第三节　吸收塔系统主要设备

吸收塔系统是湿法烟气脱硫系统的核心部分，是脱硫反应的场所，在其中完成对有害气体的吸收过程。主要设备有吸收塔本体、吸收塔搅拌设备、浆液循环泵、氧化风机、氧化空气分配装置、浆液喷淋装置、喷嘴、除雾器等。

吸收塔通常分为三个区：气体区域、气体液体混合区域和液体区域。SO₂的吸收与脱硫产物——亚硫酸钙的氧化均在吸收塔内完成的。图2-26所示为吸收塔安装示意图，图2-27所示为吸收塔内部结构。

一、吸收塔

湿法脱硫吸收塔有许多种结构，根据不同气液接触方式，脱硫塔可以分为喷淋塔、填料塔、鼓泡塔和液柱塔等，其中喷淋塔具有效率高、阻力小、可用率高等优点。火电厂烟气中SO₂浓度较低，适合选用喷淋塔。目前，喷淋塔是湿式石灰石FGD工艺中的主导塔型。

（一）吸收塔的几种典型类型

1.喷淋吸收塔

喷淋塔是气液反应工程中的常用设备，用于脱硫工程的喷淋吸收塔如图2-28所示，石灰石浆液通过循环泵送至塔中不同高度布置的喷淋层喷嘴。喷嘴是用耐磨材料制成的。浆液从喷嘴向下喷出形成分散的小液滴并往下掉落，同时，烟气逆流向上流动，在此期间，气液充分接触并对二氧化硫进行洗涤。工艺上要求喷嘴在满足雾化细度的条件下尽量降低压损，同时喷出的雾能覆盖整个吸收塔截面，以达到吸收的稳定性和均匀性。在塔底一般布置氧化池，用专门的氧化风机往里面鼓空气，而除雾器则布置在烟气出口之前的位置。在烟气脱硫技术的发展过程中，喷淋塔是最早采用的脱硫反应装置。它的优点是能够形成较大的气液接触面积，系统的液气比较小。但是，为了保证良好的雾化效果，浆液喷射形成均匀微小的液滴，循环泵必须提供足够的压力，浆液中脱硫剂颗粒的尺寸也不能太大，否则喷头容易被堵塞。这就要求脱硫剂在磨制过程中必须达到一定的颗粒度（250目左右）。因此，该装置对脱硫剂在磨制过程以及循环泵的性能要求都比较高。

2.脉冲悬浮吸收塔

吸收系统主要由吸收塔、吸收塔循环泵（ARP）、脉冲悬浮泵和吸收区集水坑及其相关的配套设备组成。脉冲悬浮吸收塔塔体部分的主要部件有：吸收塔入口烟道、喷淋层、除雾器及冲洗水管。脉冲悬浮吸收塔浆池内的主要部件有：排放管和溢流管、脉冲悬浮喷管、池分离器、氧化空气管以及与罐体相连接的泵吸入口滤网。脉冲悬浮吸收塔如图2-29所示。图2-30所示为脉冲悬浮吸收塔内部照片。

3.鼓泡吸收塔

喷射鼓泡脱硫反应塔（jet bubble reactor，JBR）属于鼓泡反应器，反应器的核心区为射流沸腾反应器，如图2-31所示。反应器常常布置在锅炉除尘器之后，烟气经过特殊的气体分配设备，垂直鼓入脱硫剂浆液面以下，形成两相射流后产生沸腾状气泡并浮出浆液。在此过程中烟气中的SO₂与浆液充分接触反应生成亚硫酸钙，氧化空气从鼓泡反应器的底部进入，经分配管均匀分配到浆液中，使亚硫酸钙氧化成硫酸钙。该工艺对烟气含尘量的要求较低，在高粉尘浓度条件下，也能够较好地运行并获得较高的脱硫率。

该装置比以上各种脱硫塔省略了再循环泵、喷嘴，将氧化区和脱硫反应区整合在一起，整个设计较为简洁，降低了投资成本。同时，气相高度分散在液相当中，具有较大的液体持有量和接触面，传质和传热效率高。但是，液相内部有较大的返混，而且该工艺的系统阻力相对较大，反应器的占地面积也比其他方法大。

