（动力工程及工程热物理专业论文）喷雾干燥脱硫塔内气液两相流动与传热传质动态特性.pdf

simulation on gas-liquid flow and heat the flow field is more uniform after adding the flow equalization board, and it showed symmetrical basically and no adherent phenomenon. versus increasing flow equalization board in sda under reverse injection comparied of the gas phase filed without injection. since the initial speed difference is great between slurry and gas，the slurry play a obviously disturbed effect for flue gas flow on the tower. the injection height is an important factor effecting the flow characteristics of 重庆大学硕士学位论文 iv sda. injection too high or too low will cause uneven distribution of flow, lack of disturbance and excessive evaporation rate in the entire tower. flue gas inlet velocity is the main factor effecting the flow characteristics of sda, too high velocity will cause contact time is inadequacy, too low will increase operating costs. when too much injection pressure, the slurry will into the equalization board are the department of the hour jet has a range insufficient, and the contact time is short, these will affect the desulfurization efficiency. the simulation for the physical model that is running the best parameters for a high injection 2m, injection pressure for 6mpa, imports of flue gas flow rate of 4 m/s.there are better results for enhancing the heat and mass transfer and increasing efficiency desulphurization with such model. in the best operating parameters, the analysis of the different diameter of the particles that its characteristic of displacement and speed changes, the results showed that the diameter is too big that the trip is long and contact time is long with heat smoke. the size is too big that are easy to upthrust the flow equalization board. the size is too small that the speed of evaporation is too quickly.the atomization of the appropriate