CN103908855B - 一种非均匀棒距的文丘里棒层 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非均匀棒距的文丘里棒层，其特征在于所述的文丘里棒层由至少一块以上非均匀排布的耐腐蚀的金属或非金属实体棒或空心管组件所组成，各块棒或管组件中的间距根据其所安装区域的气体流动分布确定。该文丘里棒层设置在喷淋塔的进气段和第一层喷淋装置之间和／或气体吸收段内。比现有的文丘里棒层能够更好的发挥气体流经棒间渐缩渐扩通道时所产生的文丘里过流效应：(1)实现对喷淋塔进气段气体偏流和／或塔中心高边壁低的气速分布的“均化”调制，使经过棒层的气体接近“平推流”，增加气液接触效率；(2)在棒层上表面形成高度湍动的液体薄层，使气体通过该棒层区域时实现“液包气”的高效鼓泡传质，显著提高传质效率；(3)因棒隙气流高速冲刷、湍动，可使棒实现“自清洁”。

Description

一种非均匀棒距的文丘里棒层

技术领域

本发明专利涉及湿式烟气污染物净化技术，尤其涉及一种用于喷淋塔湿式烟气脱硫、除尘及其他有害物质脱除的低阻增效降耗的气液接触传质技术。

背景技术

湿式烟气洗涤吸收是当前工业烟气脱硫除尘及脱硝最实用、最有效的技术，应用也最为广泛。常见的工艺有石灰石/石膏法、双碱法、镁法、氨法等。经过多年的广泛研究和应用开发，其工艺技术已趋于成熟，已开发了多种提高吸收效率(即脱硫效率、除尘效率)的技术，达到日益严格的环保法规排放指标要求已不存在技术上的困难。目前的问题主要是建设投资大、运行成本高、系统复杂、流程长、安稳长运行可靠性差等。

气液接触塔/器是所有湿法烟气洗涤吸收工艺的核心，其气液接触效率高低、能耗大小、长周期运行稳定性等对整个工艺的性能、投资和经济性、可靠性有决定性的影响。常见的湿法烟气洗涤吸收塔有喷淋空塔、鼓泡塔、填料塔、液柱塔、旋流板塔等。这些塔各有优缺点，如鼓泡塔、填料塔气液接触好，脱硫效率高，但鼓泡塔阻力大、填料塔容易堵塞；液柱塔操作负荷性差、动力消耗大。旋流板塔脱硫除尘效率不高，除雾板、风机积灰多，还可能导致无法长期连续运行等，目前已较少应用。喷淋空塔由于结构简单、压降低、无堵塞等优点已在众多的烟气脱硫塔中胜出成为目前得到广泛应用的主流塔型。

但喷淋空塔存在烟气分布不易均匀，气速越高、塔径越大，塔截面上的烟气分布均匀度就越差；塔内烟气是连续相，洗涤吸收液为离散相，气体容易短路，气液接触效率不够高等缺陷。为达到较高的吸收效率，一般需要采取增加塔高度以增加气液接触时间、增加吸收液喷淋量、液气比等措施(例如石灰石-石膏法液气比在20～26，石灰-石膏法水气比在13～16)，这便造成设备投资高、电耗大、运行成本高。为解决喷淋空塔的这些问题，近年的技术发展是在空塔内增设文丘里管/栅、托盘、旋汇耦合等内构件，通过少量增加烟气阻力的代价来改善烟气分布、使塔内烟气尽量接近“平推流”、提高气液接触效率、降低液气比。

文丘里棒栅(下面简称文氏棒层)是上述内构件中对烟气阻力最低、产生结垢风险最小的一种。因为构成文氏棒层的管或棒截面一般为圆形、表面光滑，不易粘接固形物，棒间隙处过流气速大，两棒间渐缩渐扩间隙的文丘流过流效应形成的强烈气液两相湍动对棒层有自清洁作用。除能改善烟气分布外，还能在棒层上表面形成液体薄层，实现“液包气”的鼓泡传质，从而显著提高脱硫效率。因此，文氏棒层是当今一种较为理想的喷淋空塔增效降耗技术。

