湿法脱硫用喷嘴的研究与进展_姚丙东

湿法脱硫用喷嘴的研究与进展姚丙东*蒋金宝兰清敏张早校(西安交通大学)(中石油宁夏炼化分公司)(西安交通大学)摘要阐述了脱硫用喷嘴国内外的研究现状,重点介绍了湿法脱硫装置中最常用喷嘴的结构特点、材料要求、雾化特性、雾化机理以及塔内布置。指出了脱硫用喷嘴研究目前存在的问题及发展趋势。关键词湿法脱硫喷嘴雾化吸收塔中图分类号TQ051.3文献标识码A文章编号0254-6094(2006)04-0194-04喷嘴是脱硫装置中的关键部件之一。雾化是将液体或液-固悬浮体分散成细小滴粒的操作,它可以提供巨大的相间接触面积,是一种重要的单元操作[1]。喷嘴雾化性能对脱硫效率、投资成本和操作维修成本有重要的影响,因此把握喷嘴发展的趋势、深化对喷嘴的研究对高效脱硫具有重要意义。目前湿法脱硫用喷嘴的类型和雾化机理的研究已相对成熟,但也存在着一些问题,且在保证高效脱硫的条件下,如何进一步降低投资和操作维修成本,还存在一些技术难题。虽然进入工业应用的湿法工艺有多种,但湿式钙法因技术成熟度高、长期运行稳定、煤种适应性广、石灰石资源丰富等诸多优点,在脱硫工艺中仍占据着主导地位。因此,笔者主要介绍该工艺下喷嘴的研究与进展情况。1喷嘴的类型湿式钙法工艺采用的喷嘴一般为压力式喷嘴,可粗略分为空心锥形和实心锥形。考虑到防堵(一般要求流通直径不小于50mm)和液滴均匀性等的要求,目前基本不采用实心锥形(该形式多用于板式塔和填料塔中),常用的有简式旋流喷嘴、双空心锥旋流喷嘴、螺旋喷嘴以及直筒式喷嘴。简式旋流喷嘴(图1)的特点是无内部分离部件,可在很低的压力下操作(通常0.1～0.2MPa),不会发生堵塞,且制造简单(一般整体铸成),在塔内与烟气逆流操作,如在德国鲁奇能源环保有限公司喷淋塔中的应用。与简式旋流喷嘴相比,螺旋式喷嘴(图2)可在更低的压力下操作(通常0.05～0.1MPa),流通面积更大,雾化粒径更小,可以提供更多的相间接触面积,但这种结构易碎,且液滴均匀性也有待提高,如在日本川崎重工业株式会社喷淋塔中的应用,这种喷嘴可以机械加工而成,但典型工艺是铸造。直筒式喷嘴一般用在液柱塔中(如日本三菱重工),相对于其他喷嘴操作,其最大的特点是在塔内单层布置、液柱与烟气进行两次接触,同时向上高速喷射的液柱也会卷吸气体,形成湍动的泡沫区,增大了气液相接触面积,提高了脱硫效率,且维修方便[2]。双空心锥旋流喷嘴集中了上述几种优点,它双向雾化浆液,流量低,雾滴分布均匀,且减少了喷淋层数和喷嘴数量,降低了塔高,从而减少了投资成本,这种喷嘴在德国和美国应用尤为广泛,BPE公司是最早的供应商之一。图1简式旋流喷嘴结构简图2材料的选用实际工艺中循环喷淋的浆液不完全是石灰石194化工机械2006年*姚丙东,男,1981年4月生,硕士研究生。陕西省西安市,710049。图2螺旋喷嘴结构简图浆液,而是储液槽中的浆液,其组成非常复杂,既含有固体颗粒(如碳酸钙、石膏和烟灰等),又含有酸性成分(如亚硫酸和盐酸等)。因而在材料的选用上主要考虑以下几点:防堵塞、防腐蚀、防磨蚀、高强度,即在保证雾化质量的前提下,使用寿命要尽可能长或接近小修(或大修)周期。早期使用的材料主要有塑料、陶瓷和碳化硅等。由改性聚苯醚树脂制成的塑料喷嘴耐磨性差,现已被淘汰;陶瓷制成的喷嘴,防腐性能好,耐磨,但最大的缺点是易碎,典型用户为日本川崎重工业株式会社;碳化硅材料因其诸多优点,在脱硫行业得到了广泛的应用,如德国的罗斯托克电厂和威廉电厂等。常用的是在碳化硅的基础上加入其他成分或改变其结构,以提高其使用年限,如美国BETE公司采用的反应烧结碳化硅陶瓷(RBSC)和氮连接碳化硅陶瓷(SNBSC)材料等,国内在这方面的研究也取得了重大突破,如沈阳星光技术陶瓷有限公司生产的样品(氮连接碳化硅陶瓷材料)得到了用户的认可[3],但同国外领先技术相比,使用寿命相差仍很大。相比于RBSC,SNBSC韧性高、硬度低,制成的喷嘴壁较厚、重量较大。由于RB-SC硬度高,螺纹加工困难,所以其喷嘴都采用法兰连接到喷淋头上;SNBSC喷嘴既可以法兰连接,也可以螺纹连接,采用法兰连接时要注意螺栓和螺母的防腐要求,至于选择哪种连接方式,视具体情况而定,一般流量较小时采用螺纹连接方式,流量较大时采用法兰连接方式。3喷嘴雾化性能和塔内布置衡量雾化性能的几个重要的指标是雾化角、流量系数、平均粒径以及粒径分布等。雾化角既不宜太大也不宜太小,太大则发生湿壁效应,太小则喷淋密度分布不适,所以实际使用喷嘴的雾化角一般为90°;粒径也不宜太大或太小,太大则单位体积气液接触面积小,导致脱硫效率低或投资成本增加,太小则影响除雾器的操作(尤其是空塔喷淋工艺中),因此工艺上一般要求粒径在1300～3000μm。影响上述指标的主要因素有:喷嘴的结构、操作条件(浆液的流量、压力及烟气