火电厂烟气湿法脱硫装置吸收塔的设计

火电厂烟气湿法脱硫装置吸收塔的设计

王祖培

(化学工业第二设计院,太原030001)

摘　要　在火电厂烟气湿法脱硫吸收塔设计过程中对其主要尺寸的确定,各主要零部件的结构和防腐材料的选择作了阐述。

关键词　湿法脱硫　吸收塔　防腐

文章编号:100529598(2002)05200044205　中图分类号:TQ53　　文献标识码:A

引　言

烟气湿法脱硫是当今国际上85%左右大型火电厂采用的工艺流程,而我国火电厂的烟气脱硫尚处于技术开发阶段。已建或正在建设的十几套装置都是从国外引进的,投资昂贵。

作者在某大型火电厂烟气湿法脱硫工程的技术开发工作中,参阅了国内外有关资料,参观了几套引进装置,结合该厂引进的中型工业试验装置的状况,经过10多个月的工作,从可研、初设到施工图,完成了30万kW和5万kW机组的设备设计,本文仅就该装置中的核心设备——吸收塔的设计体会作一个介绍,以供同行们设计参考。

吸收塔是火电厂湿法脱硫(FGD)的核心设备。其作用是将除尘后的烟气中SO2被石灰浆液吸收,经除雾器除雾后进入烟道。吸收SO2后的浆液在塔体下部浆池内逐步氧化反应生成石膏作为商品外销。

该塔操作压力不高(3kPa左右),温度不高(进气温度一般在140℃左右,出口温度小于50℃),但直径较大(一般配30万kW机组,其直径约为513m～514m)。属大型薄壁容器。其特点:一是开孔

及各零部件所用材料要求既耐腐蚀,有些还要求耐浆液的冲刷及磨蚀。现将该塔在设计过程中涉及到的一些问题及处理意见分述如下。

1　外形尺寸的决定

本塔为气液逆向反应的立式塔,其大致结构如图1所示

。

图1　吸收塔示意图

1.1　直径　由工艺处理烟气量及其流速而定。(一

大,考虑为使入口烟气在塔内分布均匀,矩形入口管宽高比较大,入口开孔之宽达塔径的80%以上,加上开孔的上部有喷浆管及除雾器等较重部件沿轴向压下,故该设备的大开孔加强计算较复杂。二是塔体

收稿日期:2002205228

作者简介:王祖培,男,1934年出生,高级工程师,从事化工设备设计及管理工作。

般配30万kW机组直径为513m～514m,5万

kW机组直径约为56m～57m)。1.2　几个必要高度

1.2.1　浆液高(a)。由工艺专业根据液气比需要的浆液循环量及吸收SO2后的浆液在池内逐步氧化反应成石膏浆液所需停留时间而定。

1.2.2　烟气进口底部至浆液面距离(c)。考虑浆液鼓入氧化空气和搅拌时液位有所波动;入口烟气温

度较高、浆液温度较低可对进口管底部有些降温影响;加之该区间需接进料接管,一般定为800mm～1200mm范围为宜。1.2.3　烟气进出口高度。根据工艺要求的进出口流速(一般为12ms～18ms)而定进出口面积,一般希望进气在塔内能分布均匀些,且烟道均呈方形,故宽高取得较大些,即高度尺寸取得较小。但宽度亦不宜过大,否则将会使壳体径向开口太大而影响壳体的稳定性。

1.2.4　烟气进口中心至第二层喷浆管距离(b)。根据烟气通过雾化区上升流速,反应时间算到第二层。层间高差(e)根据国外用离心式喷雾喷头经验,按1.7m计。喷浆管一般设3～4层,个别厂有设2层的(用实心锥状雾化喷头),这主要根据液气比所需浆液循环量和喷头设置数量而定,而液气比又与要求脱硫率有关。