size of the drop slurry on improving the efficiency of heat transfer and desulfurization is important. the study found that over time increase, so2 concentration gradually decreased in size, the efficiency of absorption is gradually increasing, and with the increased size, slurry drops to extend the existence of time, the greater the temperature difference between import and export of gas. inspected 80 m diameter of a single particle slurry drops, around the flue gas temperature along the trajectory of change as the operating parameters of absorbent so2 absorption of the dynamic changes at the first time, smoke was found that the temperature increase, with the increase in absorption efficiency, the adsorption efficiency can be achieved around 84 percent. this study lay the theoretical foundation for progress in the field of engineering and technological innovation by using the small and medium-sized spray drying, has very important significance and academic works practical significance. key words: desulphurization, gas-liquid two-phase, spray drying, heat and mass transfer 目 录 v 目 录 中文摘要中文摘要 . i 英文摘要英文摘要 . iii 主要符号表主要符号表 . ix 1 绪论绪论 . 1 1.1 研究本课题的背景及课题来源研究本课题的背景及课题来源 . 1 1.2 常见烟气净化处理技术概况常见烟气净化处理技术概况 . 2 1.2.1 干法脱硫工艺 . 2 1.2.2 湿法烟气脱硫工艺 . 3 1.2.3 半干法烟气脱硫工艺 . 4 1.3 sda 烟气净化技术概况烟气净化技术概况 . 5 1.3.1 sda 净化烟气的工艺流程 . 6 1.3.2 净化过程机理分析 . 6 1.4 sda 内流动及传热传质的研究现状内流动及传热传质的研究现状 . 7 1.4.1 流动特性研究 . 7 1.4.2 吸收剂与 so2传热传质特性研究 . 8 1.5 本课题主要工作及研究内容本课题主要工作及研究内容 . 11 2 sda 物理模型和主要参数的优化确定物理模型和主要参数的优化确定 . 13 2.1 几何模型几何模型 . 13 2.2 参数的优化确定参数的优化确定 . 14 2.2.1 烟气量的计算 . 14 2.2.2 吸收剂量的计算 . 15 2.3 雾化喷嘴的确定雾化喷嘴的确定 . 16 2.4 小结小结 . 18 3 sda 内气液两相流动的数学模型内气液两相流动的数学模型 . 19 3.1 模型的基本假设模型的基本假设 . 19 3.2 数学模型数学模型 . 19 3.2.1 气相数学模型 . 19 3.2.2 液滴相运动模型 . 22 3.2.3 液滴相蒸发模型 . 23 3.3 数值计算方法数值计算方法 . 24 3.3.1 气相控制方程的数值解法 . 24 重庆大学硕士学位论文 vi 3.3.2 液滴相控制方程的数值解法 . 24 3.4 计算区域的网格划分计算区域的网格划分 . 