（化学工程专业论文）振动三相流化床烟气脱硫实验研究.pdf

四川大学硕t 学位论文 振动三相流化床烟气脱硫实验研究 化学工程专业 研究生：李黔东指导教师：叶世超教授 湿法烟气脱硫( w f g d ) 是当前应用最广泛的脱硫技术，反应器则是湿法烟气 脱硫技术的关键。气液逆流的三相流化床( 湍球塔，t b c ) 是一种有效的湿法烟气 脱硫装黄。目前应用的湍球塔操作基本上都属于i 类湍球塔流态化操作。应用中 发现在液气比较小的条件下，湍球塔操作上会出现气体沟流、填料不规则迁移 等情况。而振动流化床具有改善流化质量。增强床层内湍动程度的作用。本文 结合振动流化床和三相流化床的特点，首次提出了振动三相流化床的概念并围 绕它展开了振动三相流化床应用性实验研究。 自行建立了一套振动三相流化床实验装置并利用自建装置开展了深入的流 体力学特性和脱硫特性实验研究。在流体力学特性实验中，研究了在n 类湍球塔 流态化操作条件下振动三相流化床床层压降、膨胀床层高度、液含率等方面的 问题，取得了在不同的气速、液体喷淋量、填料高度、振动强度等条件下，床 层压降、膨胀床层高度、液含率等的丈量实验数据；通过对这些数据的分析和 归纳，获得了三相流化床在振动和无振动两种条件下床层压降等表征流体力学 特性的变化规律；脱硫特性实验方面，首次提出了在n 类湍球塔流态化操作条件 下进行气体吸收操作并且按照钠碱法机理研究了在不同液气比( l g ) 、碱液浓 度、填料高度、温度、振动强度等主要影响因素与脱硫效率之间的关系。通过 对实验数据处理与分析，获得了应用钠碱法在振动三相流化床上进行烟气脱硫 的基本规律。 在模型研究方面，本文结合实验数据，用因次分析法获得了振动三相流化 床床层压降、膨胀床层高度和持液量这三个反映流体力学特性的参量的准数关 联式，并与实验数据进行了对比验证。本文从实验的角度出发，对振动三相流 i 一一一 婴业查竺堡：兰竺堡苎 化床的传质过程进行合理假设，用双膜理论加经验方法处理气一液两侧的传质， 建立了三相流化床烟气脱硫的脱硫模型，并用实验数据对模型进行验证，结果 证明，模型准确性较高。 通过实验验证和模型分析，证明振动三相流化床应用于烟气脱硫是可行的， 并有其独特的有利方面，具有一定的实用价值。 关键词：振动三相流化床，烟气脱硫，n 类湍球塔流态化操作，流体力学特性， 脱硫特性，准数关联式，脱硫模型 i i 硼川i 大学硕卜学位论文 e x p e r i m e n t a ls t u d i e so f f l u eg a sd e s u l f u r a t i o n w i t hv i b r a t i n g t h r e e p h a s ef l u i d i z e db e d m a j o r ：c h e m i c a le n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：l iq i a i l d o n g a d v i s o r ：p r o f y es h i c h a o w e tm e t h o df l u e g a sd e s u l f u r a t i o n ( w f g d ) t e c h n o l o g y i st h em o s t c o m p r e h e n s i v ed e s u l f u r a t i o nt e c h n o l o g yc u r r e n t l y t h er e a c t o ri st h ek e yo fw f g d t e c h n o l o g y t h r e e p h a s ef l u i d i z e db e dw i t hg a s s e s l i q u i dc o u n t e r c u r r e n to p e r a t i o n ( t u r b u l e n tb e dc o n t a c t o r , t b c ) i sas o r to fp o w e r f u lw f g dd e v i c e t h et b c o p e r a t i o na p p l i e df o r t h em o m e n tb a s i c a l l yb e l o n g st ot y p eit u r b u l e n tb e d c o n t a c t o rf l u i d i z e do p e r a t i o n i tw i l lr o s eb a do p e r a t i o n a le v e n ts u c ha sc h a n n e l i n g a n di r r e g u l a r i t ym o v i n go fp a d d i n go nt h ec o n d i t i o n so fs m a l ll i q u i d g a s s e sr a t e v i b r a t i n gf l u i d i z e db e dh a st h ef u n c t i