华能井冈山项目部脱硫运行培训教材 SO2吸收系统
第三章 SO2吸收系统
3.1、系统简介
SO2吸收系统是整个脱硫装置的核心系统，对烟气除去SO2等有害成分的过程主要在这个系统完成。本系统主要是由吸收塔、浆液循环泵、除雾器、吸收塔搅拌器及氧化风机等组成。石灰石－石膏湿法烟气脱硫是由物理吸收和化学吸收两个过程组成。在物理吸收过程中SO2溶解于吸收剂中，只要气相中被吸收气体的分压大于液相呈平衡时该气体分压时，吸收过程就会进行，吸收过程取决于气-液平衡，满足亨利定律。由于物理吸收过程的推动力很小，所以吸收速率较低。而化学吸收过程使被吸收的气体组分发生化学反应从而有效地降低了溶液表面上被吸收气体的分压，增加了吸收过程的推动力，吸收速率较快。FGD反应速率取决于四个速率控制步骤，即SO2的吸收、HSO3氧化、石灰石的溶解和石膏的结晶。 3.2、吸收反应原理 3.2.1、物理过程原理
SO2吸收是从气相传递到液相的相间传质过程。对于吸收机理以双膜理论模型的应用较广，双膜理论模型如图所示。图中p表示SO2在气相主体中的分压，pi表示在界面上的分压，c和ci则分别表示SO2组分在液相主体及界面上的浓度。把吸收过程简化为通过气膜和液膜的分子扩散，通过两层膜的分子扩散阻力就是吸收过程的总阻力。
气体吸收质在单位时间内通过单位面积界面而被吸收剂吸收的量称为吸收速率。根据双膜理论，在稳定吸收操作中，从气相传递到界面吸收质的通量等于从界面传递到液相主体吸收质的通量。吸收传质速率方程一般表达式为：吸收速率=吸收推动力×吸收系数，或者吸收速率=吸收推动力/吸收阻力。吸收系数和吸收阻力互为倒数。
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3.2.2、化学过程原理
3.2.1.1、SO2、SO3和HCl的吸收：
烟气中的SO2和SO3与浆液液滴中的水发生如下反应：
SO2 + H2O → HSO3 + HSO3 + H2O → H2SO4
HCl遇到液滴中的水即可迅速被水吸收而形成盐酸。 3.2.1.2、与石灰石反应
浆液水相中的石灰石首先发生溶解，吸收塔浆池中石灰石溶解过程如下：
CaCO3 + H2O → Ca + HCO3 + OH
水中石灰石的溶解是一个缓慢的过程，其过程取决于以下几个因素：
a. 固态石灰石颗粒的颗粒尺寸。颗粒细小的石灰石粉要比颗粒粗大的石灰石粉溶解要快。 b. 石灰石的反应率。活性石灰石的溶解率要比没有活性的石灰石溶解率要快。 c. 吸收塔浆液的pH值。pH值越低，石灰石溶解得越快。
高的pH值对酸性气体的脱除效率有利，但是不利于石灰石的溶解。低的pH值不利于酸性气体的脱除效率，但是有利于石灰石的溶解。
SO2、SO3、HCl等与石灰石浆液发生以下离子反应：
Ca + HCO3 + OH+ HSO3 + 2H → Ca + HSO3 + CO2↑+2H2O 氧化反应：2HSO3 + O2 → 2SO4
2+
—
—
2—
—
2—
2+
—
—
—
+
2+
—
2+
—
—
—
+
+ 2H
2+
2—
+
Ca + HCO3 + OH+ SO4 + 2H → Ca + SO4
2+
—
—
+
—
2+
+
+ CO2↑+2H2O
Ca + HCO3 + OH+ 2H + 2Cl → Ca+ 2Cl+ CO2↑+ 2H2O
经验显示，吸收剂浆液的pH值控制在5.5～6.0之间， pH值为5.6时最佳，此时酸性气体的脱除率和石灰石的溶解速度都很高。吸收塔浆液池中的pH值是通过调节石灰石浆液的投放量来控制的，而加入塔内的新制备石灰石浆液的量取决于预计的锅炉负荷、SO2含量以及实际的吸收塔浆液的pH值。 3.2.1.3、氧化反应
通入吸收塔浆液池内的氧气将亚硫酸氢根氧化成硫酸根：
2HSO3 + O2 → 2SO4
3.2.1.4、石膏形成：
Ca + SO4 + 2H2O → CaSO4 ? 2H2O
2+
2—
—
2—
—
