（化工过程机械专业论文）锅炉烟气湿法脱硫理论与工业技术研究.pdf

中文摘要+ 随着经济的快速发展，二氧化硫的排放总量呈现快速增长趋势，消减和控制 工业锅炉烟气二氧化硫的排放己成为我国可持续发展的严峻挑战。w x 型脱硫装 置是天津大学开发的适用于中小型锅炉的高效脱硫除尘一体化装置，本文对其核 心元件文丘里洗涤器的脱硫性能进行了试验研究与理论分析，在此基础上设计了 适用于中大型锅炉的w x u 型脱硫装置，并通过模拟试验和示范工程考察了该 装置的脱硫效果。另外本文还在w x u 型脱硫试验平台上就添加剂对石灰脱硫 的强化作用进行了试验研究。 首先，就不同参数对文丘里脱硫效率和压力损失的影响进行了试验研究，得 到了二氧化硫初始浓度为2 0 0 0m g m o 时，文丘里洗涤器优化操作条件为：氢 氧化钠溶液浓度为0 0 7 5m o l 1 ，液气比为1 01 m 一，喉口气速为4 0m s 。 其次，采用有限反应速率的二阶不可逆反应描述氢氧化钠与二氧化硫的反应 过程，在考虑轴向涡流扩散与烟气与液滴相对速度的基础上，得到了描述文丘里 内气一液传质的宏观模型。脱硫效率的预测值与实验值吻合良好，三种尺寸的文 丘里洗涤器相对误差的算术平均值均小于5 ，最大相对误差为_ 8 0 7 。 再次，根据文丘里洗涤器与旋流分离器的结构特点，设计了结构合理、经济 性好的w x u 型脱硫装置。模拟试验表明，优化操作条件下w x u 脱硫效率比单一 文丘里洗涤器增加9 6 。2 0t h - 1 锅炉的w x u 型脱硫装置的运行效果表明， 烟气出口的二氧化硫与烟尘浓度均达到了国家标准。在此基础上，还完成了w x 4 u 脱硫装置应用于2 x 1 3 0 t - h 1 锅炉烟气脱硫的工程设计与推广工作。 最后，在w x u 模拟试验平台上对脱硫剂进行筛选，研究添加剂对石灰脱硫 的强化作用，结果表明增强作用的次序为：硫酸钠 造纸黑液 甲酸 柠檬酸 己 二酸 氧化镁 硫酸镁。其中硫酸钠的增强作用最显著，成本也较低，是一个非常 有发展前景的添加剂。同时还对硫酸钠强化石灰脱硫时操作条件对脱硫效率的影 响进行了研究，并得到了优化的操作条件，即氧化钙吸收液浓度为o 8 ，液气 比为1 , 01 气n o ，喉口气速为4 0m s ，硫酸钠的适宜浓度为0 0 0 4 0 0 0 6m 0 1 1 。 关键词：w x 4 u 脱硫装置，文丘里，烟气脱硫模型，添加剂，工程应用 本课题得到了河北省省校科技基金项目的资助，项目编号：冀财外 2 0 0 3 “号 a b s t r a c t + w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m yi nc h i n at h et o t a le m i s s i o no fs u l f u r d i o x i d ei si n c r e a s i n gr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s t oc o n t r o la n dr e d u c et h ee m i s s i o no f s u l f u rd i o x i d e ，t h e r e f o r e ，h a sb e e nb e c a m eas e v e r ei s s u ef o rt h es u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n ds o c i e t yi nc h i n a w xd e s u l f i a r i z a t i o ne q u i p m e n t s d e v e l o p e di n d e p e n d e n t l yb yt i a n j i nu n i v e r s i t y i sa ne f f i c i e n t i n t e g r a t e dw e t d e s u l f u r i z a t i o na n dd u s tr e m o v a ld e v i c es u i t ss m a l l s c a l ea n dm e d i u n 1 s i z e db o i l e r i n t h i s p a p e r , e x p e r i m e n t a l a n dt h e o r e t i c a l i n v e s t i g a t i o n s a r ec o n d u c t e do nt h e d e s u l f u r i z a t i o n p e r f o r m a n c e o fv e n t u r es c r u b b e r , ak e y c o m p o n e n t o fw x d e s u l f u r i z a t i o n e q u i p m e n t s o n t h i sb a s i s ，w x ud e