一种湿法脱硫喷淋塔及脱硫方法与流程

本发明具体涉及一种湿法脱硫喷淋塔及脱硫方法。

背景技术：

湿法脱硫是喷淋塔是常见的气液反应装置，氢氧化钠碱液通过循环水泵送至塔顶的喷淋层与除雾水混合后，形成分散的小液滴下落，同时烟气逆流而上，气液充分接触，对烟气进行洗涤，将烟气中的二氧化硫洗涤去除。

现有的湿法脱硫一般是在脱硫塔中设置碱液喷淋层，喷淋的碱液与烟气逆向流动，碱液与烟气中的二氧化硫反应，去除二氧化硫。由于烟气流动过程中会携带大量的液滴，如果经过湿法脱硫后的烟气直接外排，会对周围环境造成一定的影响。所以会在湿法脱硫塔的出口位置设置除雾器，由于烟气中携带的雾中不仅含有水分，还溶有硫酸、硫酸盐、二氧化硫等，具有较高的腐蚀性，对除雾器的使用寿命造成严重影响。

此外，如果在湿法脱硫塔中设置单层碱液喷淋层，烟气脱硫效率偏低，脱硫塔出口处烟气中二氧化硫的含量不达标，仍旧会对环境造成一定的危害。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种湿法脱硫喷淋塔及脱硫方法。

为了解决以上问题，本发明的技术方案为：

一种湿法脱硫喷淋塔，包括塔体、除雾器、补水喷淋层、除雾水收集器、槽式液体分布器和浓碱槽，其中，

塔体的下端设置烟气进口，上端设置烟气出口；

补水喷淋层设置于塔体的顶端，与清水源连接；

除雾器设置于补水喷淋层的下方；

除雾水收集器包括上层的倒空心圆台体、中层的封闭圆台和下层的导流围堰，倒空心圆台体设置于除雾器的下端，且倒空心圆台体的最大直径与塔体的内径相等；封闭圆台的上端延伸至倒空心圆台体内，导流围堰为漏斗结构，封闭圆台的下端延伸至漏斗结构内部；

所述槽式液体分布器包括槽式混液器、碱液喷管、碱液槽和布液器，槽式混液器的底部和侧壁封闭，其顶部自一端向另一端设置有若干条并列设置的槽体，槽体底部打通，所述导流围堰的底部与槽式混液器顶部中间位置连通；

所述碱液喷管设置于槽式混液器内部，且通过泵与所述浓碱槽连通；碱液槽设置于槽式混液器的下方，用于接收槽式混液器溢流的液体；布液器与碱液槽的底部连通，将碱液均匀分布在塔体的横截面上。

除雾器可以对脱硫后的烟气进行除雾，通过补水喷淋层向除雾器喷水，可以将除雾器进行清洗，降低除雾器表面酸和盐的浓度，减轻对除雾器的腐蚀，有效提高了除雾器的使用寿命。

除雾器脱除的雾水和对除雾器的清洗水沿倒空心圆台体的内壁向下流动，并在中层的封闭圆台的二次导流和下层的导流围堰的三次导流作用下将该部分呈弱酸性的水导流至槽式混液器的中部的槽体内，这部分水通过槽体进入槽式混液器的内部，与碱液喷管喷入的碱液混合，一方面将酸性物质除去，另一方面向碱液中补充了水分，可以节省碱液喷淋的耗水量。槽式混液器中的碱液通过其顶部两侧的槽体溢流至碱液槽中，并通过布液器将碱液均匀分布在塔体的横截面上，对烟气进行脱硫。

优选的，所述除雾器为波纹填料除雾器。

优选的，所述布液器内设置有pH计。

通过pH计检测布液器中的碱液的碱性，如果pH偏小，可以增大碱液喷管中碱液的流量，如果pH偏大，可以适当减小碱液喷管的碱液的流量，在达到较佳的脱硫效率的前提下，使用较少的碱液。

