吸收塔的相关设计计算

烟气脱硫工艺主要设备吸收塔设计和选型

（2） 喷淋塔吸收区高度设计（二）

对于喷淋塔，液气比围在8L/m 3-25 L/m 3之间[5]，根据相关文献资料可知液气比选择12.2 L/m 3是最佳的数值。

逆流式吸收塔的烟气速度一般在2.5-5m/s 围[5][6]，本设计方案选择烟气速度为3.5m/s 。

湿法脱硫反应是在气体、液体、固体三相中进行的，反应条件比较理想，在脱硫效率为90%以上时（本设计反案尾5%），钠硫比(Na/S)一般略微大于1，本次选择的钠硫比(Na/S)为1.02。

（3）喷淋塔吸收区高度的计算

含有二氧化硫的烟气通过喷淋塔将此过程中塔总的二氧化硫吸收量平均到吸收区高度的塔容积中,即为吸收塔的平均容积负荷――平均容积吸收率，以ζ表示。

首先给出定义，喷淋塔总的二氧化硫吸收量除于吸收容积，得到单位时间单位体积的二氧化硫吸收量

ζ＝h

C K V Q η0= (3) 其中 C 为标准状态下进口烟气的质量浓度，kg/m 3

η为给定的二氧化硫吸收率,％;本设计方案为95％ h 为吸收塔吸收区高度，m

K 0为常数，其数值取决于烟气流速u(m/s)和操作温度(℃) ;

K 0=3600u ×273/(273+t) 按照排放标准，要求脱硫效率至少95%。二氧化硫质量浓度应该低于580mg/m 3

（标状态）

ζ的单位换算成kg/( m 2.s),可以写成 ζ=3600×

h y u t /*273273*4.22641η+ (7) 在喷淋塔操作温度10050752

C ?+=下、烟气流速为 u=3.5m/s 、脱硫效率η=0.95 前面已经求得原来烟气二氧化硫SO 2质量浓度为 a (mg/3m )且 a=0.650×

103mg/m 3

而原来烟气的流量（200C ?时）为标况20×103(m 3/h) (设为V a )换算成工况

25360m3/h 时

已经求得 V a =2×103 m 3/h=5.6 m 3/s

故在标准状态下、单位时间每立方米烟气中含有二氧化硫质量为

2SO m =5.6×650mg/m 3=3640mg=3.64g

V 2SO = 3.6422.4 L/mol 64/g g mol ?=1.3L/s=0.0013 m 3/s 则根据理想气体状态方程，在标准状况下，体积分数和摩尔分数比值相等 故 y 1=0.0013100%0.023%5.6

?= 又 烟气流速u=3.5m/s, y 1=0.023%,C t ?==75,95.0η

总结已经有的经验，容积吸收率围在5.5-6.5 Kg/（m 3﹒s ）之间[7]，取ζ=6 kg/（m 3﹒s ）

代入（7）式可得 6=64273(3600 3.50.000230.95)/22.427375

h ?????+ 故吸收区高度h=6.17/6≈1.03m

（4）喷淋塔除雾区高度（h 3）设计（含除雾器的计算和选型）

吸收塔均应装备除雾器，在正常运行状态下除雾器出口烟气中的雾滴浓度应该不大于75mg/m 3 [9] 。

除雾器一般设置在吸收塔顶部（低流速烟气垂直布置）或出口烟道（高流速烟气水平布置),通常为二级除雾器。除雾器设置冲洗水，间歇冲洗冲洗除雾器。湿法烟气脱硫采用的主要是折流板除雾器，其次是旋流板除雾器。

① 除雾器的选型

折流板除雾器 折流板除雾器是利用液滴与某种固体表面相撞击而将液滴凝聚并捕集的，气体通过曲折的挡板，流线多次偏转，液滴则由于惯性而撞击在挡板被捕集下来。通常，折流板除雾器中两板之间的距离为20-30mm ，对于垂直安置，气体平均流速为2－3m/s ；对于水平放置，气体流速一般为6－10m/s 。气体流速过高会引起二次夹带。

旋流板除雾器 气流在穿过除雾器板片间隙时变成旋转气流，其中的液滴在惯性作用下以一定的仰角射出作螺旋运动而被甩向外侧，汇集流到溢流槽，达到除雾的目的，除雾率可达90％－99％。

