（热能工程专业论文）四角切向燃烧煤粉锅炉炉内喷钙的数值模拟.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 四角切向燃烧煤粉锅炉炉内喷钙的数值模拟 摘要 大气是人类赖以生存的最基本的环境因素，但是，近年来随着 经济的飞速发展，能源的消耗急剧增长，大量化石燃料燃烧产生的 工业废气，使大气环境质量日趋恶化，不但阻碍了经济的可持续发 展，而且危及人类的生存。燃煤电厂s 0 2 排放是目前我国大气污染 控制领域最为紧迫的任务。在众多脱硫工艺中，炉内喷钙脱硫是目 前最经济的于法脱硫工艺，但其效率有待提高。 c f d 技术是2 0 世纪7 0 年代伴随计算机技术的发展而发展起来 的，是集流体力学、数值计算方法以及计算机图形学于一体，利用 相应的数值计算方法求解数学方程和预测动量传递、热量传递、质 量传递、化学反应以及相应的物理现象的- - f - j 科学。经过近半个世 纪的发展，c f d 技术已日臻成熟，出现多种c f d 通用商业软件，可 有效解决不同行业不同类型的具体问题，在解决工程实际问题方面 得到广泛应用。f l u e n t 软件就是目前功能最全面、适应性最广、 国内使用最广泛的c f d 软件之一。 炉内喷钙脱硫工艺中，石灰石与烟气的混合条件是影响脱硫效 率的重要因素。本文针对c g - 6 7 0 1 3 7 m 型煤粉锅炉炉内喷钙脱硫 过程，应用f l u e n t 商业软件，对炉内气固两相流流场进行了数值 模拟，得到了气固两相的速度场和石灰石颗粒的运动轨迹，分析了 太原理工大学硕士研究生学位论文 在不同喷射情况下炉内空气动力场特性及石灰石颗粒的分布情况。 本文采用s i m p l e 算法，将煤粉气流视为连续相介质，将石灰 石颗粒相视为离散相介质，考虑两相之间的质量、动量转换，对炉 内喷钙进行冷态数值模拟。气相湍流输运采用适用范围广的标准 c - - 8 双方程模型进行模拟，石灰石颗粒的跟踪采用随机轨道方法。 先计算连续相流场，收敛后，再加入颗粒相，采用d p m ( d i s c r e t e p h a s e sm o d e l ) 模型进行迭代计算。 本文对石灰石喷嘴的喷射速度( 6 0 m s 、7 0 m s 、8 0 m s 和9 0 m s ) ， 石灰石喷嘴向下倾斜的角度( o o 、2 0 0 、3 0 0 、4 0 。和4 5 0 ) 及石灰石喷 嘴的布置位置( 2 6 m 和2 8 m ) 几种情况分别进行了炉膛流场数值模 拟，综合比较模拟结果，得出了石灰石喷嘴的最佳喷射设置。 本文的模拟结果较为真实的反应了炉内喷钙过程炉内的流动状 况，研究结果对提高脱硫效率，炉内喷钙脱硫的合理设计和运行调 试提供了重要而有意义的参考依据。 关键词：煤粉锅炉，炉内喷钙，气固流场，数值模拟 太原理工大学硕士研究生学位论文 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fl i m e s t o n e i n j e c t i o ni nt a n g e n t i a l l yf i r e d f u r n a c eo fp u l v e r i z e dc o a lb o i l e r a b s l r a c t a t m o s p h e r ei s ab a s i ce n v i r o n m e n t a l - f a c t o ro fh u m a nl i v i n g ， h o w e v e r , 、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 nr e c e n td e c a d e 墨 m a s s i v ec o m b u s t i o no ff o s s i lf u e lh a sb e e nm a k i n gt h ea t m o s p h e r i c e n v i r o n m e n tg e tw o r s ea n dw o r s e t h i si sn o to n l yh a r m f u lt ot h e s 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 y , b u ta l s oe n d a n g e r i n gh u m a n h e a l t h c o n t r o l l i n gs 0 2e m i s s i o nh a s b e c o m ea l lu r g e n tt a s ki nc o a l f i r e d p o w e rp l a n t s i nc h i n a l i m e s t o n ei n j e c t i o nd e s u l f u r i z a t i o ni st h e c h e a p e s t m e t h o di nd e s u l f u r i z a t i o np r o c e s s e s ，h o w e v e r , i t se f f i c i e n c y s h o u l db ei m p