o no fi m p r o v i n gf l u i d i z a t i o nq u a l i t ya n d e n h a n c i n gt h et u r b u l e n td e g r e e a c c o r d i n g l y ，t h em a i no b j e c to ft h i sp a p e ri st o b u i l du pas e to fw f d od e v i c ew h i c hc o m b i n et h ea d v a n t a g e so fv i b r a t i n g f l u i d i z e db e d ( v f b ) a n dt u r b u l e n tb e de o n t a c t o r ( t b c ) ，a n dt oc a r r yo nt h e f o u n d a t i o nr e s e a r c h o f f l u i d m e c h a n i c s a n d m a s s t r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c f i r s to f m l ，as e to f v i b r a t i n gt h r e e p h a s ef l u i d i z e db e de x p e r i m e n t a ls y s t e mw a s d e s i g n e da n das e r i a lo fe x p e r i m e n ta b o u th y d r o m e c h a n i c sa n dd e s u l f u r a t i o n c h a r a c t e r i s t i cw a sc a r r i e do u ti nt h i sf o u n d a t i o n i nt h eh y d r o m e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i c e x p e r i m e n tim o s t l yr e s e a r c h e da b o u tt h em a t t e ro fb e dp r e s s u r ed r o p ，b e dd e n s i t y , t h el i q u i dp h a s ec o n t a i nr a t eo fv i b r a t i n gt h r e e p h a s ef l u i d i z e db e d ，a n da c q u i r e da g r e a td e a lo f e x p e r i m e n t a ld a t aa b o u tb e dp r e s s u r ed r o p ，b e dd e n s i t y ，t h el i q u i dp h a s e c o n t a i nr a t ei nd i f f e r e n tc o n d i t i o n so fg a sv e l o c i t y ，l i q u i ds p r a yd e n s i t y ，h e i g h to f l a y e r o rv i b r a t i o n i n t e n s i t y t h r o u g ht h ea n a l y s e sa n di n d u c t i o na b o u tt h e s e n t 四川大学坝 学位论文 e x p e r i m e n t a ld a t a , s o m eh y d r o m e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i c so fv i b r a t i n gt h r e e p h a s e f l u i d i z e db e dw e r ea s c e r t a i n e d i nt h ed e s u l f u r a t i o nc h a r a c t e r i s t i ce x p e r i m e n ti r e s e a r c h e dt h er e l a t i o na m o n gt h ep r i m a r ye f f e c tf a c t o r , s u c ha sl i q u i d g a sr a t i o ，l y e c o n c e n t r a t i o n , h e i g h to fl a y e r , t e m p e r a t u r e , v i b r a t i o ni n t e n s i t y ，a n dd e s u l f u r a t i o n e f f i c i e n c y t h r o u g ha n a l y z i n