吸收塔的直徑和噴淋塔高度設計
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吸收塔的直徑和噴淋塔高度設計
本脫硫工藝選用的吸收塔為噴淋塔，噴淋塔的尺寸設計包括噴淋塔的高度設計、噴淋塔的直徑設計
4.1.1.1 噴淋塔的高度設計 噴淋塔的高度由三大部分組成，即噴淋塔吸收區(qū)高度、噴淋塔漿液池高度和噴淋塔除霧區(qū)高度。但是吸收區(qū)高度是最主要的，計算過程也最復雜，次部分高度設計需將許多的影響因素考慮在內(nèi)。而計算噴淋塔吸收區(qū)高度主要有兩種方法：
（1） 噴淋塔吸收區(qū)高度設計（一）
達到一定的吸收目標需要一定的塔高。通常煙氣中的二氧化硫濃度比較低。吸收區(qū)高度的理論計算式為
h=H0×NTU (1)
其中：H0為傳質(zhì)單元高度：H0=Gm/(kya)（ka為污染物氣相摩爾差推動力的總傳質(zhì)系數(shù)，a為塔內(nèi)單位體積中有效的傳質(zhì)面積。）
NTU為傳質(zhì)單元數(shù)，近似數(shù)值為NTU=(y1-y2)/ △ym，即氣相總的濃度變化除于平均推動力△ym=（△y1-△y2）/ln(△y1/△y2)(NTU是表征吸收困難程度的量，NTU越大，則達到吸收目標所需要的塔高隨之增大。
根據(jù)（1）可知：h=H0×NTU=
= =9.81×10
(2)
其中：y1,y2為脫硫塔內(nèi)煙氣進塔出塔氣體中SO2組分的摩爾比，kmol(A)/kmol(B)
, 為與噴淋塔進塔和出塔液體平衡的氣相濃度，kmol(A)/kmol(B)
kya 為氣相總體積吸收系數(shù)，kmol/(m3 h﹒kpa)
x2，x1為噴淋塔石灰石漿液進出塔時的SO2組分摩爾比，kmol(A)/kmol(B)
G 氣相空塔質(zhì)量流速，kg/(m2﹒h)
W 液相空塔質(zhì)量流速，kg/(m2﹒h)
y1×=mx1, y2×=mx2 (m為相平衡常數(shù)，或稱分配系數(shù)，無量綱)
kYa為氣體膜體積吸收系數(shù)，kg/(m2﹒h﹒kPa)
kLa為液體膜體積吸收系數(shù)，kg/(m2﹒h﹒kmol/m3)
式（2）中 為常數(shù)，其數(shù)值根據(jù)表2[4]
表3 溫度與 值的關系
采用吸收有關知識來進行吸收區(qū)高度計算是比較傳統(tǒng)的高度計算方法，雖然計算步驟簡單明了，但是由于石灰石漿液在有 噴淋塔自上而下的流動過程中由于石灰石濃度的減少和亞硫酸鈣濃度的不斷增加，石灰石漿液的吸收傳質(zhì)系數(shù)也在不斷變化，如果要算出具體的瞬間數(shù)值是不可能的，因此采用這種方法計算難以得到比較精確的數(shù)值。
以上是傳統(tǒng)的計算噴淋塔吸收區(qū)高度的方法，此外還有另外一種方法可以計算。
（2） 噴淋塔吸收區(qū)高度設計（二） 采用第二種方法計算，為了更加準確，減少計算的誤差，需要將實際的噴淋塔運行狀態(tài)下的煙氣流量考慮在內(nèi)。而這部分的計算需要用到液氣比（L/G）、煙氣速度u（m/s）和鈣硫摩爾比(Ca/S)的值。
本設計中的液氣比L/G是指吸收劑石灰石液漿循環(huán)量與煙氣流量之比值（L/M3）。如果增大液氣比L/G，則推動力增大，傳質(zhì)單元數(shù)減少，氣液傳質(zhì)面積就增大，從而使得體積吸收系數(shù)增大，可以降低塔高。在一定的吸收高度內(nèi)液氣比L/G增大，則脫硫效率增大。但是，液氣比L/G增大，石灰石漿液停留時間減少，而且循環(huán)泵液循環(huán)量增大，塔內(nèi)的氣體流動阻力增大使得風機的功率增大，運行成本增大。在實際的設計中應該盡量使液氣比L/G減少到合適的數(shù)值同時有保證了脫硫效率滿足運行工況的要求。
濕法脫硫工藝的液氣比的選擇是關鍵的因素，對于噴淋塔，液氣比范圍在8L/m -25 L/m 之間 ，根據(jù)相關文獻資料可知液氣比選擇12.2 L/m 是最佳的數(shù)值[5][6]。
煙氣速度是另外一個因素，煙氣速度增大，氣體液體兩相截面湍流加強，氣體膜厚度減少，傳質(zhì)速率系數(shù)增大，煙氣速度增大回減緩液滴下降的速度，使得體積有效傳質(zhì)面積增大，從而降低塔高。但是，煙氣速度增大，煙氣停留時間縮短，要求增大塔高，使得其對塔高的降低作用削弱。
因而選擇合適的煙氣速度是很重要的，典型的FGD脫硫裝置的液氣比在脫硫率固定的前提下，逆流式吸收塔的煙氣速度一般在2.5-5m/s范圍內(nèi)[5][6]，本設計方案選擇煙氣速度為3.5m/s。
濕法脫硫反應是在氣體、液體、固體三相中進行的，反應條件比較理想，在脫硫效率為90%以上時（本設計反案尾5%），鈣硫比(Ca/S)一般略微大于1，最佳狀態(tài)為1.01-1.02，而比較理想的鈣硫比(Ca/S)為1.02-1.05，因此本設計方案選擇的鈣硫比(Ca/S)為1.02。
（3）噴淋塔吸收區(qū)高度的計算
含有二氧化硫的煙氣通過噴淋塔將此過程中塔內(nèi)總的二氧化硫吸收量平均到吸收區(qū)高度內(nèi)的塔內(nèi)容積中,即為吸收塔的平均容積負荷――平均容積吸收率，以 表示。
首先給出定義，噴淋塔內(nèi)總的二氧化硫吸收量除于吸收容積，得到單位時間單位體積內(nèi)的二氧化硫吸收量
＝ (3)
其中 C為標準狀態(tài)下進口煙氣的質(zhì)量濃度，kg/m3
為給定的二氧化硫吸收率,％;本設計方案為95％
h為吸收塔內(nèi)吸收區(qū)高度，m
K0為常數(shù)，其數(shù)值取決于煙氣流速u(m/s)和操作溫度(℃) ;
K0=3600u×273/(273+t)
由于傳質(zhì)方程可得噴淋塔內(nèi)單位橫截面面積上吸收二氧化硫的量 為：
G（y -y ）= ×h× (4)其中: G為載氣流量(二氧化硫濃度比較低，可以近似看作煙氣流量)，kmol/( m2.s)
Y1,y2 分別為、進塔出塔氣體中二氧化硫的摩爾分數(shù)（標準狀態(tài)下的體積分數(shù)）
ky 單位體積內(nèi)二氧化硫以氣相摩爾差為推動力的總傳質(zhì)系數(shù)，kg/(m3﹒s)
a 為單位體積內(nèi)的有效傳質(zhì)面積，m2/m3.
