内。底流的石膏被送至真空 皮带过滤机进一步脱水至含水小于 10%。溢流含 3%5%的细小固体微粒在重力作 用下流入滤液箱，最终返回到吸收塔。旋流器的溢流被输送到废水旋流站进一 步分离处理。 4.5 废水处理系统 在湿式石灰石/石膏 FGD 工艺中，由于烟气中氯化物的溶解提高了脱硫吸收 液中氯离子的浓度，不可避免地要产生一定量废水。氯离子浓度的增高会引起 脱硫率的下降和 CaSO4结垢倾向的增大，并对副产品石膏的品质产生影响。FGD 装置的废水主要来自石膏脱水系统的旋流器溢流液、真空皮带机的滤液或冲洗 水。 废水处理的工艺大致分为中和、脱重金属、絮凝、浓缩、澄清、污泥处理 几部分。中和是采用 Ca(OH)2作为中和剂加入脱硫废水中，一方面可以中和水 的酸性，另外还可以脱除 F-，并使部分重金属沉淀下来。接下来向废液中加入 有机硫化物，进一步脱除重金属离子。絮凝的作用是通过添加絮凝剂去除上工 段中过剩的硫化物，加速废水中悬浮物的沉降。絮凝后的废水进入澄清池时进 行浓缩分离。浓缩后的污泥一部分经脱水后抛弃，一部分返回中和池或絮凝池， 以提高絮凝池的固体含量，加速絮凝过程。澄清池的溢流则进入后处理水箱， 用稀盐酸调节 PH 后排放。 4.6 公用系统 公用系统由工艺水系统、工业水系统、冷却水系统和压缩空气系统等子系 统构成，为脱硫系统提供各类用水和控制用气。 FGD 的工艺水一般来自电厂循环水，并输送至工艺水箱中。工艺水由工艺 水泵从工艺水箱输送到各用水点。FGD 装置运行时，由于烟气携带、废水排放 和石膏携带水而造成水损失。工艺水由除雾器冲洗水泵输送到除雾器，冲洗除 雾器，同时为吸收塔提供补充用水，以维持吸收塔内的正常液位。此外，各设 备的冲洗、灌注、密封和冷却等用水也采用工艺水。 7 FGD 冷却水主要用户有增压风机电机、氧化风机电机、循环浆液泵电机、 磨机主轴承、减速器电机，此外，部分冷却水还用于氧化空气增湿冷却。 FGD 的工业水一般来自电厂补充水，并输送至工业水箱中。 4.7 事故浆液排放系统 浆液排放系统包括事故浆液储罐系统和地坑系统。当 FGD 装置大修或发生 故障需要排空 FGD 装置内浆液时，塔内浆液由浆液排放泵排至事故浆液箱直至 泵入口低液位跳闸，其余浆液依靠重力自流至吸收塔的排放坑，再由地坑泵打 入事故浆液储罐。事故浆液储罐用于临时储存吸收塔内的浆液。地坑系统有吸 收塔区地坑、石灰石浆液制备系统地坑和石膏脱水地坑，用于储存 FGD 装置的 各类浆液，同时还具有收集、输送或储存设备运行、运行故障、检验、取样、 冲洗、清洗过程或渗漏而产生的浆液。主要设备包括搅拌器和浆液泵。 二、烟气脱硫工艺主要设备吸收塔 1.吸收塔的设计 吸收塔是脱硫装置的核心，是利用石灰石和亚硫酸钙来脱去烟气中二氧化 硫气体的主要设备，要保证较高的脱硫效率，必须对吸收塔系统进行详细的计 算，包括吸收塔的尺寸设计，塔内喷嘴的配置，吸收塔底部搅拌装置的形式的 选择、吸收塔材料的选择以及配套结构的选择（包括法兰、人孔等） 。 2. 吸收塔的选型 吸收塔是燃煤烟气湿法脱离装置的核心设备。目前，世界上石灰石/石膏湿 法脱硫工艺吸收塔的型式多种多样，在国内外应用较成功的主要有以下 4 钟， 即逆流喷淋塔、填料塔、鼓泡塔、液柱吸收塔四种形式。各种类型吸收塔的类 型技术特性对比见于下表。 