4.液柱吸收塔

液柱脱硫反应塔的结构如图2-32所示。烟气从脱硫反应塔的下部径向进入反应塔，烟气在上升的过程中与脱硫剂循环液相接触，其中的SO₂与脱硫剂发生反应而除去。脱硫后的烟气经过高效除雾器，除去其中的液滴和细小浆滴，然后从脱硫反应塔排出，进入气-气交换器或烟囱。脱硫剂循环液由布置在烟气入口下面的喷嘴向上喷射，液柱在达到最高点后散开并下落。在浆液喷上落下的过程中，能够形成高效率的气液接触，和鼓泡塔一样，该方法对烟气含尘浓度要求不高，而且方法本身还具有比较高的粉尘脱除率。当用户要求保证石膏副产物的纯度时，则需要和高效除尘器相搭配。由于液柱塔采用了空塔液柱喷射方式，喷头孔径大，不易堵塞，而且系统能够在比较大的范围内调节，因此对控制水平和脱硫剂粒度要求不高。

5.格栅吸收塔

脱硫塔最初的填料塔形式为湍球塔（turbulent bed contactor，TBC），使用聚乙烯球或泡沫球作为填料，环杂堆放，由于磨损腐蚀以及耐热性的原因，填料常常被破坏并堵塞浆液输运管道，系统无法长期稳定运行。近年来，湿法脱硫填料塔采用特殊的格栅作为填料，因此这种塔也称为格栅塔（grid tower），将规则的填料整齐地排放。

图2-33所示为典型的顺流式格栅脱硫反应塔。塔顶喷淋装置将脱硫浆液均匀地喷洒在格栅顶部，然后自塔顶淋在格栅表面上并逐渐下流，这样能够形成比较稳定的液膜。气体通过各填料之间的空隙下降与液体作连续的顺流接触，二氧化硫不断地被溶解吸收，处理过的烟气从塔底氧化池上经过，然后进入除雾器。

格栅塔要求脱硫浆液能够比较均匀地分布于填料之上，在格栅表面上的降膜过程要求连续均匀。格栅必须具有较大的比表面积，较高的空隙率，较强的耐腐蚀性，较好的强度，以及良好的可湿润性，价格不能太昂贵。和喷淋塔一样，格栅塔也要求脱硫剂具有一定的颗粒度（250目左右）。在目前的应用中，填料中的结垢堵塞问题还未彻底解决，该系统需要较高的自控能力，保证整个反应在合适的状态下运行，以尽量降低结垢的风险。

（二）吸收塔布置

吸收塔本体为钢制，是脱硫装置的核心设备，包括预埋件、底部支撑梁、底板、壁板、中间支撑和塔顶。它的作用有两个：一个是对烟气二氧化硫进行脱除，一个是使脱硫生成物变成合格石膏晶体。

由于塔体内直接接触弱酸浆液，必须采取防腐措施。一般采用橡胶、玻璃鳞片或耐腐钢壁纸进行内衬防腐处理。在烟气温度高于175℃情况下，可能损坏吸收塔防腐设备，FGD装置切入旁路运行，以保护吸收塔等设备，确保锅炉机组安全运行。图2-34所示为吸收塔外观。

二、喷淋层系统设备

喷淋层系统包括喷淋层组件及喷嘴。一个喷淋层由带连接支管的母管制浆液分布管道和喷嘴组成，喷淋层组件及喷嘴的布置设计成均匀覆盖吸收塔的横截面，并达到要求的喷淋浆液覆盖率，使吸收浆液与烟气充分接触。

（一）喷淋管道

喷淋管道用于把浆液均匀分布在各喷嘴，使喷出的液滴完全、均匀地覆盖吸收塔的整个截面，而且尽可能减少沿塔壁流淌的浆液量和降低喷射浆液对塔壁的直接冲刷磨损。喷淋管道最重要的设计是管道层数（高度）以及母管之间的垂直距离。这些因素影响塔的总高度，而塔高是投资成本中的关键组成部分。在吸收塔外，喷淋管道与循环浆液管道法兰连接。图2-35所示为正在运行中的喷淋管道。

