電力儀器資訊:摘要：本文介紹文氏棒塔煙氣脫硫的技術(shù)原理、特點(diǎn)以及在煉油廠35噸/小時(shí)燃煤鍋爐和120萬噸/年催化裂化裝置再生煙氣脫硫工程中的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)室模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究表明，煙氣與噴淋液在文氏棒層接觸產(chǎn)生強(qiáng)烈的泡沫湍流液層，使傳統(tǒng)噴淋塔中的“氣包液”式氣液接觸轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙喊鼩狻笔浇佑|，從而顯著提高氣液傳質(zhì)（傳熱）效率，并且文氏棒層壓降相對(duì)較低。此外，文氏棒層可有效改善塔內(nèi)煙氣分布不均勻性、有較好的“自清潔”作用。工業(yè)應(yīng)用表明，文氏棒塔脫硫效率高、阻力小、裝置運(yùn)行穩(wěn)定，操作液氣比小，運(yùn)行費(fèi)用低。催化裂化是現(xiàn)代煉油工業(yè)的核心工藝之一。
在原料油深度加工，提高輕質(zhì)油收率方面一直發(fā)揮了非常重要的作用。隨著國(guó)家環(huán)保新法規(guī)的頒布與執(zhí)行，煉油廠催化裂化等裝置煙氣的脫硫除塵脫硝及重金屬治理已經(jīng)成為當(dāng)前煉廠持續(xù)發(fā)展面臨的一個(gè)重要問題[1]。降低煉廠催化裂化裝置煙氣污染物排放的途徑通常有三條:(1原料油加氫脫硫脫氮，(2使用硫/氮轉(zhuǎn)移劑，(3煙氣脫硫脫氮；但濕法煙氣脫硫技術(shù)以其脫硫效率高、裝置運(yùn)行可靠、處理成本低、對(duì)煙氣硫含量高低的適應(yīng)性好等特點(diǎn)，幾乎成為目前催化裂化煙氣脫硫工程中唯一工業(yè)化使用的技術(shù)。煙氣洗滌塔是濕法煙氣脫硫裝置的核心設(shè)備，脫硫效率和能耗是決定脫硫塔應(yīng)用的主要因素。早期的填料塔氣液傳質(zhì)效率高。
但阻力較大，易結(jié)垢堵塞，影響裝置穩(wěn)定運(yùn)行；噴淋空塔因有壓降低和不易堵塞等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用，成為濕法煙氣脫硫工藝的主流塔型，但噴淋空塔存在煙氣進(jìn)塔分布不均、氣體易形成短路流、脫硫效率不夠高或操作液氣比大、運(yùn)行費(fèi)用高等缺陷。因此，面對(duì)越來越嚴(yán)的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)排放要求，強(qiáng)化脫硫塔內(nèi)氣液接觸，提高脫硫脫塵效率是當(dāng)前眾多煙氣脫硫裝置的迫切需求。中國(guó)石油大學(xué)（北京）是國(guó)內(nèi)最早開展催化裂化煙氣脫硫技術(shù)研究的機(jī)構(gòu)之一，從2002年就針對(duì)催化裂化煙氣脫硫問題進(jìn)行了研究，研究過氣液逆噴動(dòng)力波洗滌、多通道文丘里管進(jìn)口循環(huán)流化床、湍球塔、文氏棒柵塔等脫硫塔設(shè)備[2-6]，提出了文氏棒噴淋塔和文氏棒液柱塔兩種高效低阻的新型煙氣洗滌吸收塔專利[7-8]。