為平均推動力，即塔底推動力，△ym=（△y1-△y2）/ln(△y1/△y2)
所以 =G(y1-y2)/h (5)
吸收效率 =1-y /y ，按照排放標準，要求脫硫效率至少95%。二氧化硫質(zhì)量濃度應該低于580mg/m3（標狀態(tài)）
所以 y ≥y -0.0203% (6)
又因為G=22.4×（273+t）/273=u(流速)
將式子（5） 的單位換算成kg/( m .s),可以寫成
=3600× (7)
在噴淋塔操作溫度 下、煙氣流速為 u=3.5m/s、脫硫效率 =0.95
前面已經(jīng)求得原來煙氣二氧化硫SO 質(zhì)量濃度為a (mg/ )且 a=1.18×10 mg/m
而原來煙氣的流量（145 時）為20×10 (m /h)換算成標準狀態(tài)時(設為V )
已經(jīng)求得 V =1.31×10 m /h=36.30 m /s
故在標準狀態(tài)下、單位時間內(nèi)每立方米煙氣中含有二氧化硫質(zhì)量為
=36.30×1.18×10 mg/m =42.83×10 =428.3g
V = =149.91L/s=0.14991 m /s≈0.15 m /s
則根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，在標準狀況下，體積分數(shù)和摩爾分數(shù)比值相等
故 y =
又 煙氣流速u=3.5m/s, y =0.41%,
總結(jié)已經(jīng)有的經(jīng)驗，容積吸收率范圍在5.5-6.5 Kg/（m3﹒s）之間[7]，取 =6 kg/（m3﹒s）
代入（7）式可得
6=（ ）/h
故吸收區(qū)高度h=18.33≈18.3m
（4）噴淋塔除霧區(qū)高度（h3）設計（含除霧器的計算和選型）
吸收塔均應裝備除霧器，在正常運行狀態(tài)下除霧器出口煙氣中的霧滴濃度應該不大于75mg/m3 [9] 。
除霧器一般設置在吸收塔頂部（低流速煙氣垂直布置）或出口煙道（高流速煙氣水平布置),通常為二級除霧器。除霧器設置沖洗水，間歇沖洗沖洗除霧器。濕法煙氣脫硫采用的主要是折流板除霧器，其次是旋流板除霧器。
① 除霧器的選型
折流板除霧器 折流板除霧器是利用液滴與某種固體表面相撞擊而將液滴凝聚并捕集的，氣體通過曲折的擋板，流線多次偏轉(zhuǎn)，液滴則由于慣性而撞擊在擋板被捕集下來。通常，折流板除霧器中兩板之間的距離為20-30mm，對于垂直安置，氣體平均流速為2－3m/s；對于水平放置，氣體流速一般為6－10m/s。氣體流速過高會引起二次夾帶。
旋流板除霧器 氣流在穿過除霧器板片間隙時變成旋轉(zhuǎn)氣流，其中的液滴在慣性作用下以一定的仰角射出作螺旋運動而被甩向外側(cè)，匯集流到溢流槽內(nèi)，達到除霧的目的，除霧率可達90％－99％。
噴淋塔除霧區(qū)分成兩段，每層噴淋塔除霧器上下各設有沖洗噴嘴。最下層沖洗噴嘴距最上層噴淋層（3-3.5）m，距離最上層沖洗噴嘴（3.4-32）m。
② 除霧器的主要設計指標
a.沖洗覆蓋率：沖洗覆蓋率是指沖洗水對除霧器斷面的覆蓋程度。沖洗覆蓋率一般可以選在100 %～300 %之間。
沖洗覆蓋率%=
式中 n 為噴嘴數(shù)量，20個;α為噴射擴散角，90
A 為除霧器有效通流面積 ,15 m2
h 為沖洗噴嘴距除霧器表面的垂直距離,0.05m
所以 沖洗覆蓋率%= = =203%
b.除霧器沖洗周期：沖洗周期是指除霧器每次沖洗的時間間隔。由于除霧器沖洗期間會導致煙氣帶水量加大。所以沖洗不宜過于頻繁,但也不能間隔太長,否則易產(chǎn)生結(jié)垢現(xiàn)象,除霧器的沖洗周期主要根據(jù)煙氣特征及吸收劑確定。
c.除霧效率。指除霧器在單位時間內(nèi)捕集到的液滴質(zhì)量與進入除霧器液滴質(zhì)量的比值。影響除霧效率的因素很多,主要包括:煙氣流速、通過除霧器斷面氣流分布的均勻性、葉片結(jié)構(gòu)、葉片之間的距離及除霧器布置形式等。