+ 2H
+
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石膏的结晶主要发生在吸收塔浆液池内，浆液在吸收塔内的停留时间、通入空气的体积和方式都经过专门的设计，可保证石膏的结晶生成。 脱硫总反应式：
SO2（g）+CaCo3(s)+1/2O2+2H2O(l)→CaSO4.2H2O(s)+CO2(g)
WFGD物理和化学反应过程示意图
1- 石灰石的溶解；2- SO2和O2的溶解；3-亚硫酸钙的氧化；4-石灰石的溶解；5-O2的吸收； 6-亚硫酸钙的强制氧化；7-石膏的结晶； 8-亚硫酸钙的结晶； 9-可能的结垢；10-持液槽 3.3、主要设备作用及结构 3.3.1、吸收塔本体 作用与功能：
烟气进入吸收塔内，自下而上流动与喷淋层喷射向下的石灰石浆液滴发生反应，吸收SO2、SO3、HF、HCl等气体。吸收塔采用先进可靠的喷淋空塔，系统阻力小，塔内气液接触区无任何填料部件，有效地杜绝了塔内堵塞结垢现象。石灰石浆液制备系统制成的新石灰石浆液通过石灰石浆液泵送入吸收塔浆液池内，石灰石在浆液池中溶解并与浆液池中已经生成石膏的浆液混合，由吸收塔浆液循环泵将浆液输送至喷淋层。浆液通过空心锥型喷嘴雾化，与烟气充分接触。在吸收塔浆液池中部区域，氧化风机供给的空气通过布置在浆液池内的喷枪与浆液在搅拌器的协助下进一步反应生成石膏（CaSO4·2H2O）。 3.3.1.1、喷淋层
每只吸收塔配备四台浆液循环泵，采用单元制运行方式，每一台循环泵对应一层喷淋装置。循
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环泵将塔内的浆液从下部浆液池打到喷淋层，经过喷嘴喷淋，形成颗粒细小、反应活性很高的雾化液滴。本设计的液气比选在16.24L/Nm。四层喷淋层可以根据烟气负荷的大小选择投用的层数，以降低能源的消耗和保证出口烟气的温度。
喷淋层采用高级的螺旋状喷嘴，在同等喷雾条件下，对循环泵的压力需求较低。该种喷嘴可使喷出的三重环状液膜气液接触效率高，能达到高效吸收性能和高除尘性能。喷淋层的布置增加了浆液与气体的接触面积和几率，保证吸收塔横截面能被完全布满，使SO2、SO3、HF、HCl等被充分去除。由于在吸收塔内吸收剂浆液通过循环泵反复循环与烟气接触，吸收剂利用率很高。
3
吸收塔内部结构示意图
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喷淋层和喷嘴实物图
喷淋效果图 喷嘴实物图 3.3.1.2、吸收塔浆液池 吸收塔浆液池的主要功能如下：
完成酸性物质和石灰石的反应 酸性物质： 通过强制氧化把亚硫酸盐氧化成硫酸盐 提供石灰石足够的溶解时间 促使过饱和溶液里面的石膏结晶 提供石膏晶体充分长大的停滞时间
根据日本川崎公司多年的工程经验并结合工程设计参数，对吸收塔进行了优化设计。其优点有： ①、低进口SO2浓度导致酸碱吸收反应速率下降，大容量吸收塔浆池为喷淋过程中物理溶解于浆液中的酸性物质在浆池内与溶解态石灰石的反应提供充分的反应时间，由此确保高的脱硫效率。 ②、为石灰石提供充分的溶解时间，确保不大于1.03的钙硫比。 ③、为亚硫酸钙提供充分的氧化空间和氧化时间，确保良好的氧化效果。
④、为石膏晶体长大提供充分的停滞时间，确保生成高品质的粗粒状（而非片状和针状）石膏晶体。 ⑤、同时，为了在烟气参数如烟气流量、烟气温度和SO2初始浓度发生快速变化的情况下，能使吸收塔正常、稳定地运行，浆液池容量的设计保证提供充分的气固缓冲容积，确保系统具有良好的耐冲击性和稳定性。
当锅炉原烟气通过吸收塔时，会蒸发带走一部分吸收塔内的水分，石膏结晶也会带走一定的水分，废水排放也会带走一部分水，这样将导致吸收塔浆液中的固体浓度逐步增大，进而影响反应的正常进行。浆液的液位由吸收塔的液位控制系统控制，流失的水将通过除雾器冲洗水来补充，同时
脱硫吸收塔SO2吸收系统(DOC)
