二氧化硫吸收塔

1、1 吸收塔 据国家环境监测部门的统计,1998 年我国排放至大气中的SO2 已达20.91Mt ,随着国民经济的进一步发展,SO2排放量还将进一步增加,其危害将更为严重。因此,如何控制和治理SO2 污染,是我国当前和今后一段时间内亟待解决的主要大气环境问题。我国主要的SO2 污染源可归纳为三个方面:aSO2，这部分SO2主要是因为硫酸厂转化率不高并且尾气处理不力,或跑冒滴漏严重所造成的.b SO2，有色金属,如铜、铅、锌、钴、镍、金、银等,都是硫化矿,在冶炼过程中排放出大量的 SO2,由于受冶炼技术的限制,一部分烟气SO2浓度较低,不能直接用于制造硫酸,所以形成SO2污染。c 燃煤烟气中的SO

2、2，我国是以煤炭为主要能源的国家,煤炭产量居世界第一位,而且我国煤炭多为高硫煤W(s）> 25%。在全国煤炭的消费中,占总量约84%的煤炭被直接燃用,燃烧过程中排出大量的SO2,给许多地区和城市造成严重的大气污染。燃煤排放的SO2形成酸雨,使我国成为三大酸雨区之首,而且其范围扩大之势、危害加剧程度不减。目前西南、华南、华东、华中、华北五个酸雨区面积已占国土面积的 29% ,酸雨对人体健康和建筑物、湖泊、生态环境造成极大的危害, 其直接经济损失已超过上千亿元。由此看来,燃煤烟气中的SO2 是我国目前最主要的SO2 污染源, 其量大面广,治理难度最大。据统计全国因二氧化硫和酸雨污染所造成的损

3、失每年起过1100 亿元, 即每吨二氧化硫可造成5000 元的损失。因此防治燃煤二氧化硫污染是当前一项重要和迫切的工作。要控制二氧化硫的污染和危害，就要从节能降耗技术政策调控,煤矿洗煤脱硫、燃烧脱硫和烟气脱硫这煤炭使用过程的三大环节探讨有效防治燃煤产生的二氧化硫污染的措施和途径。SO2 既是污染环境的罪魁祸首,又是宝贵的硫资源。我国是一个缺硫的国家, 因为硫资源不足, 影响了磷肥的生产,致使化肥氮磷比例严重失调,影响农业的增产。如果我国在治理SO2 污染的同时能回收一部分硫资源,则可在很大程度上缓解我国目前硫资源紧张的局面,可谓一举两得1。要实现酸雨和二氧化硫污染控制目标，关键是加快国产脱硫技

4、术和设备的研究、开发、推广和应用。目前控制燃煤二氧化硫污染技术可分为四类，既燃烧前脱硫、燃烧中脱硫、燃烧后烟气脱硫以及煤转化过程中脱硫，其中烟气脱硫仍被认为是控制二氧化硫污染最行之有效的途径。烟气脱硫是世界上唯一大规模商业化应用的脱硫方法，是控制酸雨和二氧化硫污染行之有效的技术手段。根据烟气中二氧化硫含量的不同，分为高浓度二氧化硫烟气（SO2 7%-20%）和低浓度二氧化硫烟气（SO2 0.5%-5%）两种，它们是制取硫酸和回收硫资源的重要原料。对SO223.5%以上烟气，可采用一转一吸技术，从烟气中回收二氧化硫制取硫酸；对7%12%的烟气，可以采用两转两吸技术，从烟气中回收二氧化硫制取硫酸；

5、对20%左右的富氧烟气，国内提出了三转三吸的工艺技术；对1%- 4%的冶炼烟气，已成功地开发出非稳态二氧化硫转化技术，从烟气中回收二氧化硫制取硫酸。对< 0.5%烟气的脱技术方法可分为湿法、干法两大类，也有专家把介于两者直接的半干法也为一大类分类简述如下。1.1 湿法脱硫湿法烟气脱硫是指应用液体吸收剂，洗涤含二氧化硫烟气脱除烟气中的二氧化硫。湿法脱硫工艺应用最多，主要有以下几种方法：（1）石灰石（石灰）石膏法石灰石（石灰）石膏法是目前世界上技术最成熟，实用业绩最多，运行状况最稳定的脱硫工艺,其突出的优点是：脱硫效率高（有的装置Ca/S= 1 时，脱硫效率大于90%）；吸收剂利用率高，可大