d.系統(tǒng)壓力降。指煙氣通過除霧器通道時所產(chǎn)生的壓力損失 ,系統(tǒng)壓力降越大 ,能耗就越高。除霧系統(tǒng)壓降的大小主要與煙氣流速、葉片結(jié)構(gòu)、葉片間距及煙氣帶水負荷等因素有關。當除霧器葉片上結(jié)垢嚴重時系統(tǒng)壓力降會明顯提高 ,所以通過監(jiān)測壓力降的變化有助把握系統(tǒng)的狀行狀態(tài) ,及時發(fā)現(xiàn)問題 ,并進行處理。
e.煙氣流速。通過除霧器斷面的煙氣流速過高或過低都不利于除霧器的正常運行 ,煙氣流速過高易造成煙氣二次帶水,從而降低除霧效率,同時流速高系統(tǒng)阻力大,能耗高。通過除霧器斷面的流速過低,不利于氣液分離,同樣不利于提高除霧效率。設計煙氣流速應接近于臨界流速。根據(jù)不同除霧器葉片結(jié)構(gòu)及布置形式,設計流速一般選定在3.5～5.5m/ s之間。本方案的煙氣設計流速為6.9m/s。
f.除霧器葉片間距。除霧器葉片間距的選取對保證除霧效率 ,維持除霧系統(tǒng)穩(wěn)定運行至關重要。葉片間距大 ,除霧效率低 ,煙氣帶水嚴重 ,易造成風機故障 ,導致整個系統(tǒng)非正常停運。葉片間距選取過小,除加大能耗外 ,沖洗的效果也有所下降 ,葉片上易結(jié)垢、堵塞 ,最終也會造成系統(tǒng)停運。葉片間距一般設計在 20～95mm。目前脫硫系統(tǒng)中最常用的除霧器葉片間距大多在30～50mm。
g.除霧器沖洗水壓。除霧器水壓一般根據(jù)沖洗噴嘴的特征及噴嘴與除霧器之間的距離等因素確定，噴嘴與除霧器之間距離一般小于1m ,沖洗水壓低時,沖洗效果差,沖洗水壓過高則易增加煙氣帶水,同時降低葉片使用壽命。
h.除霧器沖洗水量。選擇除霧器沖水量除了需滿足除霧器自身的要求外，還需考慮系統(tǒng)水平衡的要求,有些條件下需采用大水量短時間沖洗,有時則采用小水量長時間沖洗,具體沖水量需由工況條件確定,一般情況下除霧器斷面上瞬時沖洗耗水量約為1-4m3/m2.h
③ 除霧器的最終設計參數(shù)
本設計中設定最下層沖洗噴嘴距最上層噴淋層3m。距離最上層沖洗噴嘴3.5m。
1)數(shù)量：1套× 1units=套
2)類型：V型 級數(shù)：2級
3)作用：除去吸收塔出口煙氣中的水滴，以便減少煙囪出煙口灰塵量。
4)選材：外殼：碳鋼內(nèi)襯玻璃鱗片；除霧元件：阻燃聚丙烯材料（PP）；沖洗管道：FRP；沖洗噴嘴：PP。
表4 除霧器進出口煙氣條件基于鍋爐100%BMCR工況進行設計
5)霧滴去除率：99.75% 為達到除霧器出口煙氣霧滴含量小于75mg/Nm3（干態(tài)），除霧器的霧滴去除率需要達到99.75% 以上。
6)除霧器內(nèi)煙氣流速：6.9m/s
a.重散布速度
大直徑的霧滴顆粒可以通過除霧器元件慣性作用產(chǎn)生顆粒間碰撞從而去除霧滴。（平均顆粒直徑大小為100～200μm）。
因此，煙氣流速越高，霧滴去除率越高。但是，被去除的霧滴會重新散布，而降低霧滴去除效率。這就是霧滴重散布速度的概念。
b．通過除霧器的煙氣流速
為了使除霧器的霧滴去除率達到99.75% 以上，根據(jù)吸收塔出口端（即除霧器入口端）霧滴顆粒直徑的實際分布狀況，直徑大于17μm的霧滴顆粒必須100％完全去除。
綜上所述，除霧區(qū)的最終高度確定為3.5m，即h3=3.5m
（5) 噴淋塔漿液池高度設計（設高度為h2）
漿液池容量V1按照液氣比L/G和漿液停留時間來確定，計算式子如下：
其中 L/G為 液氣比,12.2L/m3
VN為煙氣標準狀態(tài)濕態(tài)容積，VN=Vg=39.40m3/s
T1=2-6 min[8],取t1=2.8min=168s
由上式可得噴淋塔漿液池體積
V!=(L/G) ×VN×t!=12.20×39.40×168=80.02 m3
選取漿液池內(nèi)徑等于吸收區(qū)內(nèi)徑，內(nèi)徑D2= Di=3.8m
而V =0.25×3.14×D2×D2×h2=0.25×3.14×3.8×3.8×h2
所以 h2=7.06m
（6) 噴淋塔煙氣進口高度設計（設高度為h4）
根據(jù)工藝要求，進出口流速（一般為12m/s-30m/s）確定進出口面積，一般希望進氣在塔內(nèi)能夠分布均勻，且煙道呈正方形，故高度尺寸取得較小，但寬度不宜過大，否則影響穩(wěn)定性.