ga n dp r o c e s s i n gt h ee x p e r i m e n td a t a , t h ef u n d a m e n t a l s o f f i r mg a sd e s u l f u r a t i o ni nv i b r a t i n gt h r e e - p h a s ef l u i d i z e db e dw e r eb a s i c a l l ys e i z e d ； i nt h ea s p e c to fm o d e li n v e s t i g a t i o n , t h r e ec r i t e r i ac o n n e c t i o nf o r m u l a ea b o u t b e dp r e s s u r ed r o p ，e x p a n d i n gb e dh e i g h ta n dl i q u i dh o l d u pr a t ew h i c hc a nr e f l e c t h y d r o m e c h a n i c a le h a r a c t e r i s t i cw e r eo b t a i n e dw i t hd i m e n s i o n a la n a l y s i sm e t h o da n d w e n to nc o n t r a s ta n dd e m o n s t r a t i o nw i t he x p e r i m e n t a ld a t a i nt h i st e x t , t h ef l u eg a s d e s u l f u r a t i o nm o d e lb y v i b r a t i n gt h r e e - p h a s e f l u i d i z e db e dw a sb u i l t u pw i t h t w o - f i l mt h e o r ya n de m p i r i c a lm e t h o dt a c k l i n ga b o u tg a s s e s - l i q u i dm a s st r a n s f e r f r o mt h ea n g l eo f e x p e r i m e n ta n dt e s t i f i e dw i t he x p e r i m e n td a t a t h r o u g he x p e r i m e n t a ld e m o n s t r a t i o na n dm o d e la n a l y s i s ，p r o v i n gt h a t i ti s f e a s i b l et h a tv i b r a t i n gt h r e e p h a s ef l u i d i z e db e di su s e di nf l u eg a sd e s u l f u r a t i o na n d h a si tu n i q u ep o s i t i v ea s p e c t t h ev i b r a t i n gt h r e e p h a s ef l u i d i z e db e dh a sc e r t a i n a p p l i e dv a l u e k e y w o r d s ：v i b r a t i n gt h r e e - p h a s ef l u i d i z e db e d ，f l u eg a sd e s u l f u r a t i o n ， t y p en t b co p e r a t i o n ，h y d r o m e c h a n i c s , d e s u l f u r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c c r i t e r i ac o n n e c t i o nf o r m u l a e ，f l u eg a sd e s u l f u r a t i o nm o d e l i v 眄川夫学碗t - 学位论文 1 文献综述 环境问题是人类目前最关注的问题之一，日益受到世界各国政府和科学研 究人员的重视。我国的大气污染源主要是燃煤产生的烟气污染，有效地控制烟 气中s o , 、n o x 等对环境危害较大的成分的排放已成为广泛关注的问题。目前 对烟气中二氧化硫进行治理的方式主要是湿法烟气脱硫，而匿外成熟技术的投 资和运行费用都较高，难以为国内用户所接受。所以，开发出一种适合国内市 场的高效低成本烟气脱硫技术势在必行。 1 1 二氧化硫危害及控制技术 1 1 1 二氧化硫的危害及目前形势 空气足最宝贵的资源之一，然而，人类自从用火以来，就已经开始在一种被 污染了的空气中生活了。尤其进入2 0 世纪以来，随着现代工业和交通运输的迅 猛发展，工业和人口高度集中，烟囱排出的大量废气，汽车排出的大量尾气， 使城市空气质量恶化。