毕业设计（论文）-石灰石-石膏湿法烟气脱硫吸收塔设计

石灰石一石膏湿法烟气脱硫吸收塔设计一、石灰石—石膏湿法脱硫技术介绍 1 1 1二、石灰石—石膏湿法烟气脱硫系统的构成 21.SO₂吸收系统 2.烟气系统 33.石灰石浆液制备系统 34.石膏脱水系统 35.供水和排水系统 3 4 4 5三、湿法烟气脱硫的主要影响因素 5 52.液气比(L/G) 63.浆液pH 64.钙硫比(Ga/S) 6 76.烟气含尘浓度 7四、工艺设计计算 7 72.燃煤成分分析 83.烟气量的计算 84.石灰石消耗量 5.吸收塔设计 2)吸收塔设计计算 6.吸收塔内部设备选型及设计 7.吸收塔附属设备的选型和设计 1)循环系统的设计 2)氧化风机的设计及选型 3)烟气再热系统的设计 4)氧化吸收池搅拌机的选型 215)石灰石浆液泵的选型 6)脱硫增压风机的选型 五、石灰石—石膏湿法脱硫塔结垢问题 22 22.控制技术防止结垢措施 3.使用氧化抑制剂 4.运行中的措施 24六、FGD可靠性备用策略 八、课程设计体会……………………十一、参考文献……………1石灰石—石膏湿法脱硫工艺已有几十年的发展历史，技术日趋成熟、完据有关资料介绍，国外应用的脱硫工艺85%是湿法，特别是日本，几乎全部采用湿法脱硫工艺。根据吸收剂的不同，湿法脱硫工艺又有多种不同工艺，常见的石灰石—石膏法、石灰—石膏法、海水法、氨法、双碱法、氢氧化镁法、氢氧化钠法、WELLMAN—LORD法等。其中石灰石—石膏法由于具有吸收剂资源丰富、成本Figure1.1石—石膏湿法脱硫工艺流程图工艺水吸收塔湿式球磨机过滤水泵真空系统灰石浆换热器废水旋流器门循环浆泵石灰石旋流石膏旋流器石灰石合,烟囱CO、SO、HCINO、N₂等气体，飞灰中有Na、K、Cl及其他物质，所以用石灰石浆液脱除烟气中SO₂是一个十分复杂的体系。有研究认为，这些物质石灰石湿法烟气脱硫反应机理复杂，主要反应为烟气中的SO₂先溶解于吸收液中，然后解离成H+和HSO₃:式(2—1)为慢反应，是速率控制过程之一。在吸收塔底部的浆液槽中，HSO₃被通入的空气强制氧化成SO₄2-;)2SO₄2-+2H+该氧化反应要求pH值小于5.5。自然氧化工艺中，HSO₃32C2Ca2a氧化不完全，在浆液槽中是由石灰石、碳酸氢钙和石膏等组成的浆状混合物，其部分被强制循环，部分作为产物排出，同时补充新鲜的SO+CCO+¹oHO—2二、石灰石—石膏湿法烟气脱硫系统的构成石灰石—石膏湿法烟气脱硫工艺，整套系统由以下子系统构成(1)、SO₂吸收系统；(2)、烟气系统；(3)、石灰石浆液制备系统；(4)、石膏脱水系统；(5)、23供水和排水系统；(6)、压缩空气系统；(7)、废水处理系统；(8)、FGD公用系统烟气由进气口进入吸收塔的吸收区，在上升过程中与石灰石浆液在吸收塔中接触(一般采用逆流),烟气中的二氧化硫溶于石灰石浆液中并与碳酸钙发生化2.烟气系统3.石灰石浆液制备系统旋流器溢流口流入石灰石浆液箱，不合格的从旋流器底流再送入磨机口再次研磨。4.石膏脱水系统石膏一级脱水系统：在吸收塔浆液槽中形成的石膏，通过吸收塔排出泵将其输送到石膏旋流站，石膏旋流站包括多个石膏旋流子，使石膏浆液通过离心旋流而脱水分离，使石膏水分含量从80%降到40%—50%。