6、于90%；设备运转率高（可达90%以上）。该法已有近三十年的运行经验，石膏副产品可回收利用，亦可抛弃处置。（2）其他碱性溶液法其他碱性溶液法主要有钠碱法、氨碱法、双碱法、氢氧化镁法等。氨碱法：用氨水或亚硫酸铵溶液作吸收剂，吸收二氧化硫后形成亚硫酸铵亚硫酸氢铵。将洗涤后的吸收液用酸分解（ 即酸化），得到二氧化硫和相应的铵盐，这就是氨酸法；将吸收液直接加工成亚硫酸铵产品，代替烧碱用于造纸行业，这就是氨亚硫酸铵法。中国是一个粮食大国，也是化肥大国，氨碱法的产品本身是化肥，具有很好的应用价值。氨碱法脱硫率较高，采用两段吸收时，可使尾气中二氧化硫比降至百万分之一以下。双碱法：将钠碱溶液或氨碱溶液吸收二氧

7、化硫，所生成的溶液再次与碱（石灰乳或石灰石粉）反应，使所吸收的二氧化硫转化为不溶的CaSO4，并使吸收液再生。此法用廉价的石灰石来处理烟气，即经济又可避免湿式石灰- 石灰石法中出现的堵塞问题。（3）海水吸收法海水吸收法利用海水为脱硫剂，吸收二氧化硫。工艺和流程比较简单，主要由喷淋吸收塔和曝气池两大部分组成。烟气先在喷淋吸收塔内与海水反应，然后在曝气池中使海水得以恢复。此工艺无需脱硫剂的制备、添加，系统可靠，无废水、废料处理问题，具有投资少，运行费用低、脱硫率高等优点，其工艺主要有海水输送系统、烟气系统，二氧化硫吸收系统和海水水质恢复系统四大部分组成，受到各国的重视。（4）再生吸收法：再生吸收法

8、是把吸收后的吸收液经热再生后返回吸收过程循环使用的方法，再生出来的浓二氧化硫气体可加工成液体二氧化硫、硫磺或硫酸等，如亚硫酸钠法、碱式硫酸铝法、柠檬酸盐法等。这类方法在治理二氧化硫污染的同时，又达到了资源综合利用的目的，是很有推广应用前途的方法。1.2 干法脱硫 干法脱硫的工艺特点是：反应在无液相介入的完全干燥的状态下进行，反应产物亦为干粉状。目前，工业化应用的主要有荷电干式喷射脱硫法和等离子体法。（1）荷电干式喷射脱硫法：荷电干式喷射脱硫法是一种新型干法脱硫技术，其核心是吸收剂通常为Ca（OH）2 粉末以高速通过高压静电电晕充电区，得到强大的静电荷（负电荷）后，被喷射到烟气流中，扩散形成均匀

9、的悬浊状态。吸收剂粒子表面充分暴露，增加了与SO2 反应的机会，同时由于粒子表面的电晕增强了其活性，缩短了反应时间，有效提高了脱硫效率，其脱硫率一般在70%以上。（2）等离子体法：等离子体法中利用高能电子使烟气中的SO2、NOx、H2O、O2 等分子被激活、电离甚至裂解，产生大量离子及自由基等活性粒子，由于它们的强氧化性，使SO2、NOx 被氧化，在注入氨的情况下，生成硫铵和硝铵化肥。根据高能电子的来源可分为电子束法和脉冲电晕等离子体法。电子束法：是一种不产生二次污染并能实现资源综合利用、竞争力的脱硫技术。它的主要特点是：工艺简单，可以同时高效脱硫和脱氮；整个脱硫过程不需要废水处理；反应副产品

10、为硫酸铵和硝酸铵，它是生产复合化肥的原料；处理后烟气可直接排放；投资和运行费用低。脉冲电晕法：是从电子束烟气脱硫技术发展而来的，它是利用高能电子性能进行的SO2 脱除。从机理上看，脉冲高压电源在普通反应器中形成等离子体，产生高能电子，这些高能电子可电离、裂解烟气中的H2O 和O2 等，产生大量的氧化活性粒子，活性粒子与SO2 分子经过一系列复杂的化学反应生成SO2，并很快与烟气中的水反应生成硫酸。在添加氨的条件下，生成硫酸铵，由收集器收集作为优质化肥于脉冲电晕放电法只需提高电子温度而不必提高离子温度，故能量效率比电子束法提高2 倍该反应在普通反应器中就能进行而不需昂贵的电子加速器，故其投资费用

