（控制理论与控制工程专业论文）湿法烟气脱硫装置的仿真模型研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文以某2 0 0 m w 机组石灰石石膏湿法烟气脱硫装置为研究对象。在深入了解 其脱硫原理、系统构成及运行特性的基础上，重点建立了s 0 2 吸收、亚硫酸盐氧化、 回转式烟气换热器、浆池搅拌器、石膏水力旋流器等典型生产过程和设备的动态数 学模型。利用b o r l a n dc + + b u i l d e r 编写标准的仿真算法，借助仿真支撑平台l n 和 虚拟d c s 支撑平台p a s 3 0 0 m ，实现对烟气脱硫系统的仿真。通过仿真实验定性分 析不同工况下各种因素对脱硫效率的影响，仿真结果表明本文建立的仿真模型能够 很好的反映湿法烟气脱硫装置的实际特性，可以满足实时仿真的要求。 关键词：湿法烟气脱硫，石灰石石膏，数学模型，仿真 a bs t r a c t t h e p a p e rt a k e st h el i m e s t o n e g y p s u mw e tf l u eg a sd e s u l p h u r i z a t i o n ( f g d ) s y s t e m o f2 0 0 m wt h e r m a lp o w e ru n i ta sr e s e a c ho b j e c t t h ed y n a m i cr e a l t i m em a t h e m a t i c a l m o d e lf o rf g di ss e tu pi nt h i st h e s i sw i t ht h ea c q u a i n t a n c eo fi t sp r i n c i p l e ，s t r u c t u r e a n dr u n n i n gc h a r a c t e r i s t i c d y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e l so ft y p e c a lp r o d u c t i o np r o c e s s a n de q u i p m e n t sa r ep r e s e n t e d ，s u c ha sa b s o r p t i o no fs 0 2 ，o x i d a t i o no fs u l f i t e ，r o t a r y g g h ，a g i t a t o r , g y p s u mh y d r o c y c l o n e ，a n ds oo n t h es i m u l a t i o nf o rf g d i sr e a l i z e d w i t ht h es u p p o r to fs i m u l a t i o np l a t f o r ml na n dd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mp a s 3 0 0 a n d a l s ot h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c et h ed e s u l f u r i z a t i o ne f f i c i e n c yi nd i f f e r e n tr u n n i n g c o n d i t i o n sa r ea n a l y z e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h em o d e lc o u l dd e s c r i b et h e d y n a m i co p e r a t i o na c c u r a t e l y , a n ds a t i s y f yt h er e q u e s to ft h er e a l - t i m es i m u l a t i o n b a iy o n g f e n g ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f h a np u k e yw o r d s ：w e tf l u e g a sd e s u l p h u r i z a t i o n ，l i m e s t o n e g y p s u m ， m a t h e m a t i c a l m o d e l ，s i m u l a t i o n 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文以某2 0 0 m w 机组石灰石石膏湿法烟气脱硫装置为研究对象。在深入了解 其脱硫原理、系统构成及运行特性的基础上，重点建立了s 0 2 吸收、亚硫酸盐氧化、 回转式烟气换热器、浆池搅拌器、石膏水力旋流器等典型生产过程和设备的动态数 学模型。