优选的，所述碱液喷管上设置有若干个通孔。

此处对通孔的孔径要求不大，通孔孔径可以较大，如可以达到2-5mm，甚至更大，产生的阻力较小，由于碱液喷管所处的位置较高，当产生的阻力较小时，可以有效降低对泵的扬程要求(相对于使用压力喷嘴)，使高浓度碱液的输送喷淋更容易实现。

优选的，所述布液器包括连通管、主分布管道和若干个支分布管道，连通管的上端与所述碱液槽连通，下端与所述主分布管道连通，若干个支分布管道均垂直固定于主分布管道的下方，且均与主分布管道连通，每个支分布管道的下端均设置有若干个喷淋孔。

进一步优选的，主分布管道与连通管的连接位置位于主分布管道的中部，支分布管道与主分布管道的连接位置位于支分布管道的中部。

可以提高布液器的稳定性。

优选的，所述布液器的下方设置有填料层。

布液器喷淋下来的较浓的碱液在填料层形成液膜，可以有效提高与烟气的接触面积，进而提高对烟气的脱硫效率。

进一步优选的，所述填料层中的填料为波纹填料。

优选的，所述填料层的下方设置有稀碱液喷淋层，稀碱液喷淋层通过泵与塔体底部连通。可以将塔体底部的未反应完全的碱液进行重新喷淋。

进一步优选的，所述稀碱液喷淋层设置有若干个压力喷嘴。稀碱液喷淋层的设置位置较低，泵可以很容易将稀碱液泵送至该高度。采用压力喷嘴时，可以将稀碱液充分雾化，提高雾滴与烟气的接触面积，进而提高对烟气的脱硫效率。

优选的，所述塔体的底部设置有pH计。

可以用于测量底部液体的pH值，如果显碱性，可以重复使用，如果难以再达到较好的脱硫效果，则将该部分液体外排处理。

一种湿法脱硫方法，包括如下步骤：

1)烟气通入湿法脱硫喷淋塔中进行脱硫，湿法脱硫塔顶部的补水喷淋层向除雾器喷洒清水，对除雾器进行清洗；

2)除雾器脱除的液滴与对除雾器进行清洗后的水在除雾水收集器的导流作用下流至槽式液体分布器的槽式混液器中，与来自碱液喷管的较高浓度的碱液混合，反应；

3)槽式混液器中的初步稀释后的碱液通过槽式混液器顶部两侧的槽体溢流至碱液槽中，并通过布液器将碱液均匀分布在塔体的横截面上，落在下方的填料层，在填料层形成碱液膜，对烟气进行脱硫。

优选的，上述脱硫方法还包括在填料层下方设置稀碱液喷淋层，将塔体底部的稀碱液进行循环喷淋的步骤。

本发明的有益效果为：

除雾器可以对脱硫后的烟气进行除雾，通过补水喷淋层向除雾器喷水，可以将除雾器进行清洗，降低除雾器表面酸和盐的浓度，减轻对除雾器的腐蚀，有效提高了除雾器的使用寿命。

除雾器脱除的雾水和对除雾器的清洗水沿倒空心圆台体的内壁向下流动，并在中层的封闭圆台的二次导流和下层的导流围堰的三次导流作用下将该部分呈弱酸性的水导流至槽式混液器的中部的槽体内，这部分水通过槽体进入槽式混液器的内部，与碱液喷管喷入的碱液混合，一方面将酸性物质除去，另一方面向碱液中补充了水分，可以节省碱液喷淋的耗水量。槽式混液器中的碱液通过其顶部两侧的槽体溢流至碱液槽中，并通过布液器将碱液均匀分布在塔体的横截面上，对烟气进行脱硫。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的湿法脱硫塔的结构示意图；

