烟气脱硫喷淋塔的容积负荷与本体设计

烟气脱硫喷淋塔的容积负荷与本体设计The v olume abs orbing load and design of a spray scrubber for wet FG D
李荫堂,王双,刘艳华
(西安交通大学环境工程系,陕西　西安　710044)
摘要:提出了以喷淋塔的容积负荷———平均容积吸收率为控制指标的本体设计路线。

在目前已有的设计、运行经验基础上,根据烟气的S O2进口浓度、要求的吸收效率等来确定喷淋塔容积。

讨论了容积吸收率不同角度的定义,给出了采用容积吸收率进行喷淋塔本体设计的步骤。

关键词:湿法烟气脱硫;吸收塔;喷淋塔;容积吸收率
Abstract:In the paper,the volume2absorbing load is used a s a control parameter for the de sign of a spray scrubber of wet FG D.According to the de sign and operation experience s,the volume of a spray scrubber can be decided by SO2 concentration at the entrance and the needed absorbing efficiency when the volume absorbing load is cho sen in a rec2 ommended range.The deferent definitions of the volume2absorbing load are given,and the de sign step s of a spray scrubber body are de scribed.
K ey words:wet FG D;spray scrubber;the volume2absorbing load
中图分类号:X701.3 文献标识码:B 文章编号:1009-4032(2004)04-0017-02
随着湿式烟气脱硫吸收塔的运行经验积累,近年来国内外的发展趋势表明,喷淋塔逐渐成为主导塔型。

本文以喷淋塔为讨论对象,但设计方法和结论对其他型式的吸收塔也适用。

由于吸收塔内气液流动传质、化学反应的复杂性,实际的工程设计主要靠经验。

然而,为了使设计精确、完善,对于流动、传质理论的深入研究是不可或缺的。

目前国内的大中型烟气脱硫系统大多是从国外引进的,有关吸收塔的设计制造尚在消化吸收、开发探索阶段。

不少文章介绍了采用喷淋塔的烟气脱硫系统的调试和运行,但报道喷淋塔本体设计、研究的文章不多。

王祖培〔1〕对喷淋塔及其系统设计的主要方面进行了讨论;郭毅等〔2〕对喷淋塔本体设计中主要参数的理论和经验性设计进行了分析。

本文提出用喷淋塔的容积负荷———平均容积吸收率作为设计本体尺寸的控制指标,在确定喷淋塔的本体容积时,以容积吸收率为依据。

文中阐述了不同角度的容积吸收率的定义、物理意义以及设计中的应用,给出了设计步骤。

1　喷淋塔的容积负荷
含有S O2的烟气通过吸收塔,塔内喷淋浆液将烟气中的S O2浓度降低到符合排放标准的程度。

将此过程中塔内总的S O2吸收量平均计算到吸收区高度内的塔内容积中,即为吸收塔的容积负荷———平均容积吸收率,以ζ表示。

ζ可以从两个角度给出定义:
(1)喷淋塔内总的S O2吸收量除以吸收区容积〔3〕,得单位时间单位体积内的S O2吸收质量:
ζ=Q
V
=K0
Cη
h
(1)式中C为标准状态下进口烟气S O2质量浓度,kg/ m3;η为按要求给定的S O2吸收效率,%;h为吸收区高度,m;由于一般喷淋塔的操作温度、烟气流速变化不大,K0基本上为常数,其值取决于烟气流速u(m/s)和操作温度t(℃);K0=3600u×273/(273 +t)。

(2)由传质方程可得喷淋塔内单位截面积上吸收的S O2总量〔4〕:
G(y1-y2)=K y a・h・Δy m(2)式中G为载气流量,因S O2浓度很低,可近似看作是烟气流量,km ol/(m2・s);y1、y2分别为塔进、出口处烟气中S O2的摩尔分数(标准状态下的体积分数);K y a为单位体积内S O2以气相摩尔差为推动力的总传质系数,km ol/(m3・s),a为单位体积内的有效传质面积,m2/m3;Δy m为平均推动力,即塔底推动力Δy1=y1-y13与塔顶推动力Δy2=y2-y23
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的对数平均值〔4〕,y 3为S O 2在气膜侧的平衡浓度。

由此,定义容积吸收率为:
ζ=G (y 1-y 2)/h (3)
即吸收塔单位横截面积上的总吸收量除以吸收
区高度,所表示的是单位时间体积内的污染气体平均吸收量。

吸收效率η=1-y 2/y 1,即y 1η=y 1-y 2,按排放标准,烟气中S O 2质量浓度应低于1200mg/m 3(标态),即体积分数为0.042%,这就要求:
y 1η≥y 1-0.042%(4)式中y 1以体积分数表示。

