工业锅炉脱硫塔传质单元设计

脱硫塔性能是保证脱硫成功达标的关键因素。了解脱硫塔性能初步从理论分析找到影响脱硫效率的参数。这里引入传质单元数N_OG，它表示气相侧单位平均传质推动力所能获得的SO₂浓度降低值。

在图3-3所示吸收区内，根据双膜理论，气相传给液相的溶质（SO₂）等于气相所失溶质，等于液相所得溶质。图中y_b是SO₂进口摩尔分数，y_a是SO₂出口摩尔分数。x_a是入塔脱硫液的摩尔分数，x_b是出塔脱硫液的摩尔分数。在低浓度SO₂中，当气体流率G、液体流率L都为常量时，通过脱硫塔任一截面上有

G（y-y_a）=L（x-x_a）

对上式微分运算，得

d[G（y-y_a）]=d[L（x-x_a）]

即Gdy=Ldx（3-6）

在脱硫塔取微小面积的传质界面上，式（3-6）可表示为

N_AdA=Gdy

图3-3 通过吸收塔微元高度的浓度变化

对传质界面积分：

设

式中 N_OG——传质单元数；

K_G^′——用（y-y^*）表示的总推动力下的气相总传质系数[kmol/m²·s]；

A——气相总传质界面面积（m²）；(www.xing528.com)

G——烟气流率（kmol/s）；

y_a——烟气出口SO₂的摩尔分数；

y_b——烟气入口SO₂的摩尔分数；

y^*——SO₂在气膜侧的平衡摩尔分数。

上式适用于吸收液吸收的SO₂不再产生蒸气压。对大多数湿法脱硫装置，吸收液上方SO₂平衡分压较之入口和出口SO₂分压小得多，所以上式是基本正确的。

由式（3-9）可知N_OG是脱除SO₂效率的函数。不同的脱硫效率可以计算出不同的传质单元数（N_OG），见表3-2。

表3-2 不同脱硫效率所需传质单元数

从式（3-8）、式（3-9）可知，在相同G（烟气流率）条件下，要提高脱硫效率，就要提高A，增大K_G^′。而增大有效传质面积（A）可采取增大液气比L/G、减小雾化粒度、增加筛板上鼓泡的表面积等措施来实现。

由于相际传质总推动力的表达不同，相际的总传质系数亦不同。用（y-y^*）表示的总推动力，则相际总传质系数为K_G^′，即N_A=K_G^′（y-y^*），K_G^′的单位为kmol/（m²·s）；用（p-p^*）表示的总推动力，则相际总传质系数为K_G，即N_A=K_G（p-p^*），K_G的单位为kmol/（m²·s·kPa）。两者关系为

K_G^′=K_Gp

式中 p——气相的主体压力（kPa）。

气相总传质系数k_G，则可通过气膜和液膜传质分系数k_G和k_L来表示，即

k_G、k_L是SO₂扩散系数和气膜、液膜厚度等变量的函数。例如采用提高气液之间相对流速和加强气液之间的扰动来减薄液膜，或提高浆液的碱度来提高K_G。用碱性吸收剂吸收易溶于水的SO₂时，H很小，H/k_L项可忽略不计，则K_G≈k_G，也就是吸收过程的总传质速率主要是气膜扩散速率。这种情况属于气膜控制过程。CaO湿法、MgO湿法、Na碱法、氨法等脱硫基本属于这种类型。而对于石灰石脱硫，由于石灰石极难溶于水，因此为了提高CaCO₃的溶解速度，吸收液呈弱酸性，H/k_L不能忽略，即CaCO₃的溶解速度控制了吸收过程的总速率。所以石灰石脱硫主要是液膜控制过程。