鍋爐煙氣氨法脫硫塔設計

尚恒星

（惠生工程（中國）有限公司，上海 201210）

氨法脫硫技術是一種脫硫效率高、低耗能的濕法脫硫方式，副產品硫酸（((NH4)2SO）)可作為農用化肥，并且可以跳脫出部分的氮氧化物，初投資較低，所以在燃煤鍋爐煙氣排放治理和控制中得到廣泛應用。脫硫塔是氨法脫硫的核心設備，合理的脫硫塔設計是系統長期高效運行的關鍵。本文介紹氨法脫硫工藝及原理，重點對脫硫塔及附屬設備進行設計計算及選型，包括選材及防腐設計，總結實際運行中的注意事項，為類似工程項目提供實際的參考作用。

1.氨法脫硫工藝化學原理

氨法脫硫工藝主要是液氨或氨水與煙氣中的SO2發生酸堿化學反應，生成副產物硫酸銨。根據反應化學原理，氨法脫硫中，亞硫酸銨對SO2有更好吸收能力，所以氨法實際上是(NH4)2SO3、NH4HSO3溶液在不斷循環中對SO2的進行吸收，同時亞硫酸氫銨的比例逐漸增加，其溶液吸收能力也同時降低，亞硫酸氫銨液氨或氨水反應，轉化成亞硫酸銨。

反應原理[1]如下：

2.主要工藝流程

本項目采用液氨作為脫硫劑吸收煙氣中的SO2，副產物為(NH4)2SO3、NH4HSO3，對其再進行氧化，原煙氣熱量對生成的稀硫酸銨溶液進行結晶，最終產生濃度10%～15%的（NH4)2SO4漿液，(NH4)2SO4漿液經過至(NH4)2SO4后處理系統；進行硫銨分離、干燥、包裝。脫硫裝置采用的工藝為塔內飽和結晶系統。整套工藝系統包括液氨儲存及供應系統、吸收和濃縮系統、氧化系統、(NH4)2SO4后處理系統、煙氣系統、工藝水系統、事故排空系統等。主要工藝流程圖見圖1。

圖 1 氨法脫硫主要工藝流程圖

3.脫硫塔設計基礎數據

本脫硫塔設計基礎數據見表1。

表 1 氨法脫硫塔基礎數據

4.脫硫塔及附屬設備設計及選型

4.1 塔體直徑

脫硫塔直徑可由脫硫塔進口工況煙氣體積流量和煙氣流速確定，在脫硫塔中，煙氣流速通常為3～4.5m/s[2]。綜合考慮，本項目煙氣的設計流速為3.4m/s，則脫硫塔直徑可根據（1）式計算:

式（1）中，Q1為實際工況煙氣量，m3/h；μ為塔內煙氣設計流速，m/s；D為脫硫塔直徑，m。由（1）計算，脫硫塔直徑D=10.6m。

4.2 除霧區設計

除霧器設置在吸收塔頂部。目前最廣泛使用的是折流板除霧器， 折流板除霧器結構簡單，對中等尺寸和大尺寸霧滴的捕捉效率較高。其主要原理為：由于慣性作用，當含有霧沫的煙氣流經除霧器時，霧沫與折板相碰撞，最終附著在板表面上，并隨氣流至折形板轉彎處。由于重力、離心力、摩擦、吸附和液體的表面張力作用使得液滴越來越大，當液滴自重超過表面張力和氣體上升力的合力時，液滴便被分離下來[3]。多折向結構增加了霧沫被捕集的概率，大大提高了除霧效率。經過折流板除霧器后，可達到含液量小于75mg/Nm3的要求，霧滴去除率：99.75%，直徑大于17μm的霧滴顆粒必須100%。第一級采用兩通道折流板除霧器。第二級采用三通道折流板除霧器。設置兩層沖洗水，以防積垢和堵塞。除霧器以模塊化地多個組件進行安裝。而且每個組件能通過吸收塔人孔進入。

4.3 噴淋吸收區

噴淋層設計首先要滿足脫硫效率的要求，目前對于系統脫硫效率不低于95%的吸收塔，噴淋層一般設計為3～5層[4]，滿足脫硫所需的表面積，同時可以滿足鍋爐負荷和含硫量變化的工況；噴淋層的布置應盡可能地降低噴射漿液對塔壁的沖刷磨損，減少沿塔壁流淌的漿液量，且噴出的液滴能夠均勻且完全覆蓋整個脫硫塔的截面。噴淋層主要組成為噴嘴、漿液主管及支管，各層噴嘴需在上下空間交錯布置，以保證漿液覆蓋率可以達到170%～250%。本設計采用空心錐切線型噴嘴。

噴嘴噴管的計算：單噴管最大流量：

式(2)中， Dmax為單噴淋管可選最大管徑，0.04m；?為噴淋管內最大流速，6m/s。

噴淋層在塔內覆蓋率的確定：噴淋層在脫硫塔內覆蓋率α初選200%：

式(3)中，AEFF為單層噴嘴在脫硫塔內的有效覆蓋面積，m2；n為噴嘴個數；Ao為單個噴嘴的覆蓋面積，m2； h為噴嘴覆蓋高度，m ；A為脫硫塔面積，m2；θ為噴霧角。