s u l f o r i z a t i o n s y s t e m f o r l a r g e - s c a l eb o i l e ri sd e s i g n e da n di t sp e r f o r m a n c ei sv e r i f i e db ye x p e r i m e n t a la n d i n d u s t r i a lt e s t i na d d i t i o n ，t h ee f f e c to fv a r i o u sa d d i t i v e so nt h er e m o v a le f f i c i e n c yo f w x ud e s u l f u r i z a t i o ne q u i p m e n t su s i n gl i m ea sa b s o r b e n ti si n v e s t i g a t e d f i r s t l y , t h ee f f e c t o fo p e r a t i o n a l p a r a m e t e r s o nt h er e m o v a le f f i c i e n c ya n d p r e s s u r el o s so fv e n t u r is c r u b b e ri si n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l ly a n dt h eo p t i m u m o p e r a t i o n a lp a r a m e t e r su n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tt h ec o n c e n t r a t i o no fs u l f u rd i o x i d ei s 2 0 0 0m g m 3a r eo b t a i n e da sf o l l o w s c o n c e n t r a t i o no fs o d i u mh y d r o x i d es o l u t i o ni s 0 0 7 5m o l 1 1 i q u i d - t o g a sr a t i oi s1 01 m 。3a n dg a sv e l o c i t yi nt h r o a ti s4 0m s s e c o n d l y , ao n e - d i m e n s i o n a lm a t h e m a t i c a lm o d e li sp r o p o s e dt op r e d i c tt h e r e m o v a le f f i c i e n c yw i t hs e c o n d o r d e rc h e m i c a lr e a c t i o ni nv e n t u r is c r u b b e r i no r d e r t od e s c r i b ea c c u r a t e l yt h em a s st r a n s f e rm e c h a n i s mo c c u r r i n gi nv e n t u r is c r u b b e r , t h e r e l a t i v ev e l o c i t yo fg a sa n dd r o p l e t sa n da x i a le d d yd i f f u s i v i t ya r ec o n s i d e r e d c o m p a r i s o nr e s u l t sb e t w e e ne x p e r i m e n t a l d a t aa n dt h o s eo fp r e d i c t e db yp r e s e n t m o d e ls h o wt h a tt h ep r e s e n tm o d e lh a sag o o da g r e e m e n t 、) l ，i t he x p e r i m e n t s a v e r a g e v a l u e so f r e l a t i v ee r r o ra r ea l l l e s st h a n5 a n dt h em a x i m u mr e l a t i v ee r r o ri s - 8 0 7 t h i r d l y , a c c o r d i n g t o t h e u n i q u e s t r u c t u r e so fv e n t u r is c r u b b e ra n d c y c l o n e - s e p a r a t o r , t h ew x ud e s u l f u r i z a t o ne q u i l ； m e n