11、仅是电子束法的60%2。 燃烧后脱硫, 即烟气脱硫是控制二氧化硫污染的主要技术手段是目前世界上公认的最经济、最行之有效的方法, 也是目前世界上唯一大规模 由于湿法脱硫技术成熟，商业化应用的脱硫方式。所以本课程设计设计用水在吸收塔内吸收低浓度的二氧化硫，吸收塔寿命长，水的成本低，所以综合考虑，在现有和经济投入较少的基础上,本方法可以取得较好的效果。2 设计方案2.1吸收剂的选择 吸收过程是依靠气体溶质在吸收剂中的溶解来实现的。因此，吸收剂性能的优劣，往往成为决定吸收操作效果是否良好的关键，在选择吸收剂时，应考虑以下几个方面的问题。 1 溶解度：吸收剂对于溶质组分应具有较大的溶解度，这样可以提高吸

12、收速率并减小吸收剂的耗用量。当吸收剂与溶质组分间有化学反应发生时，溶解度可以大大提高，但若要循环使用吸收剂，则化学反应必须是可逆的；对于物理吸收也应选择其溶解度随着操作条件改变而有显著差异的吸收剂，以便回收。 2 选择性：吸收剂要在对溶质组分有良好吸收能力的同时，对混合气体中的其他组分却基本上不吸收或吸收甚微，否则不能实现有效的分离。 3 挥发度：操作温度下，吸收剂的蒸气压要低，因为离开吸收设备的气体往往为吸收剂蒸气所饱和，吸收剂的挥发度愈高，其损失量便愈大。 4 黏性：操作温度下吸收剂的黏度要低，这样可以改善吸收塔内的流动状况从而提高吸收速率，且有助于降低泵的功耗，还能减小传热阻力。 5 其

13、他：所选用的吸收剂还应尽可能无毒性，无腐蚀性，不易燃，不发泡，冰点低，价廉易得，并具有化学稳定性。综合考虑以上几点要求，我们选择清水作为吸收剂。2.2装置流程的选择 吸收装置的流程主要有逆流，并流，吸收剂部分再循环，多塔并联，串联-并联混合操作等方式。逆流操作是指气相自塔底进入由塔顶排出，液相自塔顶进入由塔底排出。气、液两相均从塔顶流向塔底的操作为并流操作。在逆流操作系统中，用泵将吸收塔排除液体的液体的一部分冷却后补充的新鲜吸收剂一同送回塔内的操作为部分再循环操作。若设计的填料高度过大，或由于所处理物料等原因需经常清理填料，为方便维修，可以把填料层分装在几个串联的塔内，每个吸收塔通过的吸收剂和

14、气体量都相等的操作为多塔串联操作。考虑到逆流操作的特点是，传质平均推动力大，传质速率快，分离效率高，吸收剂利用率高。工业生产中多采用逆流操作。从传质的效率等因素综合考虑，本吸收操作选择单塔逆流吸收。即二氧化硫和空气混合气从填料塔的下侧进入填料塔中，与从填料塔顶留下的清水逆流接触，在填料的作用下进行吸收。经吸收后的混合气体由塔顶排出，吸收了二氧化硫的水，由填料塔的下端流出。2.3操作温度与压力的选择操作温度的选择 由吸收过程的汽液平衡关系可知，温度降低可增加溶质组分的溶解度，即低温有利于吸收，但操作温度的低限应由吸收系统的具体情况决定。压力的选择 由吸收过程的汽液平衡关系可知，压力升高可增加溶质

15、组分的容解度，即加压有利于吸收。但随着操作压力的升高，对设备的加工制造要求提高，且能耗增加，因此需结合具体工艺条件综合考虑，以确定操作压力。本次吸收已经规定在常温常压下进行。2.4填料的选择塔填料是填料塔的核心构件，它提供了气液两相接触传质的相界面，是决定填料塔性能的重要因素。填料塔对填料的要求具体表现在以下几个方面：填料选择的要求（1）比表面积大，（2）能提供大的流体通量,（3） 液体的再分布性能要好(4 )要有足够的机械强度，尤其是非金属填料,（5）价格低廉。 填料种类的选取填料的种类很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料两大类。散装填料是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体，

16、一般以随机的方式堆积在塔内，又称为乱堆填料或颗粒填料。按结构特点不同分类，散装填料有：拉西环填料、鲍尔环填料、阶梯环填料、弧鞍填料、矩鞍填料、环矩鞍填料等。规整填料是按一定的几何构形排列，整齐堆砌的填料。规整填料种类很多，规整填料根据其几何结构可分为格栅填料、波纹填料、脉冲填料等，工业上应用的规整填料绝大部分为波纹填料。对于水吸收二氧化硫的过程，操作温度及操作压力较低，工业上通常选用塑料散装填料。在此次设计过程中，暂定选用外径38mm的塑料鲍尔环和外径38mm的塑料阶梯环，在以后的计算过程中进行比较，将其劣者淘汰。所选择的两种填料的比较如下表：表2.1 所选填料常见性能参数填料名称公称直径（/