通過十多年的研究發(fā)現(xiàn)，文丘里棒柵是現(xiàn)有強(qiáng)化煙氣脫硫塔脫硫除塵效果的內(nèi)構(gòu)件中最為理想的一種。在傳統(tǒng)噴淋空塔的煙氣上行通道中添加一層或幾層文丘里棒柵作為強(qiáng)化內(nèi)構(gòu)件，不僅有壓降不高、不易結(jié)垢堵塞、運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還可保持較低的操作液氣比和較高的脫硫效率與除塵效率，裝置投資和運(yùn)行費(fèi)用均低于同類脫硫塔。本文主要介紹文氏棒塔的技術(shù)原理及性能特點(diǎn)，以及在煉油廠35噸/小時(shí)燃煤鍋爐和120萬噸/年催化裂化裝置再生煙氣脫硫工程中的應(yīng)用，為我國(guó)現(xiàn)有濕法煙氣脫硫塔的升級(jí)提效改造和新上煙氣脫硫塔設(shè)計(jì)提供了一種新的技術(shù)選擇與參考。1.文氏棒柵提高傳統(tǒng)噴淋塔脫硫效率的技術(shù)原理
傳統(tǒng)的噴淋空塔內(nèi)。
脫硫吸收液經(jīng)由噴嘴噴灑分散到上升的煙氣中，即所謂的“氣包液”式接觸。噴灑的液滴會(huì)存在分布不均，這就需要增加液體噴灑對(duì)塔截面的覆蓋。即使液滴分布覆蓋較均勻，煙氣脫硫吸收過程中，由噴嘴噴出的吸收液在流動(dòng)的高溫?zé)煔獾淖饔孟拢找罕砻嫘纬闪藦?fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng)，一方面，液滴表面的水吸收煙氣中的SO2，SO2由液滴表面向內(nèi)擴(kuò)散，形成外高內(nèi)低的SO2濃度梯度；另一方面，吸收過程中，液滴表面的水分逐漸蒸發(fā)減少，而表面的SO2的濃度逐步升高，液滴逐步飽和，吸收反應(yīng)過程趨于停止。同時(shí)液滴在下降過程中相互碰撞，小液滴變?yōu)榇笠旱危瑴p少了吸收表面。
這個(gè)過程的綜合結(jié)果是液滴離開噴頭在下落過程中，吸收速度逐漸變慢，這也是空塔噴淋要獲得高脫硫率就需要采用大液氣比的原因。在噴淋塔內(nèi)設(shè)置文氏棒柵后，數(shù)個(gè)棒縫形成數(shù)個(gè)截面減縮漸擴(kuò)的文丘里流通通道，如圖1所示。當(dāng)煙氣和液體通過棒柵層時(shí)，產(chǎn)生文丘里過流效應(yīng)，可改善煙氣分布的不均勻性。在合適的操作液氣比下，在文氏棒層上方形成高速湍動(dòng)的液體鼓泡薄層。在這個(gè)液體湍流層內(nèi)，吸收液被高速向上的氣流擊碎，產(chǎn)生新的傳質(zhì)表面，極大地增加了氣液兩相之間的傳質(zhì)和傳熱表面；煙氣通過文丘里層時(shí)，以“液體包圍氣體”的鼓泡傳質(zhì)過程，避免了氣體短路，提高了傳質(zhì)效率。
減小文氏棒間距還可增加文氏棒層上湍流液層的高度，便可在較低的液氣比下達(dá)到較高的脫硫除塵效率，而氣體阻力增加并不多，從而達(dá)到了高效、低耗。即在氣液吸收塔內(nèi)設(shè)置文丘里棒層，將文丘里棒與空塔噴淋技術(shù)有機(jī)結(jié)合，使新的文氏棒塔既具有噴淋空塔壓降低的好處也有填料塔氣液分布好、鼓泡塔“液包氣”傳熱傳質(zhì)推動(dòng)力大、脫硫效率高的特點(diǎn)，同時(shí)由于氣液流經(jīng)文氏棒層所產(chǎn)生的文丘里過流效應(yīng)，強(qiáng)烈的氣液湍動(dòng)、沖刷，不但增加氣液傳質(zhì)、提高吸收效果、降低操作液氣比；還具有“自清潔”作用、顯著降低吸收塔內(nèi)結(jié)垢堵塞風(fēng)險(xiǎn)。2.文氏棒塔的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)