r o v e d g r e a t l y c f di sd e v e l o p i n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ri n1 9 7 0 s i t i sas c i e n t i f i ck n o w l e d g ew h i c hi n c l u d e st h eg r a p h i c so ff l u i dm e c h a n i c s ， n u m e r i c a l c o m p u t a t i o n a n d c o m p u t e r , a n d i tu s e sn u m e r i c a l c o m p u t a t i o n a lm e t h o dt os o l v ea n df o r e c a s td e l i v e r yo fm o m e n t u m ，h e a t , a n dm a s sa s p h y s i c a lp h e n o m e n o n w i t hn e a r l y ah a l fc e n t u r y s d e v e l o p m e n t , c f dh a sb e c o m em a t u r ea n dp o w e r f u l ，a tt h es a m et i m e ， i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 m a n yk i n d s o fu n i v e r s a lc o m m e r c i a ls o f t w a r e ，w h i c hc a l ls o l v e i d i o g r a p h i cp r o b l e m si nd i f f e r e n tf i e l da n da r eu s e dw i d e l yi nm a n y a r e a s ，h a v eb e e nd e v e l o p e d f l u e n ti so n eo ft h ec f ds o f t w a r et h a ti s o v e r - a l li nf u n c t i o n ，i n t e n s i v ei na p p l i c a b i l i t ya n dw i d ei nu s e m i x i n gl i m e s t o n ep o w d e r sw i t l lg a si nt h ep r o c e s so fl i m e s t o n e i n j e c t i o nd e s u l f i a r i z a t i o n i st h ek e yf a c t o rt oa f f e c td e s u l f u r i z a t i o n e f f i c i e n c y a c c o r d i n g t o t h e p r o c e s s o fl i m e s t o n e i n j e c t i o n d e s u l f u r i z a t i o n ，t h i ss i m u l a t i o ns t u d yo nt h ef l o w - f i e l dd i s t r i b u t i o ni n t h ef u r n a c eo ft h ec g - 6 7 0 1 3 7 - mb o i l e ri sc a r r i e do u t u s i n gt h e c o m m e r c i a lc f ds o f t w a r ef l u e n t t h ev e l o c i t y - f i e l da n dt h et r a c e so f l i m e s t o n ep a r t i c l e sh a v eb e e ns i m u l a t e d ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f f l o w - f i e l da n dd i s t r i b u t i o no fl i m e s t o n ep a r t i c l e si ns u c hb o i l e rh a v e b e e na n a l y z e d i nt h i st h e s i s ，t h ec o a l f i n e sa i r f l o wi sl o o k e du p o na sc o n t i n u o u s p h a s e ，l i m e s t o n ep a r t i c l e s a r el o o k e du p o na sd i s c r e t e p h a s e s ，t h e t r a n s i t i o no fm a s sa n dm o m e n t u ma l ee m p l o y e d ，a n dc o l d - s t a t e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i t hs i m p l ea l g o r i t h mi s a p p l i e d t h e w e l l k n o w ns t a n d a r dr 一占t u r b u l e n c em o d e li su s e dt o q u a n t i f y t u r b u l e n tt r a n s f e ri nt h ef u r n a c e t h er e p r e s e n t a t i v el i m e s t o n ep a r t i c l e s a r et r a c k e di nf u r n a c eb yu s i n gs t o c h a s t i c t r a j e c t o r ym o d e l t h e c o n t i n u o u s - p h a s ef l o wf i e l di ss i m u l a t e df i r s t a n dt h e nt h ep a r t i c l ep h a s e i ss i m u l a t e db yu s i n gd p m ( d i s c r e t ep h a s em o d e l ) m o d e l i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 b yt h em e a n so f c h a n g i n gt h ei n j e c t i n gp o s i t i o n ( 2 6 ma n d2 8 m ) ， i n j e c t i n ga n g l e ( 0 。，2 0 。，3 0 。，4 0 。a n d4 5 。) a n di n j e c t i n gv e l o c i t y ( 6 0 m s ，7 0 m s ，8 0 m sa n d9 0 m s ) ，t i f f ss t u d ys i m u l a t e st h em i x i n go f l i m e s t o n ea n dg a sa n dt h e i ri n f l u e n c eo nt h ef l u i df i e l d t h eb e s t 蝎e c t i n gs e t i n go ft h el i m e s t o n en o z z l ea r ep o i n t e do u tr e s u l t i n gf r o m c o m p a r i s o no f t h ea b o v e c o n d i t i o n s 刃船s i m u l a t i o nr e s u l t s i nt h i st h e s i sr e f l e c tt h ef l o wc o n d i t i o ni nt h e p r o c e s so fl i m e s t o n ei n j e c t i o n ，w h i c hw o u l dp r o v i d ew i t hag o o d r e f e r e n c ef o rt h ee f f i c i e n c yi m p r o v e m e n t , e n g i n e e r i n gd e s i g na n d o p e r a t i o np r e c t i e e k e yw o r d s ：p u l v e r i z e dc o a lb o i l e r , l i m e s t o n ei n j e c t i o n ，g a s p a r t i c l e t w op h a s ef l o w s ，nu m e r i c a ls i m u l a t i o n v 太原理工大学硕士研究生学位论文 符号表 动力黏度系数 导热系数 重力加速度 密度 平均速度 脉动速度 平均温度 紊流脉动动能 湍动动能耗散率 雷诺应力 时均速度 湍流粘性系数 特征尺度 混合长度 涡时间尺度 颗粒的瞬时速度 气相的瞬时速度 脉动频率 旋涡长度 颗粒直径 n s m 2 w l ( m ) m l s 2 k g m 3 m s 1 1 1 ，s k m 2 s 2 m 2 m 毗 m m 。 毗 毗 m m 旯 g p 一材 一r r g ” 鸬 l 乙 t 弋 q d 。 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：毒毫是么l日期：趁弘l 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：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；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 日期：望2 z ：垃 日期： 丝! z ：苎：竺 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 煤是地球上蕴藏最丰富的化石燃料，占可开采化石燃料的7 3 ，世界人均 储煤量约为3 1 2 。