不同类型的吸收塔性能对比 项目逆流喷淋塔填料塔鼓泡塔液柱塔 原理吸收浆液在吸吸收剂浆液在吸收剂浆液以吸收剂浆液由 8 收塔内经喷嘴 喷淋雾化，在 于烟气接触过 程中，吸收去 除 SO2 吸收塔内沿格 栅填料表面下 流，形成液膜 并与烟气接触 去除 SO2 液层形式存在， 而烟气以气泡 形式通过，吸 收并去除 SO2 布置在塔内的 喷嘴垂直向上 喷射，形成液 柱并在上部散 开落下，在高 效的气液接触 中，吸收去除 SO2 脱硫效率959590左右95 运行喷嘴易磨损， 堵塞 格栅易结垢， 堵塞，系统阻 力较大 系统阻力较大， 无喷嘴堵塞问 题 能有效防止喷 嘴堵塞和结垢 问题 维护喷嘴易损坏， 需要定期检修 更换 经常清洗除垢运行较稳定可 靠 运行较稳定可 靠 自控水平高高较高较高 由于国内外已有许多大容量机组的商用业绩，已积累了丰富的运行经验，而 且，喷淋塔结构简单，易操作，故本设计工艺选择逆流喷淋塔脱硫技术。 3.基础资料处理 厂址处全年北(N)风出现频率为 20.0%，西北 (NW)风 出现频率为 14.7%， 西(W)风出现频率 13.1%，南(S)风出现频率 6.0%，东北(WE)风出现频率 9.6%， 东(E)风出现频率 8.3%，东南(SE)风出现频率 8.0%，西南(SW)风出现频率 7.2%，静风出现频率为 13.1%。 根据资料列出本电厂风向频率表如表所示。 表 电厂风向频率表 风向北风西北风西风南风东北风东风东南风西南风静风 频率% 20.014.713.16.09.68.38.07.213.1 9 从风向资料中可以看出，北风、西北风和西风频率较高，因此平面布置时 应将办公住宿区安排在北方向，烟气污水处理区安排在南方向。 4.烟气脱硫吸收塔工艺技术要求 电厂有 4 台 60MW 的发电机组，占地面积 25000m2。电厂所用煤的组成成分： C 70.7%；灰分 12.4%；S 2.4%；H 3.2%；水分 8.8%； O 2.5%，每小时煤的用 量 90t，采用石灰石石膏脱硫工艺流程，脱硫率要求为 85-90%。 1. 根据上述资料，确定烟气量(锅炉燃烧的过剩空气系数取a=1.05-1.2,锅炉 每小时用煤 90t)、烟气中 SO2浓度和每天石灰石（其纯度为 90%）的消耗量(设 系统钙硫比为 1.1-1.2 时，脱硫率达到 85-90%)； 4.1 设计输入参数 （1）烟气流量的选择及计算 煤成分表(取煤为研究对象) 所以理论需氧量为 58.92+8.0+0.75-0.78=66.89mol/ 则所需的理论空气量为 66.89（3.78+1）=319.73 mol/ 即 319.73=7.16 m / 1000 4 . 22 3 理论条件下烟气组成 理论烟气量为 58.92+（16+4.89）+0.75+66.893.78=333.40 mol/ 成分 C HO 水分灰分 S 含量 70.73.22.58.812.42.4 摩尔量 mol 58.9216.01.564.890.75 理论需氧量 mol 58.928.0-0.78000.75 成分 CO2H O 2 SO2N2 摩尔量 mol 58.9216+4.890.7566.893.78 10 即 333.40 =7.49m / 1000 4 . 