（化工过程机械专业论文）脱硫喷淋塔内部流场及温度场的数值模拟与研究.pdf

脱硫喷淋塔内部流场及温度场的数值模拟与研究 摘要 工业的迅速发展势必带来电力能源消耗的高峰。火力发电在目前以及今后一段时间 内仍然是电力能源的主要组成部分。在我国，燃煤发电引起的大气环境污染越来越多的 受到人们的重视。火力发电所排放的烟气中二氧化硫( s 0 2 ) 对环境及人的危害巨大。有 效的s 0 2 控制技术不仅能减轻环境污染更可以对硫资源进行回收利用以节约自然资源。 本文以目前常见的石灰石一石膏湿法脱硫工艺中采用的烟气脱硫喷淋塔为研究对象，在 对喷淋塔进行简化建模的基础上，使用g a m b i t 软件对该模型采用非结构化四面体网格 进行网格划分。依据塔内特殊的工况，以湍流k - e 模型、离散相模型、多孔介质模型为 理论基础，采用有限体积法，以速度和压力为原始变量，选用显式差分格式、s i m p l e 算法、二阶精度在f l u e n t 软件中计算了脱硫喷淋塔内的三维流场以及温度场。讨论了不 同机组容量下各个入口形式对喷淋塔内流场以及温度场分布的影响。从模拟的结果来 看，烟气入口的向下倾斜将有利于烟气流动均匀的同时使得塔内入口区的压降阻力明显 降低。但倾斜角度不宜过大，1 5 0 为佳。呈1 2 0 0 入口分布的流场分布效果较1 8 0 0 分布以 及单入口情况下的流场分布效果好，这种优势随着喷淋塔机组容量的增大更加明显，而 且随着机组容量的增大，入口的分布对于流场的影响逐渐减弱。然后根据模拟结果对相 应的设计和运行参数进行定性分析，所得数据与利用热力学原理计算的数据以及实际操 作数据基本符合。证明利用数值模拟的方法计算流场是可行的。最后在分析的基础上， 提出合理的优化措施以及建议，以期为大型脱硫喷淋塔的优化与设计提供理论参考。 关键词：湿法烟气脱硫，喷淋塔，速度场，温度场，数值模拟 t h es i m u l a t i o na n ds t u d yo ft h ef l o wf i e l da n d t e m p e r a t u r e f i e l di n s i d et h es p r a y i n g - - t o w e r a b s t r a c t t h ep e a l ( o fp o w e rc o n s u m p t i o nw i l lb eb r o u g h tb yt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h e i n d u s t r y t h e r m a lp o w e r i ss t i l lt h em a i nc o m p o n e n to fe l e c t r i ce n e r g ya tp r e s e n t m o r ea n d m o r ea t t e n t i o nh a sb e e np a i do nt h ea t m o s p h e r i cp o l l u t i o nc a u s e db yc o a l - f i r e dp o w e ri no u r c o u n t r y t h es u l f u rd i o x i d e ( 8 0 2 ) ，o n eo ft h et h e r m a lp o w e rp l a n tf l u eg a s e s ，i sd a n g e r o u st o t h ee n v i r o n m e n ta n dh u m a n e f f e c t i v e8 0 2c o n t r o lt e c h n o l o g yc a nn o to n l yr e d u c et h e e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nb u ta l s ot h es u l f u rc a nb er e c o v e r e di no r d e rt oc o n s e r v er e s o u r c e s i nt h i sp a p e r , t h es p r a yw h i c hi su s e di nt 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 h a sb e e ns t u d i e d u n s t r u c t u r e dt e t r a h e d r a lm e s hh a sb e e na d o p t e dt h r o u g ht h es o f t w a r eo f g a m b i tb a s e do nt h es i m p l i f ym o d e lo ft h ea b s o r p t i o nt o w e r a c c o r d i n gt ot h es p e c i a l c o n d i t i o