（1）均化塔內(nèi)煙氣分布
噴淋空塔內(nèi)煙氣容易分布不均勻，含硫煙氣從塔一側(cè)進(jìn)入會(huì)使脫硫塔內(nèi)流場(chǎng)產(chǎn)生偏流現(xiàn)象[9]。
在相對(duì)入口一側(cè)形成高速氣流帶，并且在煙氣進(jìn)入塔內(nèi)后，在入口上方產(chǎn)生旋渦，形成一個(gè)回流區(qū)。氣速越高、塔徑越大，塔截面上的這種煙氣分布均勻度就越差。這種脫硫塔內(nèi)的煙氣不均勻分布會(huì)進(jìn)一步造成脫硫劑在塔截面上分布不均、氣液接觸時(shí)間不均，從而使脫硫脫塵效率降低。設(shè)置文氏棒層后，可以使進(jìn)塔后的煙氣分布得到改善，增加氣液接觸反應(yīng)的均勻性。通過數(shù)值模擬方法對(duì)文氏棒塔與空塔內(nèi)的煙氣分布進(jìn)行比較，結(jié)果如圖2。圖2(a中煙氣由一側(cè)水平進(jìn)氣口進(jìn)入空塔內(nèi)，由于圓柱壁的阻擋，煙氣折流向上沿塔壁形成高速氣流帶，在同一高度處煙氣分布產(chǎn)生不均勻性，并且在入口上方形成一個(gè)回流區(qū)；加入文氏棒層后（圖2(b）。
進(jìn)氣流受到棒柵的阻擋，氣流帶消失，煙氣在塔內(nèi)的分布明顯有所改善。中國(guó)石油大學(xué)（北京）還設(shè)計(jì)了一種非均勻棒距的文丘里棒層[10]，通過文氏棒層對(duì)氣流的均化作用，使煙氣在文氏棒層下游仍呈現(xiàn)接近“平推流”的流動(dòng)，改善了氣液接觸，減少煙氣“短路流”。（2）液氣比低
噴淋空塔為了達(dá)到較高的脫硫效率，需要采取增加脫硫塔高度、增加吸收液噴淋量、液氣比等措施來增加氣液接觸的時(shí)間，存在設(shè)備投資高、電耗大、運(yùn)行成本高等問題。文氏棒技術(shù)，可以改善塔內(nèi)煙氣分布，并且在文氏棒層上方形成高速湍動(dòng)的泡沫液層，使常規(guī)的“氣包液”傳質(zhì)變?yōu)椤耙喊鼩狻眰髻|(zhì)過程，極大地增加了吸收表面。
使塔內(nèi)SO2的溶解吸收區(qū)分布變寬，減輕吸收區(qū)的脫硫負(fù)荷，可有效降低脫硫所需液氣比。例如，常規(guī)噴淋空塔，石灰石-石膏法脫硫效率達(dá)到95%，需要液氣比為15~20L/m3，一般需要四至六層噴淋；如果采用文氏棒塔，達(dá)到相同的脫硫效率，只需液氣比為8~12L/m3，一般只需要三層噴淋，而且循環(huán)泵的數(shù)量也相應(yīng)減少。在相同脫硫效率下，文丘里噴淋塔可減少20%~25%的循環(huán)漿液量，同時(shí)可減少15%~20%的功率消耗，從而節(jié)約了生產(chǎn)成本[11]。（3）脫硫脫塵效率高
文氏棒塔內(nèi)實(shí)質(zhì)上傳統(tǒng)噴淋塔與棒柵上泡沫液層兩個(gè)氣液接觸傳質(zhì)過程的耦合，雖然為降低操作運(yùn)行費(fèi)用而采用較低的操作液氣比。
使得噴淋洗滌部分的脫硫脫塵效率下降，但棒柵上泡沫液層的鼓泡氣液接觸卻可顯著提高脫硫脫塵效率，結(jié)果總的脫硫脫塵效率仍然可以很高。圖3是實(shí)驗(yàn)室冷模試驗(yàn)獲得的相同工況條件下噴淋空塔與加文氏棒柵強(qiáng)化后的文氏棒塔的脫硫效率和脫塵效率的比較。可見，添加文氏棒柵后，脫硫效率可提高。
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