22 3 设空气过剩系数 1.1,则实际烟气量为 7.49+7.160.1=8.21 m / 3 锅炉每小时用煤 90t,则烟气产生量 V=8.21100090=738900m /h=205.25m /s 33 （2）烟气 SO 的浓度 2 其中 SO 的体积为：0.7522.4/1000=0.0168 m / 2 3 烟气中 SO 的浓度为：0.0168/(8.211000)=2.05/1000000 2 即(0.7564/1000)/8.21=5.85/1000/ m 3 按照 700mg/ m 的排放标准，则脱硫率至少为（5.85-0.7）/5.85=88.0，本 3 设计方案取 88 烟气中的 SO =0.75901000=1512.0 m /h =0.42m /s 2 1000 4 .22 33 脱硫率为 88(脱硫率=)，则出口烟气中 脱硫前二氧化硫的含量 脱硫后的含量脱硫前二氧化硫含量- 的 SO =1512.0（1-0.88）=181.44m /h =0.0504m /s 2 33 系统硫钙比为 1.1，石灰石纯度为 90% (Ca/S=)， 脱出的二氧化硫摩尔数 耗钙基摩尔数 则石灰石消耗为（1512.0-181.44）/22.41001.1/1000=6.534t/h 石膏产量为（CaCO CaSO .2 H O ）6.5340.9172/100=10.11t/h 342 （3）石灰石消耗量 设系统钙硫比为 1.1，石灰石纯度为 90%，则石灰石消耗为： 901030.07510001.124/0.9=198t/d=8250kg/h 4.2.工艺设计参数 工艺设计参数主要包括液气比，钙硫比，烟风系统阻力等，其中最核心的 是液气比和 Ca/S。 11 （1）液气比（L/G） 在石灰石/石膏湿法 FGD 工艺中，液气比表示洗涤单位体积饱和烟气(m ) 3 的吸收塔循环浆液体积(以升 L 为单位)，即 L/G=10 G L V V 3 式中：循环浆液体积，L; L V 烟气体积（标态） ， G V 3 m 利用液气比可以确定吸收剂的单位用量。根据烟气中二氧化硫浓度，也可 借助液气比调节单位洗涤液的二氧化硫浓度。所以液气比是决定脱硫效率的一 个主要参数。湿法脱硫工艺的液气比的选择是关键的因素，对于喷淋塔，液气 比范围在 8L/m -25 L/m 之间，根据相关文献资料可知液气比选择 12.2 L/m 33 是最佳的数值。 3 （2）钙硫摩尔比（Ca/S） 定义为每每脱除 1mol需加或的摩尔数，即 Ca/S= 2 SO 3 CaCOCaO 脱出的二氧化硫摩尔数 耗钙基摩尔数 理论计算 Ca/S=1，本设计取 1.1 5.喷淋吸收塔主要工艺设计参数 (1)烟气流速 在保证除雾器对烟气中所携带水滴的去除效率及吸收系统压降允许的条件下， 适当提高烟气流速，可加剧烟气和浆液液滴之间的湍流强度，从而增加两者之 间的接触面积。同时，较高的烟气流速还可持托下落的液滴，延长其在吸收区 的停留时间，从而提高脱硫效率。 另外，较高的烟气流速还可适当减少吸收塔和塔内件的几何尺寸，提高吸 收塔的性价比。在吸收塔中，烟气流速通常为 34.5m/s。许多工程实践表明， 3.5m/s烟气流速(110%过负荷)4.2m/s 是性价比较高的流速区域。 综合考量，本实验设计选择烟气流速取 3.6m/s. (2)吸收塔直径 12 吸收塔直径计算公式为： 2 1 () 2 QA vDv 式中 Q 为烟气体积流量，m3/h；v 为烟气流速，m/s；A 为烟气过流断面面 积，m2。 设塔内的操作温度为 70(343.15)，常温时温度为(293.15)，则此条件20oC 下的烟气流量为: Q=205.25 343.15/293.15=240.26 m /s 3 则吸收塔直径为： ，取9.2m。