小型玻璃鋼脫硫塔的設計與應用

梁 磊

（江蘇新中金環(huán)保科技股份有限公司）

0 前言

隨著我國煙氣脫硫（FGD）項目發(fā)展速度的加快，對脫硫系統(tǒng)設施的防護保養(yǎng)、運行質(zhì)量要求越來越高[1-2]。脫硫塔作為脫硫系統(tǒng)的核心設備，做好它的防護保養(yǎng)工作勢在必行。由于煙氣脫硫是十分復雜的物理、化學過程，脫硫塔本體承受多種多樣的化學物質(zhì)腐蝕、溫度及濕度變化的影響和煙塵、漿液的沖刷、磨損等苛刻的工況條件，嚴重影響了其使用壽命，因此，探尋一種既防腐又耐磨損、耐沖刷的材料制作一種經(jīng)濟且經(jīng)久耐用的脫硫塔，成為近年來眾多工程設計人員追求的目標[3-6]。目前，濕法脫硫中脫硫塔主要有麻石塔、碳鋼襯合金、襯膠或襯玻璃鱗片膠泥等，整體玻璃鋼塔還鮮為報道。筆者結合南陵縣安徽恒偉鉍業(yè)有限公司鍋爐煙氣脫硫工程實例，總結研究玻璃鋼脫硫塔在小型鍋爐煙氣脫硫系統(tǒng)中的設計與應用，為今后工程應用提供參考。

1 工程概況及脫硫塔材質(zhì)確定

安徽某冶煉企業(yè)新建2×20 t/h燃煤鍋爐，原煙氣溫度為110 ℃左右，SO2含量約5 000 mg/ Nm3，煙氣處理選擇了成熟可靠的雙堿法脫硫工藝。脫硫系統(tǒng)采用一爐一塔，處理煙氣量為2×60 000 m3/h（工況），脫硫劑利用廠區(qū)廢NaOH堿液，并用石灰漿液進行置換。兩套系統(tǒng)共用一套反應池和沉淀池，工藝流程如圖1所示。

圖1 雙堿法脫硫工藝流程

袋式除塵器處理后的煙氣經(jīng)引風機送入脫硫塔，在脫硫塔內(nèi)，NaOH溶液通過噴嘴霧化后與煙氣中的SO2逆向接觸，進行酸堿中和反應，從而脫除SO2。凈化后的煙氣經(jīng)兩級除霧器脫水除霧后，進煙囪排放，反應產(chǎn)物NaSO3和NaSO4在反應池中用氫氧化鈣溶液進行再生，再生產(chǎn)物NaOH再次進入脫硫塔參與反應，副產(chǎn)物經(jīng)充分氧化后進入沉淀池進行固液分離，最終經(jīng)板框壓濾機脫水后妥善處理。

鑒于鍋爐出煙溫度較低，僅為110 ℃左右，塔內(nèi)噴淋后極易產(chǎn)生低溫露點腐蝕。此外，脫硫塔還需長期承受堿性極強的NaOH溶液的腐蝕以及高濃度漿液的沖刷，因此脫硫塔材質(zhì)的選擇至關重要。經(jīng)過多位專家根據(jù)經(jīng)驗進行分析研究探討之后，決定采用耐磨耐蝕的玻璃鋼材質(zhì)。脫硫塔規(guī)格為Φ2.6 m×11.6 m，壁厚為2 cm，玻璃鋼以乙烯基酯樹脂為主材，增強材料選用無堿無捻連續(xù)纖維紗，耐溫性達150 ℃左右。

2 脫硫塔核心部件結構設計

脫硫塔的核心部件是指在運行中起到主導作用或承受較大力學作用，保證系統(tǒng)可靠運行的部件，如底座、噴淋系統(tǒng)、除霧器及沖洗水系統(tǒng)、塔頂拐角及平臺爬梯預埋件等。分布于塔體的此類結構，除承受設備的靜荷載外，還承受系統(tǒng)運行時裝置內(nèi)部壓力以及環(huán)境氣候條件的變化引起的動荷載，因此，該區(qū)設計時，應針對性的采取有效處理措施。

2.1 脫硫塔底座

脫硫塔底座除承受塔體、平臺爬梯、管路、進出口煙道等自重外，還受到壓力較大的高濃度噴淋漿液的沖刷磨蝕以及煙氣量的波動引起的結構震顫等作用力的影響。此外，裝置還受到風載、雪載等氣候條件的影響。因此，該部分的設計需慎重，其結構如圖2所示。