n si nt h et o w e r , t h ek - m o d e l ，d i s c r e t ep h a s em o d e l ，p o r o u sm e d i u mm o d e la r e a p p l i e da st h et h e o r e t i c a lb a s i st on u m e r i c a l l yc a l c u l a t et h et h r e e d i m e n s i o n a lf l o wf i e l da n d t e m p e r a t u r ef i e l dt h r o u g ht h es o f t w a r eo ff l u e n t t h ef i n i t ev o l u m em e t h o di sa d o p t e d ； s p e e da n dp r e s s u r ea r ec h o s e na st h eo r i g i n a lv a r i a b l e s t h ei m p l i c i tf o r m u l a t i o n ，s i m p l e a l g o r i t h m ，t h es e c o n do r d e ru p w i n dd i s c r e t i z a t i o na r ea d o p t e d d i s c u s e st h ei n f l u e n c eo n t h ef l o wa n dt e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o nw h i c hi sc a u s e db yv a r i o u se n t r a n c ef o r mi n d i f f e r e n tc a p a c i t yo ft h eu n i t s f r o mt h ec o n c l u s i o nl e a ni n l e ti sb e t t e rt h a nh o r i z o ni n l e t l e a ni n l e tc a nm a k et h eg a sf l o we v e n l ya n dt h ep r e s s u r ed r o p ss i g n i f i c a n t l yl o w e r b u tt h e t i l ta n g l es h o u l dn o tb et o ol a r g e ，b e t t e rt h a n15 0 t h ee n t r a n c eo f12 0 0d i s t r i b u t i o ni sb e t t e r t h a n18 0 0d i s t r i b u t i o na sw e l la ss i n g l ee n t r yc o n d i t i o n so nt h ef l o wd i s t r i b u t i o n t h i s a d v a n t a g eb e c o m e sm o r ea p p a r e n ta su n i tc a p a c i t yi n c r e a s e s m o r e o v e r , w i t ht h ec a p a c i t yo f t h eu n i ti n c r e a s e s ，t h ei n f l u e n c eo fd i s t r i b u t i o no ft h ee n t r a n c et ot h ef l o wf i e l dg r a d u a l l y w e a k e n e d t h e nt h eq u a l i t a t i v ea n a l y s i si sg i v e nt ot h ec o r r e s p o n d i n gd e s i g na n do p e r a t i o n p a r a m e t e r sb a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h ed a t ao b t a i n e di sg e n e r a l l yc o n s i s t e n t 、析m t h ec a l c u l a t e dv a l u e sa sw e l la sa c t u a lo p e r a t i o nd a t a i th a sb e e np r o v e dt h a tt h en u m e r i c a l c a l c u l a t i n gm e t h o du s e df o rg a sf l o wi sr e l i a b l e f i n a l l ys o m er e a s o n