t sa r ed e v e l o p e d a n dt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h er e m o v a le f f i c i e n c yo fw x u ，u n d e rt h eo p t i m u m o p e r a t i o n a lp a r a m e t e r s ，i sh i g h e rt h a nt h a to fv e n t u r is c r u b b e rb y9 6 f u r t h e r m o r e ， t h ee n g i n e e r i n gt e s to f 2 0t h 。1i n d u s t r i a lb o i l e rs h o w st h a tt h ew x ud e s u l f u r a t i o n e q u i p m e n t sc o u l dm e e tt h er e q u i r e m e n to fe m i s s i o ns t a n d a r do fa i rp o l l u t a n t sf o r t h e r m a lp o w e rp l a n t si nc h i n a o nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t a la n de n g i n e e r i n gt e s t ，t h e t h ep r o j e c ts u p p o s e d b yc o o p e r a t i o nf o u n d a t i o no f h e i b e ip r o v i n c ea n du n i v e r s i t y i i p r o m o t i o na n da p p l i c a t i o no fw x 4 ud e s u l f i n i t i o ne q u i p m e m so n2 1 3 0t h 1 b o i l e ri sa c c o m p l i s h e d l a s t l y , t h es e l e c t i o no fa p p r o p r i a t ea b s o r b e n ti sc o n d u c t e di nt h ee x p e r i m e n t a l s c t u po fw x ud e s u l f u r i z a t i o ne q u i p m e n t s i na d d i t i o n ，t or e d u c eo p e r a t i o n a lc o s t ， t h ee n h a n c e m e n to fv a r i o u sa d d i t i v e so nt h er e m o v a le f f i c i e n c yo fw x 4 u d e s u l f u r i z a t i o ne q m p m e n t su s i n gl i m ea sa b s o r b e n ti si n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e s e q u e n c e o fe n h a n c e m e n ti ss o d i u ms u l f a t e b l a c k l i q u o r f o r m i ca c i d c r i t i ca c i d a d i p i ca c i d m a g n e s i u m m a g n e s i u ms u l f a t e a m o n g t h e s ea d d i t i v e s ，s o d i u ms u l f a t ei st h em o s tp r o m o t i n ga d d i t i v ef o rw x 4 u d e s u l f u r i z a t i o ne q u i p m e n t sf o ri t sh i g h e s te n h a n c e m e n to nr e m o v a le f f i c i e n c ya n dt h e l o wo p e r a t i o nc o s t i na d d i t i o n ，t h eo p t i m u mo p e r a t i o n a lp a r a m e t e r su n d e rt h e c o n d i t i o nt h a ts o d i u ms u l f a t e8 sa d d i t i r ea l eo b t a i n e da sf o l l o w s t h em a s s c o n c e n t r a t i o no fl i m ei s0 8 ，l i q u i d - t o g a sr a t i oi s1 01 m 一，g a sv e l o c i t yi nt h r o a ti s 4 0m s ia n dt h ee f f e c t i v ec o n c e n t r a t i o no fs o d i u ms u l f a t ei sf r o m0 0 0 4m o l 1 。