25 3.5 边界条件及数值计算工况边界条件及数值计算工况 . 25 3.5.1 边界条件 . 25 3.5.2 数值计算工况 . 26 3.6 小结小结 . 26 4 sda 内气液两相数值计算结果与分析内气液两相数值计算结果与分析 . 27 4.1 加均加均流板前后气相速度场特性分析流板前后气相速度场特性分析 . 27 4.2 有无喷射浆液气相速度场特性分析有无喷射浆液气相速度场特性分析 . 29 4.3 浆液喷射位置对流动特性的影响分析浆液喷射位置对流动特性的影响分析 . 30 4.3.1 干燥塔内气相速度场及温度场特性分析 . 30 4.3.2 颗粒相流动特性及蒸发特性分析 . 33 4.4 烟气流速对流动特性的影响分析烟气流速对流动特性的影响分析 . 36 4.4.1 干燥塔内速度场及温度场特性分析 . 36 4.4.2 颗粒相流动特性及蒸发特性分析 . 40 4.5 浆液喷射压力对流动特性的影响分析浆液喷射压力对流动特性的影响分析 . 43 4.5.1 干燥塔内速度场及温度场特性分析 . 43 4.5.2 颗粒相流动特性及蒸发特性分析 . 46 4.6 不同粒径颗粒流动特性及蒸发特性研究不同粒径颗粒流动特性及蒸发特性研究 . 49 4.7 小结小结 . 51 5 浆滴颗粒浆滴颗粒传热传质传热传质动态特性的数值研究动态特性的数值研究 . 53 5.1 碱性浆滴碱性浆滴脱除脱除 so2的机理的机理 . 53 5.2 数学模型数学模型 . 53 5.2.1 传热模型 . 54 5.2.2 so2传质方程 . 55 5.3 数值计算数值计算 . 56 5.3.1 数值计算方法 . 56 5.3.2 模型计算参数 . 56 5.4 计算结果与分析计算结果与分析 . 57 5.4.1 不同粒径时模型计算结果 . 57 5.4.2 不同烟气温度时计算结果 . 60 5.5 小结小结 . 61 6 结论及展望结论及展望 . 63 6.1 结论结论 . 63 目 录 vii 6.2 展望展望 . 64 致致 谢谢 . 65 参考文献参考文献 . 67 附附 录：录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录 . 71 重庆大学硕士学位论文 viii 主要符号表 主要符号表 流 体 粘 度 kg/m s c k 对流传质系数 m/s p 浆滴密度 kg/m3 g 烟气密度 kg/m3 p d 浆滴直径 m p c 浆滴比热 j/kg-k u 流体速度 m/s p u 浆滴速度 m/s p a 浆滴表面积 m2 mp 浆滴重量 kg p t 浆滴温度 k g t 烟气温度 k b t 沸腾温度 k h 对流换热系数 w/m2 k w 汽化潜热 kj/kg dv 蒸汽的扩散系数 m2/s m 水的摩尔质量 kg/mol ,0p m 颗粒初始质量 kg f 浆滴中水的质量分数 s c 浆滴表面水汽的质量浓度 kg/m3 c 湿空气中水汽的质量浓度 kg/m3 ml 浆滴中水分质量 kg s m 浆滴中固体质量 kg g 热导率 w/m k h k 以湿含量表示的传质系数 m/s g v 浆滴周围围绕的烟气量 m3 g d 气体的扩散系数 m2/s g 烟气流量 m3/s a c 气体体积浓度 mol/m3 v d 蒸汽的扩散系数 m2/s a p 气体的分压 pa r 通用气体常数 * p y 浆滴表面比湿度 kg/kg g y 气体主体比湿度 kg/kg v 烟气与液滴的相对速度 a n 单位时间内酸性气体的传质通量 mol/m2.s 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究本课题的背景及课题来源 我国经济的持续快速发展和人民生活水平的提高，对电能的需求也不断增大。 我国的资源结构是煤多，石油和天然气少，所以我国的电力以燃煤为主，伴随着 电力需求的增大，产生了大量的酸雨、温室气体和粉尘等有害物质，其中最严重 的污染物就是形成酸雨的二氧化硫。so2是一种无色有臭味的窒息性气体，是目前 大气污染中量大面广的一种气态污染物。它对人体危害极大，单独存在时，它主 要刺激粘膜，引起呼吸道感染。同时它还能与可吸入颗粒物结合，进入人体肺部， 引发各种恶性疾病。 在湿度较大的空气中 so2可由 mn 或 fe2o3等催化作用而变成 硫酸烟雾，此时它的毒性比 so2本身大十倍，对人和生物造成很大的危害。