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脱硫工艺过程介绍及控制方法摘要：从煤燃烧中降低SO2的排放的方法包括流化床燃烧(CFB)和整体气化燃烧循环(IGCC)发电。常规的火力电厂主要通过加装烟气脱硫装置(FGD)进行烟气脱硫。基于对烟气脱硫工艺过程和自动化控制的认识变得迫切，本文重点介绍几种常用电厂脱硫工艺原理和控制方法。1.常用烟气脱硫工艺原理： 目前，几种常用成功的电厂烟气脱硫工艺原理介绍如下。11 石灰石灰石洗涤脱硫工艺：（后面详细介绍）石灰石灰石洗涤器一般用于大型的燃煤电厂，包括现有电厂的改造。湿法石灰石灰石是最广泛使用的FGD系统，当前流行的石灰石灰石FGD系统的典型流程如图所示。石灰石的FGD几乎总能达到与石灰一样的脱硫效率，但成本比石灰低得多。从除尘器出来的烟气进入FGD吸收塔，在吸收塔里S02直接和磨细的石灰石悬浮液接触并被吸收去除。新鲜的石灰石浆液不断地喷人到吸收塔中，被洗涤后的烟气通过除雾器，然后通过烟囱或冷却塔释放到大气中。反应产物从塔中取出，然后被送去脱水或进一步进行处理。湿法石灰石根据其氧化方式不同一般可以分为强制氧化方式和自然氧化方式。氧化方式由化学反应，吸收浆液的PH值和副产品决定。其中强制氧化方式(PH值在56 之间)在湿法石灰石洗涤器中较为普遍，化学反应方程式如下： CaCO3 +SO2+12O2+2H2O=CaSO42H2O+CO2图示是石灰石洗涤器中最简单的布置，目前已成为FGD的主流。所有的化学反应都是在一个一体化的单塔中进行的。这种布置可以降低投资和能耗，单塔结构占地少，非常适用于现有电厂的改造。因其投资低，脱硫效率高，十分普及。12 海水洗涤脱硫工艺： 由于海水中含有碳酸氢盐，因而是碱性的，这说明在洗涤器中有很高的SO2脱除效率。被吸收的SO2形成硫酸根离子，而硫酸根离子是海水中的一种自然组分，因而可以直接排放到海水中。此工艺设备简单，不需要大量的化学药剂，基建投资和运行费用低。脱硫率高，可连续保持99%的二氧化硫除去率，能够满足严格的环保要求。图示烟气首先在除尘器里过滤，通常为织布式过滤器或静电除尘器。随后，烟气进入二氧化硫吸收塔，塔内烟气流向与从上晚往下流的海水方向相反。二氧化硫吸收塔式有隔板的塔式设计，在海水和烟气之间提供较大的接触面积。这样可以获得较高的二氧化硫去除率。由于海水和烟气直接接触，使得离开吸收塔的处理过的烟气得到冷却，因此，该烟气在烟囱排出之前需再热。 烟气海水脱硫工艺利用电厂冷凝器排出的冷却海水。一小部分海水泵到吸收塔顶部，流向塔内的接触床层，在塔内二氧化硫被海水吸收。酸化的海水收集在吸收池里，靠重力流向海水处理厂(SWTP)。酸化的海水在SWTP混合室里与其它冷却海水混合，然后流向下一步骤得到氧化。通过大功率的工业风扇，空气被引人海水里。此时，二氧化硫转化为流酸根，水接近被氧气饱和，在海水排回海洋前，海水PH值又恢复中性。13 双碱法洗涤脱硫工艺：双碱法在70年代和80年代早期主要用于美国，早期，湿法石灰石洗涤器有时会遇到结垢的问题，而双碱法则可以避免这些问题。随着对洗涤过程更深入的理解，采用简单的湿法吸收塔解决了结垢问题，使得双碱法逐渐失去了其普遍性。在第一阶段中SO2被碱性物质，如亚硫酸钠和硫酸铝吸收，然后在第二阶段中则加入石灰或石灰石来沉淀亚硫酸钙或硫酸钙。