旋流站安装在脱水车间的上石膏二级脱水系统：从一级脱水系统来的旋流器底流，直接进入真空皮带脱水机进行过滤冲洗，得到主要副产物石膏饼。真空皮带脱水机在设计上可连续运行也可间歇运行。脱水后石膏的品质按湿度≤10%、含氯量≤10010⁶考虑。石(1)、供水系统。从电厂供水系统引接至脱硫塔的水源提供脱硫塔工业和工4工业用水：除雾器冲洗水及真空泵密封水，冷却水冷却设备后排至吸收塔排工艺用水：石灰石浆液制备用水，烟气换热器冲洗(2)、排水系统：FGD塔内设置一个公用的事故浆液箱，事故浆液箱的容量应该满足单个吸收塔检修排空时和其他浆液排空的要求，并作为吸收塔重新启动时的石膏晶种。FGD装置的浆液管道和浆液泵等，在停运时需要进行冲洗，3重新水就近收集在各个区域设置的集水坑内，然后用泵送至事故浆液箱或吸收塔浆6.压缩空气系统按需要应设置足够容量的储气罐，仪用稳压罐和杂用储气罐分开设置。贮气罐的工期能力应满足当全部空气压缩机停运时，依靠贮气罐的贮备，能维持整个脱硫控制设备持续工作15min的耗气量。气动保护设备和远离空气压缩机房的用气点，宜设置专用的稳压贮气罐。贮气罐工作压力按0.8MPa考虑，最低压力不应低于0.6MPa。7.废水处理系统脱硫废水→中和箱(加入石灰乳)→沉降池→(加入助凝剂)→澄清池→清在石灰石—石膏FGD工艺中，不可避免要产生一定量的废水，这主要是因为烟气中氯化物的溶解提高了脱硫吸收液中氯离子的浓度。氯离子浓度的增高带来两个不利的影响：一方面降低了吸收液的pH值，从而引起脱硫率的下降和CSOa结垢倾向的增大；另一方面，在生产商用石膏的回收工艺中，对副产品石膏的杂质含量有一定的要求，氯离子浓度过高将影响石膏的品质。一般应控制洗手液中氯离子含量低于20000mg/L。FGD装置的废水主要来自石膏脱水系统的旋流器溢废水处理工艺大致分为中和、脱重金属、絮凝、浓缩、澄清、污泥处理几部58.FGD公用系统FGD公用系统主要由工艺水和压缩空气系统组成。一般一塔设有一个工艺水冲洗水泵对设备和管道进行冲洗。装置和分析装置的冲洗气。杂气用于换热器吹扫和设备检修。三、湿法烟气脱硫的主要影响因素石灰石—石膏湿法脱硫的主要影响因素有烟气流速、(液气比)L/G、浆液PH、钙硫比(Ga/S)、烟气温度、烟气含尘浓度。烟囱入口烟气温度吸收剂利用率石膏表面水质量百分比CaCO残留质量百分比浆液密度亚硫酸盐质量百分比液气比1.烟气流速在保证除雾器对烟气中所携带水滴的去除率及吸收系统压降允许的条件下，适当提高烟气流速课家具烟气和浆液液滴之间的湍流强度，从而增加两者之间的从而提高脱硫效率。64.2m/s是性价比较高的流速区域。本设计采用3.8m/s的流速。2.液气比(L/G)操作范围为15~25/m3[2]。美国能源部编制的FGD—PRISM程序的优化计算，L/G以15/m³为宜。此时二氧化硫的去除率已接近100%"。二氧化硫是酸性气体，因此理论上脱硫效率随pH值的升高而升高。但是另一方面，较低的pH有利于石灰石的溶解、HSO₃的氧化和石膏的结晶，但工业运行结果表明较低的PH值可降低堵塞和结垢的风险。PH对吸收塔的影响是非常复杂和重要的。pH值控制在5.0—5.5为宜2。钙硫比是影响脱硫效率和效益投资的一个重要因素。