烟气脱硫设计计算

烟气脱硫工艺吸收塔设计和选型

4.1吸收塔的设计

吸收塔是脱硫装置的核心，是利用石灰石和亚硫酸钙来脱去烟气中二氧化硫气体的主要设备，要保证较高的脱硫效率，必须对吸收塔系统进行详细的计算，包括吸收塔的尺寸设计，塔内喷嘴的配置，吸收塔底部搅拌装置的形式的选择、吸收塔材料的选择以及配套结构的选择（包括法兰、人孔等）。 4.1.1 吸收塔的直径和喷淋塔高度设计

本脱硫工艺选用的吸收塔为喷淋塔，喷淋塔的尺寸设计包括喷淋塔的高度设

计、喷淋塔的直径设计

4.1.1.1 喷淋塔的高度设计 喷淋塔的高度由三大部分组成，即喷淋塔吸收区高度、喷淋塔浆液池高度和喷淋塔除雾区高度。但是吸收区高度是最主要的，计算过程也最复杂，次部分高度设计需将许多的影响因素考虑在内。而计算喷淋塔吸收区高度主要有两种方法： （1） 喷淋塔吸收区高度设计（一）

达到一定的吸收目标需要一定的塔高。通常烟气中的二氧化硫浓度比较低。吸收区高度的理论计算式为

h=H0×NTU (1)

其中：H0为传质单元高度：H0=Gm/(kya)（ka为污染物气相摩尔差推动力的总传质系数，a为塔内单位体积中有效的传质面积。）

NTU为传质单元数，近似数值为NTU=(y1-y2)/ △ym，即气相总的浓度变化除于平均推动力△ym=（△y1-△y2）/ln(△y1/△y2)(NTU是表征吸收困难程度的量，NTU越大，则达到吸收目标所需要的塔高随之增大。 根据（1）可知：h=H0×NTU=

Gmy1?y2Gmy1?y2 *?***kya?ymkya(y1?y1)?(y2?y2)*y1?y1ln()*y2?y2kya=kYa=9.81×10?4G0.7W0.25[4]

kLa??W0.82[4] (2)

其中：y1,y2为脱硫塔内烟气进塔出塔气体中SO2组分的摩尔比，kmol(A)/kmol(B)

** y1,y2为与喷淋塔进塔和出塔液体平衡的气相浓度，kmol(A)/kmol(B)

kya 为气相总体积吸收系数，kmol/(m3.h﹒kpa)

x2，x1为喷淋塔石灰石浆液进出塔时的SO2组分摩尔比，kmol(A)/kmol(B)

G 气相空塔质量流速，kg/(m2﹒h) W 液相空塔质量流速，kg/(m2﹒h)

y1×=mx1, y2×=mx2 (m为相平衡常数，或称分配系数，无量纲) kYa为气体膜体积吸收系数，kg/(m2﹒h﹒kPa) kLa为液体膜体积吸收系数，kg/(m2﹒h﹒kmol/m3) 式（2）中?为常数，其数值根据表2[4]

表3 温度与?值的关系

温度/ ? 10 0.0093 15 0.0102 20 0.0116 25 0.0128 30 0.0143 采用吸收有关知识来进行吸收区高度计算是比较传统的高度计算方法，虽然计算步骤简单明了，但是由于石灰石浆液在有 喷淋塔自上而下的流动过程中由于石灰石浓度的减少和亚硫酸钙浓度的不断增加，石灰石浆液的吸收传质系数也在不断变化，如果要算出具体的瞬间数值是不可能的，因此采用这种方法计算难以得到比较精确的数值。

以上是传统的计算喷淋塔吸收区高度的方法，此外还有另外一种方法可以计算。

（2） 喷淋塔吸收区高度设计（二） 采用第二种方法计算，为了更加准确，减少计算的误差，需要将实际的喷淋塔运行状态下的烟气流量考虑在内。而这部分的计算需要用到液气比（L/G）、烟气速度u（m/s）和钙硫摩尔比(Ca/S)的值。 本设计中的液气比L/G是指吸收剂石灰石液浆循环量与烟气流量之比值