m V Q D22.9 6.3 26.24044 6.喷淋塔的高度设计 （1） 喷淋塔吸收区高度设计 方法一：达到一定的吸收目标需要一定的塔高。通常烟气中的二氧化硫浓度 比较低。吸收区高度的理论计算式为 h=H0NTU (1) 其中：H0 为传质单元高度：H0=Gm/(kya)（ka为污染物气相摩尔差推动力的 总传质系数，a 为塔内单位体积中有效的传质面积。 ） NTU 为传质单元数，近似数值为 NTU=(y1-y2)/ ym，即气相总的浓度 变化除于平均推动力ym=（y1-y2）/ln(y1/y2)(NTU 是表征吸收困难程 度的量，NTU 越大，则达到吸收目标所需要的塔高随之增大。 根据（1）可知：h=H0NTU= )ln( )()( * * 22 * 11 * 22 * 11 2121 yy yy yyyy yy ak G y yy ak G y m my m =9.8110akyakY 25 . 0 7 . 04 WG 13 (2) 82 . 0 WakL 其中：y1,y2为脱硫塔内烟气进塔出塔气体中 SO2组分的摩尔比，kmol(A) /kmol(B) ,为与喷淋塔进塔和出塔液体平衡的气相浓度，kmol(A)/kmol(B) * 1 y * 2 y kya 为气相总体积吸收系数，kmol/(m3hkpa). x2，x1为喷淋塔石灰石浆液进出塔时的 SO2组分摩尔比，kmol(A)/kmol(B) G 气相空塔质量流速，kg/(m2h) W 液相空塔质量流速，kg/(m2h) y1=mx1, y2=mx2 (m 为相平衡常数，或称分配系数，无量纲) kYa 为气体膜体积吸收系数，kg/(m2hkPa) kLa 为液体膜体积吸收系数，kg/(m2hkmol/m3) 式（2）中为常数，其数值根据表 表 温度与值的关系 温度/ 1015202530 0.00930.01020.01160.01280.0143 采用吸收有关知识来进行吸收区高度计算是比较传统的高度计算方法，虽然 计算步骤简单明了，但是由于石灰石浆液在有喷淋塔自上而下的流动过程中由 于石灰石浓度的减少和亚硫酸钙浓度的不断增加，石灰石浆液的吸收传质系数 也在不断变化，如果要算出具体的瞬间数值是不可能的，因此采用这种方法计 算难以得到比较精确的数值。 以上是传统的计算喷淋塔吸收区高度的方法，此外还有另外一种方法可以计 算。 方法二：为了更加准确，减少计算的误差，需要将实际的喷淋塔运行状态下的 烟气流量考虑在内。而这部分的计算需要用到液气比（L/G） 、烟气速度 14 u（m/s）和钙硫摩尔比(Ca/S)的值。本实验设计选取的液气比为 12.2L/，烟 3 m 气流速为 3.6m/s,钙硫比为 1.1。 含有二氧化硫的烟气通过喷淋塔将此过程中塔内总的二氧化硫吸收量平均 到吸收区高度内的塔内容积中,即为吸收塔的平均容积负荷平均容积吸收率， 以表示。 吸收区高度 h1一般指烟气进口水平中心线到喷淋层中心线的距离。 容积吸收率的定义为：含有二氧化硫的烟气通过喷淋塔，塔内喷淋浆液将 烟气中的 SO 浓度降低到符合排放标准的程度，将此过程中塔内总的二氧化硫 2 吸收量平均计算到吸收区高度内的塔内容积中,即为吸收塔的平均容积负荷平 均容积吸收率，以表示。