湿法烟气脱硫吸收塔传质强化设计研究

湿法烟气脱硫吸收塔传质强化设计研究

2000年，中国的so2总排放量为1595万吨，其中消防处理厂的so2占很大比例。大量排放的SO2造成的酸雨对我国的生态环境和工农业生产带来了巨大损失,当前我国的酸雨区已经接近国土面积的40%,由此造成的经济损失估计每年有上千亿元,因此减少SO2排放迫在眉睫。火电厂的烟气脱硫工艺大体可分为干法、湿法和半干法。其中湿法石灰/石灰石脱硫技术具有脱硫率高、对煤的适应性好、吸收剂来源广、原料利用率高以及装置运行的可靠性好等优点,在烟气脱硫装置中占有很大比重。1ph值对吸收过程的影响湿法烟气脱硫是采用石灰或石灰石的浆液作为吸收剂,和烟气中的SO2进行反应生成CaSO3,然后用空气中的氧气强制氧化生成CaSO4。这是一个气-液-固三相的吸收反应过程,反应式虽然简单,但机理非常复杂。谭天恩等研究了石灰湿法脱硫传质反应过程,认为石灰浆液吸收烟气中SO2的化学反应过程可以由以下5个过程组成:①SO2由气相主体穿过气-液界面的扩散、溶解;②溶解的SO2的水合生成H2SO3;③H2SO3的解离;④Ca(OH)2固体颗粒的溶解及其后的解离;⑤盐的形成。对于石灰浆液吸收SO2的过程,由于过程②、③、⑤是快速反应,因此,总反应速度由过程①和④控制,即气相中SO2的扩散(气相阻力)和液相中Ca(OH)2固体的溶解(包括在液相阻力之内)。研究结果表明,液体的pH值对吸收和氧化过程有很大的影响。高pH值时(pH≥12.3),反应主要受气相阻力控制;中pH值时(6≤pH≤12.3),反应受气相阻力、液相阻力共同控制;低pH值(pH≤6)时,反应则主要受液相阻力控制。对于SO2的吸收,pH值越高越好,但是在氧化槽中,的氧化必须在有H+的状态下才能进行,否则只能生成CaSO3。但pH值过低,则液相阻力很大。肖文德等发现pH值在4以下SO2几乎不吸收,所以在吸收过程中要注意控制pH值,另外还应注意到pH值对石灰石和石灰的溶解的影响,一般讲pH值越低则石灰和石灰石的溶解越好,可是此时SO2的吸收速率会变慢。综合考虑以上情况,吸收通常在弱酸性条件下进行。一般石灰吸收时的pH值为5～6,石灰石吸收时pH值为6～7。更为复杂的是在实际塔式吸收设备中,pH值沿轴向是变化的,随着SO2的吸收,pH值降低。Brogren等建立了基于渗透理论的模型,计算了喷淋塔中液滴吸收SO2的传质系数和塔内轴向的pH值,发现在喷嘴附近pH值较高,此时液相传质阻力较小,气相阻力占60%,随着吸收的进行,pH值降低,液相阻力占主要部分。对于pH值的剧烈变化,可以通过加入少量脂肪酸进行缓冲,由此提高传质效率。在吸收塔中,除了pH值,对于吸收效率影响较大的另一操作参数是液气比,对于吸收操作,液气比越大吸收越完全,而且液气比越大,氧化槽不易结垢,但是液气比太大,会使操作费用上升。当前的液气比一般在8～25L/m3。2塔的结构形式2.1气体排放量确定喷淋空塔是湿法工艺的主流塔型,多采用逆流方式接触,烟气从喷淋区下部进入吸收塔,与塔顶均匀喷淋的吸收浆液逆流接触,烟气速度为3m/s左右,液气比一般为8～25L/m3。逆流运行有利于烟气与吸收液充分接触,但阻力损失比并流式大。吸收区高度为5～15m,如按塔内流速3m/s计算,接触反应时间为2～5s。区内设3～6个喷淋层,每个喷淋层都装有多个雾化喷嘴,交叉布置,覆盖率达到200%～300%。喷嘴入口压力不能太高,为0.5×105～2×105Pa,喷嘴出口流速约10m/s。雾滴直径约1320～2950μm,大水滴在塔内的滞留时间1～10s,小水滴在一定条件下呈悬浮状态,喷嘴用碳钢材料制造,耐磨性好,寿命在10年以上。优点是塔内部构件少、结垢可能性小、运行可靠性高,缺点是气液接触面积小,传质效率低。2.2顺流方式的脱硫率较高填料塔由日本三菱重工开发,采用塑料格栅填料,相对延长了气液两相的接触时间,从而保证了较高的脱硫率。采用顺流方式布置,可在较高流速下运行,压降较逆流小。优点是接触面积比喷淋塔高,缺点是结垢倾向较大。2.3喷射管及脱硫喷射鼓泡塔由千代田公司研制,又称千代田工艺(CT-121)。该工艺采用喷射鼓泡反应器,烟气通过喷射分配器以一定压力进入吸收液中,形成一定高度的喷射气泡层,可省去循环泵和喷淋装置。净化后的烟气经上升管进入除雾室,除雾后排放。