对于石灰石工艺，喷淋空塔典型设计喷淋层是3～6层，交错布置，覆盖率达200%～300%。图2-36所示为常见喷淋层的布置。通常每层布置一个喷淋管网，每层应装有足够多的喷嘴，并尽量减少连接喷嘴的管道长度。第一层或称最下层喷管以及多孔托盘距入口烟道顶部必须有足够的高度，这一高度一般大约是2～3m。这样可以使得喷出的浆液能有效地接触进入塔内的烟气，并避免过多的浆液带进入口烟道。每层喷管以及最下层喷管与多孔托盘之间应相隔大约1～2m。最上层的喷淋管网与除雾器底部至少应有2m的距离。当烟气流量和SO₂浓度高时可取上述范围值上限。

确保喷淋管道具有高雾化效果的条件如下：

①各层的喷嘴布置完全一样；

②重叠部分高达200%～300%；

③各层喷嘴是交错布置的；

④避免冲击吸收塔墙壁以及邻近的喷嘴。

喷淋支管道与喷嘴之间的联结有法兰联结和粘接两种方式，基于造价考虑，一般采用粘接方式。

（二）喷嘴

1.喷嘴的作用及分类

喷嘴是将循环浆泵供上来的浆液进行雾化，在烟气反应区形成雾柱，最大限度地捕捉SO₂。

喷嘴是由一个方向朝下或上下两个方向的喷淋锥体。根据喷嘴的喷射形式可分为螺旋喷嘴、单喷嘴、双喷嘴等。图2-37所示为单喷嘴的型式。图2-38所示为双喷嘴。

FGD系统中在不同的位置都会用到喷嘴，如：吸收塔浆液喷淋喷嘴；填料吸收塔浆液喷嘴；除雾器冲洗喷嘴；石膏饼冲洗喷嘴；烟气事故冷却喷嘴。

这些喷嘴还可以按照其流形进一步分类，见表2-1喷嘴流形和使用条件。

2.喷嘴的固定方法

通常有三种方法将喷嘴固定在喷嘴座上：螺纹连接、法兰连接、粘接连接。

（1）螺纹连接　通常用在除雾器冲洗、石膏饼冲洗和烟气事故冷却等小喷嘴上，很少用在较大的吸收塔循环浆液喷嘴上。采用螺纹连接时，通常喷嘴上是公螺纹，喷嘴座是母螺纹。

（2）法兰连接　采用螺纹将喷嘴和喷嘴座上的法兰连接起来，它是吸收塔循环浆液喷嘴最常用的连接方法。如图2-39所示即为法兰连接喷嘴。通常，每对法兰用四个螺栓连接。由于吸收塔内腐蚀的环境，所以需要采用镍基合金螺栓、垫圈和螺母。

（3）粘接连接　以前不采用粘接方式将喷嘴永久固定在喷淋管上，是因为这种连接方式使更换喷嘴很困难。但是，近年通过喷嘴材料和设计的改进，喷嘴已很少需要更换。国内外已有一些电厂的FGD吸收塔成功采用了粘接方式，如图2-40所示。虽然在更换喷嘴过程中有些麻烦，需要从喷管与喷嘴的黏合面锯开喷嘴，打磨平喷管的外缠绕黏合层，再重新粘接新喷嘴，但粘接固定的总价远远低于其他几种方法。粘接材料可采用添加耐磨填料的乙烯基酯鳞片树脂，并用玻璃纤维布增强，粘接喷嘴方式是，将喷管摆放水平，使喷管和喷嘴入口管内径对齐，调整喷嘴使喷嘴上沿保持水平，然后用树脂胶泥和玻纤布在管外缠绕粘接。

3.喷嘴的材料

喷嘴中局部流速特别高，磨损非常严重，有些喷嘴所处的环境腐蚀性很强。因此，应根据不同的工作环境和工作特点采用不同材料的喷嘴。最常用的材料有合金钢、陶瓷和其他非金属材料。

（1）合金钢

合金钢喷嘴一般适用于喷水，如除雾器冲洗和吸收塔入口事故冷却喷水。喷嘴合金钢的防腐性能至少应当与安装喷嘴位置的其他金属材料相同。300系列不锈钢一般适合除雾器冲洗喷嘴。吸收塔入口事故冷却喷嘴则需要采用防腐镍基合金。个别也有把合金钢用于浆液喷嘴的，但是，经验表明随着浆液颗粒物尺寸和浓度的增加，合金钢喷嘴的使用寿命迅速降低。例如，石灰石粒度从90%小于44μm（325目）增加到90%小于149μm（100目），会使喷嘴的寿命降低90%。