利用b o r l a n dc + + b u i l d e r 编写标准的仿真算法，借助仿真支撑平台l n 和 虚拟d c s 支撑平台p a s 3 0 0 m ，实现对烟气脱硫系统的仿真。通过仿真实验定性分 析不同工况下各种因素对脱硫效率的影响，仿真结果表明本文建立的仿真模型能够 很好的反映湿法烟气脱硫装置的实际特性，可以满足实时仿真的要求。 关键词：湿法烟气脱硫，石灰石石膏，数学模型，仿真 a bs t r a c t t h e p a p e rt a k e st h el i m e s t o n e g y p s u mw e tf l u eg a sd e s u l p h u r i z a t i o n ( f g d ) s y s t e m o f2 0 0 m wt h e r m a lp o w e ru n i ta sr e s e a c ho b j e c t t h ed y n a m i cr e a l t i m em a t h e m a t i c a l m o d e lf o rf g di ss e tu pi nt h i st h e s i sw i t ht h ea c q u a i n t a n c eo fi t sp r i n c i p l e ，s t r u c t u r e a n dr u n n i n gc h a r a c t e r i s t i c d y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e l so ft y p e c a lp r o d u c t i o np r o c e s s a n de q u i p m e n t sa r ep r e s e n t e d ，s u c ha sa b s o r p t i o no fs 0 2 ，o x i d a t i o no fs u l f i t e ，r o t a r y g g h ，a g i t a t o r , g y p s u mh y d r o c y c l o n e ，a n ds oo n t h es i m u l a t i o nf o rf g d i sr e a l i z e d w i t ht h es u p p o r to fs i m u l a t i o np l a t f o r ml na n dd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mp a s 3 0 0 a n d a l s ot h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c et h ed e s u l f u r i z a t i o ne f f i c i e n c yi nd i f f e r e n tr u n n i n g c o n d i t i o n sa r ea n a l y z e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h em o d e lc o u l dd e s c r i b et h e d y n a m i co p e r a t i o na c c u r a t e l y , a n ds a t i s y f yt h er e q u e s to ft h er e a l - t i m es i m u l a t i o n b a iy o n g f e n g ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f h a np u k e yw o r d s ：w e tf l u eg a sd e s u l p h u r i z a t i o n ，l i m e s t o n e g y p s u m ，m a t h e m a t i c a l m o d e l ，s i m u l a t i o n 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文湿法烟气脱硫装置的仿真模型研究， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。据本人所知，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，也不包含为获得华北电力大学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：鱼丞盈日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 日期：域之丛 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景 第一章绪论 1 1 1 我国s 0 2 的排放现状与控制 s 0 2 是当今人类面临的主要大气污染物之一，其中2 3 以上来源于人类的生产活 动，其余来源于天然污染源。