石灰石-石膏湿法脱硫系统的设计计算.doc

石灰石-石膏湿法脱硫系统
设计
(内部资料)

编制:xxxxx环境保护有限公司

2014年8月

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1.石灰石-石膏法主要特点
（1）脱硫效率高，脱硫后烟气中二氧化硫、烟尘大大减少，脱硫效率高达95％以上。
（2）技术成熟，运行可靠性高。国外火电厂湿法脱硫装置的投资效率一般可达98％ 以上，特别是新建的大机组采用湿法脱硫工艺，使用寿命长，可取得良好的投资效益。
（3）对燃料变化的适应范围宽，煤种适应性强。无论是含硫量大于3％的高硫燃料，还是含硫量小于1％的低硫燃料，湿法脱硫工艺都能适应。
（4）吸收剂资源丰富，价格便宜。石灰石资源丰富，分布很广，价格也比其它吸收剂便宜。
（5）脱硫副产物便于综合利用。副产物石膏的纯度可达到90％，是很好的建材原料。
（6）技术进步快。近年来国外对石灰石-石膏湿法工艺进行了深入的研究与不断改进，可望使该工艺占地面积较大、造价较高的问题逐步得到妥善解决。
（7）占地面积大，一次性建设投资相对较大。
2.反应原理

（1）吸收剂的反应
购买回来石灰石粉（CaCO3）由石灰石粉仓投加到制浆池，石灰石粉与水结合生成脱硫浆液。

（2）吸收反应
烟气与喷嘴喷出的循环浆液在吸收塔内有效接触,循环浆液吸收大部分SO2，反应如下：
SO2(气)+H2O→H2SO3(吸收)
H2SO3→H+ +HSO3－
H+ +CaCO3→ Ca2+ +HCO3－（溶解）
Ca2+ +HSO3－ +2H2O→ CaSO3·2H2O+H+ (结晶)
H+ +HCO3－→H2CO3(中和)
H2CO3→CO2+H2O
总反应式：SO2＋CaCO3+2H2O→CaSO3·2H2O+CO2
（3）氧化反应
一部分HSO3－在吸收塔喷淋区被烟气中的氧所氧化，其它的HSO3－在反应池中被氧化空气完全氧化并结晶，反应如下：
CaSO3＋1/2O2→CaSO4(氧化)
CaSO4+2H2O→CaSO4·2H2O(结晶)
（4）其他污染物
烟气中的其他污染物如SO3、Cl－、F－和尘都被循环浆液吸收和捕集。SO3、HCl和HF与悬浮液中的石灰石，按以下反应式发生反应：
SO2＋H2O→2H＋＋SO32－
Ca CO3 +2HCl<==>CaCl2 + H2O+ CO2
Ca CO3 +2HF <==>CaF2 +H2O+ CO2
3.工艺流程
脱硫循环池池
工业水
烟 囱
经除尘器除尘后的烟气
引风机
脱硫塔
石灰石浆池
脱硫液
石灰石浆液
CaCO3
出气阀门
旁路阀门
进气阀门
塔内氧化系统
脱水系统

脱硫液
工艺水池
脱硫废弃物

滤液
循环利用
经炉内脱硫将SO2浓度降至3000mg/m3
事故水池

3.1工艺说明
经过除尘器处理后的烟气由引风机接入脱硫吸收塔，在主烟道上设置旁路挡板门，当锅炉启动、进入FGD的烟气超温和FGD装置故障停运时，烟气由旁路挡板经烟囱排放。烟气经吸收塔进气口进入塔内，折转向上运动（入口处装有紧急喷淋装置），烟气进入首层喷淋层与吸收浆液进行传质吸收，随之进入多层喷淋层进行烟气脱硫洗涤，发生复杂的化学反应，利用脱硫塔底部循环池储存脱硫液进行循环使用。脱硫渣浆液经曝气氧化后送入脱水系统进行处理，经脱水后的滤液返回至循环池。脱硫后的净烟气通过除雾装置除去烟气中的水分，然后通过脱硫塔顶部排出口排至烟道，在经烟道排至烟囱排入大气。
4.脱硫系统的设计
4.1 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）燃料的含S率及消耗量，单位：%、t/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；
（5）锅炉蒸汽量，单位：t/h；
4.2 初始条件参数的确定
4.2.1 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。若只知道锅炉蒸汽量，可由以下经验系数去计算：
（1） 针对循环流化床锅炉，煤粉锅炉等烧煤锅炉，可按1t蒸汽对应2500m3风量计算；
（2） 针对蔗渣锅炉、生物质锅炉等烧生物质燃料锅炉，可按1t蒸汽对应3333m3风量计算；
所计算出来的处理风量最终圆整数，例如：75×2500=187500m3/h,圆整后取值188000m3/h
（3）处理风量还存在标况状态（mg/m3）和工况状态（mg/Nm3）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)；
4.2.2燃料的含S率及消耗量
当没有SO2初始浓度设计值时，可用燃料中的含S率及消耗量去计算SO2初始浓度。
4.2.3 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。
4.2.4 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；
4.2.4 SO2排放浓度的确定
一般根据所在地区环保标准确定。
4.3脱硫系统的设计计算
4.3.1 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；

