摘要：闡述了文氏棒塔煙氣脫硫技術的傳質(傳熱)原理及特點，并介紹了該技術在某煉油廠35t/h燃煤鍋爐煙氣脫硫塔和120萬噸/年催化裂化再生煙氣脫硫塔中的應用情況。試驗及模擬研究表明，煙氣與噴淋液在文氏棒層接觸產生強烈的湍流層，提高了傳質傳熱效率，并且文氏棒塔壓降相對較低。文氏棒層可有效改善塔內煙氣分布情況，同時有較好的“自清潔”作用。煉油廠工業應用表明，文氏棒塔脫硫效率高、阻力小、裝置運行穩定。(作者：王曉晗，孫國剛中國石油大學(北京)化工學院過程裝備實驗室)

關鍵詞：煙氣脫硫 文氏棒塔 工業應用

催化裂化是現代煉油工業的核心工藝，為原料油深度加工、提高輕質油收率發揮了重要的作用，但由于原油品質日益變劣變重，催化裂化裝置產生的煙氣含硫成分明顯升高，煉廠環保壓力也隨之增加，提高煙氣脫硫效率已經成為當前面臨的重要問題。濕法煙氣脫硫技術以其脫硫效率高、裝置運行可靠、處理成本低等特點，在現有催化裂化煙氣脫硫技術中占據主流地位。煙氣洗滌脫硫塔是濕法煙氣脫硫的核心設備，脫硫效率和能耗是脫硫塔主要參數。早期的填料塔氣液傳質效率高，但阻力較大，易結垢堵塞，影響裝置的穩定運行;傳統噴淋空塔雖有壓降低、不易堵塞的特點，但噴淋空塔存在著煙氣分布不均勻、氣體易形成短路流、脫硫效率不高的缺陷。文氏棒塔是在傳統噴淋空塔的煙氣上行通道中添加一層或多層文丘里棒層作為內構件，不僅有壓降低、不易結垢堵塞、運行穩定的優點，同時還可保證較高的脫硫效率。

文氏棒噴淋塔煙氣脫硫工藝流程見圖1。煙氣由一側入口進入脫硫塔內部，自下而上流動，脫硫漿液經噴嘴以一定速度和角度噴射下落，在文氏棒層上方與逆流而上的煙氣接觸并形成強烈湍流，洗滌煙氣中的SO2、NOx等有害組分，凈化后的煙氣經塔頂除霧器除去氣體中夾帶的液滴，通過煙囪排入大氣。

1、文氏棒塔脫硫原理

在傳統的噴淋空塔內，噴淋液滴在煙氣作用下，表面發生了復雜的物理化學變化，液滴表面的水吸收煙氣中的SO2，SO2逐漸向液滴內部擴散，形成外高內低的SO2濃度梯度;同時吸收過程中，液滴表面的水分蒸發減少，而SO2的濃度逐步升高，液滴飽和，吸收過程趨于停止。并且液滴在下降過程中相互碰撞，小液滴聚并為大液滴，減少了吸收表面。結果是液滴在下落過程中，吸收速度逐漸變慢，這是造成噴淋空塔脫硫率低的原因。

設置文氏棒層后，在相鄰文氏棒之間形成無數個文丘里，如圖2所示。當煙氣通過文丘里棒層時，與下落的液滴接觸發生反應，并在文氏棒層上方形成高速傳質的泡沫層。在泡沫層內，漿液被高速向上的氣流擊碎，產生新的傳質表面，極大地增加了氣液相之間的傳質和傳熱表面。另外，煙氣通過文氏棒層時，以“液體包圍氣體”的鼓泡傳質過程，提高了傳質效率。減小文氏棒間距可增加文氏棒層上泡沫層的高度，可在低液氣比下達到較高的脫硫效率，并且文氏棒塔相對于其他板式塔、填料塔等壓降較低，從而達到了高效低阻的脫硫效果。

2、文氏棒塔技術優點

01、均化塔內煙氣分布

噴淋空塔內煙氣分布不易均勻，如圖3a所示，含硫煙氣由噴淋空塔一側橫向進入塔內，受到圓柱壁的阻擋，煙氣折流向上沿塔壁形成高速氣流帶，出現明顯的偏流現象，并且在入口上方產生旋渦，形成回流。煙氣速度越高、塔徑越大，塔內煙氣分布就越不均勻。當加入脫硫劑之后，會造成脫硫液滴在橫向截面分布嚴重不均勻，減小了氣液接觸時間和接觸面積，大大降低了脫硫效率。

設置文氏棒層后，如圖3b所示，由于其均布作用，煙氣在塔內的分布明顯改善，高速氣流帶消失，煙氣回流現象也得到改善。中國石油大學(北京)設計了一種非均勻棒距的文丘里棒層，通過文氏棒層對氣流的均化作用，使煙氣在文氏棒層下游呈現接近“平推流”的流動，改善氣液接觸，減少煙氣“短路流”。

02、脫硫效率高

1)低液氣比

噴淋空塔為了達到較高的脫硫效率，需要采取增加脫硫塔高度、增大液氣比等措施來增加氣液接觸的時間，這會造成設備投資高、能耗加大、裝置運行成本上升。文氏棒塔可以改善塔內煙氣分布，并且在文氏棒層上方形成高速湍動的泡沫層，使常規的“氣包液”變為“液包氣”傳質過程，極大地增加了氣液反應吸收表面，減輕了吸收區的脫硫負荷，可有效降低脫硫所需的液氣比。例如，常規噴淋空塔，石灰石—石膏法脫硫效率達到95%，需要液氣比為15～20L/m3，一般需要4～6層噴淋;如果采用文氏棒塔，達到相同的脫硫效率，只需液氣比8～12L/m3，一般只需要3層噴淋，因此循環泵的數量也相應減少。在相同脫硫效率下，文氏棒噴淋塔的循環漿液量相比于空塔減少20%～25%，同時功率消耗減少15%～20%，從而節約了生產成本。

