脱硫系统设计-石灰石 - 石膏湿法脱硫.docx

脱硫系统设计---- 石灰石 - 石膏湿法脱硫
1 脱硫系统设计的初始条件
在进行脱硫系统设计时，所需要的初始条件一般有以下几个：
（1）处理烟气量，单位：m3/h或Nm3/h；
（2）进气温度，单位：℃；
（3）SO2初始浓度，单位：mg/m3或mg/Nm3；
（4）SO2排放浓度, 单位：mg/m3或mg/Nm3；
2 初始条件参数的确定
2.1 处理风量的确定
处理烟气量的大小是设计脱硫系统的关键，一般处理烟气量由业主方给出或从除尘器尾部引风机风量大小去确定。处理风量还存在标况状态（Nm3/h）和工况状态（m3/h）的换算，换算采用理想气体状态方程：PV = nRT（P、n、R均为定值）
V1/T1=V2/T2
V1: mg/Nm3，T1：273K； V2: mg/m3，T2：t+273K(t为进气温度)；
怀化骏泰提供的是工况烟气量是300000 m3/h,烟气温度150℃,经上述公式转换得出标况烟气量193600 Nm3/h(液气比计算用标况烟气量)
2.2 进气温度的确定
进气温度为经过除尘后进入脱硫塔的烟气温度值，进气温度大小关系到脱硫系统烟气量的换算和初始SO2浓度换算。
2.3 SO2初始浓度的确定
SO2初始浓度一般由业主方给出，并且由此计算脱硫系统中各项设备参数，也是系统选择液气比的重要依据。SO2初始量计算公式如下:
S+O2→SO2
32 64
CSO2=2×B×Sar/100×ηso2/100×10
CSO2-SO2初始量,mg； B-锅炉BMCR负荷时的燃煤量，t/h；
Sar-燃料的含S率，%； ηso2-煤中S变成SO2的转化率，%,一般取0.85；
怀化骏泰提供的是4000 mg/Nm3
2.4 SO2排放浓度的确定
一般根据所在地区环保标准确定。二氧化硫排放限值与烧煤、油、气有关，与新建或改造锅炉有关，与地区有关，设计之前需要查看当地环保排放标准。

按照国家标准,污染物排放浓度需按公式折算为基准氧含量排放浓度,所以实测的排放浓度还需要经过折算,燃煤锅炉按基准含氧量O2=6%进行折算，
c = c’ × (21 - O2) / (21 - O2’)
式中c – 大气污染物基准氧含量排放浓度 , mg/m3;
c’— 实测的大气污染物排放浓度, mg/m3; 38 mg/m3
O2’-- 实测的含氧量 ,%; 15%
O2 -- 基准含氧量 ,%; 6%
计算: SO2浓度(6%O2)=38×(21-6)/(21-15)=95mg/m3,结果也是与在线监测值相符
根据在线监测电脑上显示实测的大气污染物排放浓度, 实测的含氧量,我们可以自己计算出折算值.当然电脑上也给我们自动折算并且给出了折算值,但是这个值怎么来的,我们需要知道,怀化骏泰的排放浓度是100mg/ m3,折算值,不是实测值,

3 脱硫系统的设计计算
3.1 参数定义
（1）液气比（L/G）：即单位时间内浆液喷淋量和单位时间内流经吸收塔的烟气量之比.单位为L/m3；

石灰石法液气比范围在8l/m3-25l/m3之间,一般认为12.2就可以了(液气比超过某个值后,脱硫效率的提高非常缓慢,而且提高液气比将使浆液循环泵的流量增大,增加循环泵的设备费用,塔釜的体积增大.增大脱硫塔制造成本,同时还会提高吸收塔的压降,加大增压风机的功率及设备费用)