（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。
液气比、钙硫比选择依据根据《工业锅炉及炉窑湿法烟气脱硫工程技术规范》HJ462-2009

（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。

C1—脱硫后烟气中SO2的折算浓度（mg/m3或mg/Nm3）
C2—脱硫前烟气中SO2的折算浓度（mg/m3或mg/Nm3）
（4）系统可利用率：指脱硫装置每年正常运行时间与发电机组每年总运行时间的百分比。
可用率 = (A – B)/ A×100%
A:发电机组每年的总运行时间，h
B:脱硫装置每年因脱硫系统故障导致的停运时间,h
4.3.2 脱硫系统的组成及主要设备选型
石灰石-石膏湿法脱硫系统主要由以下几部分组成：
4.3.2.1 SO2吸收系统
该系统包含：脱硫塔（喷淋层）、浆液循环泵（卧式单吸离心泵）、氧化风机（罗茨风机）、
除雾器、浆液搅拌装置、监测控制仪表等设备。
（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-进脱硫塔的烟气流量，m3/h；
v-喷淋区烟气流速,m/s,一般设定为3-3.5m/s
注意：D1计算出来后取整数（保留前2位数字）后，再反算出最终流速值v1。
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：第一层喷淋层中心到脱硫塔进气口顶面距离，一般为2000-2500mm；
h2：每一层喷淋层的中心高度，一般为1700mm；n-喷淋层数量；
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；
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。
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；
h6：喷淋除雾区收口段高度，一般为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)；
c. 循环氧化区有效容积设计:主要由循环浆液在该区的停留时间所确定，首先必须先确定脱硫浆液循环总量G=Q×液气比（m3）÷1000
循环氧化区有效容积V循=G÷60×T停 m3
T停-循环浆液在该区的停留时间，石膏颗粒在循环浆池中足够长的停留时间对于晶体化和晶体的生长是非常有必要的。只有这样，FGD的副产物石膏才能得到更好的利用。一般设计4min(最低不小于2.5min),浆液浓度维持在20-25wt%。
得出循环氧化区有效容积V循后，则需确定循环氧化区直径D2和高度。直径D2略大于喷淋除雾区直径D1（一般大2m，D2=D1+2）需具体考虑。取定循环氧化区直径D2后可计算出循环氧化区有效高度H2=V循÷3.14÷（D2）2×4 (m)
循环氧化区总高度H3=H2+h8+h9 mm
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1000mm。
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
单台循环泵流量G泵=Q×液气比（m3）÷1000÷n (m3/h)
单台循环泵扬程H泵=H喷淋层+ H喷嘴 (m)
单台循环泵轴功率Ne=G泵×H泵×9.81×ρ浆÷3600÷η泵 ÷η机
=2.725×G泵×H泵×ρ浆÷η泵 ÷η机 ÷106 (KW)
H喷淋层：每一层喷淋层的总高度；
H喷嘴：每一层喷淋层喷嘴出口压力；我公司所通用的大流量碳化硅蜗口型喷嘴所需出口压力为0.1MPa(相当于10m扬程)
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%
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 
（3）脱硫塔氧化区搅拌和氧化系统
吸收塔反应池装有多台侧入式搅拌机。氧化风机将氧化空气鼓入反应池。氧化空气分布系统采用喷管式，氧化空气被分布管注入到搅拌机桨叶的压力侧，被搅拌机产生的压力和剪切力分散为细小的气泡并均布于浆液中。一部分HSO3－在吸收塔喷淋区被烟气中的氧气氧化，其余部分的HSO3－在反应池中被氧化空气完全氧化。降低CaSO3浓度，减少CaSO3·1/2H2O反应的发生，可缓解系统管道结垢。同时也增加了二水石膏CaSO4·2H2O结晶沉淀析出，提高了石膏品质。

