湿法烟气脱硫塔喷淋层设计

李正青

（浙江菲达脱硫工程有限公司技术部，浙江 杭州 310053）

0 前言

SO2是人类从事工业化生产活动以来制造出的常见大气污染物，其不仅与烟尘PM2.5产生协同作用，诱发疾病，形成酸雨还会对生态造成不可逆的破坏。

按吸收剂及脱硫产物在脱硫过程中的干湿状态可将脱硫技术分为湿法脱硫（WFGD）、干法脱硫（DFGD）和半干法脱硫（SDFGD）。其中湿法脱硫应用最广，占市场份额的85%。

各类湿法脱硫塔中，喷淋空塔的塔内件相对少，压阻小，应用最广。喷淋层是喷淋空塔中最重要的部件，SO2最直接的吸收去除反应即在喷淋区内完成，喷淋区内足够的喷淋量和良好的气液传质是脱硫效率最重要的保证。

1 喷淋效果的影响因素

影响脱硫塔喷淋效果的因素有：液气比、烟气在塔内停留时间、浆液温度、浆液浓度、喷淋覆盖率、覆盖均匀性、喷淋液滴颗粒尺寸。

1.1 液气比

在入口烟气量一定的前提下，液气比由喷淋量决定。喷淋量等于每层喷淋量乘以喷淋层数。基于双膜理论，分析了SO2吸收所历经的三个阶段，得出了吸收有效区的高度在2 m左右。由于石灰石溶解速率的限制，增加吸收区高度，脱硫效率的增加不明显[1]。

1.2 烟气在塔内停留时间

首先，在一定的烟气量的前提下，吸收塔的塔径决定了烟气流速。接下来再确定喷淋区的高度即可确定烟气在塔内停留时间。

1.3 喷淋覆盖率

喷淋覆盖率按下式计算：α=N×A0/A×100%，式中：

α——覆盖率，%；

N——单个喷淋层喷嘴数量，个；

A0——距离喷嘴出口1 m处测得的单个喷嘴喷淋面积，m2；

A——喷淋塔横截面积，m2。

喷淋层的覆盖率以200%～300%为宜。A0主要由喷雾角决定，喷雾角是指浆液离开喷嘴后形成的液膜锥的锥角，主要受喷嘴孔半径、旋转室半径和浆液入口半径等因素的影响。通常为90°或120°。注意，若喷淋层喷嘴出口1 m处喷嘴喷到喷淋管、梁和塔壁，计算覆盖率时需扣除这些无效面积；A0并非按喷雾角所表示的1 m高圆锥横切面直接计算，因浆液喷出后的流体能量损失，距离喷嘴出口1 m处测得的单个喷嘴喷淋面积较小。实际面积大约为喷雾角所表示的面积的70%。

1.4 覆盖均匀性

主要通过喷淋管和喷嘴的布置来体现。喷嘴尽量均匀地布置在吸收塔截面上，喷淋管的布置应使到达喷嘴的浆液流动路径短、拐弯少、压力流量均等。

1.5 喷淋液滴颗粒尺寸

通过选择合适的喷嘴来达到适合液滴粒径的分布。理想液滴粒径一般在500～1000μm。喷淋液滴粒径过大，比表面积不够，气液接触面小。喷淋液滴粒径也不是越小越好，粒径过小，易被气化或被气流带走，直接减少了用于喷淋吸收的液滴量，而且增加了除雾器的负担。通常直径小于500μm的液滴数量不应超过总量的5%。

2 喷嘴的布置和喷淋管的设计

2.1 喷嘴的布置

喷嘴的布置方式有矩阵型和同心圆型，两种方式均能实现喷嘴的均匀布置，有些改造喷淋管的局部位置喷嘴布置困难时，还可采用其他不规则型，圆周一圈最好采用同心圆型，此处多采用90°实心喷嘴，角度小可以减少对塔壁的冲刷，实心锥可实现无死角覆盖，充分锁气。吸收塔中心区多采用120°空心锥喷嘴，此类喷嘴产生的喷淋压力较小，既有利于引导烟气又减小了压阻。喷嘴的布置应结合喷淋管的设计忌喷到梁。

2.2 喷淋管的设计

喷淋管的设计主要是喷淋支管的设计，母管中的浆液是通过二级支管、三级支管等流到末端的各个喷嘴。喷淋支管设计的原则是流道最短、流场顺畅、流速均匀，分压均等。为此，应使每根二级支管所到达喷嘴的数量尽量相等，即二级支管的分支小管数量尽量相同。喷淋母管最适合的浆液流速为2.3～2.5 m/s，喷淋支管最适合的浆液流速为1.5～1.8 m/s。若喷淋支管设计不当，则流速过快处喷淋管易磨损，流速过慢处浆液颗粒易沉积，造成喷嘴堵塞。且喷嘴的流量不均会影响喷淋覆盖的均匀性。支管与母管连接处，流向改变，流速不均，此处管壁需要加厚或加固。