1t o o 0 0 6 m 0 1 1 k e yw o r d s ：w x 4 u d e s u l f u r i z a t i o ne q u i p m e n t s ，v e n t u r is c r u b b e r , f l u e g a s d e s u l f u r i z a t i o nm a t h e m a t i c a lm o d e l ，a d d i t n e s ，e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：裴拐湮签字日期：a “年，月，z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权垂生态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：夜报亚 翩黼嘲瓶瞎 签字日期：“年 1 月，2 日 签字日期：j 翻6 年f 月i 弋日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 我国二氧化硫的污染现状及发展趋势 二氧化硫为一种无色但有很强的刺激性气味的气体，是目前大气中危害最严 重的污染物质之一。由于人类自身活动的原因而造成大气中的二氧化硫的含量严 重超标，将会对人类自身的健康、生态环境、工农业生产、建构筑物材料等多方 面造成危害与破坏。尤其是当大气中的二氧化硫形成酸性降雨时，对人类和环境 的危害更加广泛和严重。研究表明，我国的酸雨属于典型的硫酸型酸雨【l 】。所以， 控制二氧化硫的排放是抑制我国酸雨污染发展的关键。 二氧化硫的排放主要来源于能源消耗，而能源的发展直接制约着经济的发 展。我国处于经济快速发展阶段，但是由于能源结构的不合理，能源短缺目前仍 然是制约我国经济发展的重要因素。我国是一个能源生产与消费大国，一次能源 的消费总量仅次于美国，但人均消费量还不到全世界人均量的一半。表1 1 为我 国与部分国家人均电力指标的比较。从表1 1 可以明显看出，中国人均电力指标 在世界主要国家中排在末位，且同其他国家的差距还相当大。这说明了我国今后 仍然会加大能源的消耗投入。 表1 - 1 我国与部分国家人均电力指标比较1 2 1 t a b 1 1c o m p a r i s o no f p o w e ri n d e xp e rp e r s o ni nc h i n aw i t ht h a to f m a i nc o u n t r yi nt h ew o r l d 项目 人均装机容量人均发电量人均用电量 统计年份 国八 ( k w 人)( k w h 人)( k w h 人) 中国 0 2 6 51 1 6 2 71 1 5 02 0 0 l 美国3 1 01 3 1 9 8 1 2 4 3 41 9 9 7 俄罗斯1 4 65 6 7 14 9 6 31 9 9 7 英国1 2 25 8 5 25 3 8 0 1 9 9 7 西班牙1 2 34 8 0 04 1 0 41 9 9 7 在我国一次能源和发电能源结构中，煤占据了绝对的主导地位，在已探明的 一次能源储备中，煤炭仍是主要能源。所以尽管由于能源结构的调整，煤炭比例 有所下降，但仍然很高。据有关专家预测，到2 0 5 0 年，我国煤炭在一次能源中 所占比例仍会在5 0 以上，这充分表明在以后很长的一段时间内，我国一次能 源以煤为主的格局不会发生变化嘲。 第一章绪论 由于我国煤炭消耗量的持续增加，使我国二氧化硫的排放量居高不下。尽 管随着我国政府对环保的重视，在出台的环境法规和政策的监督下，通过改进燃 烧技术、建设大型锅炉烟气脱硫装置等措施来控制二氧化硫的排放量。但近年来 随着我国经济的飞速发展，一次能源消费量的增长幅度很大，使二氧化硫的排放 量仍然呈现上升趋势。图l 一1 为近年来我国二氧化硫的年排放总量和工业排放量。 图中的数据来源于文献 4 】。 廿 髫 r 酬 耧 枯 缮 基 厮 1 1 年份 图1 1 近年来我国二氧化硫的排放总量 f i g 1 1e m i s s i o na m o u n to f s u l f u rd i o x i d ep e ry e a ri nr e c e n ty e a r s 根据图1 - 1 可知，我国近年来二氧化硫的年排放量一直都比较高，尤其是自 2 0 0 2 年以来，工业排放量与二氧化硫排放总量增加的幅度很大，这将严重加大 我国二氧化硫的污染与酸雨的危害程度。