因此取進口煙氣流速為20m/s，而煙氣流量為36.30 m3/s，
可得
所以 h4=1.20m
2×1.20=2.40m(包括進口煙氣和凈化煙氣進出口煙道高度)
綜上所述，噴淋塔的總高（設為H,單位m）等于噴淋塔的漿液池高度h2 (單位m)、噴淋塔吸收區(qū)高度h (單位m)和噴淋塔的除霧區(qū)高度h3（單位m）相加起來的數(shù)值。此外，還要將噴淋塔煙氣進口高度h4（單位m）計算在內(nèi)
因此噴淋塔最終的高度為
H= h+h2+h3+ h4=18.47+7.06+3.50+2.40=31.43m取圓整值32m
4.1.1.2 噴淋塔的直徑設計
根據(jù)鍋爐排放的煙氣，計算運行工況下的塔內(nèi)煙氣體積流量，此時要考慮以下幾種引起煙氣體體積流量變化的情況：塔內(nèi)操作溫度低于進口煙氣溫度，煙氣容積變小；漿液在塔內(nèi)蒸發(fā)水分以及塔下部送入空氣的剩余氮氣使得煙氣體積流量增大。噴淋塔內(nèi)徑在煙氣流速和平均實際總煙氣量確定的情況下才能算出來，而以往的計算都只有考慮煙道氣進入脫硫塔的流量，為了更加準確，本方案將漿液蒸發(fā)水分V2 (m3/s)和氧化風機鼓入空氣氧化后剩余空氣流量V3 (m3/s) 均計算在內(nèi)，以上均表示換算成標準準狀態(tài)時候的流量。
（1） 吸收塔進口煙氣量Va (m3/s)計算
該數(shù)值已經(jīng)由設計任務書中給出，煙氣進口量為：36.30(m3/s)
然而，該計算數(shù)值實質(zhì)上僅僅指煙氣在噴淋塔進口處的體積流量，而在噴淋塔內(nèi)延期溫度會隨著停留時間的增大而降低，根據(jù)PVT氣體狀態(tài)方程，要算出瞬間數(shù)值是不可能的，因此只能算出在噴淋塔內(nèi)平均溫度下的煙氣平均體積流量。
（2） 蒸發(fā)水分流量V2 (m3/s)的計算
煙氣在噴淋塔內(nèi)被漿液直接淋洗，溫度降低，吸收液蒸發(fā)，煙氣流速迅速達到飽和狀態(tài)，煙氣水分由6%增至13%，則增加水分的體積流量 V2 (m3/s)為：
V2=0.07×36.30(m3/s)=2.541(m3/s)（標準狀態(tài)下）
（3） 氧化空氣剩余氮氣量V3 (m3/s)
在噴淋塔內(nèi)部漿液池中鼓入空氣，使得亞硫酸鈣氧化成硫酸鈣，這部分空氣對于噴淋塔內(nèi)氣體流速的影響是不能夠忽略的，因此應該將這部分空氣計算在內(nèi)。
假設空氣通過氧化風機進入噴淋塔后，當中的氧氣完全用于氧化亞硫酸鈣，即最終這部分空氣僅僅剩下氮氣、惰性氣體組分和水汽。理論上氧化1摩爾亞硫酸鈣需要0.5摩爾的氧氣。(假設空氣中每千克含有0.23千克的氧氣 )
又VSO2=0.15 m3/s 質(zhì)量流率G SO2= =0.42857kg/s 0.43 kg/s
根據(jù)物料守蘅,總共需要的氧氣質(zhì)量流量GO2=0.43×0.5kg/s=0.214Kg/s
該質(zhì)量流量的氧氣總共需要的空氣流量為 = GO2/0.23=0.932 Kg/s
標準狀態(tài)下的空氣密度為1.293kg/ m3 [2]
故V空氣=0.932/1.293(m3/s)=0.72 (m3/s)
V3=(1-0.23) ×V空氣=0.77×0.72 m3/s=0.56 m3/s
綜上所述，噴淋塔內(nèi)實際運行條件下塔內(nèi)氣體流量
Vg=Va+V2+V3=36.30+2.54+0.56(m3/s)=39.40(m3/s)
（4） 噴淋塔直徑的計算
假設噴淋塔截面為圓形，將上述的因素考慮進去以后，可以得到實際運行狀態(tài)下煙氣體積流量Vg，從而選取煙速u，則塔徑計算公式為：
D = 2 ×
其中： Vg為實際運行狀態(tài)下煙氣體積流量，39.40 m3/s
u為煙氣速度，3.5m/s
因此噴淋塔的內(nèi)徑為 D = 2 × =2× =3.786m≈3.8m
吸收塔噴淋系統(tǒng)的設計（噴嘴的選擇配置）
在滿足吸收二氧化硫所需表面積的同時，應該盡量把噴淋造成的壓力損失降低到最小，噴嘴是凈化裝置的最關鍵部分，必須滿足以下條件：
（1） 能產(chǎn)生實心錐體形狀，噴射區(qū)為圓形，噴射角度為60-120；
（2） 噴嘴內(nèi)液體流道大而暢通，具有防止堵塞的功能；
（3） 采用特殊的合金材料制作，具有良好的防腐性能和耐磨性能；
（4） 噴嘴體積小，安裝清洗方便；
（5） 噴霧液滴大小均勻，比表面積大而又不容易引起帶水；
霧化噴嘴的功能是將大量的石灰石漿液轉(zhuǎn)化為能夠提供足夠接觸面積的霧化小液滴以有效脫除煙氣中二氧化硫。濕法脫硫采用的噴嘴一般為離心壓力霧化噴嘴，可粗略分為旋轉(zhuǎn)型和離心型。常用的有空心錐切線型、實心錐切線型、雙空心錐切線型、實心錐型、螺旋型等5種。
噴嘴布置分成2-6層，一般情況下為4層；層數(shù)的安排可以根據(jù)脫硫效率的具體要求來增減。底負荷時可以停止使用某一層，層間距0.8-2米，離心式噴嘴1.7米。實際上從漿液池液面到除霧器，整個高度都在進行吸收反應。因而實際吸收區(qū)高度要比h高6-8米。