s 0 2 污染属于低浓度、长期的污染，对自然生态环境、 人类的健康、工农业生产等方面均造成很大的危害。 s 0 2 的主要人为来源与能量消耗有关，而经济发展离不开能源的支持。我国是 一个能源生产和消耗大国，一次能源消费总量居世界第二位，仅次于美国。我国s 0 2 的排放量与煤炭消耗量有着密切的关系，1 9 8 3 1 9 9 1 年二者的相关系数达到0 9 6 。 然而，在我国一次能源和发电能源的构成中，煤占据了绝对的主导地位，这与多数 工业发达国家的一次能源构成中以石油和天然气为主的特点大不相同。 由于煤作为最主要的一次能源，具有的发热量低、含硫率高等特点，所以我国 s 0 2 污染日益严重。中国环境状况公报表明，1 9 9 0 年，我国大、中城市大气污 染较重，小城镇大气污染有加重的趋势。全国废气排放量( 不包括乡镇工业) 为 8 5 l o l 2 m 3 ( 标准状态下) ，比上年增长2 8 。其中s 0 2 排放量为1 4 9 5 万吨，与上 年基本持平。1 9 9 5 年我国s 0 2 排放量达到2 3 7 0 万吨，超过欧洲和美国，是我国成 为世界s 0 2 排放第一大国，之后连续三年超过2 0 0 0 万吨。虽然之后几年回落到2 0 0 0 万吨以下，但2 0 0 3 年又超过2 0 0 0 万吨。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 1 。若不 采取有效的消减政策，2 0 2 0 年我国s 0 2 排放量将达到3 5 0 0 万吨。 2 0 0 4 年据国家环保总局介绍，全国每年由于s 0 2 排放造成的总损失达l1 0 0 亿 元，并且今后这种污染损失还将持续不断地增加。研究表明，我国基本消除酸雨污 染所允许的最大二氧化硫排放量为1 2 0 0 万吨至1 4 0 0 万吨。按照我国目前经济发展 模式、污染控制方式和力度，预计2 0 2 0 年全国二氧化硫排放量将达到2 8 0 0 万吨左 右，超过大气环境容量约l6 0 0 万吨，将对生态环境和人体健康造成严重影响。s 0 2 污染排放问题已成为制约我国国民经济发展的一个重要因素，对s 0 2 排放的控制与 治理已刻不容缓。 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，我国 的火电厂装机容量已达2 2 2 亿千瓦，其s 0 2 排放量占我国s 0 2 总排放量6 7 。因此， 消减和控制燃煤特别是火电厂燃煤s 0 2 污染，是我国能源和环境保护部门面临的严 峻挑战i l 巧j 。 华北电力大学硕士学位论文 为减轻s 0 2 的污染，国家制定了火电厂大气污染排放标准( g b l 3 2 2 3 - - 2 0 0 3 ) ， 强制要求2 0 0 4 年1 月1 同以后通过建设项目环境影响报告书的新建、扩建、改建 的火电厂( 第三时段) s 0 2 最高允许排放浓度为4 0 0 m g m 3 。并且要求在1 9 9 7 年1 月1r 以后通过建设项目坏境影响报告书的新建、扩建、改建的火电厂( 第二时段) s 0 2 最高允许排放浓度在2 0 1 0 年达到4 0 0 m g m 3 。为达到这样的排放标准，新建和 在建的燃煤和燃油电厂必须配套脱硫设施，现有的燃煤和燃油电厂也要限期配套完 善的脱硫设施。 目前控制燃煤s 0 2 污染技术可分为四类，即煤燃烧前脱硫、燃烧中脱硫、燃烧 后脱硫以及煤转化过程中脱硫。燃烧后烟气脱硫( f l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n ，f g d ) 是 目前世界上唯一大规模商业化应用的脱硫技术。燃烧后烟气脱硫可分为湿法、干法 和半干法三类工艺。湿法脱硫工艺是目前世界上应用最多、最为成熟的技术，该工 艺吸收剂价廉易得、副产物便于利用、煤种适应范围宽，并有较大幅度降低工程造 价的可能性。目前单机容量2 0 0 m w 以上的火电机组容量占火电总装机容量的5 5 ， 高参数、大容量火电机组是当前和今后相当长时间内火电发展的方向，因此，大机 组脱硫是火电厂脱硫的工作重点，是控制火电厂二氧化硫的关键，而湿法脱硫工艺 是当前国际上通行的大机组火电厂烟气脱硫的基本工艺，所以，我国应重点发展湿 法脱硫技术，石灰石石膏湿法烟气脱硫技术及其简化技术最适合我国国情。 1 1 2f g d 技术在国内外的应用 近年来国外对湿式石灰石石灰一石膏法工艺进行了深入的研究与不断的改进， 如吸收装置由原来的冷却、吸收、氧化三塔合为一塔：大部分也由填料塔改为空塔， 气体流速也大幅度提高，喷嘴性能进一步改善等。 美国、日本和德国是世界上f g d 技术开发和大规模应用的国家，在火电f g d 领域处于领先地位。美国自2 0 世纪5 0 年代开始研究电站烟气脱硫技术，7 0 年代初 湿式石灰石灰石洗涤工艺实现工业应用，喷雾干燥脱硫工艺的研究开始起步，8 0 年代初，在燃烧低硫煤的电站锅炉上得到了工业应用。到1 9 9 0 年底f g d 控制容量 已达7 1 7 8 2 m w ，其f g d 运行系统数量为1 5 9 套。德国电站f g d 技术起步晚于美 国、日本，但在德国政府严格的环保法规的促使下，f g d 技术得到了迅速开发和应 用。