圖2 脫硫塔底座結構

從圖2可以看出，脫硫塔底座厚度為4 cm，為塔體壁厚的兩倍。底座外邊線應超出壁板外邊線一定的距離，預留地腳螺栓孔，超出距離宜為15～20 cm。地腳螺栓規(guī)格為直徑3～5 cm，長度50～70 cm 。地腳螺栓孔采取45°角塔底圓周均布，孔中心至塔壁板外邊線距離為7～10 cm。

2.2 噴淋系統(tǒng)

噴淋系統(tǒng)由上、中、下三層噴淋層構成，分30°角錯開布置，每個噴淋層對應設置一臺漿液循環(huán)泵，正常運行時啟動兩臺，備用一臺。由漿液循環(huán)泵輸送來的漿液通過噴淋管路進入噴嘴霧化，噴入塔內(nèi)與煙氣中的SO2反應，結構如圖3所示。

圖3 噴淋系統(tǒng)

從圖3（a）可以看出，脫硫塔內(nèi)部的噴淋系統(tǒng)由主管、支管、噴嘴和支撐梁組成。主管和支管在脫硫塔端面內(nèi)對稱布置，形成一個管網(wǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能使?jié){液在脫硫塔內(nèi)均勻分布。由于噴淋層管路的合理優(yōu)化布置設計，保證了漿液能在整個脫硫塔斷面上進行均勻噴淋，噴淋覆蓋率可達200%～300%。漿液噴淋管采用玻璃鋼材料制作，整個管網(wǎng)分段加工，采用粘結連接工藝。噴嘴為渦流SiC空心噴嘴，與管路之間采用包埋纏繞連接，連接時應嚴防樹脂流掛噴嘴內(nèi)部固化后堵塞噴嘴。由于噴嘴進口直徑相對噴淋管路要小很多，進口有一較長水平段，直接纏繞連接影響管道內(nèi)漿液的流通，且制作難度較大，連接不牢固。因此，在管路與噴嘴之間連接一段長度20 cm，直徑與噴嘴進口直徑相當?shù)募毠茏鳛檫^渡段，確保噴嘴連接的牢固性及管內(nèi)漿液的暢通。

系統(tǒng)運行過程中，噴淋管內(nèi)外分別受到高流速漿液和煙氣的沖刷，很容易引起結構震顫。因此，在噴淋層的下部設置支撐梁，并用樹脂纖維布將噴淋管路與支撐梁纏繞固定。支撐梁通常采用方鋼，表面用2～3層樹脂纖維布包裹，與脫硫塔壁板之間的連接如圖3（b）所示。支撐梁與塔壁連接處增設補強層，補強范圍為自方鋼中心外延20～30 cm的圓形區(qū)域，補強層厚度為1～2 cm左右，自中心向圓周圓滑過渡。

2.3 除霧器及沖洗水系統(tǒng)

除霧器的主要作用是用來分離煙氣所攜帶的粒徑15 μm以上的漿液微滴，確保煙氣含水率在75 mg/Nm3以下進煙囪高點排放。目前較為常用的除霧器有平板式和屋脊式兩種，本工程采用前者，其系統(tǒng)結構如圖4所示。

圖4 除霧器及沖洗水系統(tǒng)

從圖4可以看出，在脫硫塔內(nèi)，除霧器分上下二級，采用厚度1.2～2.0 mm擠拉玻璃鋼波紋板組裝而成。一方面便于安裝檢修，檢修人員踩壓在上面不致歪塌；另一方面，氣體流過不致波動變形，同時節(jié)省樹脂用量。下層除霧器波紋板間距較大，為3.5 cm，主要去除煙氣中較大液滴，屬粗除霧；上層間距較小，為2.8 cm，且波形板板片設有擋水槽，可進一步去除煙氣中更為細小的液滴，屬精除霧。除霧器下方設有環(huán)形板和方管支撐，環(huán)形板為預埋鋼板，采用鋼板適當補強，鋼板厚為1.2 cm，寬度為10 cm，鋼板及方管表面均用樹脂纖維布包裹做防腐處理。