a b l es u g g e s t i o n sa n d e f f e c t i v em e a s u r e sf o rt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h ea b s o r b e ra r eg i v e nb a s e do nt h e a n a l y s i si no r d e r t op r o v i d et h e o r e t i c a lr e f e r e n c e s t i k e yw o r d s ：w f g d ，s p r a y i n g - t o w e r , v e l o c i t yf i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n l l i 符号说明 符号说明 4 l - i 喷淋塔的直径： 喷淋塔的入口角度； 妒广入口干烟气体积分数； 龟嘣干烟气的平均定压比容积热容，k j n m 3 。k ； ，广气体的定压比容积热容，k j n m 3 k ； 只饱和水蒸汽压，m p a ； 矗广已知烟气成分饱和烟气湿度，n m 3 水蒸气n m 3 干烟气； 西一入口水蒸气湿度，n m 3 水蒸气h i m 3 干烟气； t r 喷淋塔入口烟气温度，： f 一出口烟气绝热饱和温度，； o o 喷淋塔出口饱和湿烟气温度，； 尸l 喷淋塔内绝对压力，p - - - 0 1 0 3 m 驴a ，流体压强； | i l ，啦一已知烟气成分干烟气定压容积热容，k j n m 3 ： 玩旷一已知烟气成分各温度下的饱和湿烟气定压容积热容，k j n m 3 ； 倚一水在o c 摄氏度时的汽化潜热，k j k g ； 厅旷一入口烟气容积焓，k j n m 3 ； 册广水蒸汽质量，g ； 肌一空气质量，k g ： 眦体常数； 卜热力学温度，k ； 弘一体积；i n 3 ； 研摩尔质量；k g k m o l ： 尸f 一水蒸汽分压，m p a ； 肌干空气分压，i v p a ； 以一水蒸汽千摩尔质量，聪- - 1 8 0 1 6 k g k m o l ； 干空气千摩尔质量，m k = 2 8 9 7 k g k m o l ： 尸旷干烟气分压，m p a ； g ，广_ f g d 入口标态干烟气量，m 3 l l ； m 旷_ f g d 入口标态干烟质量，k g h , g 旷- f g d 入口标态湿烟气量，m 3 i l ； t l f g d 入口烟气温度，； m l 喷淋塔出1 2 1 处烟气携带的饱和水蒸汽量，k g h ； 西北大学硕士学位论文 m r 原烟气中携带的水量，k g h ： 卜姻气从f g d 系统携带走的饱和水蒸汽量，k g h ； 料烟气的含湿量，g 求蒸气k g 千烟气； 弛”1 。一分别为笛卡儿坐标系中x ，y ，z 方向的流速分量，m s ： 瑚体密度，k g m 3 ； 蜥速矢量，m s ： u 扩分别为流体的动力黏度( 与温度和压强有关，其中温度影响较大) 和第二黏度影响系数 ( 通常可以忽略，即取0 ) ，p a s ； r 甩恳一为笛卡儿坐标系中x ，y ，z 方向的体积分量： 阮阮s h 一为三个动量方程的广义源项： 瑚热系数，w m k ； 诉一内热源； ，卜焓，1 0 n m 3 ； 垂一表示由于粘性作用造成机械能转化为热能的部分，k j ； 6 r 由层流速度梯度而产生的湍流动能，i o ： g r 是由浮力产生的湍流动能，k j ； 圪广在可压缩湍流中，由于过渡的扩散产生的波动； c 1 ，c 2 ，c 广是常量； 吩一是k 方程和方程的湍流p r a n d t l 数； 瓯& 一是用户定义的； g 广常量； 蜥湍流速度，n 以： l 卜为流体相速度，m s ： l 幻一为颗粒速度，m s = 办一为颗粒密度( 骨架密度) ，k g m 3 办一为颗粒直径，m m ： 尺乎一相对雷诺数( 颗粒雷诺数) ； c 卜曳力系数； a l ，a 2 , 口3 一常数； 只k 为其它作用力，n ； 脯散相模型中烟气( 连续相) 与液滴( 离散相) 之间的作用力，n ； 唧厂颗粒质量，g ； f - 颗粒与浆液的温度差，； f o ( u 卜单位颗粒质量牵动力，n ； 9 t 符号说明 野一是i 向似y o rz ) 动量源项： d 、c l 觌定的矩阵： 口一多孔介质渗透性： c 一多孔介质内部阻力因子； 炉流体的动力粘度，p a - s ： t 卜梳体的运动粘度，m 2 s ： i i 广- 梳体的焓，k j n m 3 ； 厅广固体介质的焓，k j n m 3 ； 厂- 介质的多孔性； k 广介质的有效热传导系数，w m k ； 厂- 介质的多孔性； 七卜流体状态热传导率，w m - k ；+ 珏一固体介质热传导率，w m k ； s ：流体焓的源项； s ? 