一系列的环境事件，迫使人类使用多种手段柬控制空气 污染的发展。 为了有效地控制大气污染，人们对大气污染进行了广泛的研究。大气污染 物种类繁多，迄今为止对它还没有很完全、确切的统计。已经产生危害或者己 为人们所注意的已达数百种以上，其中排放量大、影响范围广并且对人类环境 威胁较大的有烟雾、粉尘、硫氧化物、氮氧化物、一氧化碳和碳氢化合物以及 其他生产过程排出的硫化氢、含氟废气等。 硫氧化物，主要是s 0 2 ，它是目前大气污染物中数量最大，影响面最广的 一种气态污染物。大气中s 0 2 的来源很广，几乎所有的工业企业都可能产生， 主要是燃烧含硫的化石燃料( 煤、石油) 时产生的。1 吨煤中含有5 巧0 埏硫，1 吨石油中含5 3 0 k g 硫，这些燃料经燃烧都能排出大量的s 0 2 ，占所有排放s 0 2 总量的9 6 。火电厂是s 0 2 的主要污染源，每燃烧1 吨l 含硫量的煤，约排放 s 0 2 1 8 k 。据统计1 9 9 7 年中国工业部门s 0 2 排放量为1 8 5 2 万吨，其中火电厂( 原 电力部6 m w 及以上机组) 排出的s 0 2 约占全国工业部门s 0 2 排放量的3 8 。除 此之外，有色金属冶炼、硫酸制造、炼油等过程，也排放大量的s 0 2 1 2 1 。 四川大学顾t 。学位论文 排到大气中的s o - , ，在太阳的紫外线照射和某些粉尘颗粒的催化作用下， 经过一系列的光化学反应，变成s 0 3 ，当它们和空气中的水蒸气相通，就变成 了硫酸，随雨水降落形成了酸雨。“酸雨”( a c i dr a i n ) 对水生生态系统、农业生 态系统、森林生态系统、建筑物和材料以及人类健康等方面都有很大危害p j 在“1 9 9 0 1 9 9 5 年联合国系统中期环境方案”中，酸雨被列为“最重大攸关问 题”之一。 我国是s 0 2 排放大国，s 0 2 污染及酸雨十分严重。酸雨已从8 0 年代的西南 少数地区发展到长江以内、青藏高原以东大部分地区，7 0 的南方城市出现酸 雨，年均降水p h 低于5 6 的地区面积占国土面积的3 0 左右，使我国成为世界 三大酸雨区之一。我国s 0 2 排放量与煤消耗量有密切关系、1 9 8 3 1 9 9 1 年两者 的相关系数达到o 9 6 。随着燃煤鼍的增加，燃煤排放的s 0 2 也不断增长，1 9 9 5 年我国s 0 2 排放达到2 3 7 0 万吨，已超过欧洲和荚国，近几年排放量虽有下降， 但仍居世界第一位【3 1 。 有研究表明，按照我国目前的能源政策，到2 0 1 0 年和2 0 2 0 年，一次性能 源供应结构中煤仍将分别占6 8 3 和6 3 i 。若不采取有效的削减措施，2 0 1 0 年和2 0 2 0 年我陶s 0 2 排放量将分别达到2 7 6 7 万吨和3 1 7 8 万吨1 4 1 。我国的耗煤 大户主要是火电厂，其次是工业锅炉和取暖炉。到2 0 0 0 年，我圈火电厂装机容 量已达2 2 2 亿k w 其s 0 2 排放晕将占6 7 t 3 1 。因此，削减和控制燃煤特别是 火电厂燃煤s 0 2 污染，是我圉能源和环境保护部门面临的严峻挑战。 为此我国政府在近2 0 年来颁却并实施了一系列与燃煤电厂s 0 2 排放有关的 法规和标准。特别是1 9 9 5 年颁布了新的中华人民共和固大气污染防治法， 提出“预防为主，防治结合，综合治理”的方针。根据大气污染防治法第 七条的规定，1 9 9 6 年国家环保局颁布了大气污染物综合排放标准( g b l 6 2 9 7 1 9 9 6 ) 和火电厂污染排放标准( g b l 3 2 2 3 - - 1 9 9 6 ) 并于1 9 9 7 年1 月1 日付 诸实施。标准规定了3 3 种大气污染物的排放限值，其指标体系为最高排放浓度， 最高允许排放速率和无组织排放监控浓度限位1 6 1 。1 9 9 6 年国务院颁布( 1 9 9 6 ) 2 4 号文件，确定了s 0 2 排放收费扩大试点的工作要求做好s 0 2 排污费的征收、 管理和使用工作。1 9 9 8 年国务院颁发了国区1 ( 1 9 9 8 ) 5 号文件，确定了酸雨控制区 和s 0 2 控制区的具体范围。提出了两控区控制目标1 4 1 ： ( 1 ) 到2 0 0 0 年，排放s o ：的工业污染源要达标排放，并实行s 0 2 排放总量 叫川天学硕 学位论文 控制：到2 0 1 0 年，s 0 2 排放总量控制在2 0 0 0 年排放水平内。 ( 2 ) 新建、改造燃煤含硫量大于l 的电厂必须建设脱硫装置。 ( 3 ) 现有燃煤含硫量大于1 的电厂，要在2 0 0 0 年前采取减排s 0 2 措施， 在2 0 1 0 年前分期分批建设脱硫措施或采取其他具有相应效果的减排s 0 2 措施。 现有污染源和新污染源的排放限值依照国家综合标准执行。见衷l ，l 和表 1 2 【5 1 。 