图2为除雾水收集槽的结构示意图；

图3为槽式液体分布器的结构示意图；

图4为布液器的结构示意图；

图5为平衡线和操作线；

图6为Y对作图的积分图。

其中，1、烟气出口，2、补水喷淋层，3、除雾器，4、除雾水收集器，5、槽式液体分布器，6、填料层，7、压力喷嘴，8、第一流量计，9、浓碱槽，10、第二流量计，11、反应槽，12、烟道，13、pH计，14、倒空心圆台体，15、封闭圆台，16、导流围堰，17、槽式混液器，18、碱液喷管，19、连通管，20、主分布管道，21、支分布管道，22、碱液槽。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，一种湿法脱硫喷淋塔，包括塔体、除雾器、补水喷淋层、除雾水收集器、槽式液体分布器和浓碱槽9，其中，塔体的下端设置烟气进口，烟气进口与烟道12连接，上端设置烟气出口1；补水喷淋层2设置于塔体的顶端，与清水源连接；除雾器3设置于补水喷淋层2的下方。

如图2所示，除雾水收集器4包括上层的倒空心圆台体14、中层的封闭圆台15和下层的导流围堰16，倒空心圆台体14设置于除雾器3的下端，且倒空心圆台体14的最大直径与塔体的内径相等；封闭圆台15的上端延伸至倒空心圆台体14内，导流围堰16为漏斗结构，封闭圆台15的下端延伸至漏斗结构内部；除雾水沿倒空心圆台体14内壁收集，沿中间封闭圆台15的外壁导流，通过导流围堰16流入槽式液体分布器中。封闭圆台15的顶部直径小于倒空心圆台体14的底部直径。倒空心圆台体14的内壁导流下来的水流可直接落入封闭圆台体15的外壁上，更有利于对水的导流。

作为一种具体的实施方案，封闭圆台15的顶部延伸至倒空心圆台体14的内部。

倒空心圆台体14的母线与竖直方向的夹角为10-60°，优选为20-45°，如，可为20°、30°、40°和45°等。

封闭圆台14的母线与竖直方向的夹角为30-80°，优选为45-60°，如，可为45°、50°、55°和60°等。

导流围堰16的顶部的四周设置有竖向挡板，可有效防止流下的水溅出。导流围堰16的漏斗结构的母线与竖直方向的夹角为30-80°，优选为45-60°，如，可为45°、50°、55°和60°等。导流围堰16的下端出口设置有导流管。导流管用于与下方的槽式混液器17连接。

如图3和图4所示，所述槽式液体分布器包括槽式混液器17、碱液喷管18、碱液槽22和布液器，槽式混液器17的底部和侧壁封闭，其顶部自一端向另一端设置有若干条并列设置的槽体，槽体的横截面形状为矩形或三角形，优选为三角形，其底部打通，所述导流围堰16的底部与槽式混液器17顶部中间位置连通；碱液喷管18设置于槽式混液器17内部，且通过泵与所述浓碱槽9连通；碱液槽22设置于槽式混液器17的下方，用于接收槽式混液器17溢流的液体；布液器与碱液槽22的底部连通，将碱液均匀分布在塔体的横截面上。

除雾器可以对脱硫后的烟气进行除雾，通过补水喷淋层向除雾器喷水，可以将除雾器进行清洗，降低除雾器表面酸和盐的浓度，减轻对除雾器的腐蚀，有效提高了除雾器的使用寿命。

除雾器脱除的雾水和对除雾器的清洗水沿倒空心圆台体的内壁向下流动，并在中层的封闭圆台的二次导流和下层的导流围堰的三次导流作用下将该部分呈弱酸性的水导流至槽式混液器的中部的槽体内，这部分水通过槽体进入槽式混液器的内部，与碱液喷管喷入的碱液混合，一方面将酸性物质除去，另一方面向碱液中补充了水分，可以节省碱液喷淋的耗水量。槽式混液器中的碱液通过其顶部两侧的槽体溢流至碱液槽中，并通过布液器将碱液均匀分布在塔体的横截面上，对烟气进行脱硫。