一固体焓的源项： 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人 允许论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所等机构 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：挫叁彗指导教师签名：堑缢 知 o 年参只1 9 b 卫氓q 年易只t sb 西北大学学位论文独创性声明 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 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得西北大学或其它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谢意。 学位论文作者签名：劫咏芳 叫。年只l s 日 西北大学顾学位论z 1 i 选题背景及意义 第一章绪论 l1 1 我国的能源构成 二十一世纪的最初十年，我国工业的快速发展，带来能源消耗的高蜂。钢铁、煤炭 产量以及对电力的需求增长迅速。据国家能源局最新披露新中国成立至今，能源形成 了以煤炭为主体、电力为中心、石油天然气以及可再生能源全面发展的能源供应格局， 如图1 1 所示。能源生产供应能力的不断增强，为经济的发展提供了有力支撑。 水电、核电、m 电天然气 石油 8 o o g 0 阁1 - 12 0 0 8 年毳圉檐潭消耗结构图 据有关部门统计，在我国已探明的一次能源储量中煤炭占9 0 ，约占我国能源结构 的7 5 。其中约8 4 的煤炭直接用于燃烧。我国的煤炭产量已多年位居世界第一，2 0 0 8 年更是达到了2 79 亿吨，是1 9 4 9 年的8 7 倍，其中9 0 的煤炭主要用于电力、钢铁、 建材和化工四个行业u 】。由于电力工业发展迅速，2 0 0 8 年我国发电装机和年发电量分别 约为1 9 4 9 年的4 6 0 和8 0 0 多倍。电力装机规模稳居世界第二。截止到2 0 0 8 年底，全国 发电设备容量7 9 亿千瓦，同比增长1 0 3 4 。其中，火电6 0 亿千瓦，约占总容量的 7 58 7 同比增长81 5 ；全国发电量3 4 3 3 4 亿千瓦时，同比增长51 8 0 , 。其中，火电 2 7 7 9 3 亿千瓦时，约占全部发电量8 0 9 5 ，同比增长2 1 7 ，由此可见火力发电在我国 总的电力资源中仍然占据绝对的主体地位。尽管发展迅速，但是仍然不能满足需要。由 此而导致的大气污染必须引起注意。控制燃煤电厂排放的二氧化硫及氮氧化物是目前 我国大气污染控制领域最为紧迫的任务之一i 2 】。 1 12 二氧化硫的污染及危害 电力发展迅猛，必然致使煤炭消费量提高。我国的空气污染主要是煤烟型污染，城 第一章绪论 市上空大量的粉尘以及大面积酸雨污染大都源于煤炭的燃烧。预计到2 0 2 0 年，我国燃 煤需求总量将达到2 9 亿吨。一旦污染得不到控制，全国因燃煤产生的s 0 2 将达到4 3 5 0 万吨f ”，粉尘产生量也会随之大幅度增加，势必对环境带来巨大的潜在压力。如图l - 2 所示，空气中的s 0 2 主要来源于工业燃煤，而工业锅炉以及燃煤发电所排放的s 0 2 占有 相当大的比例。 _ 爆 _ 工 圈工业窑炉 _ 链蹈机车 生活民用 _ 其它( 有色、冶金 图l 燃煤行业中s 0 2 捧放量比例1 1 s h 的大量排放会使城市空气污染不断加剧。对人类和社会的很多方面造成了巨大 的困扰与损失。s 0 2 对人类的危害主要表现在以下四个方面： ( 1 ) s 0 2 危害人体健康。s o ：是一种无色但是具有强烈刺激性气味的气体，在氧化 剂和光的作用下，会生成使人致病、甚至增加病人死亡率的硫酸盐气溶胶，危害人类健 康。 ( 2 ) s 0 2 危害植物生长。研究显示，高浓度s 0 2 会对植物产生急性危害，植物的 叶片表面会出现坏死斑，或直接使植物叶片枯萎脱落。低浓度s 0 2 影响下，植物生长机 能会受到影响，造成产量下降，品质变坏。 ( 3 ) s 0 2 腐蚀金属。大气中s 0 2 对金属的腐蚀主要是对钢结构的腐蚀。据统计， 发达国家每年因为金属腐蚀带来的直接经济损失占国民经济总产值的2 - 4 。金属腐 蚀造成的直接损失远远大于水灾、风灾、火灾以及地震造成的损失总和。金属腐蚀直接 威胁到生活设施、工业设施、咀及交通设施的安全。 ( 4 ) s 0 2 危害生态环境。据统计，全球每年捧放进大气的s 0 2 约1 亿吨，n 0 2 约 5 0 0 0 万吨。s 0 2 的大量排放，导致“酸雨”的形成。酸雨和酸雾危害很大，主要表现为 对湖泊、地下水、建筑物、森林、古文物以及人的衣物构成腐蚀。同时，长期的酸雨作 用还将对土壤和水质产生无法估量的损失。 84 )工 比 西北大学硕士学位论文 2 0 0 9 年1 2 月7 日，联合国气候变化大会在丹麦首都哥本哈根召开。生存环境的急 速恶化又一次引起了人们高度关注。如何在保证人类自身良好发展的同时更好地保护我 们人类所赖以生存的环境，是我们必须去考虑的。本文针对火力发电厂燃煤后所产生的 烟气排放问题进行讨论，重点是利用合理的方法控制和去除烟气中的有害气体s 0 2 ，在 降低脱硫成本的同时提高脱硫效率是确保火力发电行业健康、长期发展的前提。 