小型玻璃鋼脫硫塔的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

梁 磊

（江蘇新中金環(huán)保科技股份有限公司）

0 前言

隨著我國(guó)煙氣脫硫（FGD）項(xiàng)目發(fā)展速度的加快，對(duì)脫硫系統(tǒng)設(shè)施的防護(hù)保養(yǎng)、運(yùn)行質(zhì)量要求越來(lái)越高[1-2]。脫硫塔作為脫硫系統(tǒng)的核心設(shè)備，做好它的防護(hù)保養(yǎng)工作勢(shì)在必行。由于煙氣脫硫是十分復(fù)雜的物理、化學(xué)過(guò)程，脫硫塔本體承受多種多樣的化學(xué)物質(zhì)腐蝕、溫度及濕度變化的影響和煙塵、漿液的沖刷、磨損等苛刻的工況條件，嚴(yán)重影響了其使用壽命，因此，探尋一種既防腐又耐磨損、耐沖刷的材料制作一種經(jīng)濟(jì)且經(jīng)久耐用的脫硫塔，成為近年來(lái)眾多工程設(shè)計(jì)人員追求的目標(biāo)[3-6]。目前，濕法脫硫中脫硫塔主要有麻石塔、碳鋼襯合金、襯膠或襯玻璃鱗片膠泥等，整體玻璃鋼塔還鮮為報(bào)道。筆者結(jié)合南陵縣安徽恒偉鉍業(yè)有限公司鍋爐煙氣脫硫工程實(shí)例，總結(jié)研究玻璃鋼脫硫塔在小型鍋爐煙氣脫硫系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，為今后工程應(yīng)用提供參考。

1 工程概況及脫硫塔材質(zhì)確定

安徽某冶煉企業(yè)新建2×20 t/h燃煤鍋爐，原煙氣溫度為110 ℃左右，SO2含量約5 000 mg/ Nm3，煙氣處理選擇了成熟可靠的雙堿法脫硫工藝。脫硫系統(tǒng)采用一爐一塔，處理煙氣量為2×60 000 m3/h（工況），脫硫劑利用廠區(qū)廢NaOH堿液，并用石灰漿液進(jìn)行置換。兩套系統(tǒng)共用一套反應(yīng)池和沉淀池，工藝流程如圖1所示。

圖1 雙堿法脫硫工藝流程

袋式除塵器處理后的煙氣經(jīng)引風(fēng)機(jī)送入脫硫塔，在脫硫塔內(nèi)，NaOH溶液通過(guò)噴嘴霧化后與煙氣中的SO2逆向接觸，進(jìn)行酸堿中和反應(yīng)，從而脫除SO2。凈化后的煙氣經(jīng)兩級(jí)除霧器脫水除霧后，進(jìn)煙囪排放，反應(yīng)產(chǎn)物NaSO3和NaSO4在反應(yīng)池中用氫氧化鈣溶液進(jìn)行再生，再生產(chǎn)物NaOH再次進(jìn)入脫硫塔參與反應(yīng)，副產(chǎn)物經(jīng)充分氧化后進(jìn)入沉淀池進(jìn)行固液分離，最終經(jīng)板框壓濾機(jī)脫水后妥善處理。

鑒于鍋爐出煙溫度較低，僅為110 ℃左右，塔內(nèi)噴淋后極易產(chǎn)生低溫露點(diǎn)腐蝕。此外，脫硫塔還需長(zhǎng)期承受堿性極強(qiáng)的NaOH溶液的腐蝕以及高濃度漿液的沖刷，因此脫硫塔材質(zhì)的選擇至關(guān)重要。經(jīng)過(guò)多位專家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析研究探討之后，決定采用耐磨耐蝕的玻璃鋼材質(zhì)。脫硫塔規(guī)格為Φ2.6 m×11.6 m，壁厚為2 cm，玻璃鋼以乙烯基酯樹(shù)脂為主材，增強(qiáng)材料選用無(wú)堿無(wú)捻連續(xù)纖維紗，耐溫性達(dá)150 ℃左右。