但现有的文氏棒层设计基本上都采用等棒间距布置，与塔内的烟气流动分布特性匹配不好，气液接触效率达不到预期的效果；更不能适应大气量烟气治理的要求。例如，中国专利CN202161915U公开了一种包括一组直径相等、间距相同的耐腐蚀的金属或非金属实体柱或空心管和支架构成的文丘里棒层，设置在脱硫塔的烟气进气室出口和第一层喷淋装置之间；其特征在于：所述金属或非金属实体柱或空心管组成的棒层圆周的通风率在40-50％之间。该专利公开的文丘里棒层由等直径、等间距棒/管构成，不能很好的配合脱硫塔烟气进气室/段烟气偏流的分布特点，采用棒层后虽对进气段的烟气分布偏流有所抑制，但经过文氏棒层后的烟气分布仍不理想；此外，棒层通风率40～50％，在通常操作液气比下棒层上表面很难建立连续的液膜层，不能使喷淋空塔的“气包液”两相流态经历“液包气”层，克服烟气“短路”。因此很难达到添加文氏棒层的预期效果。

在空塔内设置文氏棒的目的之一是使塔内烟气经过文氏棒的“均化”调制，以接近“平推流”的方式通过气液吸收区，提高吸收效率。但同一塔径，处理的烟气流量不同对文氏棒的棒距要求将不同。针对现有的文氏棒层采用固定棒距设置在塔内，调整棒距不容易的问题，中国专利CN203090751U公开了一种易于调整棒间距的文丘里棒层。其特征在于：塔体周围设置有支撑架，支撑架上设置有均匀间隔的卡槽，所述文丘里棒两侧设置有与所述卡槽匹配的卡扣，文丘里棒通过卡扣固定在卡槽内。通过优化设计得出棒距后，文丘里棒只需通过卡扣结构移动以调整到合适位置，安装方便。但该专利提出的文氏棒层，无论优化设计定出多大的棒间距，但一旦确定，在同一塔截面上棒层采用的仍是一个均匀的棒距；此外，文氏棒两端的卡-扣结构在一定程度上增加了结构复杂性和结构风险，使吸收塔长周期运行的可靠性下降。中国专利CN101579601B公开了一种文丘里环传质层设计，该文丘里环为同心圆布置，每层文丘里环传质层的环与环之间保持10～200mm的间距，从环圆心向塔壁环间距递减，呈现为内疏外密的同心圆环，各环之间的间距不等。但该不等间距环形文丘里棒层不能与塔内烟气分布特点(进气段偏流、充分发展段气速中心高边壁低)相配合，内疏外密的同心圆环反而会使烟气向塔中心汇集；圆环的制造也不如直棒简单。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种用于湿法烟气吸收塔、根据塔内烟气流动分布特点匹配文氏棒间距(或曰通气率)的非均匀棒距的文氏棒层设计方法，以充分发挥文氏棒层对烟气吸收塔的增效作用，使烟气脱硫除尘工艺更加贴近简单、高效、经济、可靠的目标。

本发明的目的是通过以下的技术方案实现的：一种用于烟气洗涤吸收塔的非均匀棒距的文氏棒层，其特征在于，覆盖全塔横截面的棒层由至少一块以上的文氏棒组件构成，具体可描述为：(1)每块文氏棒组件均由耐腐蚀、有足够机械强度的金属或非金属固体实心棒或空心管构成，也可在固体棒或管外包或涂耐腐蚀层；(2)每块文氏棒组件中棒或管的间距根据其安装所在的塔位置的烟气流动分布，按照优化设计确定；烟气流速高的区域，文氏棒采用较小间距，烟气流速低的区域采用较大间距。棒间距一般为2～200mm,优选的为5～50mm；(3)文氏棒层的截面通气率(即棒间距)为5～50％，优选的为10～30％。(4)文氏棒的横截面形状优选为圆形，但也可以是三角形、矩形及其他非圆形。(5)文氏棒组件中的棒的直径优选相同，但也可以不同；采用非圆截面棒时，非圆截面的尺寸可以相同也可以不同。(6)在塔体内四周设有文氏棒层支撑架；(7)文氏棒层下设置一根或一根以上文氏棒层支撑梁；(8)文氏棒层一般安装在洗涤吸收塔的烟气进气段出口和第一喷淋层之间，可以安装一层，也可以安装多层，但优选地为两层；两层棒中上层与下层间有一定层距，层距可按棒径确定，一般可取为棒径的的0.1～10倍，优选地为2～5倍。(9)需要达到更高的脱硫效率时，在气体吸收段内也可以安装一层或多层文氏棒层。