钙硫比是指G摩尔比，理论情况下钙硫比为1:1,但CaCO₃是难溶于水的物质，而且SO₂的吸收是液气反应，反应速率比较低，因此为了保证足够的去除效率必须提供更高电力损耗、吸收塔浆液池等提出更高要求，必然会造成过高的投资用。由于石灰石的溶解度较低，其供给量的增加将导致浆液浓度的提高，会引起石灰石的过饱和凝聚，最终使反应的表面积减小，脱硫效率降低³。因此合理实验表明，当Ga/S=1.02—1.05时，脱硫效率最高，吸收剂具有最佳的利用7率，当钙硫比低于1.02或高于1.05时，吸收剂的利用率均明显下降。而且，当钙硫比大于1.05以后，脱硫效率开始趋于稳定④。5.烟气温度的吸收5。参考已有建厂数据取吸收塔进口温度为102℃,出口温度为47℃。6.烟气含尘浓度烟气中二氧化硫主要依靠浆液中Ca²+来去除，烟气中含尘浓度过高将对Ca²+溶解速率产生一定的影响。粉尘中的氟、铝、等形成络合物，对石灰石颗粒形成包裹，不但会使石膏浆液中含有过多细小的石灰石颗粒，而且还会使浆液pH值下降，对于二氧化硫的吸收造成不利影响，导致脱硫效率降低。另外飞灰中风向北风西北风西风南风东南风西南风静风8电厂风频玫瑰图如下图所示：S从电厂风向频玫瑰图可以看出电厂所在位置北风、西北风、西风出现频率比较高，因此在设计厂区布置时要注意工厂居住区要避开下风区，尽量减小烟气污染对人造成的影响。2.燃煤成分分析燃煤成分对于分析烟气中硫含量以及确定脱硫率、石灰石用量等都可以作为分析依据，根据设计任务书所给的煤含量，以每小时90t作为单位进行分析，各组分含量如表所示：成分C灰分SH水分09含量(t/h)(1)、煤燃烧烟气量计算将煤的成分做如下表处理：成分C灰分SH水分O含量(g/s)物质的量(mol)生成烟气中含量分别为1472.97mol;21.09mol;根据课程设计要求，本设计采用过剩空气系数a=1.1,按照标准大气压，取空气湿度为0.016,则所氧化所需要的空气量为：完全燃烧产生烟气量为：(2)、烟气中SO₂浓度(取1s的消耗量进行分析)按照标况下，烟气的总体积为：烟气中SO₂的物质的量为：则烟气中二氧化硫质量浓度为：烟气中二氧化硫摩尔百分含量为：972m根据课程设计要求，取SO₂的去除率为90%。则吸收塔出口烟气的二氧化硫浓度为：4.石灰石消耗量本设计取液气比为15/Lm³,据此可得吸收塔中浆液流速为：根据课程设计任务要求，本设计取钙硫比(Ga/S)为1.15,则钙的摩尔消耗根据课程设计要求，石灰石纯度为90%,则石灰石的消耗量为：5.吸收塔设计1)吸收塔的选型吸收塔是湿法脱硫装置的核心设备，SO₂的吸收与脱硫产物亚硫酸钙的氧为喷淋塔、填料塔、喷气鼓泡塔、双回路塔、液柱/填料吸收塔等形式。各类型吸收塔的比较如下表所示：喷淋塔填料塔鼓泡塔液柱塔结构与原理塔内上部设多层喷嘴，浆液经喷嘴雾化后向下喷淋，SO2吸收区为空塔段，浆液以弥散的雾状通过吸收区与逆流的烟气传质以球状高分子材料或格栅为填料，浆液自上而下流过填料，在填料表面形成液膜，顺流的烟气流过填料间隙，与液膜发生传质入浆液内，烟浆液中鼓泡向上逸出，气泡在逸出过程中与浆液传质吸收区为空塔段，塔内下部喷嘴以液柱形式向上喷射浆液，烟气自径向进入塔内。