（2）陶瓷

烧结碳化硅或者烧结氧化铝陶瓷喷嘴特别能耐受脱硫浆液的冲刷磨损和腐蚀，是目前吸收塔喷嘴最常用的材料。然而，这种喷嘴很脆，在清除堵塞时常易破碎，喷嘴从1m高的地方掉下去就会被打碎。这种喷嘴，包括法兰，可以完全由陶瓷制作。但在安装过程中上紧螺栓时易将法兰损坏，所以陶瓷喷嘴常常用合金钢或者玻璃钢（FRP）做法兰。陶瓷喷嘴不应采用螺栓连接，这种连接方法在拆除过程中很容易损坏喷嘴。粘接固定具有损坏量小和造价低的优点，所以在很多脱硫机组中都采用粘接固定。

（3）其他非金属材料

用作喷嘴的非金属材料还有聚氨酯、聚四氟乙烯、聚丙烯和玻璃钢（FRP）。

有些脱硫系统中曾采用耐磨聚氨酯作为吸收塔循环浆液喷嘴。这种喷嘴与陶瓷喷嘴相比不容易破碎，但是耐磨性较差，在烟气温度较高时会损坏。喷嘴法兰可以采用玻璃钢（FRP）或者防腐合金钢。

聚四氟乙烯、聚丙烯和玻璃钢（FRP）喷嘴也缺乏令人满意的耐磨性，所以不能用吸收塔循环浆液喷嘴，它们常用作除雾器冲洗喷嘴。

三、除雾器（ME）

（一）除雾器的作用

湿法脱硫吸收塔在运行过程中，易产生粒径为10～60μm的“雾”，“雾” 不仅含有水分，还溶有硫酸、硫酸盐、二氧化硫等，同时也造成风机、热交换器及烟道的玷污和严重腐蚀，因此，湿法脱硫工艺上对吸收设备提出除雾的要求，被净化的气体在离开吸收塔之前需要除雾器进行除雾。

脱硫除雾器起到了将水分与硫酸、硫酸盐和二氧化硫分离的作用。脱硫除雾器的应用能减少酸性物质对风机、热交换器、烟道的腐蚀与损坏，对周围环境也起到了重要的保护作用。

（二）除雾器的工作原理

脱硫除雾器是以重力作用和惯性作用为工作原理。脱硫除雾器的结构中设有弯曲的烟气通道，当烟气以一定的速度通过弯曲通道部分时，烟气会被迫快速、连续地改变自己的运行方向，烟气中的雾滴会在惯性和离心力的作用下，被甩到脱硫除雾器的叶片上。

脱硫除雾器叶片上的雾滴聚集量随着烟气的通过不断增加，最后雾滴汇集成雾滴流，在重力的作用下向下运动，下落到浆液池内，而气体则顺着通道运动出脱硫除雾器，这样就完成了雾滴和气体的分离。

吸收塔一般设两级除雾器，布置于吸收塔顶部最后一个喷淋组件的上部。烟气穿过循环浆液喷淋层后，再连续流经两级除雾器除去所含浆液的雾滴。为避免除雾器堵塞，配有除雾器冲洗系统。烟气通过两级除雾后，其携带水滴含量要求低于75mg/m³（标准状况）。

（三）除雾器种类

①目前常用的除雾器分为两种：平板式除雾器，如图2-41所示即为平板式除雾器及其冲洗系统；屋脊式除雾器，如图2-42所示为屋脊式除雾器及其冲洗系统。

②根据除雾器的几何形状可分为折线型和流线型。

③根据烟气在板片间流过时折拐的次数，可分为2～4通道的除雾器叶片。烟气流向改变90°为一个折拐，亦称为一个通道。通道的结构、数和叶片间距是ME叶片的两个重要参数。有些叶片上设计有特殊，有倒钩、凸出的肋条、沟槽和狭缝，以便捕捉液滴和排走叶片上的液体。如图2-43所示为常见的除雾器叶片形状。