1.2.5　最上层喷浆管至第一段除雾器高差(d)。根据喷浆后雾滴大小及烟气上升流速考虑,一般在3m～3.5m左右。

1.2.6　除雾器冲洗水喷头距除雾器间距(f)。按0.5m～0.6m计,两层除雾器之间还设有上下冲水的两层水管,其间隔(A)应考虑到便于安装维修。加

蚀,管内同时要求耐浆液腐蚀,管表面要求耐浆液冲刷。

喷浆管的设计,首先要考虑喷头的布置,应保证塔内喷出浆液匀称,避免疏密不均。喷头的数量根据液气比需要的浆液量而定。为保证浆液与烟气的接触充分,一般喷浆管分成3～4层(极个别厂有用2层的,但用的是锥尾式单向喷头)。

喷浆管的材料,目前大致有两种:玻璃钢和钢管内外衬橡胶。玻璃钢重量轻,据了解国外支管都用柔性接头,而我国只能做插管手糊加强性连接,考虑此连接部受弯和喷浆时可能由颤抖现象而引起疲劳开裂(因为喷头处压力为0.07MPa,喷头质量有8kg,支管呈悬臂梁状态工作而且浆液流动也没有柔性连接畅通)。欧洲大部分用FRP(玻璃纤维增强塑料)材料制作,质量较轻。而日本、台湾则有用钢管内外衬橡胶的,质量较重。签于国内制造厂商不能保证欧洲国家那样制作的FRP管的质量,而国内引进的这些装置在我国刚运行不久,还需经过较长时间的观察、考核。

国内初次设计,为了保证安全起见,暂按钢管内外衬橡胶设计,但用FRP管肯定是今后国内发展的方向。

2.1.2　喷头的选择

浆液本身要求喷头能耐腐蚀。但由于喷嘴处压力较高,流速较大,内部要求能耐磨蚀,表面要求能耐冲刷(因为有上层浆液喷下)。故喷头材料要求全部用碳化硅(SiC)制成。这种大流量的漩流雾化喷头国内制造质量还达不到要求,国外已有专业工厂生产。该喷头最上一层是单喷,下面2～3层均采用上下同时喷的形式,一般是上喷角度为120℃,流量占该喷头总量的70%,下喷角度是90°,流量占30%,近塔壁的均用上下喷角为90°的喷头。这种喷头有法兰连接和丝扣连接,承插连接三种,如喷浆管用FRP材料,则应用后两者连接方式,如用钢管内外衬橡胶,则只能用前者。2.1.3　喷头的布置

上两层波形除雾器高度,最底部上冲水管至最上部下冲水管总高差(g)约3.4m～3.5m。以上尺寸适于平铺波纹板式除雾器。如用菱形除雾器,其空间高度(g)将可降1m左右。

1.2.7　搅拌器设置高度(h),离塔底部1.5m～1.8m处均布。

综上所述:只要定出烟气进出口高度,则塔的有效高H和总高即可得到。

2　结　　构

FGD的吸收塔设计特点:①直径大,跨直径的

零部件多,如喷浆管,冲水管,支撑梁等;②开孔大(烟道进口宽度达塔直径的80%以上)。由此而产生的对设计要求刚度要好,有些部件的支撑、固定需作特殊设计。要求固定牢固,不能有颤动现象,否则易损坏防护层。

2.1　喷浆部分　是吸收塔功能最主要的部分,靠喷出的雾化浆液吸收烟气中的SO2。2.1.1　喷浆管

其作用是浆液通过分布在管子上的喷头喷出雾状液以吸收烟气中的SO2。要求管内外都需要耐磨

根据所选的喷头数量在塔内均匀布置,用喷洒角90°的喷头,层间高差为1.7m时,其平行间距在1.3m左右。喷洒面积按51.8m布满塔的圆面积,如有空缺则个别喷头间距可适当调整,在喷洒范围内应有交叉,如间距经过小调整后仍填补不了空隙,则考虑喷头数量是否需要增加,允许调整多少,涉及到液气比、浆液的循环量,则需与工艺专业协调解决。

2.1.4　喷浆管的支承

吸收塔的塔径一般都较大,而喷头的数量较多质量也较重,搁置在支承梁上。考虑大跨度受弯曲因素,应保证其有足够的刚度、足够大的断面系数。一般都用钢材焊制成矩形空腹梁,如喷浆管材质用的是FRP,则可以采用主管穿过空心梁的结构型式(见图2)。结构紧凑,但需考虑烟气和浆液渗漏入梁内腐蚀钢材的措施,其结构见图2;如喷浆管用内外衬胶的管子,则只能采用搁置在梁上托架的结构,因在安装现场已衬好橡胶的管子,不可能再进行焊接组装