液柱上行至最高点，而后弥形式下落，浆液在上下行程中与上行烟气传质脱硫率90%左右优缺点液气比最小，液气接触面积大，塔内结构简单，系统压力损失小，但喷嘴易堵塞、磨损，对脱易结垢、堵塞，系统阻力较大，对石灰石粒径和烟气含尘量要求不需浆液循环泵、喷嘴，气液接触面大，不受烟气含尘量影响，但系统阻力大，装大喷嘴孔径较大，不易堵塞，对脱硫剂粒径及烟气含尘量要求低，工作稳定喷淋塔在全世界的湿法FGD系统中占有突出的地位，喷淋塔一般有3—4个喷淋联管，每个联管都装有很多喷嘴，磨细的石灰石粉的悬浮液经喷嘴雾化后均匀地喷淋于塔中。进入吸收塔的烟气可以与自由移动的液滴紧密接触，一般以逆流方式布置，且不设气流限制装置。所带出的液态雾滴主要是为解决装有内部构件的吸收塔的结垢问题。由于喷淋塔结构简单，操作与维护方便，脱硫效率高而且较成熟，喷淋塔成为湿法脱硫工艺的主流塔型。因此本工艺选择喷淋塔脱硫技2)吸收塔设计计算(1)、吸收塔直径的计算吸收塔的直径(D)可由吸收塔出口实际烟气体积流量和烟气流速因此，本工程的实际烟气流速设为3.8m/s。吸收塔直径计算公式为：Z取整为10m。(2)、吸收塔塔高设计平均容积负荷的定义为：含有二氧化硫的烟气通过喷淋塔，塔内喷淋浆液将均容积吸收率，以ζ表示，其表达式为：η—给定的二氧化硫吸收率(%);本设计方案为90%h₁—吸收塔内吸收区高度，m;作温度(℃);由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：积分数);a—为单位体积内的有效传质面积，mm²³;△m,—为平均推动力，即塔底推动力，所以吸收效率所以又因为将ξ单位换算成ym(yy₂)/ln(y₁2)G=22.4(273t)/273流速u(×喷淋塔操作温度烟气流速u=3.8m/s,脱硫效应η=0.9,前面已经求得原来烟气二氧化硫的质量浓度。由已有经验，吸收率范围在5.5～6.5kg/(ms)之间，本设计取ξ=6kg/(m·s)。则可以得到：可得到h₁=11.65m。浆液池高度(h₂)浆池容量V1的计算表达式如下：_式中：L/G—液气比，取15L/m³;Q—烟气标准状态湿态容积，m³/h,Q=207.485m³/s;t1—浆液停留时间，4~8min,取t1=4min=240s。选取浆液池内径略大于吸烟气进口高度(h₃)、出口高度h₃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。本设计进出口流速取14m/s。进口高度：除雾区高度(h₄)除雾器一般设置两层，但根据设计任务要求，本设计采取一层设计。每层除高度取为3.0m。烟气道入口到第一层喷淋层的高度()h₅一般取2~3.5m,本设计取2.5m。除雾器到吸收塔出口的高度()h₆一般取1.2~2m,本设计取1.2m。因此本吸收塔的总高：取整后，h=35m。6.吸收塔内部设备选型及设计1)喷淋层设计(1)、喷嘴分布密度的设计工程设计中，吸收区一般设计3—6个喷淋层，每个喷淋层都装有多个雾化器喷嘴，喷嘴覆盖率达200%~300%2。相邻喷淋层的典型距离为1—2m,最上层与除雾器底部至少为2m”。根据本课程设计要求取3个喷淋层。入口烟道到第一个喷淋层的高度一般取2~3.5m,本设计取2.5m,符合要求。每个喷淋层的喷淋量：根据经验每个喷嘴的流量一般取36~80³/,本设计取543/,即15L/s。