1 2 国内外烟气脱硫技术综述 由于我国特殊的能源构成以及s 0 2 特有的危害性，如何有效地在发展经济的同时严 格控制s 0 2 的排放引起了有关行业的高度重视。s 0 2 控制技术根据其在煤炭燃烧中处理 位置的不同可分为燃烧前脱硫、燃烧中脱硫、燃烧后脱硫三种方式1 4 。 燃烧前脱硫指的是在燃料燃烧前对其进行洗煤、气化、液化、型煤固硫和利用脱硫 剂脱硫等处理，但是洗煤只可以用作脱硫的辅助手段，从经济角度看煤的气化和液化目 前还不能与石油、天然气竞争【5 1 ；燃烧中脱硫是指如循环流化床燃烧脱硫、炉内喷钙脱 硫等炉内脱硫；燃烧后脱硫即指烟气脱硫( f g d ，f l u eg a sd e s u l p h 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方式。工业化国家普遍认为f g d 是目前最经济 而现实可行方法【6 】。 世界上最早进行f g d 试验的国家是英国，开始于伦敦烟雾事件( 1 9 5 2 年1 2 月) 之后。 上世纪6 0 年代中期，s 0 2 污染成为英国、美国和当时西德环境污染的主要因素【7 1 。美国 与德国随即展开了大规模的研究工作。据有关资料显示，在6 0 年代美国研制的各种烟 气脱硫方法约有2 0 余种，耗资数十亿美元建设了近百个工程项目。德国是欧洲最大的 燃煤国，排出的s 0 2 最多，因此也投入了大量人力与物力【8 】。日本在6 0 年代末开始大 规模应用f g d 装置，到7 0 年代中后期s 0 2 污染基本得到控制。日本也是世界上最早大 规模应用f g d 装置的国家。美、德、日三国大规模应用f g d 装置成效显著，虽然近几 年来三个国家电站装机总量不断增加，但是s 0 2 排放总量却逐年减少。 到目前为止，各个国家研究开发的f g d 技术估计有2 0 0 余种，目前技术成熟、经 济可行的f g d 技术约有十几种。近几年，随着计算机技术的飞速发展以及计算流体力 学理论的日臻完善，国际上在工程的设计与优化中以数值模拟分析为代表的计算机辅助 设计得到广泛的推广。该方法是以工程设计中的新理论、方法作为基础，以计算机计算 为辅助手段的一种可以使结果达到最优化的工程运算方法。 在发达国家，现代的设计技术在f g d 系统研究开发上已经被广泛采用。目前，国 第一章绪论 际上f g d 正在向着更低的运行消耗、更高的可靠性、更高的脱硫效率、更小的维护需 求以及更有针对性等方向发展。利用现代的设计技术可以使得f g d 的系统设计更为简 便与高效，从而开发出更为精良的烟气脱硫设备。 我国的f g d 技术起步较晚，研发方面采取的是联合设计、引进技术等方式 9 1 。目前 正逐步掌握设计参数、主设备选用、工艺系统设计等关键技术。就目前国内的f g d 发 展现状来看，实现f g d 的完全国产化仍然有很长的路要走，虽然大规模引进国外的设 备可以促进国内脱硫产业的发展，但是没有核心技术的支持也使得整个系统在运作时困 难重重，加之靠引进国外技术所耗的设备以及运行费用很高，影响了国内脱硫技术的进 展。除此以外，由于无法获得软件背后的数据库使得“经验收集一数据库一工程实践一经 验积累一技术升级一实验检验”这条技术升级循环无法开展，无法为用户提供长期的升级 服务【l o 】。但是靠自行开发走长期积累、大量试验的路在当前f g d 技术快速发展以及对 环境保护越发重视的时代是行不通的，必须另辟蹊径使得国内的f g d 技术能快速、高 效地发展，而要加快脱硫技术和设备国产化，就需掌握核心技术。 脱硫喷淋塔是湿法f g d 系统的主要设备，大部分需要进口的设备都集中在喷淋塔 内。它直接影响整套f g d 系统的安全、稳定运行。脱硫喷淋塔是整套脱硫设备设计的 重点。但相比于常见的过程设备，脱硫喷淋塔具有大直径、大开口、薄壁的结构特点， 加之其内部过程复杂，防腐蚀的要求相比较高，对于化工过程设备的设计是个难题】。 传统的喷淋塔设备设计方法是采用常规的试验方法，通过试验平台的建立来获取喷 淋塔运行过程中的某些参数，或者从已经运行的设备上取得数据，进而归纳总结出塔内 过程的一般规律【1 2 1 。但是就目前f g d 行业的发展现状来看，这条路所耗的时间以及经 费都是巨大的，并不适合f g d 技术相对落后国家脱硫技术的快速发展。 而计算流体力学c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 工具的引入为没有 很强大的经济实力和长期经验积累的后来者进入f g d 和新技术领域并实现超越创造了 前提条件【1 3 j 。利用其强大功能建立f g d 系统设计工具可以对喷淋塔进行全尺寸数值模 拟，获取喷淋塔内部的局部以及瞬时数据，得出定性、定量分析的结果。指导喷淋塔优 化设计的同时对于喷淋塔内的复杂过程分析也有重要的帮助。相比较于传统的设计方 法，将计算流体力学的工具引入喷淋塔的设计，不仅节约了技术开发支出，加快了f g d 产业国产化的发展进程，同时也有益于新技术的开发与利用，也对将来f g d 系统的安 全稳定运行有重要意义【1 4 l 。 