亚硫酸钠和石灰石系统的工艺可以描述如下： Na2SO3+SO2+H2O=2NaHSO3 2NaHSO3+CaCO3=Na2SO3+CaSO3 1/2H2O+1/2H2O+CO2亚硫酸氢钠通过在排出液中加入石灰石后进行再生。采用石灰石代替石灰降低了反应剂的费用。自从湿法石灰石洗涤工艺能无结垢问题而成功运行以来，在新的电厂中很少采用双碱法了。14碳酸钠湿法脱硫工艺：采用钠基吸收剂的湿法洗涤器主要在美国使用，尤其是在较小的电厂和工业锅炉上。这种工艺的吸引人之处在于他们的低投资。由于所需要的吸收剂的量较少，因而所需的吸收剂和脱硫产物的处理设备也较少，但是这些工艺只能用在有钠基吸收剂供应，并且价格合理的地方。钠基洗涤器主要安装在工业锅炉和城市垃圾焚烧炉上。副产品是可以出售给造纸厂的亚硫酸钠，可以出售给玻璃厂的硫酸钠和废硫酸钠盐。15 镁洗涤脱硫工艺：在镁洗涤法中的吸收剂是在消石灰中加入氢氧化镁，然后再加到海水中以提高其碱度。从1980年代早期开始该工艺代替了钠洗涤法，因为氢氧化镁要比氢氧化钠或碳酸钠作为吸收剂要便宜得多。产生的副产品是硫酸盐废液。大约有100个机组已采用了本工艺，主要是工业燃煤锅炉。 本工艺的特点是硫酸镁可以直接排放到海中，因为硫酸镁本身就是海中的一种组份。脱硫效率大于 95。16 氨湿法洗涤脱硫工艺：在Walther工艺中SO2是被液态氨吸收的，结果生成硫酸铵，这是一种肥料。但是在工业化国家中，从其他方面来的这种肥料已经过剩了。因而，一般很少采用。17 喷雾干燥脱硫工艺：（干式脱硫技术、后面有介绍） 喷雾干燥脱硫是一种相对较新的FGD 技术，初期投资较低，但脱硫剂用量较大，因而常常被用于燃用中低硫煤(15)的中小型锅炉。该工艺尤其适用于电厂改造和调峰电站的应用。喷雾干燥脱硫的副产品是亚硫酸钙、硫酸钙、飞灰和未反应的氧化钙的混合物。由于有CaO的存在原先只能用于填埋，而现在也逐渐有了新的建材方面用途。 喷雾干燥脱硫工艺见流程简图，系统主要有喷雾干燥吸收塔，电除尘器或布袋除尘器粉尘控制设备，物料循环处置设备。吸收 SO2的吸收剂是典型的石灰(CaO)。用过量的水混合石灰，或消化成石灰浆，石灰浆在喷雾干燥吸收塔内被雾化成细液滴以除去SO2。水被烟气所蒸发，烟气在吸收塔内有足够的停留时间使SO2和其它酸性气体如SO3、HCl等同时和氢氧化钙反应，生成亚硫酸钙硫酸钙和氯化钙。由于水分在喷雾干燥塔内被完全蒸发，所以本工艺不需要从烟气中脱除SO2相关的化学过程是一个简单的酸碱吸收反应，S02和消石灰之间的反应如下： Ca(OH)2+SO2=CaS03+H2O CaSO3+12O2+2H2O=CaSO42H2O 影响上述化学吸收反应的主要因素是：烟气温度、烟气湿度、SO2浓度以及石灰浆雾化液滴的大小。值得注意的是在干燥喷雾脱硫工艺中SO2和HCl的脱除率为95，远远大于湿法脱硫工艺中SO2和HCl的脱除率。18烟气脱硫方法简表2.烟气脱硫过程自动控制系统：这里以湿法石灰浆烟气脱硫工艺为背景介绍控制系统的任务，自动控制要完成对烟气系统、浆液系统、工艺水系统的流程参数进行监控保护，与传统的电厂DCS对发电工艺过程进行自动化控制一样，设有过程自动控制系统和上位监控系统，自动控制系统通过测量模件检测生产过程热工参数，在控制器中进行修正、补偿、开环、闭环运算，同时在操作员监控终端上进行监控，系统运算结果输出控制现场执行设备。自动控制系统还需要与就地的磨粉机、旋转分离器、增压风机、GGH、烟气挡板、循环泵、皮带机、储液罐、上下料机、料仓等设备自带的电气设备和电气控制柜进行连接，使工作人员在中央控制室通过对控制系统屏幕的观察和操作，能够对这些设备进行监视、控制、报警、保护，以及对历史运行状况的记录。