通过液气比可以计算出循环浆液量
Q循 = 12.2 × 193600 / 1000 = 2362 m3/h
（2）钙硫比（Ca/S）：理论上脱除1mol的S需要1mol的Ca，但在实际反应设备中，反应条件并不处于理想状态，一般需要增加脱硫剂的量来保证一定的脱硫效率，因此引入了Ca/S的概念。用来表示达到一定脱硫效率时所需要钙基吸收剂的过量程度，也说明在用钙基吸收剂脱硫时钙的有效利用率。Ca/S-钙硫比，取值1.03

（3）脱硫效率：单位时间内烟气脱硫系统脱除SO2的量与进入脱硫系统时烟气中的SO2量之比。

3.2 脱硫系统的组成及主要设备选型
3.2.1 SO2吸收系统
（1）脱硫塔的设计计算
脱硫塔分为循环氧化区和喷淋除雾区两部分。
a.喷淋除雾区直径设计：首先设定喷淋区烟气流速v，则喷淋区直径D1

Q-吸收区的烟气流量，m3/h；
假定此时吸收区平均温度100℃, Q = 300000*(273+100)/(273+150) = 265000 m3/h
v-喷淋区烟气流速,m/s,一般设定为3-4.5m/s
D13.5 = 2 * √(265000/3600/3.5/3.14) =4.6m
D13 = 2 * √(265000/3600/3/3.14) = 5.6m
怀化骏泰项目取值D1 = 5.4m , 反算出流速v1 = 265000/3600/3.14/(5.4/2)2 = 3.2 m/s
b.喷淋除雾区高度设计：
喷淋除雾区总高度H1=h1+（n-1）×h2+h3+h4+h5+h6+h7 mm

h1：喷淋塔吸收区高度的计算，第一层喷淋层中心到脱硫塔进气口顶面距离
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　　　
　＝ (3)
　其中 C为标准状态下进口烟气的质量浓度kg/m3 ,怀化骏泰取值4000mg/m3=4*10-3 kg/m3
　 为给定的二氧化硫吸收率,％;取值为95％　　　　　
h为吸收塔内吸收区高度，m,求值
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) , u 上面已经计算出3.2m/s, 操作温度取平均值(100+50)/2=75℃.
根据已经有的经验，容积吸收率范围在5.5-6.5 Kg/（m3﹒s）之间[7]，取=5.5 kg/（m3﹒s）
h = = 3600*3.2×273/(273+75) *4*10-3*0.95/5.5 = 6.3m
怀化骏泰最终取值7m