所以 提高烟气净化效率就是刻不容缓的问题了。 人为排放到大气中的 so2和 nox 主要来源于化石燃料燃烧产生的烟气。相比 于石油和天然气等高品位能源，煤炭是一种低品位的化石能源。我国煤炭大多是 直接燃烧，造成烟尘和 so2等污染物大量排放到环境中，而我国又是燃煤大国， 煤炭占一次能源消费总量的 751。二氧化硫排放总量居世界首位，酸雨和二氧 化硫污染造成的经济损失每年在 1000 亿元以上。我国二氧化硫排放量的 90、氮 氧化物排放量的 70来自燃煤，而其中的 50左右来自火电厂；2004 年，火电行 业二氧化硫排放总量高达 1300 多万吨，2005 年排放量接近 1600 万吨。 最新研究表明，每排放一吨二氧化硫可造成近 2 万元的经济损失，这不仅影 响了电力的可持续发展，更影响了中国可持续发展战略的实施。因此，削减和控 制燃煤二氧化硫污染势在必行2。在我国 2004 年 4.4 亿 kw 电力装机容量中，火 电达到 3.25 亿 kw，占全部装机容量的 73.9和发电量的 82.6；2005 年，我国 电力装机容量突破 5 亿 kw，燃煤火电所占比重还在增加。我国能源结构的特点决 定了控制二氧化硫污染的关键是控制火电厂二氧化硫的排放量。因此预计，未来 若干年全国需要安装大量的烟气脱硫装置，装机容量要超过 44000mw。面对如此 巨大的治污空间，选择技术成熟、可靠性高的脱硫装置就显得尤为关键。而烟气 脱硫（flue gas desulphurization，简称 fgd）作为世界上唯一大规模商业化应用的 脱硫方法，是控制酸雨和 so2污染最为有效和主要的技术手段。 在喷雾干燥烟气脱硫工艺上，我国电力工业从 80 年代中期加大了试验研究力 度，扩大了试验规模，在四川白马电厂建立了处理烟气量为 7 l04nm3/h 的旋转喷 雾干燥法脱硫工业性试验装置，试验虽获得成功，但未能继续推广。我国烟气脱 硫工程中处理工艺选择上多采用湿法工艺，环发2002 26 号文件3提出的脱硫路 重庆大学硕士学位论文 2 线中指出：对于燃用中高硫煤(含硫2%)机组、或大容量机组(200mw)的电站锅 炉，应采用技术成熟可靠、脱硫效率在 95%以上的烟气脱硫技术，如湿式石灰石/ 石膏法技术；燃用中低硫煤(含硫2%)的中小机组(200mw)的电站锅炉建设烟 气脱硫设施时，可采用半干法、干法或其他经济性较好且较为可靠的技术，脱硫 率也应保证在 75%以上，因此用半干法工艺烟气脱硫的研究也很有必要。 喷雾干燥烟气脱硫系统本身是一套复杂的系统，脱硫塔作为其核心部件，对 整套脱硫设备的脱硫效率起着决定性的作用。脱硫塔内如:流体速度场的分布、喷 射高度的选择、塔内温度场的变化等各种运行参数对烟气脱硫效率有极大的影响。 但是，由于脱硫塔内部喷雾干燥过程中气-液两相之间同时发生比较复杂的物理化 学变化，并发生质量传递、动量传递、热量传递现象，在实际操作中很难用仪器 进入脱硫塔内对各参数进行测量，而且，迄今为止尚无通用的计算方法和计算公 式来反映运行参数和脱硫效率之间的关系。随着计算流体力学理论的逐步完善和 计算流体力学软件的开发和发展，国内外一些研究者开始利用这些理论和软件来 进行脱硫塔内部流体环境的模拟，并以此来优化各种影响脱硫效果的参数，取得 了比较可观的社会和经济效益。同时，有很多研究机构都对喷雾干燥法净化烟气 做过深入的研究4,5,6,7,8；在工业上，大量的净化工艺流程应用于实践。但目前多数 脱硫塔采用的喷雾方式是顺向并流式9,10,11， 即烟气与浆液是同一方向进入干燥塔。 那么对于逆向喷雾模式的脱硫塔，研究其塔内流场及浆滴吸附 so2特性，掌握脱 硫塔内部流场的流动特性及喷雾器设置的规律，对于设计合理的脱硫塔内部结构， 调整最佳的系统操作参数等具有十分重大的意义。 本课题拟进行 sda 内气液两相流动与传热传质动态特性相关的数值计算。课 题来源于重庆市重点自然科学基金项目（编号：cstc2006ba7035） 。 1.2 常见烟气净化处理技术概况 目前，国内外火电厂采用的脱硫工艺有百余种。本文按脱硫方法来对脱硫技 术进行一个简单的概括，即分为干法、半干法和湿法烟气脱硫。 1.2.1 干法脱硫工艺 干法的特点是，反应在无液相介入的完全干燥的状态下进行，反应产物也为 干粉状，不存在腐蚀、结露等问题。