本方案采用4層噴嘴，層間距為1.5米。每臺吸收塔再循環(huán)泵均對應一個噴淋層，噴淋層上安裝空心錐噴嘴，其作用是將石灰石/石膏漿液霧化。漿液由吸收塔再循環(huán)泵輸送到噴嘴，噴入煙氣中。噴淋系統(tǒng)能使?jié){液在吸收塔內(nèi)均勻分布，流經(jīng)每個噴淋層的流量相等。一個噴淋層由帶連接支管的母管制漿液分布管道和噴嘴組成，噴淋組件及噴嘴的布置成均勻覆蓋吸收塔的橫截面，并達到要求的噴淋漿液覆蓋率，使吸收漿液與煙氣充分接觸，從而保證在適當?shù)囊?氣比（L/G）下可靠地實現(xiàn)至少95%的脫硫效率，且在吸收塔的內(nèi)表面不產(chǎn)生結(jié)垢。噴嘴系統(tǒng)管道采用FRP玻璃鋼，噴嘴采用SIC,是一種脆性材料，但是特別耐磨，而且抗化學腐蝕，可以長期運行而無腐蝕、無磨損、無石膏結(jié)垢以及堵塞等問題。
4.1.2.1噴嘴布置設計原理
（1) 噴管管數(shù)的確定
根據(jù)單層漿體總流量Q l和單個噴嘴流量Qs，可得單層噴嘴個數(shù)n
Ql = 480.68/4=120.17(L/s)
而單個噴嘴流量為Qs=0.75L/s
N=Ql /Qs
所以 N=120.17/0.75=160.22取整數(shù)值161個
單噴管最大流量
單噴淋層主噴管數(shù)
式中 為單噴淋管可選最大管徑，0.04m；
V為噴淋管內(nèi)最大流速，6m/s。
所以 =0.25×3.14×0.04×0.04×6=7.536L/S
=int(120.17/7.536)+1=16
（2) 各噴管間距的確定
根據(jù)脫硫塔直徑、噴嘴個數(shù)等參數(shù)，各噴管之間間距：
式中 Dim為脫硫塔內(nèi)徑
Nsp為噴嘴間距
（3) 各支噴管直徑的確定
根據(jù)布置在主管、各支管的噴嘴個數(shù)以及單噴嘴流量，可以確定主管各段、各支管噴管直徑
式中Qi為節(jié)點i處漿體流量，m3/s；Di為節(jié)點i處噴管直徑，m。
（4) 噴淋層在塔內(nèi)覆蓋率的確定
噴淋層在脫硫塔內(nèi)覆蓋率為：
則 = =176%
式中 AEFF為單層噴嘴在脫硫塔內(nèi)的有效覆蓋面積，20m2
A為脫硫塔面積，11.3m2
計算主要包括噴淋層內(nèi)主噴管數(shù)、各支噴管的管徑及流速、噴嘴在塔內(nèi)位置等的計算及設計。根據(jù)上述設計方法、結(jié)合實際經(jīng)驗，確定噴淋層內(nèi)各噴管直徑、各個噴嘴位置等幾何參數(shù)。
在確定噴嘴布置設計中，需要確定噴嘴在塔內(nèi)的位置坐標在確定各支噴管直徑時，要根據(jù)廠家提供的標準管徑來選取。在確定各個支噴管直徑后，還要根據(jù)廠家提供的噴嘴與各主、支噴管之間間距要求，對初步噴嘴位置進行調(diào)整，以避免噴出的液滴與噴管發(fā)生噴射碰撞。
在噴嘴布置完成后，需要確定噴淋層在塔內(nèi)的履蓋率以及多層覆蓋狀況，驗證噴嘴布置的合理性。
4.1.2.2進行噴嘴在塔內(nèi)布置設計中應該注意以下問題：
（1)選擇合理的噴嘴覆蓋高度，通常根據(jù)噴嘴特性及兩層噴淋之間距離來確定。
（2)選擇合理的單層噴嘴個數(shù)。一般來說，噴嘴個數(shù)根據(jù)工藝計算來確定。
（3)當噴嘴覆蓋高度確定以后，就可以計算單個噴嘴的覆蓋面積，
( 為噴霧角)
則 =3.14×1×1=3.14
（4)當在脫硫塔內(nèi)布置噴嘴時，選擇合適的噴嘴之間的距離。通常根據(jù)噴嘴個數(shù)和脫硫塔直徑來選擇噴嘴間距，并要與連接噴嘴的噴管布置方案整體考慮。
（5)選擇合理的經(jīng)濟流速，并根據(jù)噴管產(chǎn)品的標準來確定石灰石漿液母管和支管直徑。
（6)當檢驗噴淋層在脫硫塔覆蓋率時，不僅要考慮噴嘴液流與母管、支管和支撐的碰撞對覆蓋率的影響，還要考慮所有噴嘴在脫硫塔內(nèi)覆蓋均勻度。
吸收塔 底攪拌器及相關配置
在吸收塔底部，石灰石漿液經(jīng)過脫硫過程之后，變成了CaSO3和CaSO3﹒1/2 H2O，此時為了使氧化風機鼓入的空氣能夠充分地和CaSO3和CaSO3﹒1/2 H2O接觸，以便充分氧化，需要CaSO3和CaSO3﹒1/2 H2O的混合溶液內(nèi)部顆粒分布均勻，在這種情況下，需要使用攪拌器來使溶液懸浮顆粒均勻混合，同時增大和空氣接觸的面積。
由于底部溶液是固體懸浮溶液，根據(jù)
不同攪拌過程的攪拌器型式推薦表2-5[1]
攪拌器型式適用條件表2-6[1]
攪拌器型式使用范圍表2-7[1]
在吸收塔漿液池的下部，沿塔徑向布置四臺側(cè)進式攪拌器，其作用是使?jié){液的固體維持在懸浮狀態(tài)，同時分散氧化空氣。攪拌器安裝有軸承罩、主軸、攪拌葉片、機械密封。攪拌器葉片安裝在吸收塔降池內(nèi)，與水平線約為10度傾角、與中心線約為-7度傾角。攪拌槳型式為三葉螺旋槳，軸的密封形式為機械密封。
在吸收塔旁有人工沖洗設施，提供安裝和檢修所需要的吊耳、吊環(huán)及其他專用滑輪。采用低速攪拌器，有效防止?jié){液沉降。吸收塔攪拌器的攪拌葉片和主軸的材質(zhì)為合金鋼。在運行時嚴禁觸摸傳動部件及拆下保護罩。向吸收塔加注漿液時，攪拌器必須不停地運行。
葉片和葉輪的材料等級是ANSI/ASTMA176—80a，攪拌器軸為固定結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)速適當控制，不超過攪拌機的臨界轉(zhuǎn)速。所有接觸被攪拌流體的攪拌器部件，必須選用適應被攪拌流體的特性的材料，包括具有耐磨損和腐蝕的性能。