7 吨，我国约为2 3 4 4 吨【l 】。我国是世界上少有的以煤为主要能 源的国家。煤炭消耗占我国能源总消耗的6 5 以上，与世界的能源结构有很大 差别。煤为主的能源结构意味着能源系统的整体效率低下，是造成能源消费、 环境污染和能源利用效率低的重要原因。 煤是一种低品位的化石能源，我国的原煤中灰分、硫分含量较高，大部 分煤的灰分在2 5 2 8 之间，硫份含量变化范围较大，从o 1 到1 0 不等。 我国s 0 2 排放量与煤消耗量密切相关，随着燃煤量的增加，燃煤排放的s 0 2 也 不断增加，1 9 9 5 年我国s 0 2 排放达2 3 7 0 万吨，超过欧洲和美国，近几年虽有 所下降，但仍居世界第一位。按我国目前的能源政策，到2 0 1 0 年和2 0 2 0 年， 一次能源供应结构中煤仍将分别占6 8 3 和6 3 1 。若不采取有效的削减措施， 2 0 2 0 年我国s 0 2 排放量将达到3 5 0 0 万吨。而我国的耗煤大户主要是火电厂， 其次是工业锅炉和取暖。据相关部门统计；2 0 0 5 年s 0 2 排放量已高达2 5 5 0 万 吨，其中5 5 来自火电厂的烟气污染 2 1 。因此削减和控制燃煤特别是火电厂燃 煤s 0 2 污染，是我国能源和环境保护部门面临的严峻挑战。 自2 0 世纪7 0 年代初日本和美国率先实施控制排放战略以来，许多国家相 继制定了严格的s 0 2 排放标准和中长期控制战略，加速了控制s 0 2 的步伐，大 大促进了有关控制技术的发展，使s 0 2 排放在短短十多年问得到大幅度的削减。 我国自2 0 世纪7 0 年代开始制定有关环境空气质量标准，大气污染物排放标准， 到目前已建立了较为完善的国家大气污染排放标准体系。 目前，控制燃煤s 0 2 污染技术可分为四类，燃烧前脱硫、燃烧中脱硫、燃 烧后烟气脱硫以及煤转化过程中脱硫，其中烟气脱硫被认为是控制s 0 2 污染最 行之有效的途径，也是目前世界上唯一大规模商业化应用的脱硫方法。按照脱 硫过程是否加水和脱硫产物的干湿形态，烟气脱硫又可分为湿法、半干法和干 法三类工艺。炉内喷钙脱硫就是典型的干法烟气脱硫工艺之一，它最简单也最 便宜，但脱硫效率低下，通常要与尾部喷水活化烟气脱硫相结合并用，如芬兰 】 太原理工大学硕士研究生学位论文 的l i f a c 技术，即使如此，其总效率也难以满足日益提高的环境要求。因而急 需深入研究炉内喷钙的杌理，寻找提高效率的途径。上海中芬电气公司利用芬 兰l i f a c 技术承接了山东沾化电厂2 台1 5 0 m w 脱硫项目，现己通过验收。本 课题是该公司为消化芬兰的核心技术并在其基础上探索提高效率研究的一部分 ( 另一部分为活化塔喷雾优化设计) 。 1 2 锅炉炉内过程及炉内喷钙数值模拟的研究现状 自上世纪七八十年代计算机技术的飞速发展开始，到目前为止，采用计算 机模拟技术研究锅炉炉内过程已经是各国能源领域的研究者们普遍采用的手 段。 上世纪七十年代是模型发展与完善的阶段，出现了如g i b o s o n 的化学动力 模型，s p a l d i n g 的湍流燃烧模型，g r o w 等的气固两相模型，p a r t r a n k a r 的s i m p l e 算法等闭。 进入上世纪八十年代，一整套燃烧室内的模型方法开始初步形成，锅炉炉 内过程的模拟开始走向大型化1 4 。 1 9 8 6 年，英国的a b b a s 和l o c k w o o d n 对四角切向燃烧和侧墙喷燃炉膛进行 了气相燃烧模拟，其中传热采用的是离散传播模型。b o y d 和k e n t 【6 】对5 0 0 m w 的四角切圆锅炉进行模拟，采用了轨道法，双反应热解模型，扩散动力焦碳燃 烧模型和离散传播法的辐射传热模型，并与实测的温度进行了比较。 1 9 8 8 年，f i v e l a n d 和w e s s e l l 7 对5 6 0 m w 的炉膛进行了流动传热、燃烧的 模拟，得到了一些关于热态燃烧的结果。 1 9 8 9 年，g i l i s i s 对5 m 1 5 r e x1 3 m 的冷态模型锅炉进行了模拟，并与实 测结果进行了比较，对防止伪扩散的方法进行了探讨，还提出了一种“节点迎 风格式”。 从九十年代至今，锅炉炉内三维流动燃烧、传热模型与方法正逐步走向成 熟，并开始走向实际应用，这一标志是开始与大型的冷态模型、实测实验进行 对照，模拟的方向也趋向于实用，如污染物模拟等。 1 9 9 3 年，c o i l n b r a 【9 】等对3 0 0 m w 的墙式三维中的n o x 的生成进行了数值 模拟，但没有实验值作为比较。 1 9 9 3 年，l o c k w o o d 1 0 肄对对冲燃烧锅炉炉内的n o x 的生成进行了数值模 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 拟。 国内学者也在炉内过程的数值模拟研究方面取得了很大的进步。 