四、吸收塔搅拌器

搅拌器是用来搅拌浆液、防止浆液沉淀的搅拌设备。吸收塔搅拌器还有将氧化空气破碎成气沫与浆液充分混合的作用，使亚硫酸钙向硫酸钙的氧化过程进行得更快、更充分。脱硫搅拌器根据安装位置不同可分为侧进式搅拌器和顶进式搅拌器。侧进式搅拌器采用浆罐外壁安装方式，比如吸收塔、事故浆罐。顶进式搅拌器采用浆罐、地坑顶部安装方式，比如石灰石浆罐、过滤水地坑等。搅拌器由轴、叶片、机械密封、变速箱、电机组成。图2-44所示为侧进式搅拌器。图2-45所示为吸收塔内氧化喷枪与侧进式搅拌器的布置。

在吸收塔内下部浆液池中3～4个搅拌器水平径向布置，目前国内一般采用国外进口设备，其作用是将浆液保持在流动状态，从而使其中的脱硫有效物质（CaCO₃固体微粒）在浆液中始终保持均匀的悬浮状态，保证浆液对SO₂的有效吸收和反应。

吸收塔浆池也有的采用扰动搅拌方式（亦称脉冲悬浮装置），如图2-46所示。具体方案是通过扰动泵（或称脉冲悬浮泵，一运一备）将塔浆池中的浆液从塔底部抽出再返回到浆池内，再经过扰动管的喷嘴向下喷出，对浆液进行扰动，以达到防止浆液沉淀的目的。

五、氧化空气管

在FGD系统中，当烟气中本身含有的氧气量不足以氧化浆液中吸收SO₂反应生成的亚硫酸钙时，需提供强制氧化系统为吸收塔浆液提供氧化空气。氧化空气管的作用是向吸收塔底部浆池鼓入空气，为浆池中的亚硫酸钙氧化成石膏“供氧”，把脱硫反应中生成的半水亚硫酸钙（CaSO₃·1/2H₂O）氧化为硫酸钙并结晶生成石膏（CaSO₄·2H₂O）。

氧化空气管将氧化空气导入罐体氧化区，并使之分散的方法不同，而多种强制氧化装置采用的最普遍的两种方法是管网喷雾式和搅拌器与空气喷枪组合式。管网喷雾式装置又称固定式空气喷雾器，由于在吸收塔下半部分均匀布置，又俗称“面式布置”，如图2-47所示。搅拌器与空气喷枪组合式，由于在吸收塔搅拌器桨叶前布置，又俗称“点式布置”，如图2-48所示。

吸收塔氧化空气管材质一般是不锈钢，外包玻璃树脂鳞片，起到固定和防腐的作用。部分电厂曾经使用玻璃钢的，但是抗压抗振动性和特高温的效果差，逐步更换成不锈钢材质的。

六、浆液循环泵

浆液循环泵用来将吸收塔浆池的浆液和加入的石灰石浆液循环不断地送到吸收塔喷淋层，在一定压力下通过喷嘴充分雾化，与烟气反应。图2-49所示为浆液循环泵外观图。

根据防腐工艺不同，浆液循环泵分为衬胶泵和防腐金属泵两种。

1.衬胶泵

（1）结构

图2-50所示为典型的脱硫浆液循环泵——衬胶泵。单级、悬臂、端吸离心式，双泵壳带橡胶衬里，垂直中开的球铁泵壳，由螺栓将其左右两半连接，同时也将管路与进、出口连接。在进出口处采用调节伸缩式接头，以减轻管路供给泵进出口的压力。采用后拆式结构，可以在不拆卸进出口灌入的前提下完成对叶轮、轴封、轴承等零部件的检修与更换。

（2）橡胶衬里

橡胶是FGD用泵的理想材料，因为它具有良好的耐磨、耐腐蚀性，还能有效地减轻水力冲击引起的噪声。橡胶衬里泵在西方已经成为FGD装置中的首选用泵，如图2-51所示，即为一台橡胶衬里泵，目前国内也已将其作为脱硫装置的首选用泵，并逐渐成为工业标准。在已建FGD装置中，大多数采用橡胶衬里泵。每一半泵壳均衬有易于更换的、内装螺栓的、组合式的橡胶衬里。良好的设计使全部衬里达到100%的坚固程度，使衬里在泵体内出现真空时而不凹陷。