喷淋塔除雾区分成两段，每层喷淋塔除雾器上下各设有冲洗喷嘴。最下层冲洗喷嘴距最上层喷淋层（3-3.5）m ，距离最上层冲洗喷嘴（3.4-32）m 。

② 除雾器的主要设计指标

a.冲洗覆盖率：冲洗覆盖率是指冲洗水对除雾器断面的覆盖程度。冲洗覆盖率一般可以选在100 %～300 %之间。

冲洗覆盖率%=%100*22A

tg h n απ 式中 n 为喷嘴数量，20个;α为喷射扩散角，90

A 为除雾器有效通流面积 ,15 m 2

h 为冲洗喷嘴距除雾器表面的垂直距离,0.05m

所以 冲洗覆盖率%=%100*22A tg h n απ= 22200.051100%15

π???=203% b.除雾器冲洗周期：冲洗周期是指除雾器每次冲洗的时间间隔。由于除雾器冲洗期间会导致烟气带水量加大。所以冲洗不宜过于频繁,但也不能间隔太长,否则易产生结垢现象,除雾器的冲洗周期主要根据烟气特征及吸收剂确定。

c.除雾效率。指除雾器在单位时间捕集到的液滴质量与进入除雾器液滴质量的比值。影响除雾效率的因素很多,主要包括:烟气流速、通过除雾器断面气流分布的均匀性、叶片结构、叶片之间的距离及除雾器布置形式等。

d.系统压力降。指烟气通过除雾器通道时所产生的压力损失 ,系统压力降越大 ,能耗就越高。除雾系统压降的大小主要与烟气流速、叶片结构、叶片间距及烟气带水负荷等因素有关。当除雾器叶片上结垢严重时系统压力降会明显提高 ,所以通过监测压力降的变化有助把握系统的状行状态 ,及时发现问题 ,并进行处理。

e.烟气流速。通过除雾器断面的烟气流速过高或过低都不利于除雾器的正常运行 ,烟气流速过高易造成烟气二次带水,从而降低除雾效率,同时流速高系统阻力大,能耗高。通过除雾器断面的流速过低,不利于气液分离,同样不利于提高除雾效率。设计烟气流速应接近于临界流速。根据不同除雾器叶片结构及布置形式,设计流速一般选定在3.5～5.5m/ s 之间。本方案的烟气设计流速为6.9m/s 。

f.除雾器叶片间距。除雾器叶片间距的选取对保证除雾效率 ,维持除雾系统稳定运行至关重要。叶片间距大 ,除雾效率低 ,烟气带水严重 ,易造成风机故障 ,导致整个系统非正常停运。叶片间距选取过小,除加大能耗外 ,冲洗的效果

也有所下降 ,叶片上易结垢、堵塞 ,最终也会造成系统停运。叶片间距一般设计在 20～95mm。目前脱硫系统中最常用的除雾器叶片间距大多在30～50mm。

g.除雾器冲洗水压。除雾器水压一般根据冲洗喷嘴的特征及喷嘴与除雾器之间的距离等因素确定，喷嘴与除雾器之间距离一般小于1m ,冲洗水压低时,冲洗效果差,冲洗水压过高则易增加烟气带水,同时降低叶片使用寿命。

h.除雾器冲洗水量。选择除雾器冲水量除了需满足除雾器自身的要求外，还需考虑系统水平衡的要求,有些条件下需采用大水量短时间冲洗,有时则采用小水量长时间冲洗,具体冲水量需由工况条件确定,一般情况下除雾器断面上瞬时冲洗耗水量约为1-4m3/m2.h

③除雾器的最终设计参数

本设计中设定最下层冲洗喷嘴距最上层喷淋层3m。距离最上层冲洗喷嘴3.5m。

1)数量：1套× 1units=套

2)类型：V型级数：2级

3)作用：除去吸收塔出口烟气中的水滴，以便减少烟囱出烟口灰尘量。

4)选材：外壳：碳钢衬玻璃鳞片；除雾元件：阻燃聚丙烯材料（PP）；冲洗管道：FRP；冲洗喷嘴：PP。

表4 除雾器进出口烟气条件基于锅炉100%BMCR工况进行设计

除雾器进口除雾器出口

烟气量----------- ------------

温度℃50 ------------

烟气压力mmAq 113(1.11kPaG) 93(0.91kPaG)