吸收塔材料的選擇
因為脫硫塔承受壓力不大，而且16MnR鋼材綜合力學性能、焊接性能以及低溫韌性、冷沖壓以及切削性能比較好，低溫沖擊韌性也比較優(yōu)越，價格低廉，應用比較廣泛。故塔壁面由16MnR鋼材制造，為了節(jié)約材料和防止腐蝕，內(nèi)襯橡膠板防腐層，其煙氣入口部分內(nèi)襯玻璃鱗片加耐酸瓷磚。
4.1.5.1吸收塔計算壁厚的計算
由于操作壓力不大，假設計算壁厚小于16毫米，根據(jù)附表九[3]16MnR鋼板在操作溫度下的許用應力為 =170Mpa。
對于漿液池部分由于漿液會對塔壁產(chǎn)生壓力，因此計算時還要這部分壓力考慮在內(nèi)，同時假設塔內(nèi)的計算壓力取0.202 MPa （2個標準大氣壓）
PC’=0.202+ （ 為漿液密度1257kg/m3，g=9.81m/s2,h漿液池高度7.06m）
所以PC’=0.202+ =0.202 +1257×9.81×7.06=0.292×10 Pa=0.292MPa
又根據(jù)式4-5[3]可知:吸收塔（噴淋塔）的計算壁厚公式為:
S= (mm)
其中： Pc計算壓力，對于漿液池以上部分取二倍大氣壓，0.202 MPa
PC’=0.292MPa
Di圓筒或者球殼內(nèi)徑,為3800mm
焊接接頭系數(shù)，取 =1; C壁厚附加量,取C=1.00mm
C2 腐蝕裕量,mm ; C1 鋼板厚度負偏差,mm
對于噴淋塔頂部以下漿液池以上的部分（簡稱上部分）
S= =
根據(jù)取腐蝕裕量C2=1.00mm[3],根據(jù)表4-7[3]可得 C1=0.25mm
則 C1 + C2=0.25+1=1.25mm
2.259+C=2.259+1.25=3.509mm圓整后取Sn=4.00mm
因此脫硫塔上部分應該選用的壁厚為4.00mm的16MnR鋼材，與上面的假設相符4.0mm〈16.00mm
對于噴淋塔漿液池部分（簡稱下部分）
S’=
根據(jù)取腐蝕裕量C2=1.00mm ,根據(jù)表4-7 可得 C1=0.5mm
則 C1+ C2=0.5+1=1.5mm
3.31+C=3.31+1.5=4.81mm圓整后取S ’=5mm
4.1.5.2吸收塔（噴淋塔）計算壁厚的液壓試驗校核
上部分： （設計試驗溫度為200度，則[ ]=170Mpa）
P =1.25×P× =0.253Mpa
S =S -C=4-1.25=2.75mm D =3800mm
故 =0.253×(3800+2.75)/2×2.75=174.93Mpa ≈175Mpa
而 0.9 =0.9×1×274=246.6Mp
因此 =175MPa〈0.9 =246.6Mpa所以液壓試驗強度符合要求
下部分： ≤0.9
P =1.25×P × =0.365Mpa
S =S -C=5-1.5=3.5mm D =3800mm
故 =0.365×(3800+3.5)/（2×3.5）=201Mpa
而 0.8 =0.8×1×274=219.2MPa
因此 =201MPa〈0.9 =219.2Mpa所以液壓試驗強度符合要求
綜上所述，設計的材料選擇，壁厚計算數(shù)值和試驗強度均符合實際操作要求。
4.1.5.3吸收塔最小壁厚的計算
根據(jù)相關規(guī)定，塔殼圓筒不包括腐蝕裕度的最小厚度，對于碳鋼和低合金鋼制造的塔設備為0.2%的塔徑[20]，而且不小于4mm。
而噴淋塔的內(nèi)徑為3800mm，所以最小壁厚S =0.2%×3800=7.6mm
根據(jù)取腐蝕裕量C =1.00mm ,根據(jù)表4-7 可得 C =0.8mm
則 C +C =0.8+1=1.8mm
7.6+C=7.6+1.8=9.4mm圓整后取S =10mm
綜合以上計算壁厚和最小壁厚的結(jié)果，最終臺噴淋塔的壁厚為10mm
吸收塔封頭選擇計算
考慮到封頭與筒體采用雙面焊接的焊接方法進行焊接，根據(jù)力學有關 知識，為了不使應力集中破壞設備，決定兩端封頭采用淺碟形封頭，根據(jù)相關知識，在淺碟形封頭內(nèi)部：
（1）球面部分半徑R 不得大于筒體內(nèi)徑Ri≤ Di,故Ri≤ Di，一般取Ri=0.9Di
（2）折邊半徑r在任何情況下不得小于筒體內(nèi)徑Di的10%即380mm，而且不應該小于3倍的封頭名義壁厚Sn (封頭)。
因此 r ≥3 Sn且r≥10% Di=380mm
淺碟形封頭的尺寸是：Di=3800 mm；Ri=0.9Di=3420mm；r取400mm
則 淺碟形封頭的形狀系數(shù)M= )=0.25×(3+
而 取 =3.00（根據(jù)表4-12 ）
Pc=0.292Mpa,材料選用16MnR鋼材，故 =170Mpa, =1,取C2=2.00mm
淺碟形封頭的計算壁厚S= （根據(jù)式4-23 ）
所以S=
S+ C2=6.41mm,根據(jù)表4-7[3]，負偏差C1=0.5mm,C= C1+C2=2+0.5=2.5mm
S+ C1+C2=4.41+2.5=6.91mm圓整后取Sn=7.00mm
此時淺碟形封頭的最大允許工作壓力[P Mpa(根據(jù)式4-25[3])
[P =
故脫硫塔的淺碟形封頭設計強度不夠。為了運行安全，應該增加壁厚，選擇封頭的壁厚和筒體壁厚一致，則封頭壁厚為10mm.