目前我国的酸雨面积已占国土面积的 3 0 ，且区域性酸雨污染严重。研究表明，酸雨污染给中国造成的损失每年超过 1 0 0 0 亿元，大气污染所造成的损失每年约占我国g d p 的2 3 。 目前“两控区”内的二氧化硫和酸雨的污染程度仍然比较严重，对全国的 5 2 7 市县的统计表明出现酸雨的城市2 9 8 个，占统计城市的5 6 5 。图1 - 2 为2 0 0 4 年与2 0 0 3 年不同降水酸度城市比例，从中可以明显看出降水年平均p h 值低、 酸雨频率高的城市比例均比2 0 0 3 年高，说明2 0 0 4 度酸雨污染程度与2 0 0 3 年相 比有所加重。由图1 3 还可知，二氧化硫控制区内，部分二氧化硫污染严重的城 市二氧化硫污染程度有所减轻，而在酸雨控制区内二氧化硫达标城市比例下降。 上述的数据表明，目前我国二氧化硫的污染和酸雨的危害还非常严重，而在 未来的十几年，我国又将全面建设小康社会，预计到2 0 2 0 年经济总量将在2 0 0 0 2 第一章绪论 年的基础上翻两番。经济增长必然带动能源需求大幅度增加，预计到2 0 2 0 年全 国总装机容量将达9 至1 0 亿千瓦。这必然会大幅度增大二氧化硫排放量，消减 和控制工业锅炉烟气中二氧化硫排放已成为我国可持续发展的严峻挑战。 图i - 2 不同降水酸度城市比例州 f i g i 2 t h e f r a c t i o n o f c i t i e s i nc h i n a a c c o r d i n g t o t h e p ho f p r e c i p i t a t i o n 图1 - 3 “两控区”二氧化硫污染情况年际对比嗍 f i g 1 3c o m p a r i s o no fs u l f u rd i o x i d ee m i s s i o nb e t w e e n2 0 0 3a n d2 0 0 4i n t w oc o n t r o l l e dz o n e s 1 2 我国烟气脱硫技术与烟气脱硫装置的应用现状 1 2 1 烟气脱硫技术 工业锅炉烟气二氧化硫的减排与控制技术主要有燃烧前脱硫、燃烧中脱硫与 燃烧后烟气脱硫三种。烟气脱硫技术是世界上唯一大规模商业化应用的脱硫方 法，也是控制二氧化硫污染和酸雨效率最高的技术手段。从技术、成本等各个方 第一章绪论 面综合考虑，今后在相当长的时间内，对锅炉烟气二氧化硫污染的治理，仍会以 烟气脱硫技术为主。 烟气脱硫技术又分为干法脱硫、半干法脱硫和湿法脱硫技术。关于烟气脱硫 技术综合评价的文献很多，在此不再赘述。在众多的锅炉烟气脱硫技术中，湿法 脱硫工艺一直占据着主导地位。在世界上已建成的脱硫装置中，湿法脱硫装置占 8 5 左右。我国自从9 0 年代以来从国外引进的脱硫技术和国内各个单位自主开 发的烟气脱硫技术也大多属于湿法脱硫技术。 1 2 2 国内烟气脱硫现状 我国二氧化硫的主要排放源是燃煤电厂锅炉和中小型燃煤工业锅炉。火电厂 在2 0 0 3 年排放的二氧化硫约1 1 0 0 万吨，占全国二氧化硫总排放量的5 0 以上 5 1 。 按照目前燃煤电厂二氧化硫的排放控制水平，到2 0 2 0 年，我国仅火电厂排放的 二氧化硫就将达2 1 0 0 万吨以上，将直接影响我国大气环境质量的改善和电力行 业的可持续发展。所以我国对燃煤电厂的锅炉烟气脱硫非常重视，制定了严格的 火电厂二氧化硫的排放标准，同时还化费巨资引进国外成熟的脱硫技术在国内建 立示范工程，通过消化吸收的方式提高我国脱硫技术的水平。 燃煤工业锅炉，是我国量大面广的热能及动力设备，煤炭消耗量大，占我国 煤炭总消耗量的3 6 o 以上。其排放的二氧化硫量占总排放量的3 6 5 以上， 是我国城市大气二氧化硫污染的主要污染源之一。具有以下的特点： ( 1 ) 我国工业锅炉以燃煤为主，燃油燃气的锅炉很少，而国外燃油燃气的工业 锅炉及商业锅炉占8 0 8 5 以上； ( 2 ) 煤炭品质低、灰分及硫分含量高。我国工业锅炉热效率较低，一般平均仅 为5 0 5 5 ，而国外工业锅炉的热效率为8 0 8 5 ： ( 3 ) 我国工业锅炉的烟囱较低，含二氧化硫烟气多为低空排放； ( 4 ) 我国工业锅炉布局相当分散，机械化及自动化程度较低，管理水平较差。 近几十年来，我国在燃煤工业锅炉的消烟除尘方面做了大量有效的工作，但 对二氧化硫污染的控制还处于较低水平，同时受经济承受能力的制约，通过引进 国外技术治理我国中小型燃煤锅炉的二氧化硫排放有很大难度，因此在吸收消化 国外脱硫技术的基础上，研发适合我国国情的烟气脱硫技术和装置意义重大。 1 2 3 国内脱硫技术的研发状况 我国对燃煤锅炉烟气脱硫的控制分为两部分，大于2 0 万k w 机组的燃煤锅炉 划分为电厂锅炉，小于2 0 万k w 的机组以及热电联产锅炉划分为中大型锅炉，并 在烟气脱硫方面采用不同的治理方案。对于电厂锅炉的烟气脱硫，国外由于起步 4 第一章绪论 早，烟气脱硫装置的系列化、成套化、机电一体化、自动控制均达到了较高水平。 近年来，我国的主要政策是引进国外的脱硫技术和装置，通过消化吸收来提高我 国电厂锅炉烟气脱硫的水平，并逐步实施国产化。 