2)低壓降

加入文氏棒層后會使脫硫塔的壓降有所升高，但相對于其他板式塔、填料塔等壓降增加的幅度較小。試驗表明，加入文氏棒層后，全塔壓降僅增加了100～200Pa(見圖4)，對脫硫塔的操作幾乎沒有影響。

03、運行穩定可靠

1)自清潔作用

構成文氏棒層的管或棒截面一般為圓形，表面光滑，不易黏接固形物，間隙處過流氣速大，兩棒間漸縮漸擴的文丘里過流效應形成強烈的氣液兩相湍動，煙氣高速通過相鄰文氏棒間隙，不斷沖刷文氏棒，使文氏棒的邊界層減薄，有較好的“自清潔”作用，可以避免結垢現象(見圖5)。

2)負荷適應性

文氏棒塔對系統的適應性較強。在文氏棒塔中，文氏棒層是一個獨立完整的部件，對煙氣負荷變化的適應性較強。即使煙氣流量較低的情況下，文氏棒塔也能保證較大的煙氣流速，形成強烈湍流，強化氣液傳質，提高脫硫劑的利用率。當預計煙氣中SO2含量會長期增加時，可以適當降低文氏棒層的空隙率，增大過縫煙氣流速，增加棒層上方泡沫層的高度，從而保證較高的脫硫效率;當SO2濃度降低時，可以去除部分文氏棒，增加文氏棒層開孔面積，這樣可以降低風機壓頭，減少能耗。

3、工業示范應用

某煉油廠35t/h燃煤鍋爐排放的煙氣中SO2濃度為1280mg/m3、NOx濃度為365mg/m3、粉塵濃度為126mg/m3。根據當地環保要求，需要對煙氣脫硫處理。2013年設計建造了雙層文氏棒脫硫塔VRT3100，脫硫塔直徑3.1m，高度17.5m，進口煙氣流量9萬m3/h。用15%氨水作吸收劑脫除煙氣中的SO2，同時降低煙氣中的氮氧化物與粉塵的排放。

脫硫塔底部收集副產物溶液，經過沉淀、氧化、過濾處理后，通過泵送回脫硫塔繼續循環使用，直至飽和后，富含硫銨的廢水進入到廠區污水處理系統，在不影響原污水處理系統運行的同時，能夠為污水處理細菌提供部分營養成分，實現了硫銨資源的高效利用。此外，氨法煙氣脫硫在實際運行過程中容易產生富含硫酸銨的氣溶膠顆粒，在一定程度上增加了排放煙氣中的顆粒物濃度，需要考慮提高塔內的除霧效果。

脫硫塔運行測試數據見表1，經洗滌后煙氣SO2排放濃度小于90mg/m3，脫硫效率93.0%～98.5%，同時NOx的排放濃度小于160mg/m3，脫除效率在55%以上。脫硫裝置操作壓降小于1200Pa，脫硫塔操作運行液氣比在2L/m3左右，通過整個脫硫裝置物料衡算表明，脫硫過程平均每小時消耗商品氨液量在0.3t以下，氨利用率達到97%以上。裝置的處理能力、脫硫效率均達到預期目標。

2014年底，該廠120萬噸/年催化裂化裝置再生煙氣脫硫系統的文氏棒塔煙氣洗滌吸收設備建成，煙氣脫硫塔直徑5m，高度25m，含塔頂煙囪總高約60m。進口煙氣流量為16萬m3/h，SO2含量為620mg/m3。采用NaOH作為脫硫劑，NaOH溶液作為強堿，活性高、反應快且充分，吸收劑利用率高，逆流噴淋同時具有除塵作用。脫硫塔于2015年10月一次投運成功，運行平穩，測試數據見表2。煙囪出口煙氣監測數據顯示，SO2排放濃度小于35mg/m3，脫硫效率94.5%～98.0%，顆粒物濃度30～50mg/m3，煙氣出口溫度50～55℃，達到了設計目標，SO2排放達到了超凈排放的環保要求。

4、結論

1)煙氣通過文氏棒層時，產生強烈的文丘里效應，下落的液滴在文氏棒層被高速向上的氣流擊碎，產生新的傳質表面。在文氏棒層上方產生強烈湍動的泡沫層，使常規的“氣包液”變為“液包氣”的傳質過程，增加了氣液反應吸收表面，減輕了吸收去的脫硫負荷，提高了脫硫效率。

2)空塔內加入文氏棒層后，吸收區煙氣分布得到改善，降低了脫硫所需液氣比，并且文氏棒層有較好的“自清潔”作用，可有效減少結垢現象，對系統也有較強的適應性。

3)煉油廠35t/h燃煤鍋爐煙氣脫硫工程以及120萬噸/年催化裂化裝置再生煙氣脫硫系統應用表明，文氏棒塔脫硫裝置運行穩定、脫硫效率高、能夠滿足煉油廠最新的煙氣污染物排放標準，同時系統具有較低的操作液氣比與系統壓降，性能優于同類的煙氣脫硫塔。