式(5)中，Qt為脫硫循環液總量，m3/h；Q為單個噴嘴流量，L/s。

所以，每層噴嘴個數為56個，覆蓋率200%，可以滿足要求。

噴淋區高度：本脫硫塔吸收區噴淋層為3層設計，提濃區噴淋層為2層。噴淋區總高為10m。

4.4 煙氣進出口

進出口流速一般為12-30 m/s，以此確定進出口面積，煙氣從漿液池以上側面開孔，開孔成正方形。煙氣進口為4.0 m×4.0 m，煙氣出口尺寸為4.2 m×4.2 m。煙氣進口采用下切進入吸收塔設計，下切角為15°，增加煙氣與噴淋液接觸時間，防止漿液倒流，充分吸收，同時削弱塔內漩渦回流，壓損降低。煙氣進口上方的折射板，與煙氣進口頂側成 30 度角，此設置可以保證將上方落下液體流向塔中心，防止噴淋液流入煙氣進口[5]。

4.5 漿液池設計

漿液池容量V根據脫硫循環液總量Qt和漿液停留時間來確定。

式(7)中，t為漿液停留時間，為確保亞硫酸銨更加充分地氧化為硫酸銨，停留時間設計為0.5 h。

根據式(7)計算，漿液池高度h3為8.44 m。

4.6 循環泵

一級循環泵：本工程噴淋層為3層，漿液循環系統采用單元制設計，每個脫硫噴淋層對應設置1臺脫硫循環泵，脫硫循環液總量Qt為1606.9 m3/h，考慮10%的余量，則每臺一級循環泵的流量為535m3/h。

二級循環泵：提濃噴淋層為2層，每個噴淋層對應設置1臺循環泵，循環泵流量為標況煙氣量與提濃液氣比的乘積，即：

考慮10%的余量，由(8)計算得二級循環泵流量Qn=400 m3/h。

4.7 脫硫塔壁厚

首先假設脫硫塔計算壁厚小于16 mm，查得Q235B鋼板的許用應力為 [σ]t=113Mpa。

漿液池以上部分計算壓力：Pc=0.202 MPa （2個標準大氣壓）。

脫硫塔漿液池部分（簡稱下部分）計算壓力：

式(9)中，ρ為漿液密度，1257 kg/m3。

對于脫硫塔頂部以下漿液池以上的部分計算壁厚：

式(10)中，Φ為焊接接頭系數，取Φ=1；C為壁厚附加量， C= C2+ C1 ；C1 為鋼板厚度負偏差，0.6 mm；C2 為腐蝕裕量，1.00mm。

根據式（10）計算，脫硫塔上部分選用的Q235B鋼板壁厚為11 mm，與假設7.00mm≤16.00 mm 相符。

根據式（11），脫硫塔漿液池部分的計算壁厚：

塔底部壁厚圓整后取Sn’=16 mm 。

4.8 脫硫塔主要尺寸

脫硫塔主要尺寸見表2。

表2 脫硫塔主要尺寸 單位：m

區段名稱 數值噴淋區間總高 10除霧器總高 4.5出口煙道高度 4.2出口煙道寬度 4.2吸收塔總高度 32.7

5.防腐設計

氨法脫硫系統腐蝕的形式多種多樣，其中最突出的是以煙氣中酸酐溶解于水形成的酸液和脫硫劑氨液引起的麻點腐蝕。另外，有些區域還需承受漿液、煙塵的磨損、沖刷等苛刻的工況，因此要求采用材料需既防腐又可以耐沖刷、磨損。本工程防主要防腐材質選擇如下：脫硫塔本體采用碳鋼襯玻璃鱗片；脫硫塔入口采用內襯1.4529合金；進、出口煙道采用內襯玻璃鱗片；循環泵濾網采用1.4529合金。

6.結論及注意事項

本工程脫硫塔實際運行穩定，脫硫塔進出口脫硫效率≥98%；脫硫后煙氣中SO2含量在設計工況下小于37mg/Nm3；脫硫裝置出口氨逃逸不大于8mg/Nm3，氨逃逸率、回收率≥98%等；各指標均能滿足規范及項目要求。設計過程中的結論及注意事項如下：

采用折流板除霧器實現了分離效率高，不易阻塞，阻力小，安裝面積小，操作方便，安全可靠，運行經濟；

空心錐切線型噴嘴自由暢通直徑大，具有自清潔功能，避免堵塞；各噴淋層錯開布置，保證漿液重疊覆蓋率，最外層噴嘴與塔壁要保持合理距離，防止塔壁穿孔漏漿；

煙氣進口下切角為15°，煙氣入口通過設置導流板，改善了煙氣流場。煙道入口內襯1.4529合金，解決了腐蝕和磨損的問題；

在除霧器與上層脫硫噴淋裝置之間設置工藝水噴淋裝置，可以更好地解決氨法脫硫工藝中氣溶膠含量較高和氨逃逸的問題。