脱硫工艺过程常规测量参数：压力：风压、水压、灰浆压力、烟道负压等；温度：水温、进出烟温、塔温、灰浆温度等；流量：汽量、烟气量、氧量、石灰石量、二氧化硫量等；料位：浆池液位、水位、料仓料位等；重量：石灰石料重、石膏料重等 ；环保参数：O2,SO2NOX,CaCO3、CAS04等。3.湿法脱硫主要工艺系统介绍： 湿法脱硫系统主要流程图 如图3-1。3.1湿法脱硫核心装置吸收塔及其脱硫原理吸收塔的作用是用来去除烟气中的SO2、SO3、氟化氢、氯化氢和尘土。在不断添加新鲜石灰石浆液的情况下，石灰石浆液、过程副产品和水的混合物在吸收塔再循环箱与喷林层之间循环流动。石灰石浆液在喷嘴被雾化成规定直径的液滴，当这些液滴返回再循环箱时，与从吸收塔下部进入吸收塔容器而在吸收塔内上升的烟气形成对流，这样，烟气中的SO2、SO3、氟化氢、氯化氢和尘土等就被吸收和中和了。被吸收的SO2与浆液中的石灰石反应生成亚硫酸根离子HSO3-，亚硫酸根离子HSO3-在再循环箱中氧化并结晶成石膏沉积在吸收塔的底部。吸收塔基本上可分为下列三个区：（1）洗涤区在此区，主要是SO2、SO3的酸成分被吸收和溶解在浆水中，吸收SO2成为亚硫酸HSO3-，随后被氧化成SO42- ，最后与石灰石反应。 （2）再循环箱 其用途如下：亚硫酸氧化成硫酸新鲜石灰石的溶解硫酸与溶解的石灰石反应形成石膏石膏晶体的长大（3）烟气区 在吸收塔的上部,烟气通过水平安装的除雾器以使夹带的液滴减少到最小程度。除雾器的清洗水可满足吸收塔所需用水。SO2、SO3、氯化氢的吸收烟气中的SO2、SO3溶解于浆液水滴并按下式反应：SO2 + H2O HSO3- + H+SO3+ H2O H2SO4亚硫酸H2SO3和硫酸H2SO4将被迅速中和,以便保持有效吸收SO2、SO3 与石灰石的反应CaCO3 + 2H+ + HSO3- Ca2+ + HSO3- + CO2 + H2OCaCO3 + H2SO4 CaSO4 + CO2 + H2OCaCO3 + 2HCL CaCL2 + CO2 + H2O上述反应是在溶液中进行的离子反应。与石灰石的反应在再循环箱中进行。氧化反应由氧化风机吹入再循环箱的空气用来将亚硫酸H2SO3和硫酸H2SO4。氧化：2Ca2+ + 2HSO3- + O2 2CaSO4 + 2H+石膏的结晶：CaSO4 + 2H2O CaSO4+ 2H2O结晶主要在再循环箱中进行。再循环箱中的PH值由石灰石定量给料控制，大约为5.7。此PH值为石灰石反应速度和总石灰石化学计数系数(标准在1.02的范围)的函数。吸收塔为单闭开喷雾塔,在再循环箱的搅拌区装有强迫氧化系统。由于空气在液体中的精细分布和均匀分布，搅拌器空气喷射系统改善了往洗涤液的氧量输送。喷入吸收塔反应罐的氧化空气将亚硫酸HSO3-完全氧化成硫酸根离子SO42-。如上所述，当吸收SO2时，石灰石CaCO3 在与释放出的氢离子H+作用下溶解：CaCO3 + 2H+ Ca2+ + H+ + HCO3-Ca2+ + H+ + HCO3- Ca2+ + H2O + CO2 二氧化碳一旦生成，首先溶解于洗涤液，然后会由于洗涤液的冲气和搅拌而游离。与烟气中的二氧化碳含量相比，游离的二氧化碳可忽略不计。3.2 石灰石的供应和制浆系统碎石灰石用卡车送到现场，经过磁性分离器和振动给料机送到破碎机内，在破碎机的下游，螺旋输送机把经过预破碎的石灰石输送斗式提升机，再经过水平皮带输送机送到石灰石仓供湿式球磨机制浆用。