典型的喷嘴分布密度为每平方米布置0.7~1个喷嘴。取整为70个喷嘴每个喷淋层。验算喷嘴布置密度：符合典型喷嘴分布密度的要求，因此本喷嘴布置符合要求。(2)、喷嘴的选型和布置喷嘴将循环浆液分散成小液滴以增大气液接触面积，从而冲洗、冷却烟气。喷嘴的选型和材料随湿法脱硫工艺的不同和处理废液性质的变化而变化。目前，在湿法脱硫工艺中常用的喷嘴有切向喷嘴、轴向喷嘴、螺旋形喷嘴。切向喷嘴通常形成中空圆锥喷流型，这样大部分雾滴喷出时会形成一个环状。这种喷嘴是将浆液沿切向方向引入旋转室，并通过与入口成90°\u30340X孔排出，在旋转室内没有任何部件。由于切向喷嘴价格只有螺旋喷嘴的一半，因此其性能价格比螺旋型喷嘴高。轴向喷嘴产生的实心圆锥喷流型式，与切向喷嘴相比，轴向喷嘴产生相同粒度的液滴时压降较小。螺旋喷嘴产生的是一系列通信中空圆锥喷流，与轴向喷嘴一样，其入口和出口也在同一条轴心上，但其内部没有微调叶片，而是将喷嘴本身设计成一个直径不断减小的螺旋形状，从而将液流切成多个同心螺旋环。螺旋喷嘴形成的液滴尺寸与中控圆锥喷流差不多，但压力降更小。当压力相同，液体流量更大时，螺旋喷嘴比轴向喷嘴更适合一些。根据以上比较，本设计选择压力螺旋式喷嘴。喷嘴特性参数：喷嘴的特性参数主要由喷嘴压降、喷雾角、喷嘴流量等。嘴压降是指浆液通过喷嘴通道时所产生的压力损失，主要与结构参数和浆液结合，保证塔内覆盖均匀和足够的覆盖率，通常喷淋角取90°8。有以下关系：K—特性系数，由喷嘴具体型号确定；喷淋系统覆盖率喷淋覆盖率是指喷淋层覆盖的重叠度，它由喷淋覆盖高度、喷淋角来确定。覆盖高度是指液膜离开喷嘴后至破碎前的垂直高度，典型取值为1m⁹。喷淋嘴覆盖率采用如下计算公式：式中：A—覆盖率，%;2A₀—为单个喷嘴的覆盖面积，m;A一吸收塔的截面积，m²。则覆盖率为：符合覆盖率要求200%~300%的要求。2)除雾器的设计和选型除雾器用来分离烟气所携带的液滴。在吸收塔内，由上下二级除雾器(水平式或菱形)及冲洗水系统(包括管道、阀门和喷嘴等)组成。湿法烟气脱硫塔采用的除雾器主要为折流板除雾器，其次是旋流板除雾器。折流板除雾器是利用液滴与魔种固体表面相撞击而将液滴捕集的。通常折流板除雾器中两板之间的距离为20~30mm,对于垂直安装的折流板气体平均流速为2~3m/s,对于水瓶安装的折流板气体流速可高一些，一般为6~10m/s。但气体流速过高容易引起二次夹带。旋流板除雾器，气流在穿过板片间隙时变成旋转气流，其中的液滴在惯性作用下，以一定的仰角射出，做螺旋运动而被甩向外侧，汇集流到溢流槽内，达到除雾目的，除雾效率可达90%~99%。折流板除雾器从形式结构上又可分为平板式和屋顶式。屋顶式除雾器是近年来兴起的一种高效除雾器，其优点是允许更高的空塔气速和较高的除雾效率，提高了塔内烟气扰度和湍流度，提高了脱硫效率。本设计采用屋顶式除雾器。7.吸收塔附属设备的选型和设计1)循环系统的设计2)氧化风机的设计及选型亚硫酸钙和亚硫酸氢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。