其主要代表工艺如下： 炉内吸收剂喷入炉内吸收剂喷入 炉内吸收剂喷入是为投资成本低，脱硫率要求中等这种目的而开发的另一种 烟道气脱硫技术。该技术是将熟石灰喷入锅炉燃烧室炉膛内，以吸收 so2。用过的 吸收剂同飞灰一起在静电除尘器或纤维织网过滤器中被排出。最终产品是灰和钙 化合物的混合物。 1 绪论 3 等离子体烟气脱硫技术等离子体烟气脱硫技术 等离子体烟气脱硫技术12研究始于 70 年代，目前世界上已较大规模开展研究 的方法有 2 类：电子束辐照法(eb)电子束辐照含有水蒸气的烟气时，会使烟气 中的分子如 o2、 h2o 等处于激发态、 离子或裂解， 产生强氧化性的自由基 o、 oh、 ho2和 o3等。这些自由基对烟气中的 so2和 no 进行氧化，分别变成 so3和 no2 或相应的酸。在有氨存在的情况下，生成较稳定的硫铵和硫硝铵固体，它们被除 尘器捕集下来而达到脱硫脱硝的目的。脉冲电晕法(ppcp)脉冲电晕放电脱硫脱 硝的基本原理和电子束辐照脱硫脱硝的基本原理基本一致，世界上许多国家进行 了大量的实验研究，并且进行了较大规模的中间试验，但仍然有许多问题有待研 究解决。 1.2.2 湿法烟气脱硫工艺 湿法烟气脱硫工艺的特点是整个脱硫系统位于烟道的末端、除尘系统之后， 脱硫过程在溶液中进行，脱硫剂和脱硫生成物均为湿态，其脱硫过程的反应温度 低于露点，所以脱硫后的烟气一般须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，钙利用率高，在钙硫比等于 1 时，可达到 90以上的脱硫效率。其主要的代表工艺如下： 石灰石石膏法石灰石石膏法 在石灰石、石膏湿法烟道气洗涤技术中，烟道气用石灰石稀浆来处理，脱除 烟气中的 so2，最终产品是二水硫酸钙（石膏） 。 这项技术13有着 30 年以上的发展历史，早期的基于石灰石的烟道气脱硫技术 所产生的亚硫酸残渣或石膏，都是作为废物抛弃掉，今天，这种设备通常是被设 计成能够生产一种适合制造墙板材料的高质量石膏产品。尽管价格一直在降低， 但石灰石石膏烟道气脱硫方法仍被认为投资成本相对较高，明显高于除氨洗涤和 再生式脱硫方法以外的其它烟道气脱硫方法。 海水洗涤法海水洗涤法 海水洗涤法（sww）烟道气脱硫技术采用未处理过的海水洗涤烟道气，利用 海水的天然碱性来中和二氧化硫。洗涤后，所用海水用空气处理，以减少它的化 学需氧量和降低酸性，然后将之排入大海。尽管这种技术小规模工业应用的时间 已超过 30 年，但还是一种相对较新的烟道气脱硫技术13,14。目前，这种技术只有 两家供应商 （abb 公司和 llb 公司） 。 abb 公司在该技术领域拥有最丰富的经验。 氨洗涤法氨洗涤法 氨洗涤法烟道气脱硫技术，除用氨水作洗涤剂以外，其运行方式与石灰石石 膏法相似。so2通过与氨反应从烟道气中脱除，最终产品是硫酸铵。 该法的特点是离开吸收器的溶液被加工生产成硫酸铵，这是一种能用作肥料 重庆大学硕士学位论文 4 的价值相当高的产品。副产品价值高是这种烟道气脱硫技术的主要优点。对于高 硫燃料，销售硫酸盐的收入能够超过烟道气脱硫装置的运行费用。然而，因为硫 酸铵和氨的价格受区域影响较大，这种技术有一定的商业风险。 wellman-lord 法法 wellman-lord 法烟道气脱硫技术是一种再生式烟道气脱硫技术，即用于从烟 道气中脱除 so2的活性剂在二次加工阶段能够被还原，然后再返回第一阶段（吸 收塔）重新使用。因而，该技术不需要消耗大量的石灰或石灰石。 该技术是用亚硫酸钠水溶液将 so2从烟道气中以湿法洗涤脱除。它生成了一 种有销路的副产品，根据烟道气脱硫设备的设计，这种副产品可能是硫磺、硫酸 或液态 so2。而且，它无需消耗大量的吸收剂，不会产生大量的固体废物。 1.2.3 半干法烟气脱硫工艺 半干法的工艺属于燃烧过程中的 so2减排技术，其特点是，反应在气、固、 液三相中进行，利用烟气显热蒸发吸收液中的水分，使最终的产物为干粉状。若 与袋式除尘器配合使用，能提高 1015的脱硫效率。脱硫废渣一般抛弃处理， 但德国将此废渣成功地用于建材生产，使该法前景更加乐观。其代表工艺如下： 循环流化床（循环流化床（cfb） 在循环流化床烟道气脱硫技术中，烟道气穿过由石灰、反应产物和有时加有 飞灰的高浓度混合剂，除去 so2、so3和 hcl。最终产品是干燥的粉状钙化物的混 合物。 循环流化床烟道气脱硫技术15是一项成熟的烟道气脱硫技术，并正在快速发 展。