制成的浆液自流至湿式球磨机的再循环箱，经旋流器站分离，分离后的石灰石浆液送至石灰石浆液箱，再由石灰石浆液泵连续不断地送入吸收塔。主要检测仪表：石灰石浆液箱液位、石灰石浆液密度、再循环箱液位、石灰石仓料位等。3.3 烟气系统来自锅炉引风机出口后的烟气，通过脱硫增压风机以及换热器降温后，送入吸收塔，烟气在吸收塔内进行脱硫、除雾，净化后的烟气从吸收塔顶部引出，经换热器升温（温度由50升高到80）后，通过原有烟囱排入大气。为了使锅炉的工作不受脱硫装置的影响，可使锅炉的烟气在通过吸收塔时，还通过旁路烟道（已有的管道）绕过脱硫装置送到烟囱。烟气管道系统配有档板装置。用密封风机向这些档板提供密封空气，可以在锅炉工作时在脱硫装置内进行维修和检验。主要检测仪表：FGD出入口烟气压力、原烟气SO2浓度、原烟气O2浓度、净烟气SO2浓度、净烟气O2浓度、净烟气NOX浓度、净烟气烟尘浓度、增压风机出入口压力、FGD出入口烟气温度以及旁路档板差压等。3.4 SO2吸收系统进入吸收塔的烟气立即冷却到露点温度，然后逆流通过喷雾层，在喷雾层与由吸收塔再循环泵循环并经吸收塔喷淋层雾化的石灰石、石膏和水组成的浆液接触，进行二氧化硫吸收的物理和化学反应。氧化风机向吸收塔下部的再循环箱送入足够的空气，使亚硫酸钙氧化为硫酸钙，最终生成石膏，再用石膏抽出泵将石膏浆排出送入脱水系统进行脱水处理。主要检测仪表：吸收塔液位等。3.5 石膏制备与抛弃系统作为湿法脱硫系统的副产品石膏浆液，主要由石膏、盐（氟化钙、氯化钙）、石灰石和粉尘组成。为了产生石膏，在初级的石膏旋流站脱水设备以后安装了采用真空皮带脱水机的次级脱水设备。石膏脱水初级石膏浆液用石膏抽出泵从吸收塔再循环箱送到石膏旋流站。石膏旋流站把石膏分成溢流和底流两部分。溢流中的主要部分含有较细的固体颗粒（细石膏颗粒、细石灰石、石灰石的不溶解的杂质和飞尘），这些固体颗粒在重力作用下返回吸收塔再循环箱内，而溢流中的废水在重力作用下离开脱硫系统。主要含有粗的石膏颗粒的浓缩的旋流器底流直接进入石膏浆液罐或回到吸收塔集水坑。石膏浆液在石膏浆液罐内经处理后用石膏浆液泵 送到皮带脱水机。石膏抽出泵始终是100%运转，和脱硫装置的负荷无关，所有石膏旋流器都是工作的。石膏旋流站的底流根据吸收塔内石膏浆液的密度（表示石膏浆液中固体含量的值）用一个两路分配器通过重力作用送到石膏浆液罐或送回吸收塔。石膏脱水次级石膏旋流站底部流出的石膏浆液在石膏浆液罐内被加到一层规定厚度的滤布上，以保证稳定的参数和脱水性能。通过在脱水机滤布的背面加上真空对这一层脱水。为了产生合格的石膏，必须保持石膏的氯化物含量低于一定的极限值。因此，在脱水过程中，用清工艺水清洗滤饼，把氯化物含量降低到要求值。由石膏浆液和清洗水组成的滤液用滤液分离器和真空气流分离后，被收集在滤液箱内，其中的水由滤液泵送到湿磨再循环箱内和送到球磨机的入口。从真空皮带脱水机排出的剩余含水率不大于10%（重量）的石膏直接被皮带脱水机送到石膏仓内。主要检测仪表：石膏浆密度、石膏浆PH值等。3.6 废水处理系统根据具体情况可设置废水处理系统，也可不设置废水处理系统，而将系统产生的废水自流至冲灰沟，并由灰浆泵排至电厂灰场。由于废水处理系统与脱硫系统关系不大，此处不详细论述。3.7 工艺水和氧化风系统工艺水主要由系统补充水和石膏清洗水及氧化风等部分组成。