h2：每一层喷淋层的中心高度，最小为1700mm；n-喷淋层数量；
怀化骏泰取值2000mm,淄博联昱取值1800mm
h3：最上层喷淋层中心到除雾器第一层冲洗层中心高度，一般为2500-3000mm；
怀化骏泰取值2900mm
h4：除雾器第一层冲洗层到最上层除雾板顶面高度，由除雾器厂家确定。
怀化骏泰的除雾器高度是2400mm
h5：除雾器最上层除雾板顶面到喷淋除雾区直筒段顶端高度，一般为1500mm；
怀化骏泰取值1500mm
h6：喷淋除雾区收口段高度，一般为1000mm；
怀化骏泰取值1000mm
h7：脱硫塔出口烟道衔接直筒段高度，直筒段直径D3=D4+0.2m(D4脱硫出气口直径)；
怀化骏泰为直排烟囱
c. 吸收塔浆池尺寸
首先前面根据液气比计算出浆液循环量
Q循 = 12.2 * 193600 / 1000 = 2362 m3/h
选型2台，单台1200m3/h，这也是为什么怀化骏泰运行2台循环泵时即能满足脱硫要求。实际上怀化骏泰是3台1200m3/h循环泵,这是考虑到烟气中的SO2浓度可能增加或者随运行时间延长，脱硫效率降低等因素，假设3台循环泵正常开启,可以反算出液气比值= 3*1200*1000/193600 = 18.6 L/m3
吸收塔浆池尺寸可通过以下工艺设计参数确定:
1)石膏颗粒(晶种)生长的停留时间
湿法脱硫系统中,亚硫酸钙、硫酸钙的析出是在循环浆液的固体颗粒（晶种）表面上进行的，为了晶体的生长和结晶，循环浆池里的石膏颗粒必须有足够的停留时间，反应时间也必须足够长。停留时间的计算公式为：
RT = (V x ρ x SC)/TSP
其中:RT—停留时间(min); TSP—石膏成品产量(干基)(kg/min);V—浆池体积(m3); ρ--浆液密度(kg/m3);SC—浆液含固量(%).
如生产的石膏要在水泥或石膏行业使用,FGD的石膏成品含水量必须<10%,石膏必须结晶成平均直径为35-50Um的立方晶体，停留时间就必须>15h；对于抛弃系统，由于石膏成品要被抛弃,石膏成品含水量可>15%；此时系统停留时间可缩小到10小时左右。
怀化骏泰RT取值15*60min
理论完全石膏生成量=193600*4000*172/64/1000000 = 2081.2 kg/h
TSP—石膏成品产量(干基)(kg/min) = 2081.2/60 = 34.7kg/min
ρ--浆液密度(kg/m3)取值1120 kg/m3;SC—浆液含固量(%)取值17%.
可以算出V = RT * TSP / (ρ x SC) = 15*60 * 34.7 /(1120*17%) = 164 m3
2)石灰石溶解的停留时间
如要求吸收塔内的石灰石充分溶解，则石灰石在循环 浆池内必须有足够长的停留时间。一般来说，石灰石的停留时间须大于4.3min。石灰石溶解的停留时间按下式计算：
T = V / (N x RF)
其中：T—停留时间（min）；V—浆池体积（m3）；N—循环泵数；RF—单台循环泵流量（m3/h）。
按2台循环泵计算 V = 4.3*2*1200/60 = 172m3
164m3 < 172m3 < V
前面已经确定吸收区直径5.4m,塔釜直径略大于吸收区直径取值6m,
V = π(D/2)2h; 6.1<h2, 循环液液面高度必须大于6.1m; 取值7m
反算出循环液体积V = 198m3
h8：循环氧化区有效高度（即循环液液面）到脱硫塔进气口底面距离，一般为0.5m-1m。最终塔釜高度取值7.5m,直径6m
h9：脱硫塔进气口底面到进气口顶面距离。

（2）浆液循环泵（卧式单吸离心泵）选型
前面我们根据液气比得出循环泵流量,2台1200 m3/h;实际选型3台1200 m3/h
单台循环泵扬程估算值H泵=H喷淋层+ H喷嘴 (m)- H液位
H喷淋层：每一层喷淋层的总高度；分别为17m,19m,21m
H喷嘴：每一层喷淋层喷嘴出口压力；德创碳化硅喷嘴所需出口压力为0.07MPa(相当于7m扬程)
H液位 : 脱硫塔液位7m减去泵入口高度1m,取值6m
H泵= 17 + 7 – 6 = 18m ,考虑余量,选18m,20m,22m
单台循环泵轴功率Ne=G泵×H泵×9.81×ρ浆÷3600÷η泵 ÷η机

ρ浆：石膏浆液比重，1130kg/m3(含固量20%)
η泵：循环泵效率，一般为80%
η机：机械传动效率，取值98%
Ne = 1200×22×9.81×1130÷3600÷0.80÷0.98÷103 (KW) = 104 (KW)
单台循环泵额定轴功率P=K×Ne (KW)
K：泵的裕量系数 NE≤22 K=1.25； 22<NE≤55 K=1.15； 55<NE K=1.00 
P=K×Ne (KW) = 1.0×104 (KW) = 104 (KW) ,选型132KW
（3）氧化区氧化风机（罗茨风机）选型
根据经验，当烟气中含氧量为6％以上时，在脱硫塔喷淋区域的氧化率为50－60％。采用氧枪式氧化分布技术，在浆池中氧化空气利用率ηo2=25－30％，因此，脱硫塔氧化区浆池内所需要的理论氧气量为：
2SO2+O2→2SO3