4 西北大学硕士学位论文 1 3f g d 技术的主要工艺 普遍认为f g d 技术是当前控制s 0 2 最为有效的途径，也是在燃料一燃烧一排放过程链 中处于终端保障性的控制手段【1 5 】。经过近半个多世纪的发展和不断优化，f g d 技术发展 现已趋于成熟，工程效果十分显著。目前f g d 按照脱硫产物是否回收可以分为抛弃法和 再生回收法。抛弃法是指把脱硫产物直接排放丢弃的方法，而再生回收法则是将脱硫副 产物回收利用【1 6 】。按脱硫剂与脱硫产物的干、湿形态可分为湿法烟气脱硫、半干法烟气 脱硫和干法烟气脱硫三种。 1 3 1 湿法烟气脱硫工艺 自从上世纪6 0 年代以来，f g d 技术有了长足的进展。由于湿法脱硫工艺的成熟性、 可靠性和应用普遍性，目前约占整个f g d 市场的8 0 ，且其中的9 0 采用传统石灰 石灰石一石膏湿法脱硫工艺。 湿法f g d 工艺中的吸收剂大多数采用的是碱性浆液或者溶液，碱性浆液与烟气中 的s 0 2 反应从而除去烟气中的s 0 2 。目前，以石灰石或者石灰作为吸收剂的湿法脱硫方 式较为普遍。反应的产物硫酸钙在浆液池中沉淀，后经分离处理以石膏的形式回收利用。 该系统运行的可行性高达9 9 t 1 7 1 。 其它湿式脱硫工艺有用钠基、镁基、海水或氨作为吸收剂，一般只用于小型电厂和 工业锅炉。以海水为吸收剂的工艺具有结构简单、不用投加化学品、投资小和运行费用 低等特点。氨洗涤法可达到很高的脱硫效率，副产物硫酸铵和硝酸铵是可出售的化肥。 1 3 2 半千法烟气脱硫工艺 半干法烟气脱硫的主要工艺为喷雾干燥法( s d a ) ，其市场占有率仅次于湿法。该法 是将吸收剂浆液c a ( o h ) 2 在反应塔内喷雾，雾滴在吸收烟气中s 0 2 的同时被热烟气蒸发， 生成固体并由电除尘器捕集【1 7 1 。s d a 法适于中、低硫煤地区，当钙硫比为1 3 - - 1 6 时， 脱硫效率可达8 0 - - 9 0 。但是它的主要缺点是利用消石灰乳作为吸收剂，系统易结垢 与堵塞，而且吸收剂的制备需要专门的设备，因而投资费用偏大，脱硫效率和吸收剂利 用率也不如石灰石一石膏法高【1 8 】。 1 3 3 干法脱硫工艺 上世纪8 0 年代发展起来的烟气循环流化床脱硫技术( f g d - - c f b ) ，因其高效、成本 低、占地面积小等特点在我国引起广泛重视【1 7 1 。该工艺属于干法烟气脱硫工艺。该工艺 第一章绪论 按照所用吸收剂的不同可以分为钠基或者钙基工艺。吸收剂可以是呈干态、湿态或呈浆 液状喷入炉膛、省煤器以及烟道。此工艺由于比较简单，占地面积小，比较适合于老电 厂的改造。一般的脱硫效率可达5 0 - 7 0 。该工艺对吸收剂的利用率可达5 0 。但吸收 剂的重新使用以及产物的回收使得该工艺比较复杂，增加了成本的支出【l 引。 如表1 1 所示，据英国i e a 报告统计，湿式工艺用于燃煤含硫量小于1 的装置占2 3 ， 用于含硫量1 - 2 的占2 8 ，用于含硫量大于2 的占4 8 ；喷雾干燥法用于燃煤含硫量 小于1 的装置占2 2 ，用于含硫量l 2 的占4 7 ，用于含硫量大于2 的占3 1 ；吸收 剂喷射工艺用于燃煤含硫量小于1 的装置占6 7 ，用于含硫量1 - - - 2 的占2 2 ，用于含 硫量大于2 的占1 1 附1 9 1 。 表1 1不同燃煤含硫量下所采用的脱硫工艺百分比f 1 9 1 蠢一兰 2 湿式工艺 2 3 2848 喷雾干燥法2247 3 l 吸收剂喷射工艺 6 7 2 2 1 1 根据相关研究表明由于我国的煤炭资源含硫量较高，石灰石一石膏湿法f g d 技术是 我国火电厂大中型机组f g d 改造的首选方案。该技术具有以下特点：脱硫效率高。 技术成熟，运行可靠性好。对煤种变化的适应性强。占地面积大，一次性建 设投资相对较大。吸收剂资源丰富，价格便宜。脱硫副产物便于综合利用。技 术进步快【2 0 1 。 1 4 烟气脱硫的设备 在目前一段时期内，湿法脱硫工艺仍将在f g d 市场上占据主导地位。资料显示，对 湿法f g d t 艺的研究已经比较深入，特别是对其关键部分即喷淋塔( 反应器) ，已从传统 的喷雾塔、填料塔、双回路塔发展到喷射鼓泡反应器。脱硫喷淋塔是湿法脱硫的核心设 备，目前国内主要是引进国外技术【2 1 1 。但是这种方式存在很多弊端。从长远看并不利于 我国脱硫产业的自主发展。随着人们对于生存环境的日益重视，使得s 0 2 控制技术的国 产化具有更为重要的意义。工业上常采用的脱硫塔( 器) 如表1 2 所示。 6 西北大学硕士学位论文 1 4 1 喷淋塔 如图1 3 所示，典型的喷淋塔主要由浆液池、喷淋层、除雾器、烟气进出口以及一 些辅助的运输管线组成。 图l - 3 脱硫喷淋反应塔结构图 一般情况下，喷淋塔采用的都是烟气与浆液逆流接触的方式【2 l 】。即喷淋浆液由设在 塔体外侧的循环泵送入塔内的分层布置的喷淋层后由喷嘴喷出形成了细小的液滴。高温 烟气经过烟气再热器降温后由入口进入塔内，与喷淋的液滴接触反应。在此过程中烟气 中的s 0 2 、粉尘以及大部分的杂质被除去。这些杂质随着喷淋浆液落入喷淋塔下部的浆 液池中，经处理生成可回收利用的石膏。