所述除雾器为波纹填料除雾器。所述布液器内设置有pH计。通过pH计检测布液器中的碱液的碱性，如果pH偏小，可以增大碱液喷管中碱液的流量，如果pH偏大，可以适当减小碱液喷管的碱液的流量，在达到较佳的脱硫效率的前提下，使用较少的碱液。

碱液喷管上设置有若干个通孔。此处对通孔的孔径要求不大，通孔孔径可以较大，如可以达到2-5mm，甚至更大，产生的阻力较小，由于碱液喷管所处的位置较高，当产生的阻力较小时，可以有效降低对泵的扬程要求(相对于使用压力喷嘴)，使高浓度碱液的输送喷淋更容易实现。

如图4所示，所述布液器包括连通管19、主分布管道20和若干个支分布管道21，连通管19的上端与所述碱液槽22连通，下端与所述主分布管道20连通，若干个支分布管道21均垂直固定于主分布管道20的下方，且均与主分布管道20连通，每个支分布管道21的下端均设置有若干个喷淋孔。主分布管道20与连通管19的连接位置位于主分布管道20的中部，支分布管道21与主分布管道20的连接位置位于支分布管道21的中部。可以提高布液器的稳定性。

布液器的下方设置有填料层6。布液器喷淋下来的较浓的碱液在填料层6形成液膜，可以有效提高与烟气的接触面积，进而提高对烟气的脱硫效率。填料层6中的填料为波纹填料。填料层6的下方设置有稀碱液喷淋层，稀碱液喷淋层通过泵与塔体底部连通。可以将塔体底部的未反应完全的碱液进行重新喷淋。稀碱液喷淋层设置有若干个压力喷嘴7。稀碱液喷淋层的设置位置较低，泵可以很容易将稀碱液泵送至该高度。采用压力喷嘴7时，可以将稀碱液充分雾化，提高雾滴与烟气的接触面积，进而提高对烟气的脱硫效率。

塔体的底部设置有pH计。可以用于测量底部液体的pH值，如果显碱性，可以重复使用，如果难以再达到较好的脱硫效果，则将该部分液体外排处理。

一种湿法脱硫方法，包括如下步骤：

1)烟气通入湿法脱硫喷淋塔中进行脱硫，湿法脱硫塔顶部的补水喷淋层向除雾器喷洒清水，对除雾器进行清洗；

2)除雾器脱除的液滴与对除雾器进行清洗后的水在除雾水收集器的导流作用下流至槽式液体分布器的槽式混液器中，与来自碱液喷管的较高浓度的碱液混合，反应；

3)槽式混液器中的初步稀释后的碱液通过槽式混液器顶部两侧的槽体溢流至碱液槽中，并通过布液器将碱液均匀分布在塔体的横截面上，落在下方的填料层，在填料层形成碱液膜，对烟气进行脱硫。

4)在填料层下方设置稀碱液喷淋层，将塔体底部的稀碱液进行循环喷淋。

湿法脱硫塔设计

1、设计目标

经过干法脱硫等处理后，进入湿法脱硫塔的烟气参数，及湿法脱硫的出口SO2浓度要求见表1。

表1湿法脱硫塔入口烟气参数

2、吸收效率的影响因素

在填料塔内，氢氧化钠溶液与烟气中二氧化硫之间的传质过程可以用双膜理论来解释。

双膜模型的实质是将气液传质过程简化为通过气液界面两侧的气膜和液膜来进行的，气液相两相间的吸收(传质)速率取决于通过这个滞留膜的分子扩散速率。

吸收液pH是影响脱硫率的一个主要因素，根据以下反应式

2NaOH+SO2→Na2SO3+H2O；

Na2SO3+SO2+H2O→2NaHSO3；

SO2进入吸收液解离出H⁺和HSO3^-，与OH^-进一步反应。

当停留在高pH时，OH^-离子浓度较高，化学反应速率较快，液相传质的增强因子大而阻力小，整个传质过程由气相阻力所控制而吸收速率较大，最终体现为SO2总传质系数较高；