其表达式如下： 0 1 QC K Vh 其中，平均容积吸收率，kg/（m3） ； C标准状态下进口烟气的质量浓度，kg/m3；（本设计为 8.81） V吸收区容积，m3； 给定的二氧化硫吸收率（） ；本设计方案为 88 h1吸收塔内吸收区高度，m； K0常数，K0=3600v273/(273+t)其数值取决于烟气流速 v(m/s)和 操作温度() ； 由于传质方程可得喷淋塔内单位横截面面积上吸收二氧化硫的量为： my yhakyyG)( 21 其中: G 为载气流量(二氧化硫浓度比较低，可以近似看作烟气流量)， kmol/( m2.s)； y1,y2 分别为、进塔出塔气体中二氧化硫的摩尔分数（标准状态下 的体积分数） ； 15 ky 单位体积内二氧化硫以气相摩尔差为推动力的总传质系数， kg/(m3s)； a 为单位体积内的有效气液传质面积，m2/m3； 为平均推动力，即塔底推动力， m y )ln(/)( 2121 yyyyym 所以 （3） hyyG/)( 21 又因为)(273/)273(4.22流速utG 将式子（3）的单位换算成,可以写成)/(kg 2 sm （4） huy t / 273 273 4 .22 64 3600 1 吸收塔进口烟气温度设计为 110，烟气一般被冷却到 4655，取烟气 出口温度为 30 。喷淋塔的操作温度（110+30）/2=70 y= 0.42/205.25 = 0.20， 由已经有的经验，吸收率范围在之间，取)/(5 . 65 . 5 3 smkg ；)/(6 3 smkg 代入（4）式可得 6=3600（64/22.4）273/(273+70) 3.60.00200.88/h 求得吸收区高度 h =8.65m。 1 如果仅从脱硫技术角度考虑，设计时应取低值以求保险；但如果考虑经 济因素，低则塔容积增大，会使投资、运行维护费用等增加。 在吸收区中， 喷嘴布置分为 26 层，喷淋层间距 0.82m，脱硫率要求低时可减少，低负荷时 可停运某一层。本设计方案喷淋层设为 4，间距 2m。 （2）烟气进口高度，出口高度： 2 h 2 h 16 根据工艺要求，进出口流速（一般为 12m/s-30m/s）确定进出口面积，一般 希望进气在塔内能够分布均匀，且烟道呈正方形，故高度尺寸取得较小，但宽 度不宜过大，否则影响稳定性。其计算公式如下： Q h uL 式中： u烟气入口气速，一般取 1415m/s；本设计取 14m/s； L烟气进、出口宽度； Q高温(取 110)状态下烟气进口流量为： oC sm/95.287 273 110273 25.205 3 烟气进出口宽度占塔内径的 60%90%。本设计取入口宽度为内径的 90%，出口 宽度为内径的 70%。则： L入 =9.20.9=8.28m L出=9.20.7=6.44m 所以由上面公式得： =287.95148.28=2.48m，取 2.5m。 2 h =287.95146.44=3.19m，取 3.2 。 2 hm （3）浆液池高度： 3 h 浆池容量 V1的计算表达式如下： 11 L VQ t G 式中： L/G液气比，取 12.2L/m3； Q烟气标准状态湿态容积，m3/，Q=205.25m3/s；h t1浆液停留时间，48min，取 t1=6min=360s。 由上式可得喷淋塔浆液池体积： V1=(L/G) Qt1=12.2205.25360/1000=901.5m3 选取浆液池内径略大于吸收区内径，内径 D=9.3m。 