用于顺流喷雾半干法烟气脱硫的喷雾系统设计

供稿|王宏伟 / WANG Hong-wei

内容导读

一种新型脱硫工艺——顺流喷雾半干法烟气脱硫工艺是在脱硫塔上下设置多级雾化喷枪，通过精确的水量控制，实现含硫烟气、雾化水和石灰脱硫剂三者气液固三相充分接触反应。文章详细介绍了喷雾系统的雾化喷枪装置结构设计和水量控制的组成，确保顺流喷雾半干法烟气脱硫的长期稳定运行，可靠性高，工艺流程简单，系统阻力低，达到了很好的脱硫效果。此系统在某钢厂烧结机头烟气脱硫项目中得到了应用，运行两年多以来，没有发生脱硫塔内壁结垢的现象，也避免了脱硫剂团聚而造成的斗提跳车事故。顺流喷雾半干法的烟气脱硫系统获得发明专利，雾化喷枪和水量控制系统分别获得实用新型专利。

烟气脱硫概况

烟气脱硫技术主要分为湿法、半干法和干法。湿法主要包括石灰石/石灰-石膏法、氨法、镁法等，半干法主要包括旋转喷雾(SDA)、循环流化床(CFB)、密相干塔、顺流喷雾等，干法主要包括活性炭吸附法等。

前几年，湿法脱硫以其工艺流程成熟、脱硫效率高、价格相对较低等特点得到了电厂和钢厂的青睐。近年来，随着对颗粒物排放指标要求的提高，湿法脱硫必须增加湿式电除尘装置才能满足排放要求，但同时也增加了建设成本。另外，行业内普遍认为，湿法脱硫烟囱排出大量的水蒸汽是造成雾霾的原因之一。因此，尤其在唐山地区，钢铁限产政策规定对湿法脱硫和半干法脱硫区别对待，半干法脱硫已明确成为鼓励和支持的方向。

新型半干法脱硫工艺

目前的半干法脱硫主要有循环流化床和密相干塔两种方法。循环流化床脱硫无论是建设投资还是运营成本都相对较高。密相干塔脱硫的石灰消化过程在塔外进行，对水量控制要求较高，在实际应用中易出现脱硫塔内壁结垢，以及由于脱硫剂团聚而在循环传输过程中造成斗提跳车等事故。

因此，本文提出了一种新型半干法脱硫工艺——顺流喷雾半干法脱硫技术，工艺原理为：将石灰消化、烟气降温、脱硫反应都在脱硫塔同一反应区内进行，通过在反应区设计上下多级雾化喷枪，实现含硫烟气、雾化水、石灰脱硫剂三者气液固三相的充分反应，以经济的运行成本完成脱硫任务，脱硫工艺流程简单，设备易操作，故障率低，能耗低，脱硫效率高。

新型脱硫工艺流程

新型半干法脱硫工艺——顺流喷雾半干法脱硫技术是烟气从上至下进入脱硫塔，同时细粉状石灰脱硫剂经过输送布料系统也从上至下送入脱硫塔内，二者顺流而下在塔内充分混合，待流场稳定后，进入脱硫塔内反应区。脱硫塔反应区内对称布置多级雾化喷枪，通过喷入雾化水实现反应区的温度和湿度调节，形成理想的脱硫反应区域，实现含硫烟气、雾化水、石灰脱硫剂三者气液固三相的充分接触反应，完成烟气脱硫。反应后的烟气进入布袋除尘器，除尘净化后的洁净烟气经脱硫引风机送到烟囱外排。除尘器收集的脱硫剂和脱硫塔底的脱硫剂汇合后，经斗提提升到脱硫塔顶部，再经布料器再次进入脱硫塔循环使用。

在脱硫塔的反应区沿着烟气流向设置上下多级雾化喷枪，上下多级雾化水的作用不同。上级的雾化水用于降温，当待处理烟气温度高于140℃时，调整雾化水喷淋水量以降低待处理的烟气与粉状未消化的脱硫剂的混合物温度至最佳脱硫反应温度区间130～140℃，同时完成部分脱硫剂的消化。下级雾化水用于进一步消化脱硫剂的同时，完成脱硫反应，同时控制脱硫后的烟气温度接近100℃且在露点以上。