為防止?jié){液滴粘在除霧器波紋板上逐漸結垢，影響煙氣通道，造成系統(tǒng)阻力較大，在兩層除霧器上下部位均設有三層沖洗水管，材質(zhì)為玻璃鋼。管上設有多個塑料噴嘴，與管路內(nèi)絲連接。噴嘴噴出液滴直徑在20～30 μm之間，由下至上逐層沖洗，沖洗不宜過于頻繁，否則會導致煙氣帶水量加重。根據(jù)經(jīng)驗，合理確定沖洗壓力和噴嘴角度至關重要。噴頭入口壓力為0.2 MPa，噴灑角為90°，沖洗水管與除霧器的高差在0.5 ～0.6 m之間，對清洗除霧器葉片內(nèi)側沉積物的效果較好。噴淋層設方管作為支撐梁，管路與支撐梁之間用樹脂纖維布包裹纏繞連接，方管表面處理采取同樣措施。

2.4 塔頂拐角

脫硫塔塔頂為變截面結構，當煙氣流過時，不規(guī)則表面引起過流煙氣擾動，增加氣體阻力，過流煙氣的內(nèi)壓將發(fā)生變化，變截面區(qū)附近將形成向塔壁的側向渦流，該側向渦流將產(chǎn)生對塔壁的不規(guī)則力學作用，可促使塔壁產(chǎn)生結構震顫，導致塔壁疲勞破壞，進而影響使用壽命。因此，該處應采取補強措施，補強范圍自拐角向塔壁及塔頂外延30 cm，補強厚度為1～2 cm，如圖5所示。

2.5 平臺預埋件

圖5 塔頂拐角補強

為便于脫硫塔內(nèi)部構件如噴淋層、除霧器及沖洗層的檢查維修，需在塔體設置平臺，為便于塔體的運輸，平臺采用預埋角鋼的方式現(xiàn)場制作，其結構如圖6所示。

圖6 平臺結構

從圖6可以看出，平臺的水平支撐和斜撐與塔體之間是通過預埋角鋼連接。預埋角鋼與塔體之間的連接處增設了加強帶，加強區(qū)域為預埋角鋼的上部外延5 cm，下部外延15～20 cm，左右各10 cm左右。預埋角鋼伸出塔體壁板長度一般為3～5 cm，與水平支撐和斜撐焊接連接。

由于預埋角鋼較短，焊接連接時，溫度較高，角鋼傳熱較快，極易引起與塔壁連接處樹脂高溫熔化，進而引起預埋件松動甚至脫落。為避免此現(xiàn)象的發(fā)生，在焊接時應采取點焊的方式，且點焊2～3次后立即停止，用蘸滿水的毛巾裹住焊點部位，使熱量迅速散失，如此循環(huán)焊接。

3 常用形式脫硫塔性價比分析

目前，國內(nèi)常用小型鍋爐脫硫塔主要有麻石塔、鋼制塔及玻璃鋼塔等，以本工程所用規(guī)格為Φ2.6 m×11.6 m的脫硫塔為對照，其優(yōu)缺點及經(jīng)濟性見表1。

從表1可以看出，麻石脫硫塔造價低，使用壽命適中，但使用過程中缺點較多，維修費較大；鋼制脫硫塔價格較高，使用壽命較短，且后期維修費用很高；玻璃鋼脫硫塔造價適中，使用壽命長，維修費用低。因此，玻璃鋼塔在小型鍋爐煙氣脫硫系統(tǒng)中具有更好的性價比，更具適用性，適合大力推廣。

4 結論

（1）經(jīng)過合理的設計、制造和安裝，玻璃鋼用于小型鍋爐煙氣脫硫裝置中，具有使用壽命長、耐磨耐蝕、運行可靠、經(jīng)濟等優(yōu)點。

表1 幾種脫硫塔經(jīng)濟性對比

（2）塔內(nèi)預埋鋼結構件的局部補強及外表面防腐處理至關重要，設計、制作、安裝時應采取有效措施。

（3）乙烯基樹脂做成的玻璃鋼具有良好耐溫性，可以避免在較高溫度條件下產(chǎn)生分層，脫硫塔進口煙氣150 ℃左右時，能夠長期穩(wěn)定運行。

（4）大型鍋爐煙氣工況條件較為復雜，對脫硫塔的要求更高，對于大型玻璃鋼脫硫裝置的設計、制作、安裝及應用有待于進一步深入研究。

（5）玻璃鋼脫硫塔，與麻石脫硫塔、鋼制脫硫塔相比，具有更好的性價比，適合在小型鍋爐煙氣脫硫系統(tǒng)中推廣應用。