（L/M3）。如果增大液气比L/G，则推动力增大，传质单元数减少，气液传质面积就增大，从而使得体积吸收系数增大，可以降低塔高。在一定的吸收高度内液气比L/G增大，则脱硫效率增大。但是，液气比L/G增大，石灰石浆液停留时间减少，而且循环泵液循环量增大，塔内的气体流动阻力增大使得风机的功率增大，运行成本增大。在实际的设计中应该尽量使液气比L/G减少到合适的数值同时有保证了脱硫效率满足运行工况的要求。

湿法脱硫工艺的液气比的选择是关键的因素，对于喷淋塔，液气比范围在8L/m3-25 L/m3之间[5]，根据相关文献资料可知液气比选择12.2 L/m是最佳的数值[5][6]。

烟气速度是另外一个因素，烟气速度增大，气体液体两相截面湍流加强，气体膜厚度减少，传质速率系数增大，烟气速度增大回减缓液滴下降的速度，使得体积有效传质面积增大，从而降低塔高。但是，烟气速度增大，烟气停留时间缩短，要求增大塔高，使得其对塔高的降低作用削弱。

因而选择合适的烟气速度是很重要的，典型的FGD脱硫装置的液气比在脱硫率固定的前提下，逆流式吸收塔的烟气速度一般在2.5-5m/s范围内[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%），钙硫比(Ca/S)一般略微大于1，最佳状态为1.01-1.02，而比较理想的钙硫比(Ca/S)为1.02-1.05，因此本设计方案选择的钙硫比(Ca/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内总的二氧化硫吸收量平均到吸收区高度内的塔内容积中,即为吸收塔的平均容积负荷――平均容积吸收率，以?表示。

首先给出定义，喷淋塔内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内的二氧化硫吸收量

?＝

3QC? (3) ?K0Vh 其中 C为标准状态下进口烟气的质量浓度，kg/m3 ?为给定的二氧化硫吸收率,％;本设计方案为95％ h为吸收塔内吸收区高度，m

K0为常数，其数值取决于烟气流速u(m/s)和操作温度(℃) ; K0=3600u×273/(273+t)

由于传质方程可得喷淋塔内单位横截面面积上吸收二氧化硫的量[8]为： G（y1-y2）=kya×h×?ym (4)其中: G为载气流量(二氧化硫浓度比较低，可以近似看作烟气流量)，kmol/( m2.s) Y1,y2 分别为、进塔出塔气体中二氧化硫的摩尔分数（标准状态下的体积分数） ky 单位体积内二氧化硫以气相摩尔差为推动力的总传质系数，kg/(m3﹒s) a 为单位体积内的有效传质面积，m2/m3.

?ym 为平均推动力，即塔底推动力，△ym=（△y1-△y2）/ln(△y1/△y2)

所以 ?=G(y1-y2)/h (5)

吸收效率?=1-y1/y2，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/m3（标状态）

所以 y1?≥y1-0.0203% (6)

又因为G=22.4×（273+t）/273=u(流速) 将式子（5）?的单位换算成kg/( m2.s),可以写成

?=3600×

在喷淋塔操作温度

64273*u*y1?/h (7) 22.4273?t100?50?75?C下、烟气流速为 u=3.5m/s、脱硫效率?=0.95 2前面已经求得原来烟气二氧化硫SO2质量浓度为a (mg/m3)且 a=1.18×104mg/m3

而原来烟气的流量（145?C时）为20×104(m3/h)换算成标准状态时(设为Va)

已经求得 Va=1.31×105 m3/h=36.30 m3/s

故在标准状态下、单位时间内每立方米烟气中含有二氧化硫质量为 mSO2=36.30×1.18×104mg/m3=42.83×104mg=428.3g VSO2=

428.3g?22.4 L/mol=149.91L/s=0.14991 m3/s≈0.15 m3/s

64g/mol

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 y1=

0.15?100%?0.41% 36.30 又 烟气流速u=3.5m/s, y1=0.41%,??0.95,t?75?C

总结已经有的经验，容积吸收率范围在5.5-6.5 Kg/（m3﹒s）之间[7]，取?=6 kg/（m3﹒s）

代入（7）式可得 6=（3600?64273??3.5?0.041?0.95）/h 22.4273?75 故吸收区高度h=18.33≈18.3m

（4）喷淋塔除雾区高度（h3）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/m3 [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

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