MS02 = 10-6×193600×4000×1÷64 = 12.1 kmol/h;
Q = 0.5×22.4×12.1×(1-20%)÷0.21×3 = 1548.8 m3/h = 1548.8÷60 =25.81m3/min
风机工作时的额定压力选型依据液位。按1米=9.8kpa计算, 9.8*7 = 68.8kpa,最后从厂家型号规格中选最接近此数值的
（4）喷淋层的设计
喷淋覆盖率的计算公式如下:
α=nA0÷A×100%
式中α为覆盖率,%;n为单层喷嘴数量;A0为单个喷嘴的覆盖面积(即喷嘴顶端下0.9m的锥形喷雾覆盖的面积,根据喷嘴角度不同,覆盖面积不同,90°时,覆盖面积π×0.92, 120°时,覆盖面积π×1.562),m2;A为脱硫塔喷淋区的截面积,m2
α= 24×π×0.92÷(π×2.72) = 267%
浆液的重叠覆盖率至少达到200%~300%

（5）监测控制仪表
在脱硫塔上需要安装以下监测及控制仪表：
液位计：监测塔内液位，当到达低液位时控制循环泵停止，一般采用压力变送器。
密度计：监测塔内石膏浆液浓度，当石膏浆液浓度超过设定的值时启动渣浆泵浆石膏浆液输送至脱水系统进行处理。
PH计：监测塔内PH值，控制保持PH值在5.5-6之间，防止塔内及管路结垢。
温度计：监测脱硫塔进口、出口烟气温度。当进口烟气温度超过设定值时，启动事故紧急喷淋系统，保护塔内防腐设施。
压差变送器：监测脱硫塔运行阻力，超过设定值时启动报警装置，阻力一般设定在1200Pa。
3.2.2烟气系统
（1）进口烟道的设计
进口烟道流速按15m/s设计，截面成长方形，尽量采用较大的长宽比（一般为1.5-2）。
S = 300000÷3600÷15= 5.6m2,最终取值3m×2m, 此时长宽比3÷2 = 1.5
（2）出口烟道的设计
烟气出口烟道设计成轴向对称型式，截面成圆形，烟道流速按15m/s设计。