。

图3　除雾器波纹板

是添加滑石粉增强聚丙烯,美国一般用玻璃纤维增强塑料(FRP),这种材料我国用手工制作较多,表面粗糙,增加了结垢的可能性,还容易引起“水泡”和

图2　管子穿过空心梁的结构图

“剥皮”现象。2.2.2　冲洗水管

为防止液滴粘在除雾器波纹板上逐渐结垢,影响烟气通路,在上下两层除雾器的各自上下部位均设有水冲洗管。冲洗管材可用增强聚丙烯材料,管上安有多个水喷头,水喷头入口压力为0.2MPa,喷出口微滴直径一般在20Lm～30Lm之间。冲洗水可起两个作用:一是冲洗粘在除雾器上的浆液,二是作为塔内浆液里的部分补充水。它不是全部喷头同时开启,而是根据所需补充水量,分区轮流上下喷水冲洗。

每层水管的安装,离除雾器高差,根据经验定为0.5m～0.6m之间。喷头的水平间距定为1m左右

2.2　除雾部分2.2.1　除雾器

2.2.1.1　除雾器的作用是将经过喷浆吸收SO2后

的烟气,夹带的液滴和水雾分离下来,以控制和防止

亚硫酸盐在除雾器和后续塔壁、烟道生成结垢。2.2.1.2　对除雾器的要求

(1)液滴微粒脱出率高。

(2)尽可能地将≤15Lm微滴除掉。(3)系统的压力降要小。(4)不堵塞。(5)容易清洗。

无堵塞、高效率是除雾器的关键。2.2.1.3　除雾器的形式

目前用于这方面的除雾器有多种,较适合于本工艺的大型吸收塔的是图3所示的形式,其组成型式有菱形和水平型两种,一般都分两段组装。菱形除雾效果较好,但组装结构复杂,制作、安装、检修较麻烦。直径大于513m的吸收塔,其通路面积才能大于塔面积。这是因为菱形布置时,塔面积有较大盲区。

除雾器一般设两层,由多片波形板组成一组,整齐地铺设在支承梁上。组成后其刚度要好,宜用厚1.2mm～2.0mm挤拉玻璃钢波纹板组装而成,气体通过不致波动变形,也便于安装、检修人员踩压在上面不致歪塌,也可节省树脂用量。欧洲国家的脱硫装置,为改善耐温性能,当温度>90℃时,

首选材料

为宜,喷洒角为90°。根据国外经验,选择好冲洗压

力和喷嘴角度至关重要,大口径冲洗喷嘴对洗涤除雾器叶片内侧沉积物效果不好。2.2.3　除雾器及冲水管的支承

除雾器为1.2mm～2.0mm厚的挤拉玻璃钢波纹板由316L不锈钢螺杆连接成组,安放在支承梁上,由于支承梁跨度较大,故一般都做成空心梁。

为了上下冲水管运行稳定,不致颤振,需用塑料型材紧固在支承梁上。

菱形除雾器:有两合一式和合分层两种型式(见图4)。其优点是经波纹板碰撞下来的雾滴可集中流下,可减轻产生烟气夹带现象,烟气通路面积亦即除雾面积比水平式面积相应增大,总高差可减少约1m(即塔高可降低1m左右),但小直径的塔不适用,其盲区占面积的比例较大,从结构来看,直径在513

m以上才适用

。

图4　菱形除雾器型式

2.3　强制氧化部分

吸收SO2后的浆液落入浆池中,使生成的重亚硫酸钙Ca(HSO3)2浆液在过量空气中氧的作用下充分氧化为硫酸钙并结晶生成二水石膏CaSO4 2H2O。据文献介绍,浆液中通入氧化空气的方式有