到1 9 9 2 年时，5 0 m w 以上的燃煤锅炉全部安装了f g d 装置，9 0 以上的f g d 装置采用湿式石灰石石膏法，回收法是抛弃法的2 6 倍，7 5 的工业用石膏来自脱 硫系统。据德国电力企业联合会1 9 8 9 年统计资料介绍，德国西部火电厂f g d 总投 资约为1 4 3 亿马克。日本是世界上最早大规模应用f g d 装置的国家，从1 9 6 2 年开 始研发f g d 工艺设备，7 0 年代开始大规模实施应用，并在随后的时间罩得到了迅 速的发展。到1 9 8 9 年，全国投运的烟气脱硫装置已达1 8 4 6 套。近年来由于燃料结 2 华北电力人学硕十学位论文 构的改变、原子能发电、太阳能等无污染能源的发展，烟气脱硫设施有减少的趋势。 我国自从2 0 0 1 年贵州安顺2 x 3 0 0 m w 燃煤电厂f g d 项目公开招标以来，目前 已有几十套f g d 工程项目投入建设，其中绝大部分采用石灰石石膏湿法脱硫工艺， 单机规模从2 0 0 m w 、3 0 0 m w 机组为主发展到现在的6 0 0 m w 、1 0 0 0 m w 机组【6 1 。然 而，目前我国烟气脱硫技术工业化应用程度还很低，已应用的主要是引入的国外烟 气脱硫装置。例如：1 9 9 3 年重庆珞璜电厂从日本引进的处理2 x 3 6 0 m w 机组锅炉烟 气的“湿式石灰石石膏法”烟气脱硫装置；1 9 9 4 年山东黄岛电厂从日本引进的处 理1 0 0 m w 电厂锅炉烟气的“旋转喷雾干燥法”脱硫装置；1 9 9 6 年山西太原第一发 电厂从日本引进的简易石灰石石膏法脱硫装置；1 9 9 7 年成都热电厂从日本引进的 处理1 0 0 m w 电厂锅炉烟气的“电子束辐照法”装置；另外，北京第一热电厂 ( 2 x 4 1 0 t h ) 、重庆( 2 x 2 0 0 m w ) 、浙江半山电厂( 2 x 1 2 5 m w ) 、重庆珞璜电厂二 期( 2 x 3 6 0 m w ) 、深圳西部电厂( 3 0 0 m w ) 等烟气脱硫装置均是引进成套技术， 这些烟气脱硫装置的引进为我国烟气脱硫吸收国外先进成熟的技术奠定了基础。但 是，烟气脱硫技术与设备的国产化是降低工程造价、加快火电厂二氧化硫治理速度 的关键所在。 1 2 本课题的意义及发展现状 1 2 1 火电站脱硫装置仿真培训的意义 目前，我国已经投入运行的火力发电系统配套的脱硫装置以石灰石石膏湿法烟 气脱硫技术及其简化技术采用的最多、容量最大，这符合国际上的发展趋势，并且 我国目前已经具备了进行深入研究的物质、经济、政策基础，因此，研究石灰石 石膏湿法烟气脱硫技术理论、设备、系统运行的特性具有重要的意义。 湿法烟气脱硫本身是一套复杂的系统，已经投运的脱硫装置实际运行中由于不 可避免的会出现超过设计条件，如煤质变化、锅炉漏风等原因，出现效率降低、结 垢、腐蚀、磨损、密封水泄漏、风机噪声大、废水处理等问题【7 。9 】。对其特性的熟悉 及掌握情况，很大程度上决定了系统能否安全、经济运行。相对于脱硫系统的建设 速度，我国目前熟悉、掌握脱硫装置运行及维护方面的专业人才以及技术人员相对 短缺。一般说来【l 叭，凡是需要由一个人或一组熟练人员进行操作、控制、管理与决 策的实际系统，都需要对这些人员进行i ) l l 练、教育与培养。早期的培训大都在实际 系统或设备上进行的。随着系统规模的加大、复杂程度的提高，特别是造价日益昂 贵，培训时因操作不当引起破坏而带来的损失大大增加，因此，提高系统运行的安 全性事关重大。 湿法烟气脱硫仿真系统可以对电厂湿法烟气脱硫工艺流程和控制系统进行实 华北电力人学硕十学位论文 时仿真，帮助运行人员深入了解湿式脱硫工艺的机理【1 ，熟练掌握机组的启、 作，提高正常运行状态下的监控能力、异常和事故状态下的判断和处理能力， 机组在各种工况下安全经济运行。 1 2 2 石灰石石膏湿法烟气脱硫仿真系统研究现状 停操 保证 目前，我国的火电厂仿真、变电站仿真技术已得到广泛地应用，而脱硫仿真还 是刚刚起步。 从1 9 6 9 年r a m a d h a n d r a n 和s h a r m a 提出石灰石湿法烟气脱硫( w f g d ) 模拟以来， 在过去的几十年中，人们提出了大量湿法烟气脱硫系统的数学模型。m p i s u 等【坨j ， y s u y a d a l 等【13 1 ，w b l f g a n gd e s c h 等【14 1 ，a n t o n i oc a s e l l e s m o n c h o 等【15 1 ，c h i n m i n c h e n g 等【16 1 ，a n t o n i og 6 m e z 等1 7 1 和y iz h o n g 等f 1 8 1 都对燃煤电厂脱硫塔的运行特性 和数学模型进行了研究，分别从f g d 装置的吸收过程、动态特性、平衡性计算、氧 化过程等方面做了详尽的阐述。 南京化工大学的钟秦以气液并流式填料塔湿法烟气脱硫工艺为研究对象提出 了一个包含所有速率控制步骤、反应器和主要反映组分的w f g d 数学模型，并进行 了仿真研究【1 9 】；东南大学的赵健植【2 0 】采用g e r b e e 内循环模型，将吸收塔内的塔壁 液膜区分为层流和波动层流两种状态，发展了新的喷淋塔脱硫反应模型。