侧式搅拌器布置图 氧化空气管路布置图

（4）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

自然氧化率即烟气中含有的氧对SO2的氧化率。
（5）喷淋层的设计
每层喷淋层外部浆液循环管采用一周环形布置，材质钢衬塑。内部喷淋管采用不锈钢316L材质。喷淋系统采用单元制设计，每层喷淋层配一台与之相连接的浆液循环泵。每台脱硫塔配多台浆液循环泵。运行的浆液循环泵数量根据锅炉负荷的变化和对吸收浆液流量的要求来确定，在达到要求的吸收效率前提下，可选择最经济的泵运行模式以节省能耗。
喷嘴采用涡口型碳化硅大流量喷嘴，喷淋角度90°。喷嘴为环绕塔内部环形布置，保证浆液的重叠覆盖率至少达到200%~300%。每层喷淋层相对交错15°，保证完全覆盖。
喷淋覆盖率是指喷淋层覆盖的重叠度,它由喷淋覆盖高度、喷淋角度来确定。覆盖高度是指液膜离开喷嘴后至破碎前的垂直高度，一般根据喷嘴特性及喷淋层之间距离来确定。
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,m2;A为脱硫塔喷淋区的截面积,m2
喷淋层进浆支管管径d大小由喷嘴接口大小确定，进浆主管管径由以下公式计算：
（m）
Q浆-每层喷淋层浆液流量，m3/h
v-进浆主管流速，m/s，一般为2-3m/s
主管压力降计算： ΔP=ΔPm＋ΔPj＋ΔPh     
ΔP—管道总压降，KPa； ΔPm—管道摩擦阻力，KPa；
ΔPj—管道局部阻力，KPa；    ΔPh—浆液水平高差阻力降，KPa 
其中ΔPm、ΔPj和ΔPh的计算公式如下：
ΔPm=λLρu2/（2di） ΔPj=Σξρu2/2000
ΔPh=ρgh/1000 
  λ—管道摩擦系数，无量纲；  L—直管长度，m；     
ρ—浆液密度，Kg/m3；   h—浆液水平高差，m； 
  Σξ—局部阻力系数（包括弯头、三通、阀门、孔板、膨胀节及设备进出口等）之和，无量纲；        
g—重力加速度，9.8m/s2； 
如计算所得的管道压力降ΔP太大，超过了工艺系统所能承受的范围，则必须增大管径或缩小抬升高度以降低阻力（有些场合，管道浆液落差是作为势能处理的，则落差越高越有利）。
（6）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。
4.3.2.2烟气系统
该系统包含脱硫进口烟道、出口烟道、旁路烟道、烟道阀门、烟道膨胀节、烟道支撑及事故紧急喷淋装置。
（1）进口烟道的设计
脱硫塔入口烟气的均匀性直接影响到脱硫塔内烟气分布的均匀性。 烟气入口气液接触处为干湿交界面，浆液在此干燥结垢将影响塔运行的安全性和气流流向。设计时应在烟道入口上方及两侧安设挡水板，防止喷嘴喷出的浆液进入烟道内。运行时，上方挡水板形成的水帘有利于脱硫和气流均布，两侧挡水板可防止喷嘴喷雾产生的背压将浆液抽进烟道内（当烟道档板未关，且无气体进入塔内时）。同时，靠近烟道侧的喷嘴应调整安装角度，防止喷入烟道。
烟气入口区域的流体流动受入口烟道与塔的几何尺寸、内部构件、托盘下部的喷淋层以及浆液从托盘流出的方式影响。尽管脱硫塔入口设计扁平,但入口射流上下左右及端部都必然有死滞区、回流区，可通过下述方法改善之：
将水平进气方式改为斜向下进气，此种结构有利于削弱塔内回流旋涡，降低压损，延长气液接触时间，防止浆液倒流。倾斜角度一般为15-20°。如下图所示。

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）。
（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。

（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.
4.3.2.3石灰石浆液制备系统
此系统包含：石灰石粉储存仓、浆池搅拌器、计量给料装置、供浆泵以及监测控制仪表等。
（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90%
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）供浆泵（卧式单吸离心泵）选型
供浆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。
4.3.2.4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