除去杂质的烟气经除雾器除去大部分水份后经 7 第一章绪论 烟气再热器升温后排向大气。喷淋塔的内部构件不是很多，因此结垢的可能性不高，阻 力较低。该技术的发展比较成熟，改进型的喷淋塔如具有托盘结构的喷淋塔、具有浆液 再分配圈的喷淋塔、添加文丘里棒层的喷淋塔等等。 1 4 2 填料塔 最早的脱硫塔型就是填料塔( t u r b u l e n tb e dc o n t a c t o r ) ，在该塔型中使用的填料为聚 乙烯球或泡沫球1 2 1 1 。填料塔目前主要有两种形式：格栅填料和湍球塔( 三相流化脱硫塔) 。 如图l - 4 所示，格栅填料塔是在填料塔内设置的格栅上将填料整齐排放。操作的时候， 位于填料塔顶部的喷淋装置把喷淋浆液均匀地喷在格栅上。喷淋的浆液顺着格栅往塔体 下部流动1 2 。烟气的进口设在填料塔的顶部，烟气进入塔体后顺着填料的空隙下降，与 喷淋浆液顺流接触。烟气中的8 0 2 被吸收浆液溶解吸收，除去s 0 2 后的烟气从塔底的氧化 池上部经过进入除雾器。该塔型的优点是气一液两相传质较充分，缺点是由于腐蚀、磨 损、堵塞以及耐热性方面的原因，系统长期稳定运行比较困难、系统阻力较大、结垢严 重，处理起来困难、运行和维护工作量比较大。 鳖lf 空气 t 州 j 。：上 艇 图1 - 4 格栅填料反应塔结构图 湍球塔是由日本石川岛播磨重工( i h i ) 开发的以气相为连续相的逆向三相流化床， 用充填球作填料，使得接触效果比较好，净化后烟气从塔顶排出。具有脱硫效率高、石 灰利用率高、结垢风险小、传质效率高、适用于大容量机组等优点。 1 4 3 液柱塔 如图1 5 所示，在液柱塔中烟气从脱硫喷淋塔的底部进入喷淋塔内部，先和自吸塔 底部向上喷射的浆液液柱顺流接触，喷出的浆液柱到达最高点后会散开形成向下落的液 滴，该液滴再与烟气自上而下逆流接触【2 。该塔型的特点是液柱向上喷射并自由落下延 长了浆液在吸收区内的停留时间。在整个脱硫塔吸收区液滴破碎和凝聚一直发生致使新 8 西北大学硕士学位论文 表面不断产生。根据表面更新理论，新产生的表面吸收能力非常强，促进s 0 2 的吸收。 液柱塔由于喷嘴的特殊设计，比喷淋塔产生堵塞和结垢的可能性要小得多伫2 1 。采用液柱 塔比采用喷淋塔烟气中携带的含水量少，但是液柱塔内烟气与脱硫剂浆液的充分接触， 使得烟气中携带一定的浆液滴。 图1 5 液柱脱硫反应塔结构图 1 4 4 鼓泡塔 鼓泡塔技术由日本千代田公司开发研制。溢流筛板塔、鼓泡脱硫塔等皆属于鼓泡塔。 如图1 - 6 所示，烟气进入反应塔后，导入储液槽，气体以气泡的形式自下而上运动，与 吸收剂接触，气体中的s 0 2 被溶解吸收，最后气体被导出反应塔。该技术将s 0 2 的吸收、 氧化、中和、结晶以及除尘等几个必不可少的工艺过程合到一个单独的气一液一固三相反 应器中进行。鼓泡塔传质效率较高，但其内部结构较复杂，容易产生结垢和堵塞2 2 1 。 图1 _ 6 鼓泡脱硫反应塔结构图 目前，世界上运行的脱硫装置中有相当大的一部分为喷淋塔，我国的石灰石一石膏 湿法脱硫中绝大部分采用喷淋塔。由于火电厂烟气中s 0 2 浓度较低，体积分数一般小于 3 0 0 0 x1 0 6 ，且s 0 2 易溶于水，达到9 0 以上脱硫效率仅需2 3 个传质单元数，适合选用 喷淋空塔【2 御。此外，喷淋空塔具有阻力小，内构件少，不易结垢等优点，如表1 3 所示。 9 第一章绪论 以上两个方面因素，使喷淋空塔成为湿式石灰石一石膏湿法烟气脱硫工艺的主导塔型。 表l - 3 常用脱硫吸收设备优缺点比较1 2 3 j 1 5 本文研究主要内容以及方法 本文结合工程实际的需要，主要是对大型石灰石一石膏湿法烟气脱硫喷淋塔内部的 流场及温度场利用数值模拟的方法进行分析与研究，研究内容如下： ( 1 ) 根据所研究的脱硫喷淋塔设计参数，对喷淋塔进行热量及水衡算。分别计算 出3 0 0 m w 、6 0 0 m w 、1 0 0 0 m w 机组容量下喷淋塔的烟气出口温度以及出口烟气带走的 饱和水蒸汽。对各机组性能进行评价的同时，为后面数值模拟数据的验证作准备。 ( 2 ) 对喷淋塔的内部构件以及操作条件进行简化处理，建立数值模拟的计算模型， 对模型离散化后加入相应的边界条件。 ( 3 ) 在未加喷淋的条件下对喷淋塔内部流场分布进行数值模拟分析，主要是从各 个塔型及入口形式下的塔内的压力场及速度场的分布情况比较不同喷淋塔入口形式、塔 径尺寸、烟气参数等边界条件下的流场，确定最合理的流场形式。 ( 4 ) 根据所选取的流场形式在加入喷淋的条件下主要从流线的分布以及压降阻力 的角度继续对喷淋塔内的两相逆流的流场进行分析比较。 ( 5 ) 对喷淋塔内的温度场进行数值模拟分析，从喷淋塔内温度场的分布情况进一 步对喷淋塔内的两相分布情况进行对比分析。对各个机组容量下喷淋塔的入口分布形式 对于喷淋塔内温度场的分布的影响进行分析与研究。 ( 6 ) 整理数值模拟的数据结果，对喷淋塔内的压力、速度规律分布进一步进行对 比分析。从s 0 2 的吸收角度对喷淋塔进行整体的评价。将数值模拟的数据与计算数据以 及实际的操作数据进行对比分析，对数值模拟的结果进行验证，以期为大型脱硫喷淋塔 的设计、优化提供参考。 