华北电力 大学的马双忱t 2 ，对循环流化床烟气脱硫机理进行了深入研究，提出了考虑流化床 内中心区气固流上升和环壁区物料返混的流化床烟气脱硫数学模型；浙江大学的林 永明【2 2 】用s i m p l e 算法对3 0 0 w m 机组喷淋吸收塔内气液流场情况及不同设计和运 行条件下喷淋吸收塔的阻力特性进行了数值模拟，并利用c f d 技术对喷淋吸收塔及 塔内部件几何结构变化对塔内气液流场的影响进行数值模拟研究。在脱硫仿真方 面，华北电力大学毛新静【2 3 1 ，在基于机理定性分析的基础上，针对某电厂2 0 0 m w 机组湿式石灰石石膏脱硫系统的调试运行状况，建立了喷淋塔的仿真数学模型， 做了非常有益的尝试。 1 3 激励式仿真机概述 激励式仿真机( s t i m u l a t i o ns i m u l a t o r ) 就是将d c s 与火电厂热力设备和机组模 型直接对接构成的仿真系统。激励式仿真系统分为全激励式和部分激励式两种仿真 方式。 全激励式仿真系统是分散式仿真的一种，该方式是保留原有的分散控制系统软 件和硬件，接入一个只限于实现过程仿真的仿真计算机，即激励( s t i m u l a t i o n ) 方式。 激励方式涉及激励系统至仿真计算机的接口，两个计算机系统之间的硬件接口可由 高速并行数据接口、高速异步接口、通路或定做的接口实现。但两台计算机之间通 4 华北电力人学硕+ 学位论文 讯及同步软件必须由用户提供。激励方式的优点是保留了分散控制系统的全部功 能，可在仿真机上方便的进行控制算法分析研究及改进工作，激励软件和硬件很容 易做到与实际电厂始终保持一致，电厂备用硬件可用于仿真机；缺点是激励系统与 仿真机之间存在的通讯能力限制可能会限制更新速率，以至于仿真的过程难于控制 甚至不可能受到控制，而且为使激励软件适应仿真机的工作方式，必须对激励软件 进行修改。全激励的仿真方式由于保留了大部分的原d c s 硬软件，所以做到了功能 分散，将模型的建立和控制策略组态分开，为仿真机建立和调试过程提供了一定的 方便。但由于全激励型仿真机造价高、结构复杂、设计到投产时间长、无移植性、 需专门的教练员，因此一般电厂难以承担。 部分激励方式是在全激励方式上发展出来的一种新型仿真方式，采用实际系统 的软件和硬件复制人机界面，但实际功能( 如控制回路) 由仿真计算机实现。部分激 励方式结合仿真和激励两种方式的优点。其优点是容易适应仿真机的运行方式和故 障，具有很高的视觉逼真度，其软、硬件维护费用最低；缺点是所仿真的系统与实 际系统之间可能存在差异。基于虚拟d c s 技术的激励式仿真系统是部分激励方式的 一种，其中的虚拟d p u 技术是近年来最新兴起的一种比较实用的仿真技术【2 4 1 。虚拟 d p u 称为虚拟分布式处理单元，是采用软件仿真方式在计算机上模拟一个或多个 d p u 的工作过程。其处理对外透明，使得外部环境无法判断是与真实d p u 还是虚拟 d p u 协同工作。 基于虚拟d p u 技术的激励式仿真系统的出现使得仿真机的发展达到了一个新 的高度，它综合了全范围仿真和全激励仿真各自的优点，不仅逼真度上达到了和实 际d c s 相同的效果，而且降低了仿真机的成本，是一种行之有效的仿真方式。 1 4 本文的主要工作 本文的主要工作是以某2 0 0 m w 机组烟气脱硫装置为研究对象，借助仿真支撑 平台l n ，建立一套以吸收塔为核心的石灰石石膏湿法烟气脱硫装置的实时仿真模 型。通过理论建模和仿真试验分析，研究脱硫装置的运行特性，为脱硫系统的安全、 经济运行提供保证。 本文主要研究内容包括： 1 ) 对火电厂石灰石石膏湿法烟气脱硫系统进行了深入研究，根据脱硫系统的 工艺流程，建立各主要反应过程及设备的数学模型。针对主要的物理现缘和化学反 应过程，建立s 0 2 吸收、亚硫酸盐氧化、石膏结晶等过程对象的动态数学模型。从 设备的工作机理出发，分别建立回转式烟气换热器、增压风机、石膏水力旋流器等 设备的数学模型。 2 ) 基于数学模型，利用b o r l a n dc + + b u i l d e r 编写标准的仿真算法，通过仿真 5 华北电力人学硕士学位论文 支撑平台l n 建立动态算法库，完成整套脱硫装置的模块化建模。 3 ) 将基于p a s 3 0 0 m 的虚拟d c s 支撑系统与基于l n 的仿真支撑系统通过 d a t a c o m 数据通信程序和虚拟d p u 运算程序进行信息交换，并完成各种控制功能， 实现对烟气脱硫系统的仿真。 4 ) 通过仿真实验定性分析不同工况下各种因素对脱硫效率的影响，验证f g d 系统仿真模型的有效性。 6 华北电力大学硕十学位论文 第二章石灰石石膏湿法烟气脱硫装置概述 2 1 石灰石石膏湿法烟气脱硫原理 湿法烟气脱硫( w f g d ) 技术的特点是整个脱硫系统位于燃煤锅炉烟道的末端、 除尘器之后，脱硫过程在溶液中进行。石灰石石膏湿法烟气脱硫过程主要是s 0 2 气体与石灰石浆液的反应过程。在吸收塔内含有s 0 2 的烟气向上流动且被向下流动 的石灰石浆液以逆流方式洗涤，从而达到吸收s 0 2 的目的。