强制氧化和自然氧化的比较如下表所示：方式副产物晶体用途脱水运行可靠性国家化石膏，90%;板容易，水器+过滤心机洲化硫酸钙，亚填埋过滤器存在结垢问题美国从表中可以看出，强制氧化工艺不论是在效率还是在系统运行可靠性等方面，均比自然氧化优越。因此，本设计采用强制氧化。理论氧化空气量为等于二氧化硫的量，为21.1mol/s。可得到实际极端情况下氧化空气需求量：Q=21.1(10.0116)22.4=2.28m本设计采用4台GM35H—3型号离心式氧化风机，单个流量为4736³/,压头为101.01kPa,两用两备。3)烟气再热系统的设计利用从锅炉来的原烟气对净烟气至少加热至80℃以上，然后再排放大气。烟气再热器根据换热方式的不同，可分为分管式、回转式、热管式三种。三类型管式条件常用在200MW以下优点无烟气泄露缺点传热系数较小，烟气温腐蚀、堵灰、磨损回转式气处理量大等问题后有的漏气量已降热管式热面积小、烟气流动阻力小，热循环过程中部需外加动力，无泄应用露4)氧化吸收池搅拌机的选型和在吸收塔浆液池的下部，沿吸收塔径向布置四台侧进式搅拌器，其作用是使搅拌叶片、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本设计采用4台侧进式搅拌机，搅拌器的搅拌直径为10.0m,转速130r/min,5)石灰石浆液泵的选型3的用量为2425.78g/s,调节浆液密度至1230kgm/,含固量为30%。则相应的体2425.783600/(12300.3)23设计采用的石灰石浆泵为2台双相流泵，流量100m3/h,扬程80m,功率55kW,一用一备。6)脱硫增压风机的选型脱硫装置运行后，烟气要经过再热器、脱硫塔后再进入烟囱排入大气，由于烟气流程增长，原设的客服锅炉烟道阻力的引风机的升压，已不足以克服脱硫装置所增加的阻力(约2940Pa),及满足脱硫工艺的要求，因而在脱硫系统中需设置增稳定锅炉引风机出口压力的重要设备。其运行特点是低所以必须设置增压风机。湿法烟气脱硫系统中一般采用轴流风机或者离心风机根据设计，实际烟气流量为207.485ms³/。考虑吸收塔、GGH、烟道的压力损失，分别为1500Pa、1000Pa、500Pa,共计3000Pa。选用轴流式静叶可调风机，其流量为250ms³/,额定压力为3600Pa,功率为1800KW。五、石灰石—石膏湿法脱硫塔结垢问题石灰石/石膏湿法烟气脱硫系统运行经常遇到的最塞。这也是从20世纪30年代伦敦燃煤电厂尝试用消石灰浆进行湿法脱硫以来的历史性问题。结垢可导致脱硫塔内部构件上固体物质的堆积，同时也会造成仪表结垢现象主要发生在以下地方：(1)湿/干界面。热烟气被冷却的吸收塔区(3)烟道入口、导流板。(4)出口烟道。(5)除雾器。(6)GGH。(7)氧化空气管道。(8)浆液管道(1)、工艺参数控制不当自然氧化工艺：氧化率受燃煤含硫量、烟气中O2浓度、浆液中溶解金属元素影响。当燃低硫煤(含硫量低于1%)时，亚硫酸钙的氧化速率可大于80%;当燃煤含硫量低于0.5%时，氧化率趋于100%;当燃高硫煤(含硫量大于3%)的氧化率大多在15%~50%。在自然氧化工艺中，浆液中的石膏浓度相对降低，除雾器叶片极易产生石膏的过饱和，同时存在于浆液中的石膏晶种又少，结强制氧化工艺：在最小过饱和度的条件下，完成结晶反应需要足够大的储浆于轻度过饱和状态。