17、mm）孔隙率(/%)比表面积(m2/m3)干填料因子（m-1）塑料阶梯环380.91132.5175.8塑料鲍尔环380.89155220第三章 填料塔工艺尺寸的计算3.1 基础物性数据液相物性数据对低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。由手册查得，时水的有关物性数据如下：密度为黏度为表面张力为在水中的扩散系数为 气相物性数据混合气体的平均摩尔质量为： 混合气体的平均密度为： 混合气体的黏度可近似取为空气的黏度，查手册得空气的黏度为：查手册得在空气中的扩散系数为：气液相平衡数据由手册查得，常压下时在水中的亨利系数为：相平衡常数为： 溶解度系数为： 表3.1 基本物性数据表液相物

18、性数据气相物性数据气液平衡数据（200C）密度平均密度溶解度系：H=0.0156黏度黏度 亨利系数：E=3550kpa表面张力摩尔质量 g/mol相平衡常数：m=35.04扩散系数 3.2 物料衡算进塔气相摩尔比为： 出塔气相摩尔比为： 进塔惰性气相流量为： 该吸收过程属于低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算，即： 对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为： 取操作液气比为： 3.3 填料塔的工艺尺寸的计算塔径计算气相质量流量为：液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即:表3.2气液数据表 1混合气体平均摩尔质量MVm30.4(g/mol)2平均密度1.243(kg/m3)3进塔的气相摩

19、尔比Y10.04174出塔的气相摩尔比Y20.002095进塔惰性气体流量V157.05kmol/h6最小液气比（L/V）min33.297液体摩尔流量L7320kmol/h8气相质量流量Wv4972(kg/h)9液相质量流量WL131906.4(kg/h)Eckert通用关联的横坐标为： 查图45Eckert通用关联得： 查表44散装填料泛点填料因子平均得： m 圆整塔径，取D=1.6m。泛点效率校核： 填料规格校核： 液体喷淋密度校核，取最小湿润速率为： 查填料手得： 经以上校核可知，填料塔直径可选用D=1600mm合理填料层高度计算： 脱吸因数为： 气相总传质单元数为： 气相总传质单元高

20、度采用修正的恩田关联式计算： 查表46常见材质的临界表面张得： 液体质量通量为： 气膜吸收系数由下式计算： 气体质量通量为： 液膜吸收系数由下式计算： (3.32) 由 ，查表4-7常见填料的形状系得： 则 由 得： 由 由： 得： (m)设计取填料层高度为： 查表49散装填料分段高度推荐对阶梯环填料：15 取 ，则： 计算得填料层高度为7m,故需要分段，分两段，每层3.5m。3.4填料层压降计算采用Eckert通用关联图计算填料层压降横坐标为： 查表411散装填料压降填料因子平均得 ： 纵坐标为： 查Eckert通用关联图得 ： /m填料层压降为： 4 填料吸收塔的附属设备4.1 液体分布器

21、简要设计液体初始分布器设置于填料塔内填料层的顶部,用于将塔顶液体均匀分布在填料表面上。 液体分布器设计要求对液体分布器设计，一般要求：（1）液体分布要均匀；（2）自由界面率要大：（3）操作弹性要大；（4）不易阻塞，不易起雾沫夹带；（5）课用多种材料制作，且制造安装方便，容易调整水平。综上所诉及本设计中液量较大等因素，液体分布器选用底孔式大液量槽式分布器。 槽式孔流式液体分布器槽式孔流式分布器靠重力分布液体，其结构如图： 图4.1 槽式分布器 图4.2 底孔式布液两槽式液体布液器具有优良的布液性能，结构简单，气相阻力小，应用较为广泛。二级槽式液体布液器主要有主槽和分槽组成，液体物料有主槽上的加料

22、管加入主槽中，然后，通过主槽的布液结构按比例分配到各支槽中，并通过各支槽上的布液结构均匀地分布在填料层表面上。（1）主槽结构：主槽为矩形敞开槽，其长度由塔径和分槽的数量及间距决定，其高度由最大液体流量下所需的液位高度决定。设计时一般应使其保持在之间。其宽度由槽内液体流速决定，一般要求该流速在之间。(2)分槽结构：分槽的数量由塔径，液相负荷，喷淋点数，液体在槽内的流速以及气相流通截面积等因素决定，需要全面协调后确定。一般来说，布液孔数由分布点密度决定，不应有太大的改变，布液孔直径应在以上，通过调节孔径使最高液位在左右，分槽的高度大约为最大液位高度的倍。4.2 液体分布器参数计算按Eckert的建