湿法脱硫过程是气液反 应，其脱硫反应速度快、脱硫效率高，钙硫比等于1 时，脱硫效率可达9 5 以上， 适合于大型燃煤电厂锅炉的烟气脱硫。 气体吸收可分为物理吸收和化学吸收两种。如果吸收过程不发生显著的化学反 应，单纯是被吸收气体溶解于液体的过程，称为物理吸收。物理吸收的程度，取决 于气一液平衡，只有气相中被吸收的分压大于液相呈平衡时该气体分压时，吸收过 程才会进行。物理吸收速率较低，在现代烟气中很少单独采用物理吸收法。若被吸 收的气体组分与吸收液的组分发生化学反应，则称为化学吸收。在化学吸收过程中， 被吸收气体与液体相组分发生化学反应，有效的降低了溶液表面上被吸收气体的分 压。增加了吸收过程的推动力，即提高了吸收效率又降低了被吸收气体的气相分压。 因此，化学吸收速率比物理吸收速率大得多。 物理吸收和化学吸收都受气相扩散速度( 或气膜阻力) 和液相扩散速度( 或液 膜阻力) 的影响，工程上常用加强气液两相的扰动来消除气膜与液膜的阻力。在烟 气脱硫中，瞬间内要连续不断地净化大量含低浓度s 0 2 的烟气，因此，烟气脱硫技 术中主要依靠化学吸收法，以达到s 0 2 的排放标准。用化学吸收法进行烟气脱硫， 技术上比较成熟，操作经验比较丰富，实用性强，已成为应用最多、最普遍的烟气 脱硫技术。 在石灰石石膏湿法脱硫工艺中，液态悬浮液( 石灰石浆液) 吸收二氧化硫是一 个气液传质过程，该过程大致分为4 个阶段【2 5 】： ( 1 ) 气态反应物质从气相主体向气一液界面的传递； ( 2 ) 气态反应物穿过气一液界面进入液相，并发生反应； ( 3 ) 液相中的反应物由液相主体向相界面附近的反应区迁移； ( 4 ) 反应生成物从反应区向液相主体的迁移。 由此可见，脱硫过程包括扩散、吸收和化学反应等过程，是一个复杂的物理化 学过程。 7 华北电力人学硕士学位论文 2 1 1 气态反应物质的扩散 气体的质量传递过程是借助于气体扩散过程来实现的，扩散的结果就是使气体 从浓度高的区域转移到浓度较低的区域。 对于吸收过程，混合气体中的气态反应物q 首先要从气相主体扩散到气液界面， 然后才能由界面扩散到液相主体中。因此，气体扩散过程包括分子扩散和湍流扩散 ( 对流扩散) 【2 6 1 。分子扩散可由费克定律描述如下： 丑， q = 一d q ( 眦勉) ( 2 - 1 ) 其中，口为q 的扩散速率，k m o l ( m 2 j ) ；d 口为q 在混合物中的扩散系数，m 2 s ； j ， 眦夕乞为q 的浓度梯度，k m o l m 。同一种物质的扩散系数随介质的种类、温度、 压力及浓度的不同而变化。 湍流扩散可折合为通过一定厚度的静止气体的分子扩散进行拟合。 2 1 2 气液平衡过程 在一定的温度和压力下，含吸收质的混合气体与液相吸收剂接触时，气体中的 吸收质就向吸收剂进行质量传递，即开始吸收过程。同时液体中已被吸收的吸收质 也可能由液相向气相传递，进行解吸。随着吸收质在溶液中的浓度不断增加，吸收 质由气相向液相的传递速率相应减慢，而液相向气相的传递速率相应加快。当吸收 速率与解吸速率相等时，气相和液相中的吸收质组分不再变化，这时，气、液两相 达到动态相对平衡，简称相平衡或平衡。平衡时溶液上方的吸收质分压为平衡分压； 一定量的吸收剂中溶解的吸收质的量为平衡溶解度，平衡溶解度是吸收过程的极 限。因此，气体能溶于液体中，必须是在气相中具有一定的分压【2 7 。2 9 】。当该分压大 于液相中该组分的平衡分压时，气体就能不断溶于液体中，吸收就能继续进行，直 到达到平衡为止。此时，被吸收组分在气相中的分压等于液相中该组分的平衡分压。 物理吸收时，常用亨利定律来描述气液相间的相平衡关系。当总压不高( 一般 约小于5 0 0 k p a ) 时，在一定温度下，当溶解达到平衡时，溶液上方溶质的平衡分压 与其在溶液中的浓度成正比，即 p 。从 ( 2 2 ) 式中：p 一溶质在气相中的平衡分压，k p a ； x 一溶质在液相中的摩尔分数； e 一亨利系数，k p a 。 式( 2 - 2 ) 称为亨利定律。对于一定的体系，e 是温度的函数。一般，温度上升 则e 增大，不利于气体吸收。在同一溶剂中，难溶气体e 值很大，易溶气体e 值很 r 华北电力人学硕十学位论文 小。表2 一l 给出了不同温度下s 0 2 在水溶液的亨利系数。 表2 1 s 0 2 气体水溶液的亨利系数 温度( o c )0 5 1 0l52 02 53 0 e ( p a )0 0 1 6 70 0 2 0 30 0 2 4 50 0 2 9 4 0 0 3 5 5 0 0 4 1 3 0 0 4 8 5 温度( o c ) 3 54 05 06 07 08 09 0 e ( p a )0 0 5 6 70 0 6 6 l0 0 8 7 l0 1 ll0 1 3 90 1 7 00 2 0 l 2 1 3s 0 2 吸收过程的化学机理 气体吸收过程是溶质先从气相主体扩散到气液界面，穿过界面，再向液相主体 扩散的过程。双模理论把整个相际间的吸收过程简化为通过气、液两膜的分子扩散 过程。双模理论模型如图2 一l 所示。 气相主体 麒 液相主体 扩散方向 l i i i l 图2 1 双模理论示意图 根据双模理论，相界面上处于平衡状态，通过气膜和液膜的分子扩散阻力就是 吸收过程的总阻力。