本发明的非均匀棒距的文氏棒层提高烟气脱硫除尘塔效率的原理是：(1)烟气进入吸收塔时，在进口处会形成一个偏转的涡流区，严重时会使洗涤液倒流到烟气入口烟道。根据烟气在塔内的流动分布特点设置塔截面上各区块的文氏棒间距，气速高的区块采用较小的棒间距，气速低的区块采用较大的棒间距，使进塔的烟气重新分布、克服进口段偏流、塔中心高速流。通过文氏棒层对气流的“均化”调制，可使文氏棒下游呈现接近“平推流”的流动，改善气液接触，减少烟气“短路”。(2)在烟气脱硫吸收过程中，自上而下的洗涤液在高温和高速流动的烟气的作用下，洗涤液表面发生复杂的物理和化学反应；一方面，液滴表面的水吸收烟气中的SO₂，并在液滴颗粒内产生由外向内的扩散，在洗涤液颗粒内产生一个SO₂的浓度梯度；另一方面，液滴表面的水分逐渐蒸发，表面水分逐渐变少，水分从液滴内部向表面扩散。在洗涤液液滴的吸收—蒸发过程中，表面的水分逐步减少，表面SO₂的浓度逐步变高。由于液滴下降过程是一个“气体包围液滴”的过程，洗涤液液滴在下降过程中蒸发和吸收作用逐步饱和，吸收过程就趋于停止。且液滴在下降过程中，液滴的相互碰撞，使小液滴变为大液滴，减少了吸收剂的表面积。这几个过程的综合结果是在液滴离开喷头的下落过程中，吸收速度逐渐变慢。设置合适的文氏棒层后，一可在文丘里棒层形成无数个文丘里，增加气流湍动、气液接触；二在文氏棒层上方可形成高速湍流的液体薄层，在这个湍流液层内，烟气将洗涤液重新破碎，极大地增加了气液相之间的传质、传热表面。烟气通过文丘里层时，以“液体包围气体”的鼓泡传质，提高了传质效率。减小文氏棒间距即可增加文氏棒层上湍流液层的高度，便可在较低的液气比下达到较高的脱硫除尘效率，而气体阻力增加并不多，从而达到了高效、低耗。

与现有技术相比，本发明的优点是：根据烟气流动分布特点确定各区块文氏棒组件的棒距(或曰通气率)，可以充分发挥文氏棒的文丘里效应，更好的实现对烟气分布的调制，保证气液接触效果；更易保证文氏棒层上形成强烈湍动的液体薄层，实现“液包气”的鼓泡高效传质，提高脱硫除尘效率。利用非均匀棒距的文氏棒层与空塔喷淋相结合的文氏棒洗涤吸收塔可以实现具有类似填料塔、鼓泡塔的高气液传质功能，能明显提高喷淋空塔的脱硫与除尘效率，降低液气比、减少循环液泵电耗；且文丘里棒层具有自洁功能，不易结垢；能在塔截面上均匀分布气流；其阻力大大低于填料塔、鼓泡塔，基本上与空塔差不多，是一种高效低阻低耗的洗涤塔。实验研究结果表明，与喷淋空塔相比，采用本发明可使脱硫率增加10％以上、液气比降低20～40％，从而减少循环液负荷、降低循环泵的电耗，而脱硫塔的气阻仅增加100～200Pa，增效降耗节能效果十分明显。

附图说明

图1现有的文氏棒层(等棒距、固定棒距)示意图

图2本发明的非等棒距文氏棒层(一层一块)

图3本发明的分块非均匀棒距的文氏棒层(a矩形分块、b环形分块)

图4本发明的一个实施例示图

图中的标记与其指代的部件的对应关系为：1、烟气入口，2、吸收塔烟气进口段，3、文氏棒层支撑架，4、文氏棒层1#，5、吸收段，6、文氏棒层2#，7、喷淋装置，8、除雾段，9、净化烟气出口

具体实施方式

如图4所示，本发明的一个实施例，覆盖喷淋吸收塔全截面的一个非均匀棒距的文氏棒层1#安装在吸收塔烟气进口段2上端和喷淋装置7之间，固定在支架3上。构成该文氏棒1#层的通气率(也即棒间距)根据塔的操作参数，通过流场数值模拟确定为：从塔进气侧开始，沿塔直径D方向先由35～40％逐渐递减，到达约0.85D位置降低到10～15％，然后再升高到约25％。文氏棒层2#设置在喷淋塔吸收段5内(文氏棒层2#也可以不设，全塔中只设文氏棒层1#)，覆盖喷淋塔全截面的一个非均匀棒距的文氏棒层2#由9块直径相等，棒间距不相同的耐腐蚀金属或非金属实体棒或空心管构成文氏棒组件6-1～6-9组成(如图3(a))，固定在塔体的内壁的支撑架(图中未表示)上，用以“均化”塔中心气速高边壁低的气流分布并有效的建立棒层上表面液体薄层。本实施例中喷淋塔径为D，位于塔中心的文氏棒组件6-1的尺寸为0.3D×0.3D，通风率15％；位于塔周边的文氏棒组件6-2～6-9的通气率为25％。