又,由G 与流速之关系:
G ×22.4×
273+t
273
=u
将式(3)ζ的单位以kg/(m 2・h )表示,可写作
ζ=3600×6422.4・273273+t
uy 1η/h
(5)
比如,取操作温度为50℃,流速为3m/s ,且y 1
以体积分数表示,则
ζ=0.0261(y 1-0.042%)/h (6) 如果以mg/m 3为单位,则式(6)变为
ζ=0.00913(y 1-1200)/h
(7)
这表明,在排放标准给定的情况下,吸收任务取决于烟气进口S O 2浓度;若吸收任务给定,则容积吸收率与吸收区高度呈反向变化。

取定ζ值,即可确定吸收区高度h 。

2　喷淋塔本体设计步骤
本文提出的喷淋塔本体尺寸的设计步骤是:在计算出运行工况下实际的烟气流量,选定塔内烟气流速,并据此确定了塔内径或塔内横截面积之后,根据吸收任务G (y 1-y 2),以及操作温度t 等,选定容积吸收率ζ,据以确定吸收区高度h 。

以往的设计是在塔内横截面积确定之后,根据烟气流速、塔内停
留时间来确定高度的〔5〕。

例如,塔内流速为3m/s ,
气液反应时间为2～5s ,则h =6～15m 。

这样的设计很粗糙,取t =2s 或4s ,高度会相差1倍。

2.1　计算运行工况下的烟气流量
根据锅炉排放的烟气,计算运行工况下的塔内烟气体积流量,此时需要考虑以下几种引起烟气体积流量变化的情况:塔内操作温度低于进口烟气温度,烟气容积减小;浆液蒸发水分,以及塔下部送入空气中的剩余氮气使得烟气体积流量增大。

2.1.1　吸收塔进口烟气量
根据燃用煤种、过量空气系数,以及湿空气携带水分,可算出喷淋塔进口烟气量。

这部分计算可由锅炉的热力计算结果给出。

例如,某种无烟煤,低位发热量为24.28M J/kg ,设过量空气系数为1.5,空气含水0.008kg/kg ,则产生烟气10.2m 3/kg (烟气量均指标准状态值)。

若耗煤量为123t/h ,锅炉排出的烟气量为1254.6×103m 3/h ;若到达喷淋塔进口处烟温为150℃,则实际进口烟气体积流量为1944×103m 3/h 。

设塔内操作温度为50℃,则这部分烟气体积流量为1484×103m 3/h 。

2.1.2　浆液蒸发水分烟气在喷淋塔内被浆液淋洗,温度降低,吸收液蒸发,烟气迅速达到水分饱和状态。

设烟气水分由6%增至12%,则增加水分体积为89×103m 3/h 。

即蒸发水量为53.2t/h 。

2.1.3　氧化空气剩余氮气量在塔下部浆池中鼓入空气,使CaS O 3尽可能完全氧化成CaS O 4;若不考虑烟气中过量空气剩余的氧量以及自然氧化因素,鼓入的空气量只考虑单位时间内全部脱除S O 2,设完全氧化,则1kg S O 2需0.5kg 的氧气。

例如,煤的硫分为2.5%,脱硫效率95%,则脱除S O 25842.5kg/h 需鼓入氧化空气质量流量(1kg 空气含0.23kg O 2)为:12701kg/h ;氧化之后所剩氮气加入烟气,并因湿饱和而有水蒸发,则50℃时的湿氮气流量为11.27×103m 3/h 。

这样,塔内总的湿烟气体积流量为V g =1584×103m 3/h 。

2.2　确定喷淋塔内径
设喷淋塔截面为圆形。

按上述实际运行烟气体
积流量V g 选取烟速u ,则塔内径为:
D =2×
V g
3600u
π(8)
如上例,若取u =3m/s ,计算得D =13.67m ;可取D =13.5m 。

2.3　确定吸收区高度
在吸收任务G (y 1-y 2)中,喷淋塔的横截面积已定,G 由V g 算出,再由u 取代;由排放标准给定
(下转第56页)8
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力求高效实用,解决催化反应技术中这两个关键问题,具有重要的实用意义。