图6　搅拌器的设置位置与角度

国外有一种减速机(英国Plenty厂生产),一旦需要更换填料时,其主轴可以滑动,封住浆液渗入减速机内,可不停车打开后盖,只要松动主轴上的锁紧螺母,将主轴往前稍推,则靠气腔部分的轴套斜面,顶住气腔的连接挡板,将浆液封住,更换填料后,再将锁紧螺母稍拧1～2圈,则主轴恢复到正常位置。2.3.2　气腔(包)的设置

主要功能是将氧化空气均匀地送入浆液,其产生的大气泡立即由搅拌器击碎,产生大量小气泡,与浆液接触面积相应增大,氧化效果更好些。同时运转时,它可封住浆液侵入搅拌机的填料函及机壳内。这样,可使减速机免受浆液的侵蚀。

据介绍气腔氧化空气出口要求保持一定流速,气腔出口与搅拌器外半径的夹角H在一个范围内。也有一种在搅拌器处不专设气腔,氧化空气由另外接管喷入搅拌器叶轮边缘。2.3.3　氧化空气喷管

氧化空气喷管的设置,有与搅拌器设在一起的,即上述情况。也有根据氧化空气需要单独设置的。管上开有多个孔,往浆液内喷入以强制浆液氧化。由于一般塔径较大,且塔内部都有防腐层,喷出空气时会有颤振现象,故要求管子的支承和固定要牢靠,不得有松驰颤抖现象产生。其标高宜在浆液下面4m左右。因为浆液下降到此处氧化过程基本完成。2.4　其它

2.4.1　在烟气进口管大法兰连接处,应设有冷却水喷头若干。以备一旦烟气进口超温(140℃),则迅速

多种,如管道插入式;管道喷雾式;搅拌机管道式;直入管式螺旋搅拌机;插入管式螺旋搅拌机等。比较结果认为以直入管式螺旋搅拌器效果最佳。这种型式结构简单,空气喷嘴少,所需空气量少,空气利用率高,气泡尺寸细。它不仅使氧化空气管道的用量大大减少(此管材一般都采用316L),且空气泡能更为均匀地分布在浆池内参加氧化反应。

本文重点介绍该形式的结构(见图5),该结构集氧化空气管和搅拌器为一体,构成对浆液充分氧化作用

。

图5　直入管式螺旋搅拌器

2.3.1　搅拌器

为使浆液在浆池内不致沉淀结垢,保证浆液在浆池内与空气中氧充分氧化,浆液处于不停的流动状态。浆池下部设有搅拌器数台,如浆液较高,在浆液的中上部再设一层数台。2.3.1.1　搅拌器设置的位置与角度

搅拌器的设置要求定位精度较高。底部一层一般设在离底部1.5m～2.0m之间。中心轴下倾

(见图6)。10°,与中心径向偏差5°～6°

2.3.1.2　搅拌器的型式　三叶推进式水平搅拌器。叶轮直径在5700mm～5800mm之间。有齿轮减速机和皮带轮带动两种形式。2.3.1.3

　传动机构

开启冲水阀,用大量冷却水冷却。这样可保护塔的防腐衬里不致破坏。

2.4.2　喷浆段和除雾器段的塔体相当部位必须设有安装和检修人员的进出口以及零部件取进,取出的可能,此安装孔一般不得小于5800mm和800mm×600mm。塔体下部需考虑便于清洗人员操作方便的清扫门,一般不小于800mm×1000mm,可

视塔径大小情况而定。如该塔设有两层搅拌器,则清扫门要考虑升降车进出维修上层搅拌浆的可能。2.4.3　塔顶宜设一快开式排气孔(DN500mm左右)以便停车检修时,迅速排出塔顶不聚集的烟气以保证检修人员的人身安全。2.4.4　关于塔内接管及紧固件用材