雾滴含量mg/m3N(D) ------------ ≤75

5)雾滴去除率：99.75% 为达到除雾器出口烟气雾滴含量小于75mg/Nm3（干态），除雾器的雾滴去除率需要达到99.75% 以上。

6)除雾器烟气流速：6.9m/s

a.重散布速度

大直径的雾滴颗粒可以通过除雾器元件惯性作用产生颗粒间碰撞从而去除雾滴。（平均颗粒直径大小为100～200μm）。

因此，烟气流速越高，雾滴去除率越高。但是，被去除的雾滴会重新散布，而降低雾滴去除效率。这就是雾滴重散布速度的概念。

b．通过除雾器的烟气流速

为了使除雾器的雾滴去除率达到99.75% 以上，根据吸收塔出口端（即除雾器入口端）雾滴颗粒直径的实际分布状况，直径大于17μm的雾滴颗粒必须100％

完全去除。

综上所述，除雾区的最终高度确定为3.5m ，即h 3=3.5m

（5) 喷淋塔浆液池高度设计（设高度为h 2）

浆液池容量V 1按照液气比L/G 和浆液停留时间来确定，计算式子如下： 11N L V V t G

=?? 其中 L/G 为 液气比,12.2L/m 3

V N 为烟气标准状态湿态容积，V N =V g =39.40m 3/s

T 1=2-6 min [8],取t 1=2.8min=168s

由上式可得喷淋塔浆液池体积

V !=(L/G) ×V N ×t !=12.20×39.40×168=80.02 m 3

选取浆液池径等于吸收区径，径D 2= D i =3.8m

而V 1=0.25×3.14×D 2×D 2×h 2=0.25×3.14×3.8×3.8×h 2

所以 h 2=7.06m

（6) 喷淋塔烟气进口高度设计（设高度为h 4）

根据工艺要求，进出口流速（一般为12m/s-30m/s ）确定进出口面积，一般希望进气在塔能够分布均匀，且烟道呈正方形，故高度尺寸取得较小，但宽度不宜过大，否则影响稳定性.

因此取进口烟气流速为20m/s ，而烟气流量为36.30 m 3/s ，

可得 s m s m m h /30.36/253224

=? 所以 h 4=1.20m

2×1.20=2.40m(包括进口烟气和净化烟气进出口烟道高度)

综上所述，喷淋塔的总高（设为H,单位m ）等于喷淋塔的浆液池高度h 2 (单位m)、喷淋塔吸收区高度h (单位m)和喷淋塔的除雾区高度h 3（单位m ）相加起来

的数值。此外，还要将喷淋塔烟气进口高度h 4（单位m ）计算在

因此喷淋塔最终的高度为

H= h+h 2+h 3+ h 4=18.47+7.06+3.50+2.40=31.43m 取圆整值32m

4.1.1.2 喷淋塔的直径设计

根据锅炉排放的烟气，计算运行工况下的塔烟气体积流量，此时要考虑以下几种引起烟气体体积流量变化的情况：塔操作温度低于进口烟气温度，烟气容积变小；浆液在塔蒸发水分以及塔下部送入空气的剩余氮气使得烟气体积流量增大。喷淋塔径在烟气流速和平均实际总烟气量确定的情况下才能算出来，而以往

的计算都只有考虑烟道气进入脱硫塔的流量，为了更加准确，本方案将浆液蒸发

水分V

2(m3/s)和氧化风机鼓入空气氧化后剩余空气流量V

3

(m3/s) 均计算在，以

上均表示换算成标准准状态时候的流量。

（1）吸收塔进口烟气量V

a

(m3/s)计算

该数值已经由设计任务书中给出，烟气进口量为：36.30(m3/s)

然而，该计算数值实质上仅仅指烟气在喷淋塔进口处的体积流量，而在喷淋塔

延期温度会随着停留时间的增大而降低，根据PVT气体状态方程，要算出瞬间数值是不可能的，因此只能算出在喷淋塔平均温度下的烟气平均体积流量。

（2）蒸发水分流量V

2

(m3/s)的计算

烟气在喷淋塔被浆液直接淋洗，温度降低，吸收液蒸发，烟气流速迅速达到饱

和状态，烟气水分由6%增至13%，则增加水分的体积流量 V

2

(m3/s)为：

V

2

=0.07×36.30(m3/s)=2.541(m3/s)（标准状态下）

（3）氧化空气剩余氮气量V

3

(m3/s)

在喷淋塔部浆液池中鼓入空气，使得亚硫酸钙氧化成硫酸钙，这部分空气对于喷淋塔气体流速的影响是不能够忽略的，因此应该将这部分空气计算在。

假设空气通过氧化风机进入喷淋塔后，当中的氧气完全用于氧化亚硫酸钙，即最终这部分空气仅仅剩下氮气、惰性气体组分和水汽。理论上氧化1摩尔亚硫酸钙需要0.5摩尔的氧气。(假设空气中每千克含有0.23千克的氧气 )

又V

SO2=0.15 m

3

/s 质量流率G

SO2

=s

g/

64

4.

22

1000

0.15

?

?

=0.42857kg/s≈0.43 kg/s

根据物料守蘅,总共需要的氧气质量流量G

O2

=0.43×0.5kg/s=0.214Kg/s

该质量流量的氧气总共需要的空气流量为

空气

G= G O2/0.23=0.932 Kg/s 标准状态下的空气密度为1.293kg/ m3 [2]

故V

空气

=0.932/1.293(m3/s)=0.72 (m3/s)

V

3=(1-0.23) ×V

空气

=0.77×0.72 m3/s=0.56 m3/s

综上所述，喷淋塔实际运行条件下塔气体流量

V

g =V

a

+V

2

+V

3

=36.30+2.54+0.56(m3/s)=39.40(m3/s)

（4）喷淋塔直径的计算

假设喷淋塔截面为圆形，将上述的因素考虑进去以后，可以得到实际运行状态下烟气体积流量V

g

，从而选取烟速u，则塔径计算公式为：

D

i = 2 ×

u

V

g

π

其中： V

g

为实际运行状态下烟气体积流量，39.40 m3/s