石灰石-石膏湿法脱硫系统的设计计算

1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21.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3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－CaCO3+2HCl==CaCl2+H2O+CO2CaCO3+2HF==CaF2+H2O+CO23.工艺流程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：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4（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/T2V1: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。4.2.4SO2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→SO23264CSO2=2×B×Sar/100×ηso2/100×109CSO2-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；54.2.4SO2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；)/3()/(hmhL的湿烟气体积流量单位时间内吸收塔入口单位时间内浆液喷淋量液气比（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。%100212CCC脱硫效率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，h6B:脱硫装置每年因脱硫系统故障导致的停运时间,h4.3.2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：4.3.2.1SO2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D114.3360021vQDQ-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+h7mmh1：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m3T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7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+h9mmh8：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。8（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≤22K=1.25；22NE≤55K=1.15；55NEK=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9（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。10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：14.3360022vQD浆（m）Q浆-每层喷淋层浆液流量，m3/hv-进浆主管流速，m/s，一般为2-3m/s主管压力降计算：ΔP=ΔPm＋ΔPj＋ΔPhΔP—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