表i l 现有污染源大气污染物排放限值( o b l 6 2 9 7 1 9 9 6 ) 污染物最高允许排最高允许排放速度k g b无组织排放监控度限值 放浓度排气筒一级二级三级监控点浓度 m g 一高度mm g m 1 51 6 3 0 4 1 1 2 0 0 ( 硫、$ o z 、 2 02 65 17 7 h z s o 和其它 含硫化合物 3 08 81 72 6 生产) 4 01 53 04 5 5 0 2 34 5 6 9 无组织排放源 o 4 0 s 晚 上风向设参照 ( 监控点与 6 03 36 49 8 点，下风向没参照点浓 7 0 0 ( 硫、s 0 2 、监控点 度差) 7 0 4 79 1 1 4 0 h ：s o 和其它 含硫化合物 8 06 21 2 0 1 9 0 使用) 9 08 6i f i o2 4 0 1 0 01 0 02 0 03 1 0 四川t 大学硕卜学位论文 表l 五新污染源大气污染物排放限值( g b l 6 2 9 7 1 9 9 6 ) t a b 1 2n e we m i s s i o nl i m i t a t i o no f a j rp o l l u t a n t s ( g b l 6 2 9 7 - 1 9 9 6 ) 污染物最高允许排最高允许排放速度k g h 无组织排放监控度限值 放浓度排气筒一级二级监控点浓度 m g m ：s高度mm g m 3 1 02 6 3 5 9 6 0 ( 硫、s ( h 、 2 04 36 6 h ：s o 和其它 含硫化合物 3 01 52 2 生产1 4 02 53 8 s 0 2 5 0 3 95 8 周界外浓度最离点 0 4 0 6 05 58 3 5 5 0 ( 硫s 0 z 、 7 0 7 7 1 2 0 1 2 s 吼和其它 含硫化合物 8 01 1 01 6 0 使用) 9 0 1 3 0 2 0 0 1 0 01 7 02 7 0 国家环保总局2 0 0 5 年向3 0 个违规项目发出叫停令，掀起了被温家宝总理 称为“动真格”的“环保风暴”。其中，“环保风暴”近期重拳出击的领域就 是火电厂脱硫工程。国家环保总局于1 月2 7 日公布了4 6 家尚末启动脱硫项目 的火电厂名单，并明确要求重点火电脱硫项目在2 0 0 5 年1 月底前完成项目可行 性研究审批，在2 0 0 5 年4 月底前开工建设，在2 0 0 5 年1 2 月底前完成主体工程 建设。不能按期完成上述时间进度要求的重点火电脱硫项目所在地区、电力集 团和企业，其新建、改建和扩建火电项目将暂停审批。 4 四川大学硕t 学位论文 由于目前火电厂是我国大气污染物大户，2 0 0 3 年排放二氧化硫约1 1 0 0 万 吨，占全国二氧化硫排放总星的5 0 以上。按照目前的排放控制水平，到2 0 2 0 年，我国火电厂排放的二氧化硫将达到2 1 0 0 万吨以上。如果火电厂排放的大气 污染物得不到有效控制，将直接影响到我国大气环境质量的改善和电力行业的 可持续发展，甚至影响到未来我国经济的可持续发展。正因为如此，烟气脱硫 产业正形成一个巨大市场【l l 。 随着国内发电装机规模的增长，以及国家对电力环保、特别足减少二氧化 硫对大气污染重视程度的提高，未柬几年火电厂烟气脱硫产业将迎来高速成长 期。国家已明确规定，通过发改委审批的新建火电厂，燃煤含硫量在o 7 以上 的必须安装烟气脱硫设施。而目前投入运行的烟气脱硫项目仅占全国火电装机 总量的2 1 ，老电厂增设脱硫装置也势在必行。预计到2 0 1 0 年底，国内建设 脱硫设施总投资将达到3 3 0 亿元，市场潜力巨大。 1 1 2s 0 ：控制技术概述 从上世纪6 0 年代起，一些工业化国家相继制定了严格的法规和标准，限制 煤炭燃烧过程中s 0 2 等污染物的排放，这一措箍极大地促进了二氧化硫控制技术 的发展。进入7 0 年代以后，二氧化硫控制技术逐渐由实验室阶段转向应用性阶 段。掘荚困环保署( e p a ) 1 9 8 4 年统计，世界各国开发、研制、使用的s 0 2 控制技 术已达1 8 4 种，而且 ；i 的数量已超过2 0 0 w 4 1 。目前应用的s 0 2 控制技术概括起来 可分为三大类：燃烧前脱硫、燃烧中脱硫及燃烧后脱硫( 烟气脱硫) 。 燃烧前脱硫包括沈煤、煤气化、液化及利用生物技术或电磁、机械等物理技 术对煤进行燃烧前处理，进行脱硫。而燃烧静的物理方法脱硫只能脱去煤中无 机硫部分，不能从根本上解决s 0 2 对大气的污染问题，生物方法脱硫目前由于 占地太大，无法实现大批量机械化连续生产。 燃烧中脱硫技术主要是指当煤在炉内燃烧的同时，向炉内喷入脱硫剂( 常用 的有石灰石、白云石等) ，脱硫剂一般利用炉内较高温度进行自身锻烧，锻烧产 物与煤燃烧过程中产生的s 0 2 、s 0 3 反应，生成硫酸盐和亚硫酸盐，以灰分的形 式排出炉外，减少s 0 2 、s 0 3 向大气的排放，达到脱硫的目的。燃烧中脱硫技术 主要包括炉内喷钙、循环流化床锅炉燃烧技术等。燃烧中脱硫技术具有良好的 前景，国内外近年来发展很快。上世纪8 0 年代，美国在炉内喷钙工艺的基础上 阴川大学硕士学位论文 丌发了脱硫效率大为提高的l i m b - r 艺，芬兰的t a m p e l l 公司开发了l l f a c 工艺， 这些技术都在燃烧中脱硫的摹础上增加了后续工艺，现在都已得到了成功的应 用。 燃烧后脱硫技术( 烟气脱硫技术) 主要是利用吸收刺或吸附剂除去烟气中的 s 0 2 ，并使其转化为稳定的硫化合物或硫。最早的烟气脱硫技术在本世纪初就已 经出现。