目前，多家供应商能提供这种技术，虽然工艺的化学过程相同，但他们的设 计变化非常大。这项技术的发明者是 llb 公司，该公司也是这项技术的最富有经 验的商家。 喷雾干燥法喷雾干燥法 在喷雾干燥法烟气脱硫技术中16，浓缩石灰浆通过喷雾喷入脱硫塔，与烟气 反应，并脱除其中的 so2、so3和 hcl 等酸性化合物，最终产品是干燥或半干燥的 粉状钙化合物的混合物17。 以前喷雾干燥法烟道气脱硫系统产生的副产品只能废弃，现在由于技术的进 步，副产品常被用来做地下建筑材料，很好的解决了其环保问题。并且其安装费 用相对较低，一般是同等规模的石膏法烟道气脱硫系统的 70%左右。喷雾干燥法 烟道气脱硫技术是一项发展最成熟的烟道气脱硫技术之一，并在全世界范围内得 到广泛采用，其总装机容量超过 15,000mw。对该技术的掌握已相当好，多家承包 商都能提供这种技术。该技术对中高硫燃料的 so2脱硫效率能达到 8595。 管道喷雾干燥法管道喷雾干燥法 1 绪论 5 除喷雾干燥器容器被省略，石灰石直接喷入管道以外，管道式喷雾干燥法烟 道气脱硫技术与传统的喷雾干燥烟道气脱硫技术基本相同。石灰与酸性气体反应， 并将之除去。最终产品是干燥的粉状钙化合物的混合物。 1.3 sda 烟气净化技术概况 喷雾干燥技术自本世纪二十年代开始在工业中付诸实施，经过几十年的发展， 其应用范围不断扩大。 早在1865年 la mont 便提出了用喷雾干燥处理蛋品， 至1920 年左右，这项技术首先在乳制品和洗涤工业中得到应用，现在它已渗透到食品、 化学药品、医药、洗涤剂、肥料、合成树脂和窑业等各个工业领域18。之所以喷 雾干燥技术在工业中应用如此广泛，主要是因为喷雾干燥具有连续操作、可进行 全程自动控制、高的热利用率、可满足各种产品质量指标等特点。 喷雾干燥的整个过程一般可分为雾化、混和流动、水气蒸发、干粉的分离四 个阶段，与其它干燥技术相比其独特之处就在于被干燥物质与高温介质接触前首 先被雾化成了细小的雾滴，这样便极大增加了被干燥物质的比表面积，使得传热 得以快速进行。 正是利用这了这一特点，美国 joy 公司和丹麦 niro atomizer 公司首先将喷雾 干燥技术应用在了锅炉烟气治理上。喷雾干燥法烟气脱硫是指将预先浆化的吸收 剂通过雾化器雾化喷入干燥塔内，在那里它与高温烟气接触同时发生化学反应和 传热过程，生成的产物以干态送入除尘器，以达到除尘和脱硫的目的。现在人们 多把它归纳于半干法脱硫技术，国外多称 joy/niro 或 sda。该种方法占地面积小， 运行费用低廉，不产生腐蚀、排出的烟气不需再热，有相对较高的脱硫效率。80 年代末，丹麦 f.l.smidith 公司在原喷雾干燥法的基础上开发的悬浮技术，其投资 为一般喷雾干燥法的 80，石灰用量可节省 20，脱硫效率可高达 95。尤其难 得可贵的是，对重金属 hg、cd、pb 的去除，这对于垃圾焚烧很重要19。被誉为 80 年代的 fgd 技术，具有广阔的前景。至 1991 年底，全世界燃煤电厂装设喷雾 干燥脱硫工艺的设备共 118 套，处理容量为 15383mw，市场占有量列于湿法之后 位居第 2。美国共有 61 套喷雾干燥脱硫装置在运行，处理容量为 9168mw；德国 有 36 套，处理容量为 3121mw。除此之外，丹麦、瑞典、芬兰、奥地利等国均有 应用业绩。1991 年处于施工或计划建设的喷雾干燥脱硫装置有 17 套，处理容量为 3587mw，其中美国 3 套，处理容量 3187mw，台湾地区 3 套，处理容量 400mw。 随着我国污染问题的日益加重，在 80 年代喷雾干燥法烟气脱硫技术受到了我国科 学工作者的重视，科研人员对其脱硫的机理进行了一系列的研究，并在中小型燃 煤锅炉尾气脱硫上取得进展。从 90 年代初开始，我国陆续引进了一些国外的烟气 脱硫项目。 重庆大学硕士学位论文 6 1.3.1 sda 净化烟气的工艺流程 图 1.1 为典型的喷雾干燥法烟气净化流程示意图。经雾化器雾化成很小的石灰 浆滴在干燥塔内与热烟气接触，并与烟气中的 so2发生反应，反应方程式如下： 22 ()caoh oca oh 2232 ()ca ohsocasoh o 22242 ()1 / 2c a o hs ooc a s oh o 图 1.1 喷雾干燥法烟气净化流程图 fig. 1.1 flow chart of