系统补充水锅炉送出的热烟气在吸收塔内冷却到饱和温度，饱和的冷烟气离开吸收塔以及随石膏、废水或到除灰系统的石膏浆液等由此引起的脱硫装置损失的水，必须通过加入适量的工艺水来补充。其余大部分的工艺水将用于除雾器冲洗以后直接回到吸收塔。石膏清洗水为了减少石膏中氯化物的浓度必须提供石膏清洗水，工艺水直接由工艺水泵送到皮带脱水机上。石膏清洗后，清洗水作为滤液的一部分储存在滤液水箱内。这些水将用于石灰石预处理。这样，就大大减少了水的消耗。氧化风系统3.8 排放系统排放系统由浆池和冲洗系统组成。在脱硫装置正常工作期间，某些装置停运或关闭后，要进行清洗处理。例如：如果热烟气中二氧化硫的含量要求停掉一台循环泵，这个泵和其循环管道系统内的石膏浆液将排出到排放系统。石灰石浆液预处理区的排放物被收集在石灰石浆液预处理装置坑内。在整个装置都排空的情况下，石灰石浆液罐和湿磨循环箱中多余的石灰石浆液将被泵送到吸收塔区集水坑。再从这个坑直接送到吸收塔或事故浆池。在正常工作期间，石灰石浆液预处理装置的集水坑的排放物将被送到石灰石浆液罐。吸收塔区集水坑的排放物被送到吸收塔或事故浆池。在正常工作期间，这个坑用于排空吸收塔循环管道系统。主要检测仪表：吸收塔区集水坑液位、事故浆池液位等。4 湿式脱硫仪表和控制4.1闭环调节回路(MCS)4.1.1 增压风机入口压力控制为保证锅炉的安全稳定运行，通过调节锅炉引风机后的增压风机导向叶片的开度进行压力控制，保持增压风机入口压力的稳定。为了获得更好的动态特性，可引入锅炉负荷和引风机状态信号作为辅助信号。在FGD烟气系统投入过程中，需手动协调控制烟气旁路挡板门及增压风机导向叶片的开度，保证增压风机入口压力稳定；在旁路挡板门关闭到一定程度后，压力控制闭环投入，关闭旁路挡板门。为保证系统的可靠，增压风机入口压力采用三通道测量。4.1.2 石灰石浆液浓度控制石灰石浆液制备控制系统必须保证连续向吸收塔供应浓度合适的足够的浆液。设定恒定石灰石供应量，并按比例调节供水量。通过石灰石浆液密度测量的反馈信号修正进水量进行细调。4.1.3 脱硫塔pH值及塔出口SO2浓度控制测量吸收塔前未净化和塔后净化后的烟气中SO2浓度、烟气温度、压力和烟气量，通过这些测量可计算进入吸收塔中SO2总量和SO2脱除效率。根据SO2总量，并测量浆液的总流量和密度（固体成份）来计算控制加入到吸收塔中的固态石灰石量。通过改变石灰石浆液流量调节阀的开度来实现石灰石量的调节。而吸收塔排出浆液的PH值作为SO2吸收过程的校正值参于调节。4.1.4 吸收塔液位控制吸收塔石灰石浆液供应量、石膏浆排出量及烟气进入量等因素的变化造成吸收塔的液位波动。根据测量的液位值，调节除雾器冲洗时间间隔，实现液位的稳定。4.1.5 石膏浆排出量控制根据吸收塔石灰石浆液供应量，并用排出石膏浆的密度值进行修正，以此改变三通阀开关方向，调节浆液排至石膏浆罐和返回吸收塔之间的时间比，控制石膏排出量。4.1.6 除上述主要闭环控制回路外,还有旁路档板差压控制、吸收塔供浆流量控制、石灰石浆液罐液位控制、石膏抽出泵出口浓度控制等。4.2 主要顺序控制（SCS）功能组包括脱硫系统启动、停止顺序控制、除雾器清洗、石灰石破碎输送系统、石灰石制浆系统顺序控制、石膏脱水系统以及浆液管道冲洗顺序控制功能组等。4.3 主要联锁保护4.3.1 FGD装置的保护动作条件包括FGD进口温度异常、进口压力异常、出口压力异常、增压风机故障、换热器故障、循环浆泵投入数量不足、热烟气和冷烟气档板打不开等。当发生上述情况时，旁路档板立即打开，通过烟气脱硫装置的烟气通道由于增压风机的停运和热烟气档板的关闭而被阻断。