17 根据 V 计算浆液池高度： 3 h m D v h3.13 3.9 5.90144 22 1 3 表 吸收塔高度参考表 项目范围 吸收塔入口宽度与直径之比/ % 6090 入口烟道到第一层喷淋层的距离/ m 23.5 喷淋层间距/ m 1.22 最顶端喷淋层到除雾器的距离/ m 1.22 除雾器高度/ m 2.03.0 除雾器到吸收塔出口的距离/ m 0.51 吸收塔出口宽度与直径之比/ % 60100 （4） 除雾区高度：本设计高度确定为 3.0m，即=3.0m。 4 h 4 h （5）烟道入口到第一层喷淋层的距离=23.5m；本设计取 3.0m。 5 h （6）烟气进口底部至浆液面的距离：一般定为 0.81.2m 为宜，本设计 6 h 方案取 1.1m。 （7）最顶层喷淋层到除雾器的距离=1.22m；本设计取 1.5m。 7 h （8）除雾器到吸收塔出口的距离=0.51m；本设计取 0.7m。 8 h 因此喷淋塔最终的高度为： H= m95.367.05.11.10.30.33.132.35.265.8 18 烟气的停留时间=（8.65+2.5+3.2）3.6=3.99s 表 喷淋塔设计参数 吸收塔主要设计参数表 项目数值 入口标况烟气量（湿）/ m3/h 6.82105 入口烟气温度/ 110 入口 SO2/ kg/h 4320 出口湿烟气量/ m3/h 7.47105 亚硫酸钙氧化停留时间/min 6 钙硫摩尔比 1.1 脱硫浆液含固量/% 20 脱硫效率/% 88 吸收塔各部分尺寸/m 直径 D 9.2 吸收区高度 1 h 8.65 烟气进口高度 2 h 2.5 烟气出口高度 2 h 3.2 浆液池高度 3 h 13.3 除雾区高度 4 h 3.0 烟道入口到第一层喷淋层的距离 5 h 3.0 烟气进口底部至浆液面的距离 6 h 1.1 最顶层喷淋层到除雾器的距离 7 h 1.5 除雾器到吸收塔出口的距离 8 h 0.7 喷淋塔的最终高度H 36.95 19 氧硫比 1.0 浆液 pH 值 5.856.15 喷淋区直径/m 9.20 浆液池直径/m 9.30 塔高/m 36.95 三、 总平面图设计 1.一般规定 (1) 脱硫装置的总体设计应符合下列要求： 工艺流程合理，烟道短捷； 交通运输便捷； 方便施工，有利于维护检修； 合理利用地形、地质条件； 充分利用厂内公用设施； 节约用地，工程量小，运行费用低； 符合环境保护、劳动安全和工业卫生要求。 (2) 技改工程应避免拆迁运行机组的生产建（构）筑物和地下管线。当不能避 免 时，应采取合理的过渡措施。 (3) 吸收剂卸料及贮存场所宜布置在对环境影响较小的区域。 2.总平面布置 (1) 吸收塔宜布置在烟囱附近，浆液循环泵应紧邻吸收塔布置。吸收剂制备及 脱硫副产品处理场地宜在吸收塔附近集中布置，或结合工艺流程和场地条件 因地制宜布置。 (2) 脱硫装置与主体工程不能同步建设而需要预留脱硫场地时，宜预留在紧邻 锅炉引风机后部烟道及烟囱的外侧区域。场地大小应根据将来可能采用的脱 硫工艺方案确定。在预留场地上不应布置不便拆迁的设施。 20 (3) 事故浆池或事故浆液箱的位置应考虑多套装置共用的方便。 (4) 脱硫废水处理间宜紧邻石膏脱水车间布置，并有利于废水处理达标后与主 体工程统一复用或排放。紧邻废水处理间的卸酸、卸碱场地应选择在避开人 流的偏僻地带。 (5) 石膏仓或石膏贮存间宜与石膏脱水车间紧邻布置，并应设顺畅的运输通道。 石膏仓下面的净空高度应确保拟采用的石膏运输车辆能够通畅。 (6) 脱硫场地的标高应不受洪水危害。脱硫装置若在主厂房区环形道路内，防 洪标准与主厂房区相同；若在主厂房区环形道路外，防洪标准与其他场地相 同。 (7) 脱硫装置主要设施宜与锅炉尾部烟道及烟囱零米高程相同，并与其他相邻 区域的场地高程相协调，有利于交通联系、场地排水和减少土石方工程量。 (8) 新建电厂，脱硫场地的平整及土石方平衡应由主体工程统一考虑。技改工 程，脱硫场地应力求土石方自身平衡。场地平整坡度视地形、地质条件确定， 一般为 0.52.0%；困难地段不小于 0.3%，但最大坡度不宜大于 3.0%。 (9) 建筑物室内、外地坪高差应符合下列要求： 有车辆出入的建筑物室内、外地坪高差，一般为 0.150.30m； 无车辆出入的室内、外高差可大于 0.30m； 易燃、可燃、易爆、腐蚀性液体贮存区地坪宜低于周围道路标高。 (10)当开挖工程量较大时，可采用阶梯布置方式，但台阶高差不宜超过 5m，并 设台阶间的连接踏步。挡土墙高度 3m 及以上时，墙顶应设安全护栏。同一套 脱硫装置宜布置在同一台阶场地上。卸腐蚀性液体的场地宜设在较低处，且地 坪应做防腐蚀处理。 (11)脱硫场地的排水方式应与主体工程相统一。 3.交通运输 (1) 脱硫岛内道路的设计，应保证脱硫岛的物料运输便捷，消防通道畅通，检 修方便，并满足场地排水的要求。并符合 GBJ22 的要求。 (2) 吸收剂运输应考虑防潮、防洒落和防扬尘等措施。 21 (3) 脱硫岛内的道路应与厂内道路形成路网。并根据生产、生活、消防和检修 的需要设置行车道路、消防车通道和人行道。 (4) 物料装卸区域停车位路段纵坡宜为平坡，当布置困难时，坡度不宜大于 1.5%， 应设足够的汽车会车、回转场地，并按行车路面要求进行硬化处理。 (5) 脱硫岛内装置密集区域的道路宜采用混凝土块铺砌等硬化方式处理，以便 于检修及清扫。 (6) 进厂吸收剂应设有计量装置和取样装置，也可与电厂主体工程共用。 4.综合管线布置 (1) 脱硫设备的管线综合布置应与主体工程协调一致，主要管架和沟道、电缆 桥架宜集中布置，并留有足够的管线走廊。浆液管道布置应考虑坡度，不出 现低洼弯点。在寒冷地区，应考虑电伴热或蒸汽伴热等防冻措施。管架、管 线和沟道宜沿道路布置，地下管线和沟道一般宜敷设在道路行车部分之外， 当确需沿道路下敷设或与道路交叉时，应根据实际情况采取加固等防护措施。 (2) 架空管道在跨越道路时应符合 HJ/T179-2005 和 DL5000 的规定。 四、配套设施设计计算 1.增压风机的选型 根据实际需要，增压风机的位置选在进入 GGH 之前，一方面可以防止防腐不 过关的问题，一方面可以大大降低初期投资。 增压风机的选型，根据需要可以选择离心风机、静叶可调轴流式风机(静调 风机)和动叶可调轴流式风机(动调风机)。离心风机由于存在体积大、占地面积 大及检修吊起困难等弊端，在烟气脱硫工程中较少被采用，增压风机一般选择 轴流风机。 由于静调风机有结构简单、转速较低、可靠性较高、初投资和维修费用低 等优点，同时考虑到本设计中电厂的发电功率不算很大，风机负荷不算重，不 需要用动调风机，故选用静调风机，配 2 台。 22 2.烟气换热器的选型 GGH 的作用是降低进入吸收塔原烟气的温度，使其适合脱硫反应的最佳温 度；提高净烟气温度，避免烟气进入烟囱后发生低温腐蚀并利于排烟。烟气换 热器有回转式、管式换热器 2 种。 