当pH降到6左右时，吸收液中[SO3^2－]和增强因子随pH的降低而较快减小，传质阻力相应增大，使SO2传质系数迅速下降，趋向于以水为脱硫剂脱硫过程的气膜、液膜阻力相近的双膜控制吸收过程；

3、脱硫塔设计

1)除雾层设计

项目喷淋塔采用波纹填料除雾，参照波纹填料计算方法，设计塔内空塔速度0.6m/s，确定项目脱硫塔内径3.8m，喷淋密度一般应大于0.2m³/m².h，取0.5m³/m².h时，补充水量5.67m³/h。

除雾水收集槽上层为倒空心圆台，中层为封闭圆台，下层为导流围堰，除雾水沿上空心圆台内壁收集，沿中间圆台外壁导流，通过导流围堰到流入槽式液体分布器中。除雾水收集槽形式见图2。

2)脱硫计算

用氢氧化钠溶液吸收二氧化硫的过程主要为快速化学反应的吸收过程，pH沿塔高有梯度变化，高pH脱硫液区域采用高效波纹填料，因此直接以上层波纹填料的脱硫效率计算确定填料层的高度。脱硫塔下层喷淋段脱硫液一般循环量更大，pH相对较低，具有一定缓冲溶液性质，该喷淋段的主要功能是防止烟气温度变化影响塔内吸收过程，完成部分SO^2-3氧化，吸收烟气中的一部分二氧化硫。

根据水吸收二氧化硫的平衡常数，计算本工艺对烟气中二氧化硫的脱除效果。水吸收二氧化硫的平衡常数见表2。

表2水吸收二氧化硫的平衡常数

在50℃，pH＝5、6时，反应过程和电离平衡分别为：

[H⁺]＝[SO2·H2O]·Ks1/[HSO3^-]

[H⁺]＝Ks1·[HSO3^--]/[SO3^2-]

在50℃时，logKs1＝853/T-4.74(M)＝-2.0991

logKs2＝621.9/T-9.278(M)＝-7.3526

计算得Ks1＝7.9598×10^-3M

Ks2＝4.44×10^-8M

二级电离非常小，可以忽略；

对于一级电离[SO2·H2O]＝([H⁺][HSO3^--])·1/Ks1

在pH＝5时，[SO2·H2O]＝10^-5·1/7.9598×10^-3＝1.256×10^-8

在pH＝6时，[SO2·H2O]＝10^-5·1/7.9598×10^-6＝1.256×10^-10

根据反应式

PSO2＝[SO2·H2O]/Khs·PSO2

计算得logKhs＝1376.1/T-4.51＝-0.2496

Khs＝0.5628

在pH＝5时，PSO2＝1.256×10^-8/0.5628＝2.2317×10^-8atm

项目烟气压力为1atm，则SO2浓度折算为2.2317/22.4×64×10^-8＝6.376×10^-8mg/m³

在pH＝6时，PSO2＝2.2317×10^-10atm，对应的SO2的平衡浓度更小

若pH＝4时对应的SO2的平衡浓度为6.376×10^-6mg/m³，该浓度数值明显优于环境空气质量标准中的数值。

以上计算可以看出经过湿法脱硫后的烟气中二氧化硫的平衡浓度可达到近零排放。

工艺过程填料层高度由吸收传质速率方程式与物料衡算计算：

1、速率衡算式：dN＝KY(Y-Y^*)dA

式中：N—吸收质的吸收速率kmol/h

A—接触面积m²

Y-Y^*——气相传质推动力

KY——气相传质总系数

2、物料衡算式：dN＝VdY

结合以上两式得：dN＝VdY＝KY(Y-Y^*)dA

因此得：

在同一塔中及一定操作条件下，取KY为定值，则沿全部的接触面进行积分得：

其中：

式中：H—填料层高度m

Ω—填料塔的横截面积m²

α—填料的有效比表面m²/m³

从而得出填料层的高度：

令则得：H＝HOG·NOG；

式中HOG称为气相传质单元高度m；NOG称为气相传质单元数。

气相传质单元高度可直接用计算，传质单元数的求算较复杂，可用以下方法计算。

图解积分法：为求首先在X-Y图中做出平衡线和操作线(操作线的斜率根据吸收剂比用量决定)；然后在Y1—Y2范围内逐步找出Y对Y*的值；之后再以Y对作图，求出曲线下的面积，其值即为NOG(见图5和图6)。