4.3.2 来自机组的FGD保护条件包括锅炉状态（MFT、火焰、吹扫等）、油燃烧器投入状况、煤燃烧器投入状况、电除尘电场投入状况等。4.3.3 为保证测量可靠，重要的保护用过程信号、状态等采用三取二测量方式。FGD保护动作时自动快速开启旁路挡板门，切除FGD。控制室设手动按钮，在紧急状态时强制动作旁路挡板门，保证锅炉安全运行。4.3.4 设计完善的联锁功能，如备用设备启停联锁、箱罐液位联锁、管道设备冲洗联锁等，使控制系统能对运行工况变化自动及时作出反应，保证系统稳定运行。4.3.5 在装置停机期间,装置中不同的管道系统中装有浆液,必须对这些管道系统进行冲洗,防止固体材料的沉淀。在储罐中的搅拌器仍保持工作。在短时间停机期间，吸收塔搅拌器、石膏储存罐搅拌器、集水坑搅拌器等必须保持工作。4.4烟气测量测量原烟气成份中的SO2、O2以及净烟气中的SO2、O2、NOX含量及烟尘浓度等。分析测量采用多组份气体分析仪，测量信号进入DCS并在FGD控制室中进行监测和控制。分析设备为操作全自动化，即包括校正程序，冷凝液排放等全自动控制，应具有压力、温度补偿功能等。烟气分析测点安装在吸收塔上游和下游的烟道内，并在入口和出口间保持距离。4.5 脱硫系统对相应机组运行的影响为克服FGD装置的阻力，在锅炉引风机后增设了一台脱硫增压风机。在增压风机入口设置压力变送器，在控制系统中设置增压风机入口压力控制回路，通过调节增压风机导向叶片的开度进行压力调节，保持增压风机入口压力的稳定。如果为了获得更好的动态特性，可引入锅炉负荷和引风机状态信号作为辅助信号。在FGD装置投入运行后，引风机出口压力基本稳定在FGD装置投入前的数值，引风机仍在原工况下运行，不影响锅炉的运行。通过设计完整的保护逻辑、安装紧急操作按钮、采用独立电源等措施，保证在需要切除FGD装置时，快速开启旁路档板门，保证锅炉安全运行。旁路档板门关闭时，其前后压力基本相同，因此，在开启过程中，引风机前后压力不会剧烈波动。脱硫其它辅助系统的运行相对独立，除增加耗电量、耗水量等指标外，与锅炉无其它关联，因此，不会影响锅炉的运行。4.6 湿法脱硫系统DCS系统设计4.6.1按照工艺分站原则：根据湿法脱硫的工艺特点，一般的单台锅炉的FGD系统的控制点数为1500点左右，另有电气系统约300点，烟气系统和石灰石的供应和制浆系统约500点可分配在一个控制柜内；吸收塔及SO2吸收系统约450点可以分配在一个控制柜内；石膏制备与抛弃系统约400点可以分配在一个控制柜内；剩余的工艺水和氧化风等公用系统、排放系统及ECS系统共约450点左右可以分配在一个控制柜内。4.6.2与其他系统的通讯规划：脱硫岛DCS与主厂房DCS之间，与厂级MIS系统之间，根据需要进行通讯。5.ICFB（干法）脱硫控制系统简介5、1主要调节系统*脱硫剂给料量控制根据反应塔入口和出口中的SO2含量控制熟石灰的给料量，以确保烟囱排烟中的SO2的排放大致标准。*循环灰量控制循环循环液化床内的固/气比或固体颗粒浓度是保证其良好运行的重要参数。固/气比可以通过反应塔底部和顶部的差压P来表示。固/气比越大，表示固体颗粒浓度越大，在反应塔中的压力损失越大。根据反应塔底部和顶部的压差P来控制反应器进口的 回灰量，将P在一定的范围内，从而保证反应塔内必需的固/气比，使反应塔始终处于良好的运行工况。*反应塔烟温控制根据反应塔顶部的烟气温度直接控制反应器底部的喷水量，以确保反应塔内温度处于最佳反应温度范