2 脫硫塔核心部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

脫硫塔的核心部件是指在運(yùn)行中起到主導(dǎo)作用或承受較大力學(xué)作用，保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行的部件，如底座、噴淋系統(tǒng)、除霧器及沖洗水系統(tǒng)、塔頂拐角及平臺(tái)爬梯預(yù)埋件等。分布于塔體的此類(lèi)結(jié)構(gòu)，除承受設(shè)備的靜荷載外，還承受系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)裝置內(nèi)部壓力以及環(huán)境氣候條件的變化引起的動(dòng)荷載，因此，該區(qū)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)針對(duì)性的采取有效處理措施。

2.1 脫硫塔底座

脫硫塔底座除承受塔體、平臺(tái)爬梯、管路、進(jìn)出口煙道等自重外，還受到壓力較大的高濃度噴淋漿液的沖刷磨蝕以及煙氣量的波動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)震顫等作用力的影響。此外，裝置還受到風(fēng)載、雪載等氣候條件的影響。因此，該部分的設(shè)計(jì)需慎重，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 脫硫塔底座結(jié)構(gòu)

從圖2可以看出，脫硫塔底座厚度為4 cm，為塔體壁厚的兩倍。底座外邊線應(yīng)超出壁板外邊線一定的距離，預(yù)留地腳螺栓孔，超出距離宜為15～20 cm。地腳螺栓規(guī)格為直徑3～5 cm，長(zhǎng)度50～70 cm 。地腳螺栓孔采取45°角塔底圓周均布，孔中心至塔壁板外邊線距離為7～10 cm。

2.2 噴淋系統(tǒng)

噴淋系統(tǒng)由上、中、下三層噴淋層構(gòu)成，分30°角錯(cuò)開(kāi)布置，每個(gè)噴淋層對(duì)應(yīng)設(shè)置一臺(tái)漿液循環(huán)泵，正常運(yùn)行時(shí)啟動(dòng)兩臺(tái)，備用一臺(tái)。由漿液循環(huán)泵輸送來(lái)的漿液通過(guò)噴淋管路進(jìn)入噴嘴霧化，噴入塔內(nèi)與煙氣中的SO2反應(yīng)，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 噴淋系統(tǒng)

從圖3（a）可以看出，脫硫塔內(nèi)部的噴淋系統(tǒng)由主管、支管、噴嘴和支撐梁組成。主管和支管在脫硫塔端面內(nèi)對(duì)稱布置，形成一個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能使?jié){液在脫硫塔內(nèi)均勻分布。由于噴淋層管路的合理優(yōu)化布置設(shè)計(jì)，保證了漿液能在整個(gè)脫硫塔斷面上進(jìn)行均勻噴淋，噴淋覆蓋率可達(dá)200%～300%。漿液噴淋管采用玻璃鋼材料制作，整個(gè)管網(wǎng)分段加工，采用粘結(jié)連接工藝。噴嘴為渦流SiC空心噴嘴，與管路之間采用包埋纏繞連接，連接時(shí)應(yīng)嚴(yán)防樹(shù)脂流掛噴嘴內(nèi)部固化后堵塞噴嘴。由于噴嘴進(jìn)口直徑相對(duì)噴淋管路要小很多，進(jìn)口有一較長(zhǎng)水平段，直接纏繞連接影響管道內(nèi)漿液的流通，且制作難度較大，連接不牢固。因此，在管路與噴嘴之間連接一段長(zhǎng)度20 cm，直徑與噴嘴進(jìn)口直徑相當(dāng)?shù)募?xì)管作為過(guò)渡段，確保噴嘴連接的牢固性及管內(nèi)漿液的暢通。