S = 193600×(273+50)÷273÷3600÷15=4.24m2,直径φ=2400,最终取值φ=2800
（3）旁路烟道的设计
烟道流速按15m/s设计，截面成长方形与进口烟道相同。
注意：如遇特殊情况，烟道流速最大不得超过18m/s，烟道弯头按R/D=1-1.5设计，R/D值最小不得小于0.8.
3.2.3石灰石浆液制备系统
（1）石灰石粉消耗量的计算
SO2＋CaCO3+2H2O→CaSO3·2H2O+CO2
64 100
M石灰石=(Ca/S)×Q×CSO2×ηs×100÷64÷W石灰石÷106（kg/h）
Q-进脱硫塔的烟气流量，m3/h
CSO2-入口SO2初始浓度，mg/m3
ηs-脱硫效率，%
W石灰石-石灰石粉的纯度，%，取值85%
Ca/S-钙硫比，取值1.03
注：石灰石粉品质要求：纯度90%，颗粒细度：325目。石灰石中MgO不宜太高，MgO含量最好≤2％。
（2）石灰石粉仓的体积计算
V石灰石粉仓= M石灰石×24×T÷ρ石灰石÷Φ (m3)
M石灰石-石灰石粉消耗量，kg/h
T-石灰石粉储存时间，一般按锅炉BMCR工况运行储存5天的石灰石粉消耗量。
ρ石灰石-堆积密度，一般为1600kg/m3；
Φ-充满系数，一般为0.9
注：石灰石粉仓锥斗锥角角度≥60°。
（3）石灰石浆液池的计算
石灰石浆液浓度要求控制在20-30%，其有效容积按不小于锅炉BMCR工况的3小时所需脱硫剂量设计。浆池有效容积计算如下：
V制浆池= 3×M石灰石÷C石灰石浆×100÷ρ石灰石浆 （m3）
C石灰石浆-石灰石浆液浓度，%,取20%
ρ石灰石浆-石灰石浆液密度，1140kg/m3(20%浓度时)
配制20%浓度的石灰石浆液所需工艺水流量计算如下：
Q工艺水1= M石灰石÷C石灰石浆×100÷1000×（1- C石灰石浆÷100） (m3/h)
（4）浆液泵（卧式单吸离心泵）选型
浆液泵流量按石灰石浆液消耗量的110%设计，扬程按20%余量选型。数量2台（一备一用），采用变频器调节泵流量，泵功率计算参照循环泵。
（5）石灰石粉计量螺旋给料机选型
计量螺旋给料机的最大给料量按石灰石粉消耗量的200%设计选型。
（6）监测控制仪表
在石灰石制浆系统上需要安装以下监测及控制仪表：
液位计：监测浆池内液位，当到达低液位时控制供浆泵停止，一般采用压力变送器。
密度计：监测浆池内石灰石浆液浓度，通过密度计的显示调节石灰石粉给料量和工艺水量，浆石灰石浆液浓度在20-30%设计范围内，有利于系统运行。
料位计：采用射频导纳料位计，监测石灰石粉仓料位情况。
电磁流量计：监测供浆泵输送流量，通过变频器调节脱硫系统不同运行工况下所需石灰石浆液量的大小。监测工艺水供给量，通过电动调节阀调节工艺水流量大小平，配合计量螺旋给料机调节石灰石浆液浓度。
3.2.4石膏脱水系统
机组FGD所产生的20-25wt％浓度的石膏浆液由脱硫塔下部布置的石膏浆液排放泵（每塔两台石膏浆液排放泵，一用一备）送至石膏浆液旋流器。每台真空皮带脱水机的设计过滤能力为脱硫系统石膏总量的200％。
（1）石膏（CaSO4·2H2O）产量计算
脱硫系统最终的副产品-石膏的品质为纯度≥90％，含水量 ≤10％。计算如下：
SO2→CaSO4·2H2O
64 172
G石膏=Q×CSO2×ηs×172÷64÷W石膏÷106（kg/h）
Q-进脱硫塔的烟气流量，m3/h
CSO2-入口SO2初始浓度，mg/m3
ηs-脱硫效率，%
W石膏-石膏的纯度，%，取值99%
G石膏 = 2060 kg/h
（2）石膏浆液排放泵（卧式单吸离心泵）选型
在未进行脱水前，石膏以20-25wt％浓度沉积在脱硫塔底部。则石膏浆液排放泵流量计算如下：
Q石膏浆=2×Q×CSO2×ηs×172÷64÷C石膏浆÷106÷ρ石膏浆 （m3/h）
C石膏浆-石膏浆的浓度，%，取值20%
ρ石膏浆-石膏浆的密度，1130kg/m3(浓度20%时)
石膏浆液排放泵流量按20%石膏浆液量的200%设计，扬程按20%余量选型。数量2台（一备一用），泵功率计算参照循环泵。
Q石膏浆 = 2×2060÷0.99÷0.2÷1130 = 18.4 m3/h,考虑皮带机和石膏泵为运行时间的一半,
Q石膏浆 = 2×18.4 m3/h = 37m3/h, 最终取值40m3/h
（3）石膏旋流站
石膏旋流站作为第一级脱水装置，将石膏浆液排放泵输送过来的20-25 wt％石膏浆液浓缩到浓度50-55wt％。每套旋