顺流喷雾半干法烟气脱硫的核心是喷雾系统。首先，要解决长时间运行后喷嘴易堵塞问题，堵塞后喷水量和喷射角度偏离正常设置值，雾化水无法在脱硫塔横截面整体覆盖，脱硫效果大打折扣。其次，水量需要精确控制，总体水量加入太多，则脱硫剂结块，脱硫塔内壁易结垢，总体水量加入太少，石灰消化不彻底，脱硫效率低。下面详细介绍一下喷雾系统的雾化喷枪装置结构设计和水量控制的组成。

喷雾系统的雾化喷枪装置

喷雾系统的雾化喷枪装置能够提高含硫烟气、雾化水和脱硫剂的接触面积和均匀性，一方面达到很好的降温效果，另一方面水与脱硫剂的消化效果彻底，脱硫反应速度快，提高脱硫效率。同时，喷嘴有防堵措施，所用水压和气压均为低压，大大提高长期稳定运行的可靠性。

雾化喷枪安装在脱硫塔中部，根据需要可以设置上下多级，每级对称布置2个，采用带有保护装置的双流体雾化喷头。另外在喷头处设置有氮气或压缩空气防堵喷吹装置，可以防止系统检修停机期间工艺水喷头的粘结堵塞。雾化喷枪的安装采用套管法兰的连接方式，可以方便地拆卸及维修。雾化喷枪的工作原理为：水管内的水和雾化气管内的低压氮气在雾化管中混合，形成雾化水，沿雾化管输送至喷嘴处，通过喷嘴喷射至脱硫塔内。

为了防止喷嘴堵塞，在雾化管和喷嘴的外面套有保护气套管，形成空腔，从保护气管进入的低压氮气通过保护气套管喷吹在喷嘴外环处，保护气管常开，压力0.05～0.15 MPa。这样在喷嘴外环形成保护气流，防止喷嘴堵塞。雾化喷枪的结构见图1。

图1 雾化喷枪的结构示意图

雾化喷枪装置包括两个部分：喷雾装置和保护装置。喷雾装置由水管、雾化气管、雾化管和喷嘴组成。保护装置由保护气管、保护气套管组成，一端密封，一端延至喷嘴外环处。雾化管和保护气套管直径不同，套在一起，中间形成空腔，空腔通过三个呈120°均匀分布的固定筋固定连接。为了控制喷射角度，雾化管和保护气套管靠近喷嘴一端向下弯曲120°。另外，整个装置通过法兰盘固定在脱硫塔上，易于检修。

喷雾系统的水量控制

半干法脱硫系统是否能长期正常运行，以及能否达到设计的脱硫效率，水量控制是关键。为此，设计了一种水量控制方式，通过准确地定量加水控制，再加上调试阶段根据现场装置摸索出来的水灰比，这样可以防止加水量过大而造成脱硫剂团聚现象，同时也可以保证最优的脱硫效果。水量控制系统工作原理为：首先通过计量泵精确控制水量，然后流量计量，而后经过电动调节阀送入脱硫塔内的雾化喷枪。在吸收塔内设计的多个温度传感器进行温度分析，先根据吸收塔入口温度传感器输送至工控机的温度信号来定量计算理论上需要的加水量，而后又通过安装在吸收塔反应区的温度传感器回馈测量，确保脱硫塔主体反应区的温度湿度条件，最终由安装在吸收塔出口的温度传感器测量的温度数值回馈给电动调节阀，调整系统的加水量。水量控制系统包括水箱、水量控制单元和雾化喷枪，具体工艺流程如图2所示。水箱通过液位传感器来控制补水开关，保持水箱中的水在高低液位之间。计量泵一用一备，依次串联Y形过滤器、电动调节阀、止回阀、流量计和压力表等。雾化喷枪的进水开关靠电磁阀的启停来控制。

图2 水量控制系统工艺流程

结束语

本文详细介绍了喷雾系统的雾化喷枪装置结构设计和水量控制的组成，喷雾系统是顺流喷雾半干法烟气脱硫的核心，此系统在某钢厂烧结机头烟气脱硫项目中得到了应用，项目顺利验收，运行两年多以来，没有发生脱硫塔内壁结垢的现象，也避免了脱硫剂团聚造成斗提跳车的事故，得到了用户的认可。事实证明：该喷雾系统确保了脱硫的长期稳定运行，可靠性高，工艺流程简单，系统阻力低，达到了很好的脱硫效果。同时，适用于顺流喷雾半干法的烟气脱硫系统(专利号：2015105838490)被专利局授予了发明专利，一种雾化喷枪(专利号：2015207138614)和一种水量控制系统(专利号：2015207147312)被专利局授予了实用新型专利。