烟气从塔一侧进塔，在进气段发生偏转上升。烟气流经过本发明的文氏棒层1#时，烟气流受到棒层的阻挡，使气流发生重新分布。由于棒层的棒距设置为非均布的，气流速度大的部位棒距较密，流速低的部位棒距较稀疏，故经过这种非均布棒距的棒层调节，气流马上就实现了均布的“平推流”流动，减少烟气短路。气流流过面积渐缩渐扩的棒隙通道，产生强烈湍动的文丘里效应，与下落的喷淋液逆流相遇，增加了气液混合接触；另外在一定液气比条件下，上升的气流可将下落的液体托起，在棒层表面形成高度湍动的液体薄层，气液相持，“液包气”鼓泡传质，强烈的气液湍动将液滴破碎，极大地增加了吸收剂的比表面积，延长气液接触时间，显著提高气液两相之间的传质、传热效率。提高烟气的脱硫、除尘效果。随着气流的上升，文氏棒层的效应随离棒层的距离增加而减弱，气速又趋于中心高四周低的“环核”分布。此时，在烟气吸收区内设置的2#文氏棒层再次对烟气分布进行调制，又一次利用棒层的文丘里过流效应，使烟气分布“均化”并在棒层上表面建立较为均匀的液体薄膜层，实现高效的脱硫除尘。实验结果表明，使用该文丘里棒层可大幅度降低液气比30～40％，减少循环负荷，从而降低循环泵的实际电耗，保证脱硫效率和除尘效率双双达到98％以上。

以上所述，仅为本发明的一个实施例，并不用以限制本发明，很显然依据本发明的思想仍然可以做出多种修改或变换。因此，本发明的说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。凡是依据本发明的技术实质所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种非均匀棒距的文丘里棒层，其特征在于：覆盖喷淋塔全截面的文丘里棒层至少由一块非均匀排布的耐腐蚀金属或非金属实体棒或空心管组件及其支架所构成，设置在喷淋塔的气体进气段出口与气体吸收段之间、和气体吸收段内；各块棒或管组件中的棒或管间距根据其所安装的塔区域的气体流动速度分布确定，气流速高的区域采用较小间距，气流速低的区域采用较大间距；并且，文丘里棒或管组件中的棒或管间距非均匀，为2～200mm；

并且，设置在喷淋塔的气体进气段出口与气体吸收段之间的文丘里棒层的通气率：从塔进气侧开始，沿塔直径D方向先由35～40％逐渐递减，到达0.85D位置降低到10～15％，然后再升高到25％；

设置在气体吸收段内的文丘里棒层由9块棒间距不相同的耐腐蚀金属或非金属实体棒或空心管构成文氏棒组件组成，固定在塔体的内壁的支撑架上，用以“均化”塔中心气速高边壁低的气流分布并有效的建立棒层上表面液体薄层；喷淋塔径为D，位于塔中心的文氏棒组件的尺寸为0.3D×0.3D，通风率15％；位于塔周边的文氏棒组件的通气率为25％。

2.如权利要求1所述的非均匀棒距的文丘里棒层，其特征在于：文丘里棒组件中棒或管间距为5～50mm。

3.如权利要求1所述的非均匀棒距的文丘里棒层，其特征在于：文丘里棒组件中的各棒或管横截面形状为圆形、三角形、矩形或其他非圆形。

4.如权利要求1所述的非均匀棒距的文丘里棒层，其特征在于：文丘里棒组件中的各棒或管的截面的尺寸相同或不同。

5.如权利要求1所述的非均匀棒距的文丘里棒层，其特征在于：在喷淋塔内采用两层棒层为一组进行设置，两层棒层一组中上、下两棒层的棒间距不相同或相同；上、下两棒层间在高度方向上有一定层距，棒层距为棒径或非圆截面棒的水力直径的0.1～10倍。

6.如权利要求5所述的非均匀棒距的文丘里棒层，其特征在于：两层棒层一组中上、下两棒层的棒层距为棒径或非圆截面棒的水力直径的2～5倍。