此外，喷淋管的设计和喷嘴的布置是相互影响的，当喷嘴布置受限喷到梁时，可以通过喷嘴偏转角度和喷淋支管的下沉或偏移来避免[2]。

图1 喷淋母管附近喷嘴偏转示意图

图2 支撑梁附近喷嘴下沉和偏转示意图

多层喷淋上下错开布置，层间距1.5～2.0 m。为了保证被喷淋的烟气分布均匀，最底层喷淋层中心线与吸收塔入口顶端之间至少留2.2～4.0 m的距离。为了减轻除雾器的负担，最顶层喷淋层中心线与除雾器之间的距离也需要留足，具体根据除雾器性能来确定。

除了常规的喷淋母管伸入塔内后分支布置的方式以外，另一种方式是母管布置在塔外，二级分支后，从塔的两侧进入吸收塔，在一个平面内交叉布置。这种布置方式有效地避免了喷嘴喷射母管，同时喷嘴布置的密度更大，均匀性也更好。因此，在烟气入口成分和需要的脱硫效率相同的前提下，这种布置可以降低塔高和浆液循环泵电耗[3]。

3 喷淋层支撑梁的设计

喷淋层支撑梁有承梁和穿梁两种型式。承梁即普通的位于喷淋管下部的支撑梁。穿梁是指喷淋母管穿过主梁中央的支撑方式，这种方式可抬高梁的标高，减小喷梁机会。

在梁的一端偏下位置，应该设置排气及检漏孔，且在十字形交叉梁的接口处内部开小孔使梁的内部连通。此小孔的作用有三：（1）密封焊时排气；（2）运行温度变化时平衡梁内外压力；（3）装置运行过程中，及时发现梁的穿孔损坏，及时修复。因支撑梁为中空结构，若梁损坏，浆液将进入梁内部，小孔将滴液。为了便于观察，小孔应该设置在便于观察的一端，比如离平台较近或朝向道路的一面。

为了保证梁的强度，梁的拼接也有规定，若钢材需要对接，对接焊缝为45°斜焊缝，对接焊缝不要在梁的中心处，应在梁的1/3～1/4处。支撑梁的面板和侧板不允许有纵向拼接焊缝。

喷嘴的布置尽量不要喷到支撑梁，若布置困难或布置失误喷到梁，可在梁喷到的部位包PP板保护。

4 喷淋层和增效环的协同作用

增效环为一圆锥环，通常设置在每层喷淋层下部的塔内壁上，其作用如下所述。

4.1 杜绝烟气的逃逸

塔壁内侧周围，喷淋覆盖重叠率较小，冲刷力较小，浆液喷到塔壁时顺着塔壁流下，丧失了液滴的形态，气液传质效果很差，形成喷淋薄弱区，上升的烟气易从此处“逃逸”到塔顶而没有进行有效的气液接触。设置增效环后，塔内周围烟气逃逸的通道被打断，烟气路径更集中，烟气流通截面内压力更均匀。并且，浆液打在增效环上流下形成一圈水幕，形成二次喷淋，上升烟气穿过水幕，能有效提高喷淋效果。

4.2 减弱塔壁冲刷

塔内壁不可避免地要承受喷淋浆液的冲刷，尤其是为了避免烟气逃逸，周围一圈喷嘴往往离塔壁距离较近，那么冲刷作用更厉害。合理布置增效环的位置，让喷淋浆液大部分的直接冲刷转移到增效环上，大大减小了塔壁防腐层的破坏程度。为了延长增效环的寿命，增效环的冲刷面通常用合金制作或贴衬合金，还有一种方式是加盖PP 板，用螺栓固定[4]。

5 结论

（1）提高液气比、增加烟气在塔内停留时间、提高喷淋覆盖率和覆盖均匀性、选择液滴颗粒尺寸适合的喷嘴，有利于提高喷淋效果。

（2）喷淋层圆周一圈喷嘴多采用同心圆型排列方式，喷嘴选择90°实心喷嘴，防止烟气从塔壁附近逃逸。通过喷淋管的合理的分支和变径，使支管流速适宜，流态顺畅、分压均等，有利于均衡每个喷嘴的喷淋效果，提高喷淋层整体喷淋均匀性。

（3）若喷嘴喷到支撑梁是很不经济的，既降低了喷淋覆盖率又降低了梁的使用寿命。可以通过喷嘴偏转角度和喷淋支管的下沉或偏移的方式来避免。

（4）喷淋层下部塔壁上适合位置安装增效环，既可有效地杜绝烟气逃逸，又能转移喷淋浆液对塔壁的直接冲刷，一举两得。