不能承受较大的温差。据国内已有6年使用经验的工厂反映,未发现任何需要维修的问题,运行正常。

近年来从欧洲引进的装置均为橡胶衬里,尚需要国内进一步观察以取得经验。

笔者倾向于用玻璃鳞片涂层。根据国外使用经验介绍,如用橡胶衬里,则趋向于用丁基橡胶;如用玻璃鳞片涂层,则趋向于乙烯酯树脂。

各部位的具体防腐要求分述如下。3.1　浆池部分

池中设有搅拌器和氧化空气配管。浆液中CaSO3

在外加空气的强烈氧化和搅拌器的作用下转化成CaSO4 2H2O(石膏)。为了有利于CaSO3的转化,氧化池内浆液的pH值保持在5左右。浆池的腐蚀

2---工况为酸性条件下SO2-4、SO3、Cl、F等的腐蚀,

在空气和搅拌浆的作用下的浆液磨蚀(浆液中固体颗粒平均粒径20Lm～25Lm,少量104Lm),温度在50℃左右,采用厚度为3.5mm～4.0mm的玻璃鳞片防腐。氧化空气管配置,离底部太近时,则底部应考虑在对氧化空气分配管孔的位置加衬耐酸瓷砖,以增强气体和浆液的强烈冲刷对衬里的机械破坏。

3.2　喷浆区

由电除尘来的高温(约140℃)烟气进入塔内与雾化浆液充分接触,喷头喷出的浆液冲刷在塔内侧壁上,造成严重的冲刷磨蚀和腐蚀(据生产6年的工厂经验,5年能冲穿2mm厚的316L壁板并已修衬过2～3次)。为了提高抗浆液冲刷的能力,据国外资料介绍,需在内壁受冲刷部位,在涂玻璃鳞片的基础上加覆含有0.4mm玻璃短纤维的玻璃鳞片增强,其总厚度为4mm。3.3　除雾区

根据塔内介质成分来看,不论浆液还是湿烟气,其含Cl-量均较高,故在用不锈钢材料时,应考虑采用含Mo2%～3%的超低碳不锈钢(316L)。2.4.5　关于塔底板的制作

本塔为大型薄壁容器,外部大小接管较多,加上地震、风载、雪载、热应力等受力方向复杂。内部又有防腐衬里或涂层,要求其有一定的刚度。特别是大面积塔底板与基础底板不致变形。

为便于停车清洗沉淀物,要求底板中心至塔边缘应保持1%的坡度。

2.4.6　为保证塔内壁防腐材料,不致于受到塔外温度变化的影响而开裂失效,塔外壁必须用保温材料保温,保温厚度为200mm～3mm。

3　防　　腐

吸收塔本体不同部位及零部件,因其承受多种多样的化学品、温度,湿度的腐蚀和烟尘、浆液的冲刷、磨损等苛刻的工况条件,要求采用相应的既防腐又耐磨损耐冲刷的材料。目前,国际上用于FGD的防腐材料有三种:衬橡胶,涂玻璃鳞片,以镍基合金为基础的衬里。在欧洲主要使用橡胶衬里,在日本几乎全部采用玻璃鳞片涂层,在美国上述三种防腐方式均有使用,由于镍基合金造价昂贵,目前,各国(包括美国)都不趋向采用。

橡胶衬里具有弹性和受力变形能力,可吸收固体物料的冲刷力,耐一定程度的温度变化,并有良好的耐磨性能。其缺点是受热应力影响易导致衬层起层开裂,产生扩散性腐蚀。施工要求高,维修不易。烟气进口部位温度较高,远大于橡胶使用温度,不宜用橡胶衬里,需用耐热,耐腐蚀材料补充其不足,有些衬橡胶的吸收塔其烟气进口部位用氟塑料薄膜层作特殊处理。

玻璃鳞片具有优良的防渗透性和结合良好的机械程度,即使在180℃条件下,短时间里仍能集良好的化学稳定性和抗渗透性于一体。施工维修方便,但

烟气在经过喷浆管的喷雾区后,已除去90%左

右的SO2,但含有大量水分和浆液的液滴,温度降为45℃～70℃左右,会对烟道产生腐蚀和结垢。除雾器区域的腐蚀轻得多,主要是湿SO2的腐蚀和气流冲刷。因此,该区段的塔体内侧只涂2mm厚玻璃鳞片,不需特别加强。3.4　烟气进口区

一般该温度较高,橡胶衬里的塔在该部分有用镍基合金的也有贴四氟乙烯薄膜的。用玻璃鳞片涂层可不作任何补充措施。

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