此塔型的特点是系统可以在低pH值下运行,一般在3.5～4.5;生成的石膏晶体颗粒大,易于脱水;脱硫率的高低与系统的压降有关,可通过增大喷射管的浸没深度提高压降,提高脱硫率,可达95%。缺点是气体压降大,对于大气量的烟气,加压是非常困难的。2.4无硫剂循环液回用液柱塔近几年发展较快。在液柱塔中,烟气进入塔后在上升过程穿过脱硫剂浆液区。脱硫剂循环液在塔中部向上喷射形成液柱,液柱先是自下而上与烟气顺流,然后在顶部散开,形成自上而下与烟气逆流的液滴。该塔的优点是塔结构简单,操作可靠性好,缺点是传质效率低,液体喷淋密度小,轴向返混严重。3强化传质强化喷淋塔、填料塔和液柱塔的传质性能较低,因此需要对吸收塔进行传质强化。当前主要从4个方面进行传质强化,采用高气速,增加气体均布装置,新型的喷嘴设计、排列和采用塔内构件。3.1烟气速度和吸收剂在烟气处理量相同的情况下,采用高气速可以减小塔的截面积。一般认为脱硫塔中的气速为3m/s左右,B&W公司最近的实验结果表明高于3m/s的气速不仅可行而且比较有效。B&W公司已经设计了4.2m/s的系统,而且进行了4.8m/s的试验,试验结果表明可以大大提高吸收效率。高气速的气液接触不同于传统的脱硫装置,由高气速产生的剪切力扩展了传质区域,使得从吸收剂入口到了第一级雾沫消除器也成了传质区域。高气速可以支持更高的液体喷淋密度。液体喷淋密度测量实验表明随着气速从3m/s上升到4.5m/s,液体吸收区域的喷淋密度增加了几个数量级。另外,ABB公司开发的LS-2型脱硫系统已经在OhioEdisonNiles电厂建成工业示范装置。LS-2装置与该厂2台108MW的锅炉相连接,设计处理烟气量为1台108MW锅炉的气量,另外1台锅炉用作改变气量。燃煤的含硫质量分数为3.5%,该装置1995年调试完毕,1996年投入运行,一直运行良好。LS-2系统吸收塔与常规吸收塔比较结果见表1。试验结果表明,烟气速度从3m/s可提高到5.54～6.1m/s,而且在保持脱硫率不变的情况下,烟速从2.3m/s提高到4.3m/s,液气比减少32%,传质速率增加50%,总能耗下降25%,因此建议空塔气速最好高于4.57m/s。高气速的优点是气体速度越高,气相和液相的湍动强度越大,液滴的内循环更加显著,气液相传质系数都增大,另外气体速度越高,可能使液滴分布变小,传质面积增加,气相分布也越均匀。但气体速度高会造成雾沫夹带严重,容易引起液泛,因此必须有高效的除沫装置。3.2流体均布理论吸收塔的大型化关键问题之一是液体和气体在塔内的均匀分布。对于烟气脱硫塔,一般塔径在10～18m,而且其高径比较小,需要对气体进行均布。因此,塔内件的设计,特别是液体分布器和进气结构的设计,成为大型塔的核心问题,而流体均布理论和技术成为发展浅层床和大直径塔的先导。气体均布可以采用均布格栅和格栅组,使气体分布均匀,也可以使用气体分布器,另外进口管的形式也将影响气体均布性质。烟气脱硫塔对均布构件的结构和材质的要求更高:一是不能有太大的压降,二是不能结垢。3.3加强传质强化传质撞击流反应器的传质系数和比表面积都较大,因为在撞击过程中会发生液滴或者气泡的强烈湍动和更新,同时使液滴和气泡破碎,传质面积增大。在烟气脱硫塔中,尤其需要表面更新,因为随着吸收的进行,液滴表面的pH值会很低,此时液相的传质阻力很大,因此需要对液滴表面迅速进行更新。如何将撞击流的优点引入烟气脱硫塔是强化传质的关键之一。烟气脱硫塔内的撞击流可以通过喷嘴的布置实现,当喷嘴采用多层布置时,不同层的喷嘴之间喷出的液体发生碰撞,通过碰撞产生更小的液滴,使液滴发生强烈的湍动,迅速进行表面更新。另外多层布置可以大大增加液体喷淋密度,提供更大的气液接触面积;同一层喷嘴之间也可以相对倾斜,使两个喷嘴喷出的液体在上升过程中发生碰撞,使液滴进行表面更新。对于喷嘴本身的设计,要求在压降尽可能低的情况下产生尺寸较小的液滴。这些通过加入猪尾式的内构件或者改变喷嘴的角度等措施实现。另外喷嘴喷出的液滴尺寸分布要窄。尺寸分布窄可以保证液滴在下落过程中尽量少发生聚并。3.4湿法石灰/石灰烟气脱硫塔板结垢B&W公司开发了一种已经获得专利保护的吸收塔板,大大提高了气液接触效率,另外吸收板还可以使气体分布均匀,为保证吸收塔能正常操作,尽量减少吸收浆液塔板上的结垢是这一技