随着我国征收二氧化硫排污费的力度加大以及脱硫后上网电价的调整，极大 地调动了电力企业进行烟气脱硫的主动性，也扩大了我国的烟气脱硫市场。在新 的形势下，在加快引进消化吸收国外技术的同时，研发具有自主产权的锅炉烟气 脱硫技术与装置是必然的趋势，也是降低投资的唯一出路。原国家环保局局长解 振华曾指出：“为了实现酸雨和二氧化硫污染控制目标，要加快国产脱硫技术和 设备的研究、开发、推广和应用”。 我国对于大中型燃煤锅炉的烟气脱硫，主要立足于自主开发具有脱硫除尘一 体化的专有技术。近几十年来，我国对大中型燃煤锅炉烟气脱硫进行了攻关研究， 并取得了较大的进展，已经形成自主知识产权的成果，其中一些成果处于工业化 示范和推广阶段。例如湿法脱硫的w x 型脱硫装置、旋流板塔脱硫装置以及液柱 喷射脱硫装置，另外还有电子束法和循环流化床等干法脱硫装置。 1 2 4 典型的湿法脱硫设备 在湿法脱硫工艺中，反应吸收装置是核心，脱硫效率的高低取决于吸收剂与 二氧化硫的混合与传质程度。根据不同的气液接触方式，脱硫塔主要有喷淋塔、 液柱喷射塔、格栅填料塔、鼓泡反应器、旋流板塔和文丘里洗涤器等几种形式。 1 2 4 1 喷淋塔 锅炉烟气脱硫工程中典型的喷淋塔如图1 - 4 所示。在喷淋塔中，洗涤液被雾 化为细小液滴与烟气进行逆流接触进行反应吸收，以达到脱除二氧化硫的效果。 喷淋塔气液接触面积大，而且喷淋塔内除了设置除雾器与喷头以外，无其他的塔 内件，易于大型化 6 1 。我国大型电厂的烟气脱硫多采用喷淋塔作为传质吸收设备， 但其体积比较庞大，占地面积大，喷嘴易磨损与堵塞。人们通常采用薄膜理论或 者渗透理论描述喷淋塔内的气液传质过程【7 】。 5 第一章绪论 图1 4 喷淋塔结构示意图 f i g1 - 4s c h e m a t i cd i a 毋锄o f at y p i c a ls p r a y i n gt o w e t 1 2 4 2 旋流板塔 旋流板塔( 图1 5 ) 为一种高效通用型传质设备。气流通过各块塔板螺旋上 升，液体从盲板流到叶片上形成薄液层，同时被气流旋转破碎成液滴，受离心力 到达塔壁形成沿壁旋转的液环，通过降液装置下流到下块盲板上。由于液体是滴 状高速穿过气流，故改进了流体动力学因素，提高了设备的通过能力和改善了相 间的接触状况，提高了设备的传质效率，因而具有气液负荷高、弹性宽、压降低、 脱硫除尘效率高等特点【8 t9 】。 图1 - 5 旋流板塔示意图 f i g1 - 5s c h e m a t i cd i a g r a mo f t y p i c a lr o t a t i n g - s l r c a m - t r a yt o w e r 6 第一章绪论 1 2 4 3 格栅填料塔 格栅填料塔( 图1 - 6 ) 在塔内放置格栅，吸收液在塔顶用喷嘴均匀地喷洒在 格栅上并顺填料下流。烟气进入吸收塔逆向或顺向流过格栅。这种吸收塔对烟气 洗涤效果好，脱硫效率高。但格栅容易堵塞、结垢，需经常进行清洗，维修工作 量大，耗水量大。对于格栅填料塔，人们常用薄膜理论来描述气液传质过程1 0 1 。 图l - 6 格栅填料塔脱硫工艺示意图 f i g1 - 6s c h e m a t i cd i a g r a mo f d e s u l f u r i z a t i o np r o c e s s e si nad i d - t y p ep a c k i n gt o w e r 1 2 4 4 液柱喷射塔 液柱喷射塔的脱硫原理如图1 7 所示，脱硫浆液靠下部的喷嘴向上喷射，大 量的液滴向上喷出时液滴与烟气的接触面积很大，液柱在达到最高点后散开并下 落，与向上的液滴碰撞，加大气液接触。烟气则从塔的顶部逆流或者下部顺流进 入塔中【1 1 】。液柱塔结构简单，能有效防止喷嘴堵塞和结垢，但是对操作负荷的变 化比较敏感，操作弹性小。表面更新理论适合描述喷射塔的气液传质过程。 照 群t 蠹 t 气蔫窘童i 图l 一7 液柱喷射塔脱硫工艺示意图 f i g1 - 7s c h e m a t i cd i a g r a mo f d e s u l f u r i z a t i o np r o c e s s e si nai m p i n g e $ t t c a n lt o w e r 7 第一章绪论 1 2 4 5 鼓泡反应器 溢流筛板塔、泡沫脱硫塔以及喷射鼓泡脱硫塔均属于鼓泡塔。图1 8 为喷射 鼓泡脱硫塔的结构及其脱硫原理示意图。烟气经气体分配器，垂直鼓入脱硫剂浆 液面以下，形成两相射流后产生沸腾状气泡并浮出浆液，在此过程中烟气与浆液 充分接触反应吸收二氧化硫。该设备结构简单，没有喷嘴堵塞和结垢问题，运行 稳定可靠，但阻力较大【1 2 1 。鼓泡塔的传质可用渗透理论来描述。 图1 - 8 鼓泡塔脱硫工艺示意图 f i g1 - 8s c h e m a t i cd i a g r a mo f d e s u l f u r i z a t i o np r o c e s s e si nab u b b l ec o l u m n 1 2 4 5 文丘里洗涤器 文丘里洗涤器是一种高效的湿式洗涤器，烟气经过收缩段后获得较高的流 速，在喉口处将吸收液雾化成细小液滴，并与液滴处于高度湍流状态，进而得到 较高的传质效果。