近几十年来，国外对烟气的脱硫、脱硝进行了大量的研究。在工业发 达国家，工业脱硫装置的应用发展很快，我国近十多年来也开展了烟气脱硫技 术的研究。 1 2 烟气脱硫技术简介 烟气脱硫( 简称f g d ) 足s 0 2 减排技术中研究得较多，进展也较快的技术。 这项技术，不到半个世纪，发达国家几乎普遍采用，全球性的s 0 2 污染状况迅 速得到遏制。 烟气脱硫技术本身并不复杂，但因其气量大，浓度低，净化处理的经济性 较芝。构成了脱硫技术发展的主要障碍。不过，从实际出发，烟气脱硫作为控 制s 0 2 的末端技术，在今后的相当长时期内，仍然足最有效的，在s 0 2 减排技 术中，它虽然不足惟一的，却是一项不可或缺的龟要技术。 1 2 1 烟气脱硫技术的分类与特点 在长期的研究、开发和应用过程中，烟气脱硫( f g d ) _ t - 艺流程多达1 8 0 种。 然而取得工业应用价值的不过十余种。分类方法很多，一般按照操作特点分为 干法、湿法和半千法；按照生成物的处置方式分为回收法和抛弃法；按照脱硫 剂是否循环使用分为再生法和非再生法。根据净化原理也分为两大类：( 1 ) 吸收 吸附法：用液体或固体物料优先吸收或吸附废气中的s 0 2 ；( 2 ) 氧化还原法：将 废气中的s 0 2 氧化为s 0 3 ，再转化为硫酸或还原为硫，再将硫冷凝分离。前者 应用较多，后者还存在一定的技术问题，应用较少【i 】。 湿法烟气脱硫( w f g d ) 技术的特点足整个脱硫系统位于燃煤锅炉烟道的末 端、除尘系统之后、脱硫过程在溶液中进行。脱硫刺和脱硫生成物均为湿态， 其脱硫过程的反应温度低于露点，所以脱硫以后的烟气一般需经再加热才能从 烟囱排出。湿法烟气脱硫过程是气液反应，其脱硫反应速度快，脱硫效率高， 6 四川大学顾卜学位论文 钙利用率高，在钙硫比等于1 时，可达到9 0 以上的脱硫效率，适合于大型燃 煤电站锅炉的烟气脱硫。 湿法脱硫技术成熟，效率高，c a s 比低，运行可靠，操作简单，但脱硫产 物的处理比较麻烦烟温降低不利于扩散，传统湿法的工艺较复杂，占地面积 和投资较大。已商业化或完成中试的湿法烟气脱硫工艺包括石灰石( 石灰) 一石膏 法、简易石灰石( 石灰) 一石膏法、间接石灰石( 石灰) 一石膏法、海水脱硫、磷铵 复合肥法、钠碱法、氨吸收法、氧化镁法等。经统计1 9 9 2 年末全世界1 7 个国 家燃煤电厂安装的各种f g d 装置6 4 6 套，总装机容量1 6 7 g w 。湿法脱硫工艺占 已安装f g d 机组总容量的8 1 8 ，其中石灰石法占3 6 7 ，其他湿法脱硫技术 约占4 8 3 。这些装置中用于燃煤含硫量小于l 的装置占2 3 ，用于燃煤含 硫量l 2 的占2 8 ，用于燃煤含硫量大于2 的占4 8 。以湿法烟气脱硫为 主的国家有日本( 9 8 ) 、美国( 9 2 ) 、德国( 9 0 ) 等【2 i 。 半干法烟气脱硫技术r 苻场占有率仅次于湿法，列第二位。该方法采用湿态 吸收剂，在吸收装置中吸收剂被烟气的热量所_ f 燥，并在于燥过程中与s 0 2 反 应生成1 = 粉状脱硫产物。半千法工艺较简单，千态产物易于处理无废水产生， 投资一般低于传统湿法，但脱硫效率和脱硫剂的利用率低。一般适用于低、中 硫煤烟气脱硫。半下- 法工艺主要有旋转喷雾t 燥法( s d a 法) 、炉内喷钙增湿活 化法( l i f a c 法) 、烟气循环流化床法( c f b 法) 、增湿灰循环脱硫技术( n i d ) 、美 国的a d v a c a t e 烟道喷射脱硫工艺，丹麦的f l s g s a 气体悬浮脱硫工艺等， 在欧荚均有工业装置运行( 2 1 。 干法烟气脱硫技术的特点是：反应在无液相介入的完全干燥的状态下进行， 反应产物为下粉状，不存在腐蚀，结露等问题。相对其他f g d 系统，干法烟气 脱硫技术流程简单，用较低的投资可以达到中等脱硫效果( 5 0 - - 7 0 ) 。它可以 分为：炉内喷钙，管道喷射、混合喷射等。对于有些机组需要进一步提高吸收 剂喷射工艺的脱硫率，可根据具体现场的评估，选择提高脱硫宰的方法。如吸 收剂的选择、增湿活化、反应产物的再循环，或足这些方法的组合目前，于 法烟气脱硫研究较活跃的是电法干式脱硫，它主要包括高能电子活化氧化法( 电 子束照射法、脉冲电晕等离子体法、荷电干粉喷射脱硫、超高压脉冲活化分解 法等。 7 四川大学硕卜学位论丈 1 2 2 国内外烟气脱硫技术的发展与应用 在国外，f g d 始于2 0 世纪3 0 年代的湿法试验，随着工业经济的迅速发展， 煤烟型污染肆虐人类。在著名的八大公害事件中s o 。占据一半。到2 0 世纪6 0 年 代中后期，s 0 2 对大气的污染已上升到重要地位，发达国家开始把消烟除尘和 烟气脱硫并列为主要控制目标。烟气脱硫的技术路线经历于法、湿法的交互变 动，完成了大量基础性试验工作。 自6 0 年代中期以后，工业发达国家相继颁布防治大气污染的法规和标准， 大大推动了烟气脱硫技术的发展。各种工艺流程犹如雨后春笋，不断涌现据 统计，3 0 年间，脱硫工艺流程已达1 8 0 余种。当然大多属于基本工艺的改良或 变种。早期投人研究开发工作的约有1 6 个国家，1 0 0 多个机构，其中以日、美 为先，德国稍后。