橡胶衬里式泵比金属内衬式便宜、轻便，因此可以降低成本，并且在维修时易于搬运。

FGD工艺浆液中各种化学物对橡胶一般不起作用，而金属衬里和所有的金属泵当处理的氯化物超过20000ppm和酸度pH低于2（在70℃时），就会受到严重的腐蚀。

（3）金属叶轮和前护板

叶轮通过螺纹与轴连接，螺纹方向与泵转向相反，从而使其在运转时始终紧固在轴上，这一上紧力形成了一种压力，从叶轮经轴套传到轴承端盖上。对于叶轮直径大于26in（1in=0.0254m）的泵，若已知所产生的扭矩大小，较好的办法是装置“拆卸”环。这种“拆卸”环是一种可以调节的装置，可以用来释放上述压力，便于叶轮的拆卸。

目前，叶轮和前护板大多数采用金属材料制成，原因是吸收塔内壁剥落的结垢碎片及其他异物容易划破橡胶叶轮，而采用金属护板则是防止在汽蚀状态下对橡胶的破坏。金属材料的优越性是可以通过叶轮和前护板几何形状的改变进行泵水力效率的最优化设计。通常，尽量采用较大直径的叶轮，目的是使泵的转速最低，从而提高磨损寿命，降低由于汽蚀而引起的损坏。通常，金属叶轮的材料采用双相不锈钢（CD4MCU）或者高铬马氏体白口铸铁（A49）。后者的铬含量为27%～28%，材料的化学成分中含有2%的碳，其作用是提高对于pH值大于3，氯化物含量大于和等于75000ppm的浆体的耐腐蚀性。耐磨性与金属材料的硬度有关，而耐腐蚀性则取决于冶炼手段。双相不锈钢可以适用于pH值范围较宽，氯化物含量不同的杂质，其热处理后的最大硬度可达325～340BHN，而A49的硬度可达450～600BHN，主要取决于含碳量和热处理。

实际中往往优先选用白口铸铁，因为其成本低于双相不锈钢，且耐磨性能远优于双相不锈钢。添加少量其他合金元素或增加铬含量，并采用最新热处理技术可大大提高这种材料的耐腐蚀性能。

（4）无冲洗机械密封

现今，较先进的循环泵都采用浆体机械密封，如图2-52所示。运行中不需要冲洗水。这种浆体密封在结构上采用整体集装式，动静环采用整体碳化硅，这种密封采用较大的密封腔，以使石灰石浆体充分冲洗并冷却碳化硅密封面。主要结构件采用低碳或超低碳不锈钢，所有辅助密封均采用聚四氟乙烯材料。目前，密封寿命平均在20000h或更多些。并且，密封零部件或轴套的冶金技术是十分重要的，因为pH值较低和含有氯化物等很容易导致腐蚀。

（5）轴承组件

循环泵采用重型轴和轴承组件，安装于筒式托架中。采用圆柱滚子轴承以承受水力径向力和叶轮的重量，双列圆锥滚子轴承用于承受水力推力。根据轴承的尺寸和寿命要求，以最大限度地减少因热不均匀而引起的轴偏移来布置这些轴承，以求最佳设计效果。通常，循环泵轴承的设计寿命为100000h。

2.防腐金属泵

防腐金属泵的结构与普通泥浆泵相同，只是介质接触部分的选材不同。下面为一般选材：泵壳材质2605N，叶轮材质Cr30A，机械密封动/静环材料为SiC，颈套、轴承套采用全合金，轴为45号钢，其造价比衬胶泵高10%～30%。防腐金属泵的结构如图2-53、图2-54所示。

3.调速器及电机部分

每台吸收塔的循环浆泵流量相同、压头不同。为达到此要求，一般采取改变叶轮大小方式，也可在泵头相同情况下，通过调速器改变转速方式实现。通过改变叶轮大小来改变压头，使泵体及叶轮的互换性问题得不到解决，并且作为易损部分的叶轮等备品量大。由于调速器不易损坏，即使故障也容易修复。所以，目前每台吸收塔的循环浆泵设计成相同的，通过选择不同调速器改变传递转速，达到产生不同压头的要求。一般每套FGD循环浆泵只备一套备品就能满足运行维护要求。