此時淺碟形封頭的最大允許工作壓力[P Mpa(根據(jù)式4-25[3])
[P =
故強度符合要求，因此淺碟形封頭的壁厚為10mm。
下端碟形封頭與塔體采用焊接的方式，上端碟形封頭與塔體采用法蘭盤的連接方式。
吸收塔裙式支座的計算
立式容器的支座主要有耳式支座、腿式支座、支承式支座和裙式支座四種。中小型直立容器采用前三種支座，高大的塔設備則采用裙式支座。
本設計中，吸收塔（噴淋塔）內(nèi)徑為3800mm，而吸收塔（噴淋塔）的高度為32m,根據(jù)服表4-9[3]可知，選用的裙座規(guī)格為：
地腳螺栓個數(shù)20個，公稱直徑M27
裙座的材料選用Q238-AR鋼材，塔體與裙座采用對接焊接，塔體接頭焊接系 ，裙座的壁厚取12mm,裙座的壁厚附加量取C=2mm。
吸收塔配套結(jié)構(gòu)的選擇
（1） 吸收塔（噴淋塔）進料漿液管道和配套閥門的設計選擇
設計時應該充分考慮到石灰石漿液對管道系統(tǒng)的腐蝕與磨損，一般應該選用襯膠管道或者玻璃鋼管道。管道內(nèi)介質(zhì)流速的選擇既要 考慮到應該避免漿液沉淀，同時又要考慮到管道的磨損和屹立損失減少到最小[9]。而且漿液管道上的閥門應該選用蝶閥，盡量少采用調(diào)節(jié)閥門。閥門的流通直徑與管道一致[9]。
（2） 吸收塔（噴淋塔）配套結(jié)構(gòu)的選擇（人孔選擇）
塔設備內(nèi)徑大于2500mm，封頭和筒體都應該開設人孔，室外露天設備，考慮清洗，檢修方便，一般選用公稱直徑450mm或者500mm的人孔；常壓大型設備，貯槽則選用公稱直徑為500mm或者600mm的人孔。
綜上所述，本設計方案中的吸收塔應該選用公稱直徑為500mm的人孔。
吸收塔最終參數(shù)的確定
（1）吸收塔（噴淋塔）數(shù)量：1 套×1 units=1 套
（2）類型：管道內(nèi)置型吸收塔（噴淋塔）
（3）作用：煙氣中的二氧化硫氣體由吸收塔（噴淋塔）的漿液吸收并去除，為了使得煙氣和漿液充分接觸，應該合理地設計吸收塔（噴淋塔）內(nèi)的除霧器、噴嘴、攪拌器。
設計條件
（1）煙氣條件 吸收塔（噴淋塔）進出口煙氣設計條件基于鍋爐100％BMCR工況。
（2）二氧化硫脫硫效率：95%（最小值）
（3）鈣硫率：1.02（最大）
（4）煙氣流速：3.5m/s
（5）吸收塔（噴淋塔）液氣比：12.20L/ m3
（6）漿液池循環(huán)時間：≥4min ；
（7）排漿時間：≥16.5h
以上數(shù)值為經(jīng)驗值，該時間可以確保漿液池內(nèi)充分的石膏產(chǎn)品和晶體生長（參考設計講義）。
吸收塔尺寸的確定
4.2.2.1噴淋區(qū)截面面積以及尺寸
根據(jù)吸收塔（噴淋塔）出口實際煙氣流量和上升和下降段煙氣流速，噴淋區(qū)域截面面積如下所示：
（此處沒有將氧化空氣和飽和蒸汽考慮在內(nèi)）
根據(jù)該面積算出D=3.64m<3.8m,所以取內(nèi)徑為3.8m符合設計要求
4.2.2.2吸收塔（噴淋塔）漿液循環(huán)量
根據(jù)吸收塔（噴淋塔）出口煙氣量和液氣比，漿液循環(huán)量計算如下所示：
125L/s×4=500L/s
4.2.2.3噴淋區(qū)域高度和噴淋層數(shù)：
噴淋層數(shù)目：4層； 噴淋區(qū)域高度：1.5 m×4 層＝6.0 m
4.2.2.4已確定的參數(shù)尺寸（mm）
吸收塔（噴淋塔） 3800Φ×32000
噴淋區(qū) 6000
出口煙道 1200
進口煙道 1200
反應池 7100
4.2.2.5選材及防腐
塔本體：碳鋼16MnR鋼材
塔內(nèi)部螺栓、螺母類：6%Mo不銹鋼材料
塔內(nèi)壁：襯里施工前經(jīng)表面預處理，噴砂除銹，內(nèi)襯材料為丁基橡膠板 塔內(nèi)件支撐：碳鋼襯丁基橡膠
丁基橡膠是由異丁烯中混以1.5%—4.5%的異戌二烯具有化學穩(wěn)定性好、對臭氧、酸堿的耐腐蝕能力強、無吸水性等優(yōu)良性能。丁基橡膠經(jīng)改性后有鹵化丁基橡膠，包括氯化丁基橡膠和溴化丁基橡膠，基本特性有：
（1）具有優(yōu)良的耐水氣滲透性能、耐漿液磨損性能、耐腐蝕性特別是耐Fˉ性、耐SO2、耐CL-性及耐熱性等。結(jié)合脫硫工程漿液介質(zhì)條件，通常來說厚度為4mm即可，在磨損嚴重的部位襯2層4mm丁基橡膠。
（2）氣體透過性小，氣密性好回彈性小，在較寬溫度范圍內(nèi)（30～50℃）均不大20% ，因而具有吸收振動和沖擊能量的特性。
（3）耐熱老化性優(yōu)良，且有良好的耐臭氧老化、耐天候老化和對化學穩(wěn)定性以及耐電暈性能與電絕緣性好。
（4）耐水性好、水滲透率極低，因而適于做絕緣材料。缺點是硫化速度慢、粘合性和自粘性差、與金屬粘合性不好、與不飽和橡膠相容性差，不能并用
吸收塔的強度和穩(wěn)定性校核
4.2.3.1強度和穩(wěn)定性校核條件
（1）塔體內(nèi)徑Di=3800mm，塔高度32000mm，裙座高度3060 mm，計算壓力0.292MPa,設計溫度200℃。
（2）設置地區(qū)：基本風壓350N/m2,地震防烈度8度，場地土地類：B類。
（3）沿塔高開設3個人孔，相應在人孔處安裝圓形平臺3個 ，平臺寬度B=900mm，高度為1000 mm。
（4）塔外設置保溫層厚度為100 mm，密度300kg/m3.