1 0 西北大学硕士学位论文 第二章石灰石一石膏湿法脱硫工艺流程及其计算 2 1石灰石一石膏湿法脱硫反应原理 石灰石一石膏湿法脱硫工艺的主要反应都是在脱硫喷淋塔内进行，脱硫过程的主要 反应式如下： ( 1 ) 烟气中的s 0 2 与浆液中碳酸钙发生反应，生成亚硫酸钙： c a c 0 3 + s 0 2 + h 2 0 一c a s 0 3 h 2 0 + c 0 2 ( 2 ) 通过烟气中的氧和亚硫酸氢根的中间过渡反应，部分的亚硫酸钙转化成石膏 ( 二水硫酸钙) ： c a s 0 3 f i e o + s 0 2 + h 2 0 寸c a ( h s 0 3 ) 2 + h 2 0 c a ( h s 0 3 ) 2 + 0 2 + 2 h 2 0 争c a s 0 4 2 h 2 0 + s 0 2 + h 2 0 ( 3 ) 吸收塔浆液池中剩余的亚硫酸钙通过由氧化风机鼓入的空气发生氧化反应， 生成硫酸钙。 c a s 0 3 。h 2 0 + 0 2 + 2 h 2 0 - - c a s 0 4 2 h 2 0 + h 2 0 ( 4 ) 同时也伴随有其它的化学反应发生：三氧化硫，氯化氢和氢氟酸与碳酸钙的 反应，生成石膏、氯化钙和氟化钙： c a c 0 3 + s 0 3 + 2 h 2 0 c a s 0 4 2 h 2 0 + c 0 2 c a c 0 3 + 2 h c i c a c l 2 + h 2 0 + c 0 2 c a c 0 3 + 2 h f c a f 2 + h 2 0 + c 0 2 该反应过程可描述如下，高温烟气经过烟气再热器( g g h ) 冷却后，进入脱硫喷淋 塔与喷淋层喷淋的石灰石浆液逆流接触。烟气中的二氧化硫被吸收，生成了石膏。其余 的烟气经过除雾器除去烟气所带的大部分液滴后，再次经过g g h 升温后排向大气。注 入的石灰石浆液对喷淋塔中的p h 值进行调节与控制。喷淋塔中的p h 值一般在5 5 “2 之间【2 4 卜【2 7 1 。有利于二氧化硫的吸收。 2 2 石灰石一石膏湿法脱硫工艺流程 如图2 1 所示，典型的石灰石石膏湿法脱硫工艺系统主要包括五个部分2 6 1 ：烟 气系统；吸收系统；吸收剂制备系统；石膏脱水及储存系统；废水处理系 统及公用系统。石灰石石膏湿法脱硫的基本工艺流程如下【2 8 1 【3 0 1 ： 第二章石灰石一石膏湿法脱硫工艺流程及其计算 图2 - 1 石灰石一石膏湿法脱硫工艺流程2 7 j 烟气经电除尘器除尘过后，通过增压风机以及烟气再热器( g g h ) ( 可选) 降温后进 入喷淋塔。喷淋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。循环浆液 通过喷淋层内设置的喷嘴喷射到喷淋塔中，脱除s 0 2 、s o a 、h c l 和h f ，同时在“强 制氧化工艺的处理下反应副产物被导入的空气氧化成为石膏( c a s 0 4 2 h 2 0 ) ，消耗吸 收剂的石灰石。循环浆液通过浆液循环泵向上输送到喷淋层中通过喷嘴进行雾化，使气 体和液体得以充分接触。通常采用单元制使得每个泵与其各自的喷淋层相连接。 在脱硫喷淋塔中石灰石与s 0 2 反应生成石膏，这部分石膏浆液通过石膏浆液泵排 出，进入石膏脱水系统。经过净化处理的烟气流经除雾器除雾，把清洁烟气中携带的浆 液雾滴除去，同时按照特定的程序不时地用工艺水对除雾器进行冲洗，防止除雾器堵塞 的同时作为补充水稳定喷淋塔液位。 喷淋塔出口烟气一般被冷却到4 6 5 5 左右且为水蒸气所饱和。通过g g h 将烟气 加热至8 0 以上，使烟气的抬升高度和扩散能力得到提高。最后，洁净的烟气通过烟 道进入烟囱排向大气口1 l 。 2 3出口烟气温度计算 在脱硫喷淋塔内，可以把热烟气的洗涤过程简化为绝热增湿过程考虑，这个过程需 要蒸发大量的水分。而耗水量是衡量f g d 系统优劣的一项重要的指标。在f g d 系统中 耗水量最大的部分来源于净烟气中所带走的饱和水蒸汽。此部分的耗水量与喷淋塔的出 口烟气温度呈线性关系口2 1 。计算出所设计工况下的出口烟气温度则可以得出整个f g d 系统的耗水量。在评价f g d 系统性能的同时可对后面数值模拟的结果进行检验。表2 1 所示为与数值模拟的脱硫喷淋塔物理原形相应的进口烟气组成。对该喷淋塔出口烟气温 度计算的具体过程如下： 1 2 西北大学硕士学位论文 ( 1 ) 先根据f g d 入口烟气的组成确定干烟气体积分数仍( f = c 0 2 ，0 2 ，n 2 ，s 0 2 ) o ：= 1 3 4 1 ，缈o ：= 6 0 0 ， 9 n ：= 8 0 4 3 ，2 = 0 1 6 ( 2 ) 然后计算入口干烟气的平均定压比容积热容，公式如下： ，c 只咄屯怖，k ) 2 2 嘲：+ 吼：+ ：x c p ，n ：+ ：啪： ( 2 1 ) 其中： c b v 2 = 1 5 0 2 4 1 k j ( n m 3 k ) ； c p 舯2 = 1 1 9 5 0 1 k j ( n m 3 k ) ； c p ，州2 = 1 18 4 2 8 k j ( n m 3 k ) ； = s 啦= 1 7