系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，噴淋管內(nèi)外分別受到高流速漿液和煙氣的沖刷，很容易引起結(jié)構(gòu)震顫。因此，在噴淋層的下部設(shè)置支撐梁，并用樹(shù)脂纖維布將噴淋管路與支撐梁纏繞固定。支撐梁通常采用方鋼，表面用2～3層樹(shù)脂纖維布包裹，與脫硫塔壁板之間的連接如圖3（b）所示。支撐梁與塔壁連接處增設(shè)補(bǔ)強(qiáng)層，補(bǔ)強(qiáng)范圍為自方鋼中心外延20～30 cm的圓形區(qū)域，補(bǔ)強(qiáng)層厚度為1～2 cm左右，自中心向圓周圓滑過(guò)渡。

2.3 除霧器及沖洗水系統(tǒng)

除霧器的主要作用是用來(lái)分離煙氣所攜帶的粒徑15 μm以上的漿液微滴，確保煙氣含水率在75 mg/Nm3以下進(jìn)煙囪高點(diǎn)排放。目前較為常用的除霧器有平板式和屋脊式兩種，本工程采用前者，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 除霧器及沖洗水系統(tǒng)

從圖4可以看出，在脫硫塔內(nèi)，除霧器分上下二級(jí)，采用厚度1.2～2.0 mm擠拉玻璃鋼波紋板組裝而成。一方面便于安裝檢修，檢修人員踩壓在上面不致歪塌；另一方面，氣體流過(guò)不致波動(dòng)變形，同時(shí)節(jié)省樹(shù)脂用量。下層除霧器波紋板間距較大，為3.5 cm，主要去除煙氣中較大液滴，屬粗除霧；上層間距較小，為2.8 cm，且波形板板片設(shè)有擋水槽，可進(jìn)一步去除煙氣中更為細(xì)小的液滴，屬精除霧。除霧器下方設(shè)有環(huán)形板和方管支撐，環(huán)形板為預(yù)埋鋼板，采用鋼板適當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)，鋼板厚為1.2 cm，寬度為10 cm，鋼板及方管表面均用樹(shù)脂纖維布包裹做防腐處理。

為防止?jié){液滴粘在除霧器波紋板上逐漸結(jié)垢，影響煙氣通道，造成系統(tǒng)阻力較大，在兩層除霧器上下部位均設(shè)有三層沖洗水管，材質(zhì)為玻璃鋼。管上設(shè)有多個(gè)塑料噴嘴，與管路內(nèi)絲連接。噴嘴噴出液滴直徑在20～30 μm之間，由下至上逐層沖洗，沖洗不宜過(guò)于頻繁，否則會(huì)導(dǎo)致煙氣帶水量加重。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，合理確定沖洗壓力和噴嘴角度至關(guān)重要。噴頭入口壓力為0.2 MPa，噴灑角為90°，沖洗水管與除霧器的高差在0.5 ～0.6 m之間，對(duì)清洗除霧器葉片內(nèi)側(cè)沉積物的效果較好。噴淋層設(shè)方管作為支撐梁，管路與支撐梁之間用樹(shù)脂纖維布包裹纏繞連接，方管表面處理采取同樣措施。

2.4 塔頂拐角

脫硫塔塔頂為變截面結(jié)構(gòu)，當(dāng)煙氣流過(guò)時(shí)，不規(guī)則表面引起過(guò)流煙氣擾動(dòng)，增加氣體阻力，過(guò)流煙氣的內(nèi)壓將發(fā)生變化，變截面區(qū)附近將形成向塔壁的側(cè)向渦流，該側(cè)向渦流將產(chǎn)生對(duì)塔壁的不規(guī)則力學(xué)作用，可促使塔壁產(chǎn)生結(jié)構(gòu)震顫，導(dǎo)致塔壁疲勞破壞，進(jìn)而影響使用壽命。因此，該處應(yīng)采取補(bǔ)強(qiáng)措施，補(bǔ)強(qiáng)范圍自拐角向塔壁及塔頂外延30 cm，補(bǔ)強(qiáng)厚度為1～2 cm，如圖5所示。