(5)塔體與封頭選用16MnR鋼材，其
（6）裙座材料選用Q238-AR
（7）塔體與裙座對接焊接，塔體焊接系數(shù)
（8）塔體與封頭壁厚附加量取C=2.00 mm，裙座壁厚附加量取C=2.00 mm。
4.2.3.2塔設備質(zhì)量載荷計算
（1） 塔體圓筒、封頭、裙座質(zhì)量m
圓筒質(zhì)量
封頭質(zhì)量
裙座質(zhì)量
其中 塔體高度為31.43米，查得DN3800 mm，壁厚10 mm的圓筒每米質(zhì)量為596kg;；
查得DN3800 mm，壁厚10 mm的封頭每米質(zhì)量為600kg；裙座高度3060 mm。
（2） 塔內(nèi)件質(zhì)量，取
（3） 保溫層質(zhì)量
=11836.7kg
其中 封頭保溫層質(zhì)量
（4） 平臺扶梯質(zhì)
=8659.5 kg
（5） 操作時物料質(zhì)量
=100874 kg
其中 為石灰質(zhì)漿液高度，7.06
除漿液區(qū)外的塔高，31.43-7.06
石灰石漿液密度，1257
空氣在 時候的密度，1.01
（6） 附件質(zhì)量 ，按照經(jīng)驗值取
（7） 充水質(zhì)量
=358631 kg
下面將塔分成六段，計算下列各質(zhì)量載荷
表6 吸收塔各計算段的質(zhì)量
4.2.3.3風載荷計算
其中 體型系數(shù)，對于圓筒取 =0.7； 塔設備各段風振系數(shù)，
當塔高≤20米時 =1.7；當塔高＞20米時 = 計算
為10米塔高處的基本風壓值，350 ，見表8-4
為風壓高度變化系數(shù)，見表8-5 ； 為脈動增大系數(shù)，見表8-6 ；
為第 段脈動增大影響系數(shù)，見表8-7 ；
為第 段振型系數(shù)，根據(jù) 與 查表8-8 ；
為塔器第 段頂截面距離地面的高度， ；
為同一直徑兩相鄰計算截面間的距離， ；
為塔器各段有效直徑， ；
當籠式扶梯與塔頂管線成180 時，
為塔各計算段的外徑， ； 為塔器第 段的保溫層厚度， ；
=400 ； = （A投影面積， 操作平臺所在計算段長度）
表7 風載荷各項數(shù)值
4.2.3.4風彎矩計算
截面0-0
=1338×500+3010（1000+1000）+14640（3000+7000）+27470（10000+5000）+36310（20000+5000）+21220（30000+2500）
=2.11×10
截面1-1
=3010 1000+14640（2000+3500）+27470（9000+5000）+36310（19000+5000）+21220（12000+2500）
=2.01
截面2-2
=
=
,
4.2.3.5地震載荷的計算
全塔操作質(zhì)量 ；結(jié)構(gòu)綜合影響系數(shù) =0.5；
重力加速度 ；地震影響系數(shù) ；
表8-3 查得 =0.3（B類場土近震）； 表8-2 查得 =0.45
而 =
所以 =0.12
計算截面距離地面高度 0-0截面 0
1-1截面 1000
2-2截面 3000
等直徑等壁厚的塔 =9.21小于15，但是塔高度大于20 ，所以按照下列方法計算地震彎矩
0-0截面
=
所以 = =4.73
1-1截面
=
=3.64
所以 =1.25 =1.25
2-2截面
=
所以 =1.25 =
4.2.3.6各種載荷引起的軸向力
（1）計算壓力引起的軸向力
（2）操作質(zhì)量引起的軸向應力
截面0-0
其中 裙座壁厚
截面1-1
其中
人孔截面面積，
截面2-2
其中
（3）最大彎矩引起的軸向應力
截面0-0
其中 （取較大值者）
截面 1-1
其中 （取較大值者）
為人孔截面斷面模數(shù)，
截面2-2
其中 （取較大值者）
mm
4.2.3.7塔體和裙座危險截面的強度與穩(wěn)定性校核
（1）塔體的最大組合軸向拉應力發(fā)生在正常操作時的2-2截面上
而
所以 滿足要求
（2）塔體的最大組合軸向壓應力發(fā)生在正常操作時的2-2截面上
而
所以 滿足要求
（3）各危險截面強度與穩(wěn)定性校核如下
表8 各危險截面強度與穩(wěn)定性校核
|
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此文關鍵字：
吸收塔的直徑和噴淋塔高度設計
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