针对该工程实际情况，考虑到占地面积尽量小、辅助设备尽量少、设备投 资及运行维护费用尽量少、运行可靠性能尽量高、操作尽量简易等因素，采用 1 台回转式换热器作为该脱硫工程的烟气换热器。 3.浆液循环泵的选型 吸收塔再循环泵安装在吸收塔旁，用于吸收塔内石膏浆液的再循环，采用单 流和单级卧式离心泵。由于吸收塔循环液是固液双相流介质，这种高速流动且 成分复杂的介质对循环泵的用材提出了苛刻的要求。浆液循环泵过流部件耐蚀、 耐磨性能是决定泵使用寿命的重要指标。 合金泵具有结构简单、运行可靠、寿命长、维修量小的特点，故选用合金泵 作为本设计的浆液循环泵。 浆液再循环系统采用单元制，每个喷淋层配一台浆液循环泵，共 5 台。 浆液循环量由液气比和烟气流量共同决定。本设计中由于液气比 G L =12.2L/m3，烟气量为 205.25m3/s，因此浆液循环量为 G L hmsLL/6.9014/0.250425.2052.12 3 每台浆液循环泵的循环量为 2253.6m3/h，取为 3000m3/h。 4.氧化风机的选型 亚硫酸钙和亚硫酸氰盐的氧化分为两个部分，一是吸收塔内烟气中氧气进 入浆液液滴的自然氧化，二是空气通过曝气管网进入浆液池的强制氧化。 氧化风机设在氧化风机房内，其作用是为吸收塔浆池中的浆液提供充足的氧 化空气。风机主要有 3 类：离心风机、轴流风机和罗茨风机。由于罗茨风机为 高压恒流风机，风压最高可达 150KPa，且适合恒流量负载的情况，因此选用罗 23 茨风机。 考虑空气富裕量，氧化所需的氧气量等于 SO2 的产生量，即 0.42m3/s,取空 气湿度为 0.0116 所以鼓风风量为 hmsm/2.7311/03.2)0116.01()78.31(42.0 33 选用 2 台 RT-300 的罗茨风机，转速为 1086rpm，功率 37.00kw，一台备用。 5.氧化吸收池搅拌机的选型 在吸收塔底部，石灰石浆液经过脱硫过程之后，变成了 CaSO3和 ，此时为了使氧化风机鼓入的空气能够充分地和 CaSO3和 OHCaSO 23 2 1 接触，以便充分氧化，需要 CaSO3和的混合溶液内部 OHCaSO 23 2 1 OHCaSO 23 2 1 颗粒分布均匀，在这种情况下，需要使用搅拌器来使溶液悬浮颗粒均匀混合， 同时增大和空气接触的面积。 在吸收塔浆液池的下部，沿塔径向布置四台侧进式搅拌器，其作用是使浆液 的固体维持在悬浮状态，同时分散氧化空气。搅拌器安装有轴承罩、主轴、搅 拌叶片、机械密封。搅拌器叶片安装在吸收塔降池内，与水平线约为 10 度倾角、 与中心线约为-7 度倾角。采用低速搅拌器，有效防止浆液沉降。搅拌桨型式为 三叶螺旋桨，轴的密封形式为机械密封。吸收塔搅拌器的搅拌叶片和主轴的材 质为合金钢。在运行时严禁触摸传动部件及拆下保护罩。向吸收塔加注浆液时， 搅拌器必须不停地运行。 6.石灰石浆液制备系统 石灰石块（粒度20mm）经电厂自备汽车运输卸入卸料斗，再经挡边带式输 送机送入石灰石贮仓。石灰石块通过安装在贮仓下部的皮带称重给料机，将一 定量的石灰石送入湿式球磨机的磨头，并与水混和进入湿式球磨机研磨，研磨 后的半成品从磨尾出来流入石灰石浆液循环池，石灰石浆液循环池上的石灰石 浆液循环泵将石灰石浆液打入石灰石浆液旋流站，石灰石浆液经旋流后，合格 24 的石灰石浆液溢流进入石灰石浆液箱，不合格的石灰石浆液返回湿式球磨机的 除尘设备磨头重新研磨。石灰石浆液循环池、石灰石浆液箱上安装有搅拌器， 以防浆液沉淀。石灰石浆液箱中的