23、议值，,喷淋点密度为，因该塔液相负荷较大，设计取喷淋密度为。布液点数为： 设计结果按分布点几何均匀与流量均匀的原理，进行布点设计。设计结果为：二级槽共设九道，在槽侧面开孔，槽宽度为80mm，槽高度为210mm，两槽中心矩为160mm，分布点采用三角形排列，实际布液点数为。图见附录二。 布点计算 取 设计取4.3液体再分布装置 填料塔内当液体沿填料层下流时，往往会产生壁流现象，使塔中心填料得不到良好的润湿，减少了气液接触的有效面积。为了克服这种现象，当填料层过高时，应将填料层分段装填，并使塔内每段填料之间安装液体再分布器，使液体重新分布。填料层的分段高度Z0与塔径D、填料类型、填料尺寸等有关，对

24、于拉西环：Z0=(2.33.0)D，范围为1.54.5m;鲍尔环、鞍环及其他新型材料：Z0=(510)D，对金属填料，Z0宜超过67.5m，塑料填料Z0宜超过34.5m；规整填料Z0可大于乱堆填料。液体在分布器的形式有许多种，常用的结构有截锥式再布器，槽形再布器、窗式液体收集器、多孔盘式液体再分布器。由于截锥式再分布器和槽形再分布器用于直径较小的填料塔，而多孔液体再分布器是集液体收集和再分布功能于一体的的液体收集和再分布装置。这种再分布器具有结构简单、紧凑、安装空间高度低等优点，是常用的液体再分布装置之一。因此选用多孔盘式液体再分布器。4.4 填料支撑装置填料支撑结构是用于支撑塔内填料及其所持

25、有的气体和液体的重量之装置。 填料支撑装置的设计要求1、 填料支撑装置支撑结构是用于支撑塔内填料及其所持有的气体和液体的重量之装置。对填料的基本要求是：有足够的强度以支撑填料的重量;提供足够的自由截面以使气，液两相流体顺利通过，防止在此产生液泛；有利于液体的在分布；耐腐蚀，易制造，易装卸。常用的填料支撑板主要有栅板式和气体喷射式等结构。栅板式的支撑结构较为常用，由竖立的扁钢制成。栅板式可以制成整块式或分块式的。一般直径小于500mm的塔，可以采用整块式栅板；直径为600800mm的塔，可以将栅板分成两块；直径为9001200mm的塔，分成三块；直径大于1400mm的塔，分成四块；每块宽度在30

26、0400mm之间，以便装卸。栅条间距为填料外径的0.60.8倍。气体喷射式支承板的结构特点是：为气体和液体提供了不同的通道，气体易于进入填料层，液体液体可以自由排出，避免了因液体积聚而发生液泛的可能性，并有利于液体的均匀再分配。气体喷射式支承板有圆柱升气管式和梁式，而梁型较为优越。基本要求是：（1）有足够的强度以支撑填料的重量；（2）提供足够的自由截面以使气，液两相流体顺利流过；（3）防止在此产生液泛；（4）有利于液体的再分布；（5）耐腐蚀，易制造，易装卸。由于使用塑料阶梯环填料，故采可以用栅板式支承装置。4.5 填料压板为了保证填料塔在工作状态下填料床层能够稳定，防止高气相负荷或负荷突然变动

27、时填料层发生松动，破坏填料层结构，甚至造成填料流失，必须在填料层顶部设置填料限定装置 。填料限定装置可分为两类：一类是放置于填料上端，仅靠自身重力将填料压紧的填料限定装置，称为填料压板；另一类是将填料限定装置固定于塔壁上，称为床层限定板。填料压板常用于陶瓷填料，以免陶瓷填料发生移动撞击，造成填料破坏。床层限定板多用于金属和塑料填料，以防止由于填料层膨胀，改变其初始堆积状态而造成的流体分布不均匀现象。（1）填料压板：填料压板主要有两种形式，一种是栅条形压板，另一种是丝网压板。栅条形压板的栅条间距为填料直径的倍。丝网压板是用金属丝编织的大孔金属丝焊接于金属支撑圈上，网孔的大小应以填料不能通过为限。填料压板