日本主要致力于石灰或石灰石一石膏法、双碱法、千代酗稀 酸一石膏法、亚硫酸钠法、神户c a l 法等，几乎全都足回收法工艺。美国开展 的工作比较全面，以石灰或石灰石湿式沈涤法、喷雾丁燥法、w l 法和双碱法 为主，兼顾氧化镁法、柠檬酸钠法、碳酸盐法以及一些1 ：式脱硫工艺。德国借 鉴同、荚，重点在传统湿式工艺的升级换代，m 时对活住炭法、氧化镁法以及 循环流化床烟气脱硫技术开展大量的试验研究川1 2 l o 3 0 多年来，各国最为关注的和投入最多的足石灰或石灰石沈涤工艺，对这 种传统湿法工艺进行了改进和完善。湿法流程经过一代又一代的优化设计，主 要是为改善吸收条件而推出各种类型的脱硫设备，为改蔷浆液特性而投加各种 添加剂，为改善氧化、结晶条件而控制浆液的p h 值等等。实践证明，在避免结 垢堵塞，防止腐蚀磨损，提高脱硫系统的性价比方面取得了突破性进展。特别 是最近1 0 余年，通过对f g d 化学过程的深化认识，工程设计和操作控制技术 不断进步，投资费用大大降低，系统可用率大幅度提高。 国外大规模建造f g d 装置是2 0 世纪7 0 年代的事，此后，脱硫装置的数量 和容量逐年呈稳步增长趋势。日本和德国分别在7 0 年代中期和8 0 年代后期出 现急剧增长，然后趋于平缓，而美国的烟气脱硫装置似乎一直是与年俱增，直 到世纪之交才开始呈现平缓态势。这表明s 0 2 的排放在这几个国家已得到了有 效的控制。应该说，8 0 年代，人们对待环境问题有了更加清醒、成熟的认识， 明确综合防治战略，倡导清洁生产，走可持续发展之路。 1 9 9 5 年，世界各国f g d 装置总容量已达到2 5 0 0 0 0 m w ，其中传统的石灰 8 四川大学硕+ _ 学位论文 一石灰石湿法装置占8 2 ，喷雾r 燥法占1 1 ，其余为氧化镁法、氨法，以及 c f b 和l i f a c 等工艺。目前，建造f g d 装置最多的国家是美国，约1 5 0 0 0 0 m w ； 其次是德国和日本，均在3 0 0 0 0 m w 以上。发展中国家由于经济实力和资源条 件所限，环境立法尚不很苛刻，乐于采用费用相对较低的1 二法和半干法工艺 进入9 0 年代，f g d 技术在燃煤电厂应用更加广泛，除了发达国家关、欧、日外， 还有俄罗斯、波兰、捷克、保加利亚、波多黎各、韩国以及越南、印度、印尼 和我国大陆与港台地区等也都相继大规模建造f g d 装置。 我国的f g d 工作始于2 0 世纪5 0 年代。最初的主要出发点是回收利用硫酸 尾气和有色冶炼废气中的s 0 2 ，对燃煤锅炉的烟气的处理起步较晚。从7 0 年代 开始，特别是国家正式建立环保部门以后，不少单位在大力开展消烟除尘的同 时，进行s 0 2 治理的前期工作，取得了一定的成果。尤其通过“七五”和“八 五”攻关，建成一批中试和半工业试验装置。在电厂f g d 技术开发的某些方面， 有突破性的进展，为9 0 年代引进国外典型的f g d 技术和装备，建成一批有代 表性的示范工程奠定了基础。示范工程的建设和运行，大大加速了我国烟气脱 硫的进程，为新世纪全面实施烟气脱硫创造了条件。掘不完全统计，我国近2 0 年陆续引进、建设各种类型f g d 工程3 0 项。在引进囤外技术的同时，国家投 入了大量的人力、物力和财力，对s 0 2 的污染控制技术组织了攻关研究，取得 了一系列成果，但大部分技术尚停留在小试或中试阶段，有的技术虽已有工业 性试验装置，但由于各方面的原因未能大规模推广应用1 9 】目前，我国工业锅 炉脱硫技术大约有4 0 多种，其中有十几种运行较为稳定，其主璺特点是：除尘 脱硫一体化，占地面积小。缺点足脱硫效率低，有二次污染物产生。针对中小 锅炉要求观流程短，操作简单的特点，我国在探索低硫燃烧、型煤固硫等技术 的同时，开发了一批简易除尘脱硫组合技术【7 1 。 发展f g d ，各国出国情差异采取的技术路线不尽相同。从总体上讲，世界 范围内始终是石灰一石灰石湿式工艺占绝对优势，它是公认的f g d 传统技术和 主流工艺。 1 3 三相流化床( 湍球塔) 及其在烟气脱硫中的应用 1 3 1 三相流化床( 湍球塔) 简介 流态化( f l u i d i z a t i o n ) 这- - ：g 词是泛指固体颗粒在流体( 气体或液体) 作用下的 9 四川大学硕卜学位论文 流动现象。目前工业上流态化技术的应用颇为广泛，不论是物理的或化学的过 程，不论足催化或谁催化的过程，也不论足常压或非常压的过程部有应用隅j 。 三相流化床是指在流化床中同时存在着气体、液体和固体颗粒。气一液一 固三相系统涉及到多种操作方式，这些方式可因连续相的不同，相对流动方向 的不同及连续或日j 歇操作的不同而改变。例如，当气体是连续相时，液体和固 体可以是连续的也可是 连续的；气体和液体可以是并流向上、并流向下、逆 流或错流运动；固相可以向上或向下运动，它可与气体和液体的运动有关，也 可以无关：气体可以是连续相，也可分散为气泡；液相可以足连续相，分散成 膜状或滴状；而作为非连续相的固体颗粒，可以处于堆积状态或恳浮状态。l - s 范在其专著中校固体足否跟随液体从装置中流进流出，气液是并流向上、逆流、 并流向下还足液体并不进出以及连续相为液体或气体的区别，将三相流态化分 类成为1 5 种不刚类璎1 9 1 。 