该设备具有结构简单、造价低廉、占地面积小、净化效率高等 优点，所以在捕集被污染气体中的细小粉尘方面早就得到了广泛应用，近年来， 在脱除二氧化硫方面的应用也逐步引起了人们的关注。成套装置常以文丘里洗涤 器为核心部件，通过采用不同的组合形式开发出不同的脱硫装置。例如，s h a h 于1 9 7 1 年就曾使用文丘里洗涤器治理硫酸厂尾气中二氧化硫的排放1 1 3 1 。f o u r c o n e r s 电厂通过增加石灰浆料循环系统，曾成功地将用于除尘的文丘里洗涤器改 造成为除尘脱硫一体化的设备，并获得了e p a 的肯刊1 4 1 。 对文丘里应用的比较成功的是美国d u c o n 公司，该公司开发的文丘里式脱 硫塔( 图1 9 ) 具有很好的脱硫效果。文丘里式塔内设有一层两排的文丘里棒栅， 上层为固定栅，下层为可活动栅，进行脱硫操作时，根据烟气负荷调整活动栅， 进而调整两层棒的间距，保证在低流量时仍使烟气在塔截面上均匀分布，形成强 烈湍流。该脱硫装置在美洲、东南亚等有近4 0 套业绩。 使用文丘里洗涤器进行锅炉烟气脱硫，我国也有一些报道。许灵群等将文丘 8 第一章绪论 里洗涤器与旋流板组合使用进行锅炉烟气脱硫1 5 1 。米铁等对文丘里格栅的除尘脱 硫性能及操作参数的影响进行了实验研鳅阚。 图1 - 9d u c o n 公司文丘里吸收塔示意图 f i g1 - 9s c h e m a t i cd i a g r a mo f v e n t u r i - t y p ed e s u l f u r i z a t i o ni o w e rd e s i g n e db yd u c o n 天津大学在天津市科委自然科学基金项目“锅炉烟气高效净化技术研究” ( 9 6 3 6 0 6 4 11 ) 与天津市科技发展计划项目“锅炉烟气脱硫除尘成套装置生产技 术”( 9 6 3 1 0 7 9 1 1 ) 的支持下，开发研制了“文丘里脱硫除尘洗涤器”，“直通式 三相旋流分离器”专有技术。两部件串联使用成功地运用于0 7k w - h - 1 1 4 1 0 r - h 1 的小型锅炉，并取得了脱硫除尘一体化的科研成果i l ”，并于9 9 9 年获得了国家国 债项目的支持( 计高计 1 9 9 9 1 1 3 0 2 号) 和市科委高新技术成果认定，为文丘里式脱 硫装置的基础理论深入研究、工业实验和工业产品成套系统奠定和提供了良好的 基础和支持。 1 3 课题背景及研究内容 1 3 1 课题背景 根据我国的燃煤锅炉烟气脱硫的现状以及我国脱硫市场的发展情况，发展我 国具有自主知识产权的烟气脱硫技术是我国控制二氧化硫排放的关键。天津大学 在本课题组前期研究初步成果的基础上承担了河北省省校科技基金项目“中大型 工业锅炉烟气除尘脱硫技术及装置产品”( 冀财外1 - 2 0 0 3 - 14 4 号) ，主要目标是 开发w x 4 u 型中大型工业锅炉脱硫成套装置，以寻求具有良好经济性，环境安 全和实用性的成套脱硫装置技术。所以对其主体设备的脱硫机理和操作条件进行 研究，从而为进一步地优化结构、操作条件、提高脱硫操作性能提供有力的理论 支持和实验数据开发w x 4 u 工业产品。 本文将以此为目的开展研究工作。 9 第一章绪论 1 3 2 研究内容 建立w x 4 u 型单元系统w x u 的模拟实验装置+ 。 使用氢氧化钠溶液作为洗涤液，文丘里洗涤器的结构尺寸和操作参数 对其脱硫性能影响的实验研究。 对在烟气脱硫的操作条件下的文丘里洗涤器内使用氢氧化钠溶液作 为吸收剂时的气一液传质过程进行理论分析，并建立宏观理论模型。 在验证理论模型正确性的基础上，利用理论模型对不同操作参数对气 液传质的影响进行理论分析。 在对文丘里洗涤器脱硫性能的实验研究与理论分析的基础上，结合文 丘里洗涤器与旋流器独特的结构特点，设计w x m 型脱硫装置，并进 行模拟实验和工业运转实验。 研究不同脱硫剂对脱硫效率的影响，为w x u 型脱硫装置应用于大型 工业锅炉烟气脱硫选择适宜的脱硫剂提供理论依据。 研究不同添加剂对石灰脱硫时脱硫效率的影响。在此基础上，对比较 适宜的添加剂，详细研究在有添加剂的条件下，不同操作参数对 w x u 脱硫设备的脱硫效率的影响。 完成w x 4 u 大中型工业锅炉烟气脱硫装置的推广准备工作。 1 5 本章小结 本章介绍了我国二氧化硫污染状况与燃煤烟气脱硫技术的研究现状及其应 用情况，并简单介绍了w x 脱硫装置研发的背景和主要过程。在此基础上介绍了 本课题研究的背景、意义和研究内容。 w 一文丘里管式洗涤器 ) 卜一三相旋流分离器 i 卜柏气通过装置路线的类型 4 4 撬块代码 1 0 ) ) ) ) ) ) ) 1 2 3 4 5 6 7 ( ( ( ( ( ( ( 第二章文献综述 第二章文献综述 2 1 文丘里洗涤器脱除有害气体的研究进展 文丘里洗涤器早期主要应用于烟气除尘，人们对其研究的重点主要集中在 除尘效率、能量消耗及其操作性能上，对其在脱硫方面应用的研究比较少。 