2.5 平臺(tái)預(yù)埋件

圖5 塔頂拐角補(bǔ)強(qiáng)

為便于脫硫塔內(nèi)部構(gòu)件如噴淋層、除霧器及沖洗層的檢查維修，需在塔體設(shè)置平臺(tái)，為便于塔體的運(yùn)輸，平臺(tái)采用預(yù)埋角鋼的方式現(xiàn)場(chǎng)制作，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 平臺(tái)結(jié)構(gòu)

從圖6可以看出，平臺(tái)的水平支撐和斜撐與塔體之間是通過(guò)預(yù)埋角鋼連接。預(yù)埋角鋼與塔體之間的連接處增設(shè)了加強(qiáng)帶，加強(qiáng)區(qū)域?yàn)轭A(yù)埋角鋼的上部外延5 cm，下部外延15～20 cm，左右各10 cm左右。預(yù)埋角鋼伸出塔體壁板長(zhǎng)度一般為3～5 cm，與水平支撐和斜撐焊接連接。

由于預(yù)埋角鋼較短，焊接連接時(shí)，溫度較高，角鋼傳熱較快，極易引起與塔壁連接處樹(shù)脂高溫熔化，進(jìn)而引起預(yù)埋件松動(dòng)甚至脫落。為避免此現(xiàn)象的發(fā)生，在焊接時(shí)應(yīng)采取點(diǎn)焊的方式，且點(diǎn)焊2～3次后立即停止，用蘸滿水的毛巾裹住焊點(diǎn)部位，使熱量迅速散失，如此循環(huán)焊接。

3 常用形式脫硫塔性價(jià)比分析

目前，國(guó)內(nèi)常用小型鍋爐脫硫塔主要有麻石塔、鋼制塔及玻璃鋼塔等，以本工程所用規(guī)格為Φ2.6 m×11.6 m的脫硫塔為對(duì)照，其優(yōu)缺點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)性見(jiàn)表1。

從表1可以看出，麻石脫硫塔造價(jià)低，使用壽命適中，但使用過(guò)程中缺點(diǎn)較多，維修費(fèi)較大；鋼制脫硫塔價(jià)格較高，使用壽命較短，且后期維修費(fèi)用很高；玻璃鋼脫硫塔造價(jià)適中，使用壽命長(zhǎng)，維修費(fèi)用低。因此，玻璃鋼塔在小型鍋爐煙氣脫硫系統(tǒng)中具有更好的性價(jià)比，更具適用性，適合大力推廣。

4 結(jié)論

（1）經(jīng)過(guò)合理的設(shè)計(jì)、制造和安裝，玻璃鋼用于小型鍋爐煙氣脫硫裝置中，具有使用壽命長(zhǎng)、耐磨耐蝕、運(yùn)行可靠、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。

表1 幾種脫硫塔經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

（2）塔內(nèi)預(yù)埋鋼結(jié)構(gòu)件的局部補(bǔ)強(qiáng)及外表面防腐處理至關(guān)重要，設(shè)計(jì)、制作、安裝時(shí)應(yīng)采取有效措施。

（3）乙烯基樹(shù)脂做成的玻璃鋼具有良好耐溫性，可以避免在較高溫度條件下產(chǎn)生分層，脫硫塔進(jìn)口煙氣150 ℃左右時(shí)，能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

（4）大型鍋爐煙氣工況條件較為復(fù)雜，對(duì)脫硫塔的要求更高，對(duì)于大型玻璃鋼脫硫裝置的設(shè)計(jì)、制作、安裝及應(yīng)用有待于進(jìn)一步深入研究。

（5）玻璃鋼脫硫塔，與麻石脫硫塔、鋼制脫硫塔相比，具有更好的性價(jià)比，適合在小型鍋爐煙氣脫硫系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。