以气体为连续相，气液逆流或锚琉为操作模式的三相流化床接触器有多种 名称。k i e l b a c k ( 1 9 5 9 ) 首次以工业应用为日的确认了这一模式，并将接触器命名 为“浮动床洗涤器”，两方文献中将这一模式称为“湍球塔”( 湍动床接触器， t b c ) 、“流动床接触器”、“流化填充接触器”以及“三相流化床” 9 1 。在苏联文 献中采用“流化填籼吸收塔”的名称1 1 0 l 。工业上广泛采用气体连续逆流三相流 态化体系来吸收气体，英囡对这类操作体系广泛使用“湍动接触吸收器”( t c a ) 的名称。其结构如图1 1 所示。 湍球塔的填料为空心或实心小球( 也有做成其他形状的，如环状，但阻力大) ， 小球的材质通常为塑料、多孔橡胶或不锈钢，其直径小于塔径的1 1 0 ( d d 1 0 ) 。 相对密度为o 1 5 1 2 之| 日j 。这些小球由塔内_ 丌：孔率较大的筛板支承和限位，支 承板的开孔率为o 3 5 - - - 0 7 ，限位板的开孔率为o 8 o 9 1 1 3 i 。当气流通过筛板时， 小球在塔内湍动旋转，相互碰撞，吸收液自上向下喷淋，润湿小球表面，进行 吸收。由于气、液、固三相接触，小球表面的液膜不断更新，增强了气液之间 的接触和传质，提高了吸收效率。 湍球塔被推荐用于处理含颗粒物的气体或液体以及可能发生结晶的过程 在这种塔中，由于小球剧烈湍动，不易被固体颗粒堵塞。因此，可用于同时除 尘、脱硫的试验。 删川夫学硕仁学位论丈 液体 f l 气体 = = = = 一 图l ，i 湍球塔结构示意图 f i g 1 - 1s t r u c t u r a lr e p r e s e n t a t i o no f t b c 湍球塔的优点足气流速度商，处理能力大，设备体积小，吸收效率高。同 样气速下，其压降比填料塔小。其缺点足随小球的运动，有一定程度的返混， 塑料小球不能承受高温，易磨损，需经常更换。 湍球塔的不足之处还在于当塔径较大或静止床层较高时，会出现填料球的 流态化不均匀现象，有时甚至把球吹到栅板的一隅造成气流短路，从而恶化了 传质。湍球塔的另一个缺点是雾沫夹带严重，主要原因是它所使用的气速大，( 有 时高达1 0 m s ) 。 1 3 2 湍球塔的研究状况 湍球塔的吸收效率，在很大程度上取决于塔内进行的流体力学过程。在湍球 塔内，液体和气体进行逆流运动，通过流化的固体填料，同时形成活动的三相 床层。在塔内接触区中无规则地运动着的填料，连续地改变气体和液体的局部 速度，这就使得分析观察过程和揭示运动的真实情况及阻力规律变得复杂起来。 恒定喷淋( 液体进料) 速率的湍球塔中，可观察到三种流体力学状态：固定床、 流化床与“真正”液泛床。k i t o ( 1 9 7 6 ) 等发现由固定床到流化床的转变易逐渐完 成的；o n e i l l ( 1 9 7 2 ) 等观察到在不同的颗粒密度条件下，湍球塔中出现两种不同 的起始流态化行为：低密度的颗粒床层在气速低于等效逆流固定床中的液泛速 度时出现流态化现象：而相对高密度的颗粒床层中，流态化现象总是在液泛点 四川大学碗十学位论文 出现；这两种流态化行为分别波称为l 类湍球塔流念化操作和n 类湍球塔流态化 操作。u c h i d a ( 1 9 7 7 ) 等指出，i 类湍球塔中真正液泛起始点可由逆流固定床液泛 图中求得；g e l p e r i n ( 1 9 6 8 ) 等认为湍球塔中的液泛条件还取决于限制流动的下层 支撑挡网的开孔面积和几何形状；湍球塔床径与填料直径比值较小的装置中， 壁效应比较显著。t i c h y ( 1 9 7 2 ) 1 1 0 l 等在床径与填料直径比值小于1 1 时，观察到沿 器壁形成楣对静止的单层球形颗粒。楚华【1 4 l 、刘英杰【1 5 1 等分别利用商业软件和 数值计算方法模拟了湍球塔内的气体流动，获得了满意的结果。 关于湍球塔最小流化速度的定义，争议颇多，观点不一，c h e n 与d o u g l a s 等 ( 1 9 6 8 ) 1 1 6 1 将最小流化速度定义为床层歼始膨胀时的气体速度；k i t o ( 1 9 7 6 ) 1 1 7 】等根 据气速增加时压降在固定床区域急剧上升后转为平坦，随后不论气速如何变化， 压降仍近似保持为定值的现象来定义最小流化速度：龟头( 1 9 7 7 ) ”捌等认为湍球 塔最小流化速度应以由固定床到流化床阶段的压降最大值所对应气速为最小流 化气速。 在湍球塔的正确设计与计算中，必须考虑流体混合效应。每相的轴向扩散 系数足以能友征相混合。c h e n 与d o u g l a s ( 1 9 6 8 ) 【1 9 j 首先报道了湍球塔中液相的轴 向混合，他们将惰性液体流阶跃地切换为示踪液体流，用以测量液体的轴向扩 散系数。b r u c e 、s a i 和k r i s h n a i a h 1 用瞬变示踪法测定停留时间分白曲线来研究 流体混合效应【2 0 1 1 2 1 1 1 , 2 2 i 。李绍箕、罗运柏、宋道铨、王租武等利用氯化钠溶液作 示踪剂，研究了不同直径、密度、形态的填料对液相停留时日j 分布的影响 2 3 1 1 , 2 4 1 1