s 0 2 以分子扩散的方式通过气膜和液膜，在膜层以外的中心区， 由于流体的充分湍动，s 0 2 的浓度是均匀的。因此，s 0 2 分子由气相主体传递到液 相主体过程中受到的阻力是两膜阻力之和。s 0 2 在气相中的扩散系数远远大于液相 扩散系数，所以s 0 2 迁移的主要阻力集中在液膜。 由亨利定律可知，在吸收液中加入活性反应物c a c 0 3 ，使s 0 2 的自由分子在液 相中的浓度比用纯水吸收时大为降低，从而大大降低s 0 2 的平衡分压，有效克服液 膜阻力，使吸收过程能在较大的推动力下快速进行。 s 0 2 的吸收主要在吸收塔内进行，此过程化学反应十分复杂，目前对其还没有 清楚全面的了解，主要有如下反应发生： s 0 2 的吸收反应：s o ( g ) s 0 2 ( 昭) s o ( a g ) + 1 - 1 2 d 掣h + + h s o ；- 9 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 华北电力人学硕十学位论文 傩q 一毒h + + s o , 2 。 h + + h s 0 3 一芦1 4 2 鹏 c a c 0 3 的溶解：c a c 0 3 ( s ) 掣国2 + + c o ；一 删一+ h + 芦h c o ； h c o ；+ + 声日2 0 + c 0 2 ( a q ) c 0 2 ( a q ) 芦c 0 2 ( g ) 亚硫酸盐的氧化：h s o ；+ i 1d 2 ；主日+ + s 暖一 h 七s 0 0 口h s o ； 同时，c 口2 + + 2 n s q 一芦c 口( h s q ) 2 e 2 + + 吗2 一石兰c s q e 2 + + 观2 一# j e 踞( s ) 石膏结晶：c a 2 + + s o ：- + 吾凰d 芦白观吾皿d ( s ) 0 2 + + s 暖一+ 2 h 2 d # s d 4 2 h 2 d ( 5 ) 由以上反应机理可知，h + 在s 0 2 的吸收过程中起着重要作用，所以吸收液的 p h 值是一个重要的参数。p h 值的大小对s 0 2 的吸收程度、c a c 0 3 的消融率和亚硫 酸盐的氧化速度都有很大的影响。在石灰石湿法烟气脱硫工艺中，吸收浆液的p h 值一般在5 6 之间，通过输送至吸收塔的石灰石浆液量控制。 2 2 石灰石石膏湿法烟气脱硫工艺流程 锅炉烟气经电除尘器除尘后，通过增压风机、g g h 降温后进入吸收塔。在吸收 塔内烟气向上流动且被向下流动的循环浆液以逆流方式洗涤【3 0 1 。循环浆液则通过喷 浆层内设置的喷嘴喷射到吸收塔中，以便脱除s 0 2 、s 0 3 、h c l 和h f ，在吸收塔底 部，大部分亚硫酸盐与由氧化风机供给的氧气反应生成硫酸盐，最终转化成石膏。 在吸收塔中，石灰石与二氧化硫反应生成石膏，石膏浆液通过石膏浆液泵排出， 进入石膏脱水系统。净化处理后的烟气流经除雾器除雾，将清洁烟气中所携带的浆 液雾滴去除，同时按特定程序不时地用工艺水对除雾器进行冲洗。除雾器冲洗有两 个目的，一是防止除雾器堵塞，二是冲洗水同时作为补充水，稳定吸收塔液位。经 吸收塔洗涤后的烟气温度在4 5 - 5 0 ，烟气温度较低，水分基本处于饱和状态，此 部分净烟气通过g g h 加热到8 0 以上，以提高烟气的抬升高度和扩散能力。最后， 洁净的烟气通过烟道由烟囱排向大气。 石灰石石膏湿法烟气脱硫装置主要由烟气系统、吸收塔系统、工艺水系统、石 灰石浆液制备供给系统和石膏脱水及储存系统构成。典型的石灰石石膏湿法烟气脱 硫装置如图2 2 所示。 1 0 ) ) ) 5 6 7 8 9 0 l 2 c ) 捌 川 m ( ( ( ( ( 2 2 2 0， o o o ( o q q q 协协 协 m # j e 电刀人学顽上学佩沦文 i l li 9 1 1 221 烟气系统 l 一 一、 圜。b 。 1 i 芒 - 。 、 q- l 图2 - 2 石灰石石膏湿法烟气脱硫装置 烟气系统为脱硫装置运行提供烟气通道，主要包括烟道挡板、烟气换热器、增 压风机等几个部分。 221 烟道挡板 烟气挡扳是脱硫装置投入和退出运行的重要设备，分为f g d 主烟道烟气挡板和 旁路烟气挡板。当f g d 系统运行时，旁路烟道关闭，此时烟道内连接密封空气。旁 路烟道挡板设有快丌机构，保证f g d 系统故障时可以迅速打开，使烟气经旁路烟道 由烟囱排入大气，以确保锅炉正常运行。 221 2 烟气换热器( g g h ) 系统 ( 1 ) 脱硫后湿烟气的处理 在处理高温含硫烟气的湿法烟气脱硫中，烟气在脱硫塔内被冷却、增湿和降温， 烟气的温度降覃6 0 c 左右。将6 0 c 序右的净化气体排入大气后，在一定的气象条件 下将会产生“白烟”。由于烟气温度低，使烟气的抬升作用降低。特别是在净化处 理大量的烟气和某些不利的气象条件下，“白烟”没有远距离扩敞和充分稀释之前 就已降落到污染源周边的地面，容易出现高浓度的s o ：污染。为此，需要对洗涤净 化后的烟气进行二次再加热，提高净化气体的温度。 山十脱硫前烟气温度和烟囱内擘温度基本上大于酸露点温度，故烟气不会在尾 - l 0。