近几十年来，随着对二氧化硫排放的要求越来越严格，文丘里洗涤器作为 一种高效传质的吸收反应器，在进行脱除气体中的二氧化硫方面逐步得到 了人们的重视。人们研究的兴趣主要在文丘里洗涤器脱硫效率的预测模型 以及操作参数对脱硫性能的影响。目前对文丘里洗涤器吸收二氧化硫效率 的预测方法主要分为经验公式和数值计算两种。 2 1 1 实验研究 在文丘里洗涤器中由于两相流系统的质量传递与流体动力学特性的耦合现 象的复杂性，迄今为止还不能提出一个预测文丘里洗涤器的操作性能与脱硫效率 的通用理论。所以实验研究仍然是研究文丘里洗涤器吸收效率的基本方法。 v 0 l g i n ( 1 9 6 8 ) 等嗍在文丘里洗涤器中进行t ( n h 4 ) 2 s 0 4 和( n h 4 ) h s 0 4 吸收 二氧化硫的实验，发现脱硫效率随入1 2 1 - - 氧化硫浓度的减小、气速的增大、液体 用量和喉管长度的增加而有所增加，并将实验结果与填料塔和鼓泡式吸收设备的 实验进行了对比，结果表明文丘里洗涤器具有良好的吸收效果。e l e n k o v ( 1 9 6 7 ) 1 9 1 分别对纯水与添加表面活性剂( 二丁基萘磺酸钠) 的水溶液在文丘里洗 涤器中吸收二氧化硫进行了实验研究。结果表明，表面活性剂对纯水吸收二 氧化硫没有显著影响，并提出了纯水吸收二氧化硫吸收系数的经验关联式。 k = 2 6 x 1 0 。1 5r e 2 5 ( 巧k ) o 5 ( 2 1 ) 式中：k 一吸收系数，m 3 h ； r e 一气相雷诺数，以喉管直径为决定尺寸； r k 一液气比，卜m 3 ； 但是式( 2 1 ) 的误差比较大，根据文献 1 9 的报道，纯水时的平均 误差为7 ，最大误差为1 5 。 g l e a s o ne ta l ( 1 9 7 1 ) 2 0 1 提出了使用c a 0 吸收二氧化硫效率的关联式。 第二章文献综述 叩= o 3 0 7 + 0 0 4 5 7 j s + 3 7 5 1 0 - 5 a p + 0 0 4 8 1 ；v 7 ii + o 1 5 1 6 0 ) 一0 0 2 5 s ( 1 2 ) 一5 9 8 1 0 - 3 c , ( 2 - 2 ) l ，f 式中：j 。一入口处c a o 与s 0 2 的摩尔比； a p 一文丘里洗涤器的压降，p a ； ，一钠离子的摩尔浓度，m o l * f 1 ； c 。一浆液中固体的质量百分比浓度，； k o e h l e r ( 1 9 7 4 ) 1 2 1 1 在文丘里洗涤器内，对液气比为5 4 l m 弓时，m g o 溶液吸收二氧化硫进行了实验研究，提出式( 2 - 3 ) 。 叼= 1 一e x p 6 4 3 x 1 0 2 p 0 1 4x ( 2 5 7 y 1 ) - 3 。7 5 + 0 2 8 弛所x 1 0 鲫0 3 1 蝉一3 】 ( 2 3 ) 式中：舅一进口的二氧化硫浓度，m g m 一； 根据式( 2 3 ) ，p h 值较低时吸收效率随着二氧化硫浓度的降低而下降， 如果二氧化硫浓度小于1 4 0 0m g m 一，预测值要远大于实测值。另外式( 2 - 3 ) 没有考虑操作参数如液气比和喉口气速的影响。 c h o w d h u r y ( 1 9 9 2 ) 1 2 2 在文丘里洗涤器，对使用不同的液体去除上升 气流式气化器中煤焦油的操作性能进行研究，并提出了预测文丘里内煤焦 油的吸收效率经验公式。公式的适用范围为雷诺数r e 为1 6 1 0 4 8 9 5 x 1 0 5 ，韦伯数w e 为5 6 1 0 5 1 4 2 1 0 6 ，液气比为o 1 2 5 0 2 51 m 一。 ，7 = 0 7 8 x ( r e ) “x ( w e ) “”( k k ) 0 4 3 ( 2 4 ) 但文献 2 2 3 的实验是在恒定喉管气速( 5 6 4 m s d ) 下进行，且液气 比很小，而工业锅炉烟气脱硫的液气比相对较大，最小也在i 3 左右，所 以公式( 2 - 4 ) 不适用于对锅炉烟气脱硫时吸收效率的预测。 x a v i e r ( 2 0 0 2 ) 2 3 1 在模拟的烟气脱硫装置上，采用o 5m o l l d 的n a o h 溶液对不同组合形式的文丘里洗涤器进行了实验研究，并且使用统计学的 表面反应方法论( r e s p o n s es u r f a c em e t h o d o l o g y ) 对实验数据进行了分析， 研究表明，吸收效率与吸收液的流量呈现二次方的关系，实际操作中存在 着既能达到吸收效率，输送设备的能量消耗又相对合理的最优化液体流量。 经验公式简单，在其适用条件下与实验值的吻合很好，但是经验公式 针对一定的操作条件和系统，如果计算条件超出适用范围误差比较大。 2 1 2 理论计算方法 对文丘里洗涤器脱除二氧化硫的研究最早是由j o h n s t o n ee ta l ( 1 9 4 9 ) 【2 4 1 开展的，他们在矩形文丘里洗涤器内使用碱液吸收二氧化硫的研究表明， 1 2 第二章文献综述 脱硫效率与传