参考文献:
[1]Fujishima A ,H onda K 1E lectrochemical Photolysis of W ater at a Semi 2
conductor E lectrode[J ]1Nature ,1972,238(5358):37-381[2]贺飞,唐怀军,赵文宽,等1纳米T iO 2催化剂负载技术研究[J ]1
环境污染治理技术与设备,2001,4(2):47-581
[3]孟耀斌,黄霞,史汉昌,等14-氯苯甲酸纳的光催化氧化降解及
其影响因素〔J 〕1重庆环境科学,2001,23(3):33-371
[4]邓南圣,吴峰1环境光化学[M]1北京:化学工业出版社,2003,
308-3091
[5]唐玉朝,胡春1T iO 2光催化反应机理及动力学研究进展[J ]1化学
进展,2002,14(3):192-1931
[6]吴越1催化化学[M]1北京:科学出版社,1995,776-7821[7]Haarstric A ,K ut O ,Heinzle E.T iO 2-Assisted Degradation of Environ 2
mentally Relevant Organic C om pounds in W astewater Using a N ovel Flu 2idized Bed Photo -Reactor Environ[J ].Sci &T echnol ,1996,(360):817-8241
[8]蔡乃才,王亚平,曹银良1负载型Pt -T iO 2光催化剂的研究[J ]1
催化学报,1999,20(2):177-1801
[9]Fernandz A ,Lassaletta G,Jimennez V M ,et al.Preparation and charac 2
terization of T iO 2photocatalysis supported on various rigid supports (glass ,quartz and stainless steel ),C om parative studies of photocatalytic activity in water purification [J ]1Appl Catal B :environ ,1995,(7):49-631
[10]程小苏,曾今可,黄浪欢,等1T iO 2光催化涂膜的制备及性能研
究[J ]1华南理工大学学报(自然科学版),2003,31(4):56-601
[11]曹亚安,陈咏梅,管自生,等1纳米T iO 2粒子膜的表面态性质及
其光催化活性研究[J ]1感光科学和光化学,1999,17(2):100-1031
[12]符小荣,宋世庚,王学燕,等1纳米T iO 2/S i 薄膜的制备与光催化
性能的研究[J ]1感光科学和光化学,1997,15(3):234-2401
[13]丁星兆,柳襄怀1溶胶-凝胶薄膜工艺及其应用[J ]1材料导
报,1993,(3):32-361
[14]黄艳娥,刘会媛1T iO 2光催化剂固定化载体及固化方法[J ]1唐
山师范学院学报,2001,23(5):31-321
[15]谢翼飞,李国欣,李旭东1T iO 2光催化反应器处理废水的研究现
状与进展〔J 〕1给水排水,2002,28(8):63-651
[16]江立文,李耀中,周岳溪1负载型T iO 2固定相光催化氧化剂固
定化技术研究[J ]1工业水处理,2000,20(8):8-111收稿日期:2004206216;修回日期:2004209214
作者简介:张志翔(1979-),男,山东莒南人,东华大学硕士研究生,主要从事水处理技术及环境规划等研究。

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　G 由V g 算出,再由u 取代;由排放标
准给定,y 2≤1200mg/m 3,当y 1给定,就等于给定了喷淋塔应达到的最低吸收效率,参见式(4)。

喷淋塔的容积负荷如式(6)、
(7)所示。

当y 1给定,即可由ζ值确定吸收区高度h 。

总结已有经验,容积吸收率的范围一般为ζ=5.5～6.5kg/(m 3・h )。

在一般条件下,如浆液性质、液气比、雾化状况,以及u 、t 、pH 值等在正常范围,若取定ζ值,则对于不同的进口浓度y 1,就要求相应的吸收区高度h 。

从技术角度来说,ζ应尽量取小值,但h 会相应升高,经济性降低;反之亦然。

ζ、y 1、h 之间的关系如图1所示。

3　结语
(1)采用平均容积吸收率ζ作为设计指标,喷淋
塔的设计更加合理、准确。

(2)在一般工艺条件下,平均容积吸收率与进口烟气S O 2浓度、吸收区高度的关系可用式(6)或式(7)表达。

(3)本文提出了以ζ作为设计指标的喷淋塔本体尺寸设计的具体步骤,具有一定的实用价值。

参考文献:
[1]王祖培1火电厂烟气湿法脱硫装置吸收塔的设计[J ]1煤化工,
2002,(5):44-481
[2]郭毅1烟气脱硫喷淋塔本体设计与分析[J ]1热力发电,2004,33
(1):29-311
[3]李荫堂1烟气脱硫喷淋塔的容积吸收率[J ]1环境技术,2003,21
(6):32-341
[4]钟秦1燃煤烟气脱硫脱硝技术及工程实例[M]1北京:化学工业
出版社,20021收稿日期:2004207226
作者简介:李荫堂,(1955-),男,河南长恒人,西安交通大学环境工程系副教授、博士,研究方向是大气环境与污染控制。

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