霹 一，礴 华北电力人学硕士学位论文 部烟道和烟囱内壁结露，且在负压区不会出现腐蚀问题【l 】。而脱硫后的湿烟气温度 已低于酸露点温度，净烟气中尽管s 0 2 含量降低了，但s 0 3 却脱去很少而且腐蚀性 成分发生了很大变化，有c i 。、s 0 3 厶、s 0 4 2 。、f 。等，必然会对尾部烟道产生腐蚀。 目前，工程上对脱硫后的湿烟气主要有3 种处理方法：烟塔合一法、湿烟囱法 和换热法【32 1 。烟塔合一法可省去烟囱，将脱硫后的烟气送入循环水冷却塔中，与冷 却空气和水蒸气一起从冷却塔顶部排出。在德国，很多电厂采用此法，这种方法不 用g g h ，省去了烟囱的投资，同时可以提高烟气污染物的扩散能力，是电厂总体设 计的重大创新，但目前国内此项技术的应用还很不成熟。美国大多数湿法烟气脱硫 系统采用湿烟囱法。此法不设g g h ，而是设法使烟囱能承受酸腐蚀，必须使用高级 抗腐蚀材料，施工要求高，国内的设计、施工和运行经验还很不足，而且没有解决 烟雨扩散和“烟囱雨”的问题。由于气一气换热法有丰富的制造和运行经验，所以国 内绝大多数大型脱硫工艺采用了换热法。目前普遍采用在脱硫装置后面设置g g h 的办法，将排烟温度提高，从而获得较高的抬升速度。 ( 2 ) g g h 工作原理 图2 3g g h 系统立体图 烟气加热器是一种再生式热交换器，原烟气和净烟气逆向流动，原烟气进入加 热器把热量传给传热元件( 不停旋转的受热面金属) ，然后不停旋动的传热元件把 热量传给逆向流过的净烟气从加热器出来的原烟气进入脱硫塔脱硫，脱硫后的净 烟气进入加热器加热，从加热器出来的净烟气进入烟囱排入大气。 2 2 1 3 增压风机 由于安装脱硫装置后，烟气要经过再热器、脱硫塔再排入大气，使烟气流程变 长，原来用于克服锅炉烟道阻力的引风机已不足以克服脱硫装置所增加的阻力 ( 2 9 4 0 p a ) ，及满足脱硫工艺的要求，因而在脱硫系统中必须设置增压风机。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 增压风机一般有三种：动叶可调轴流风机、静叶可调子午加速轴流风机和离心 式风机。由于动叶可调轴流风机在调节过程中始终位于一个较高的效率区域内，节 能效果显著，因而国外大多选择动叶可调轴流风机。目前国内动叶可调轴流风机技 术大多是引进国外的先进技术。但是动叶可调轴流风机需要一套复杂的液压系统以 驱动其调节机构，占地面积大，维护过程复杂，造价和运行费用较高，且发生故障 后无法现场维修，必须运回制作厂家维修。静叶可调子午加速轴流式风机则可以实 现现场维修，维修时间短，费用较低，功耗适中。 脱硫增压风机在脱硫系统中的位置主要有两种方式：( 一) 增压风机布置在系 统的进口，f g d 装置正压运行。由于增压风机布置在换热器和吸收塔前，风机工作 在热烟气中，其粘污和腐蚀的倾向最小，但由于有效体积流量最大，风机的功耗也 最大，同时原烟气会向净烟气侧泄漏。目前，这种布置方式应用最为广泛。( 二) 增压风机布置在吸收塔之后、换热器之前，吸收塔负压运行。由于风机布置在吸收 塔后面，工作在水蒸气饱和的烟气中，增压风机称为湿风机。由于风机的运行温度 较低，经过风机的烟气体积流量减小，运行能耗低，可降低g g h 的漏风率。但是， 脱硫风机属于“湿风机”，易受到s 0 3 和c l 。的腐蚀左右，磨损严重；同时风机叶片 容易粘污，造成转动不平衡；脱硫塔内为负压，在一定条件下存在衬胶脱落的危险， 影响风机安全运行。两种布置方式如图2 4 、2 5 所示。 图2 - 4 增压风机布置在f g d 系统进口 石膏 图2 5 增压风机布置在吸收塔与g g h 之间 1 3 石膏 。纠匕l h 力人学硕十 位沦文 222s 0 2 吸收系统 s o zl 吸收系统主要包括吸收塔小体、除雾器披7 _ | l 洗水系统、循环采、氧化风机 系统及附榭管道等。 22 21 吸收塔本体 l 吸收塔是烟气脱硫装簧的核心，要求气液接触面积大，气体的吸收反应良好，压 力损失小，并且适用于大容量烟气处理。吸收塔本体结构如图2 - 6 所示。烟气进入 吸收塔内，烟气中的s 0 2 在吸收塔内与石灰石浆液进行接触经过喷淋层净化，s 0 2 被吸收牛成硫酸钙，在氧化空气和搅拌的作用下于反应槽中最终生成石膏。处理 后的烟气流经两个卧式除雾器，将娴气携带的浆液微滴除去。同时烟气中的c 1 、f 和灰坐等人多敬杂质也在吸收塔中被点除。输入的白灰卉浆液进入吸收塔循环泵的 入i1 ，与吸收塔内的石膏浆液混合，通过循环泵将混合浆液向上输送至喷淋层。 吸收塔内主要完成下列工艺步骤：在洗涤浆液中吸收有害气体； 烟气与洗 海装渡分离： 浆液的中千；将中州声物氧化成“骨； 再青结晶析出。 幽2 - 6 吸收塔丰体结构示意倒 i 一烟气出口2 一除雾器3 一喷淋层4 一喷淋区5 一冷却区6 一浆液循环泵7 一氧 化空气管8 一搅拌器9 一浆液池 1 0 一烟气进口1 l 一喷淋管1 2 一除雾器清洗喷嘴 13 一碳化硅空心锥喷嘴 萋炉 华北电力人学硕十学位论文 2 2 2 2 除雾器 湿法f g d 装置中的除雾器通常由除雾器本体及冲洗系统两部分组成。除雾器用 于分离烟气携带的液滴，保护其后的管路和设备不受腐蚀及粘污。除雾器的性能直 接影响到湿法f g d 装置能否连