图解法是工程上较符合操作条件，且更准确验算填料吸收塔的方法。考虑到本项目为危废焚烧项目，二氧化硫浓度有明显的波动性，即便准确的计算也难以适应生产工况的波动和排放口排放标准的强制性限值要求，因此作为参数估算方法，本性设计选择更简便的对数平均浓度差法衍生的化学吸收计算方法。

(2)对数平均浓度差法：当吸收的平衡关系服从亨利定律，即平衡线为一直线或接近直线时，计算可以简化，采用対数平均浓度差法。计算公式如下：

物料衡算式：dN＝Vd Y

按亨利定律：Y*＝m X 因此

再由吸收速率方程式：dN＝KY(Y-Y^*)dA

综合上式得：

将上积分，过程中A从0—A，Y从Y2—Y1得：

再从全塔来看吸收质的物料衡算：

N＝V(Y1-Y2)

由以上两式得：

将此式代入式①中得：

当时，即平均推动力取算数平均值对计算准确度影响不大时，再由下式N＝V(Y1-Y2)

结合②得：V(Y1-Y2)＝KYAΔYm

再以代入得：

由5.2.3.2计算结果可以看出，在脱硫塔整个操作范围内，碱液吸收二氧化硫的平衡浓度与烟气中的浓度差值十分巨大，实际脱硫塔操作的环境监测数据也有同样结果。也就是平衡线对应的浓度相对于操作线浓度而言，更像趋于近零的横坐标线。且碱液吸收二氧化硫的快速化学反应明显促进了溶质液相转移，基本消除了液膜传质阻力，影响吸收过程的传质阻力只集中于气膜一边，因此传质总系数的数值更接近于高溶解度气体如氨、氯化氢的吸收数值。因此填料高度计算可简化为：

Yb——进入填料层烟气中SO2浓度

Ya——离开填料层烟气中SO2浓度

在本次计算中取V/Ω＝0.6m/s KYα＝0.65s^-1(按氨吸收传质系数估算)

所以如出口SO2浓度为10mg/m³，则填料高度计算值为2.13m。

本项目填料层高度取3m。

3)吸收塔喷淋高度

与典型的相比，本设计烟气量较低，因采用波纹填料作为吸收操作填料，因此吸收塔实际风速与石灰石石膏法脱硫工艺3.5m/s相比明显偏低。工程采用相近的离心式压力喷嘴喷淋塔底脱硫液，喷淋密度的液气比可适当减低为1-2L.m^-3.

一般喷嘴液滴直径为1.5mm，该液滴直径较小，与雨滴相比，形变较小，基本为球形下降。烟气接触反应时间一般为2-5s，取5s计算喷淋段高度为3m。

本项目喷淋塔高度取3m。

4)反应槽高度

项目设计风量2.2万m³/h，和塔内气体的空塔速度，计算项目填料塔直径为3.8m。吸收液在塔底的3～5分钟，设计中取停留时间为4分钟，则根据液体流量算得塔底的液量为29.33m³，可求出塔底液体所占空间高度为2.59m，近似取3m。

5)脱硫塔总高度

填料塔内部还布设有液体分布器、塔顶除雾器，同时考虑气液进出口所需空间，裙座高度等附属高度。

填料塔填料层以上，预留一定的空间高度，以便液滴能够从气流中分离出来，该塔上部液体分布器安装空间约为1.5m，塔顶除雾器和净空间隔2.5m。脱硫液喷头空间0.5m。波纹填料、喷淋区和脱硫液储液区各3m高度。

根据以上计算，确定脱硫塔总高度为13.5m。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。