清华大学热能工程系【1 1 】对四角切向燃烧煤粉锅炉炉内的两相流动和燃烧过 程进行了数值模拟，将用于气相流场计算的a l e 算法、颗粒相的随机轨道模型， 气相燃烧的e b u 模型，热流辐射模型、水分蒸发的扩散模型、挥发份析出的双 平行反应模型、焦碳燃烧的扩散动力模型相结合。模拟结果给出了冷态和热态 流场分布、温度分布、组分浓度分布和颗粒在炉内的运动轨道，但未能用实验 结果进行验证。 浙江大掣1 习对w 型火焰煤粉锅炉炉内燃烧过程及污染物生成进行了数值 模拟，模拟结果给出了炉内气固两相流动、温度场分布和各气相组分浓度场分 布，但未能与实验结果进行验证。 鞍山科技大学李先春副教授等【1 3 】对炉内喷钙脱硫过程中炉膛温度场及吸收剂混 合进行了数值模拟研究，得出了炉内的温度场分布及脱硫剂的运动轨迹。 浙江大学周俊虎教授、黄镇宇教授对0 2 c 0 2 燃烧条件下喷钙脱硫技术的机 理进行了研究。 上海交通大学能源系范浩杰、章n ) q 、胡国引1 4 1 等运用逾渗理论建立氧化 钙脱硫模型，模拟了煤粉炉炉内喷钙脱硫过程，对s 0 2 浓度、温度、c a s 比等 影响脱硫的因素进行了研究。 华中科技大学煤燃烧国家重点实验室的郑瑛、柳朝晖、容伟1 5 1 等对煤粉炉 喷钙脱硫过程的总体模型进行了模拟研究。 重庆大学胡效雷博士【l q 等对喷钙脱硫的综合数值模型及模拟进行了研究， 重点从s 0 2 的生成及脱除的角度，综合叙述了喷钙脱硫炉膛内数值模拟的各阶 段模型；将这些子模型相互耦合，综合模拟了喷钙脱硫燃烧过程；分析并讨论 了4 种不同的喷钙形式对石灰石颗粒的运动轨迹、s 0 2 在炉膛内的分布和炉膛 内温度分布的影响。 1 3 研究目的和研究意义 1 3 1 研究目的 长期以来，对于锅炉炉膛内的流动情况，主要采用模型和现场试验的方法 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 进行研究，由于试验成本高、周期长，而且现有的测量水平很难对炉内的情况 进行准确、完整的描述。随着计算机技术以及计算流体力学的发展，采用数值 计算来模拟锅炉炉内的气固两相流动已日益成为研究炉内流动的重要方法之 一，弥补了模型和现场试验的不足。本文利用数值模拟方法对炉内喷钙脱硫过 程进行特性分析和变工况分析，以改善炉内气动特性，达到优化设计，提高效 率的目的。 1 3 2 研究意义 本文对c g - 6 7 0 1 3 7 m 锅炉炉内喷钙后炉内气圃两相流动进行数值模拟， 为炉内喷钙脱硫系统的设计、经济运行提供参考数据，可降低大量试验工作量 和试验费用。同时，通用的计算程序可以推广应用到其它锅炉炉内喷钙脱硫的 一4 优化设计及经济运行中。因此，对该炉炉内喷钙流场进行数值模拟研究，并将 取得的经验用于指导其它同类型锅炉的技术改造和运行调整，具有很强的实际 指导意义。 1 4 本文的工作 ( 1 ) 通过资料和文献收集阅读，了解燃煤大气污染和脱硫的基本知识。 ? ( 2 ) 对锅炉炉内喷钙的工艺、设计、结构和运行特点进行初步研究。 ( 3 ) 到现场进行安装和运行的调研，增强对工程实践的认识。 ( 4 ) 学习掌握f l u e n t 软件的程序结构及使用方法。 ( 5 ) 以c o 6 7 0 1 3 7 m 锅炉炉内喷钙为研究对象，通过改变石灰石喷嘴的 喷射角度，布置位置，改变石灰石粉的喷射速度进行冷态数值模拟， 分析炉内的空气动力场特性，比较各种情况喷射对炉内流场的影响以 及石灰石在炉内的混合情况。 ( 6 ) 综合比较模拟结果，找出最优化条件，完成论文撰写。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章烟气脱硫简介 燃煤后烟气脱硫( f l u eg a sd e s u l f u f i z a t i o n ，即f g d ) 是目前世界上唯一大 规模商业化应用的脱硫技术。世界各国研究开发的烟气脱硫技术达2 0 0 多种， 但商业应用的不超过2 0 种，按照脱硫过程是否加水和脱硫产物的干湿形态，烟 气脱硫又可分为湿法、半干法秘干法三类工艺。湿法脱硫技术成熟，效率高， c a s 比低，运行可靠，但投资和运行成本高，产物处理较麻烦，烟温降低不利 于扩散，且工艺复杂，占地面积大；干法和半干法的脱硫产物为千粉状，处理 容易，工艺较简单，投资和运行费用低，但c a s 比高，脱硫效率和脱硫剂的利 用率低。 2 1 湿法烟气脱硫技术 湿法烟气脱硫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 器系统之后，脱硫过程在溶液中进行，其反应温度低于露点，脱硫后烟气一般 需经再加热才能从烟囱中排出。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。 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) 石膏法、双 碱法、海水脱硫、磷铵复合肥法( p a f p 法) 、钠碱法、氨吸收法、氧化镁法等。 其中，以石灰石( 石灰) 石膏法为主，图2 - 1 气液并流式填料塔湿法烟气脱硫 工艺就是其中一种典型的工艺，在国内外燃煤发电厂中，湿法脱硫占世界安装 烟气脱硫的机组容量的8 5 ，而石灰石( 石灰) 石膏法3 6 7 左右，并有逐年 增加的趋势。 石灰石( 石灰) 石膏法工艺最为成熟，运行可靠性最高，应用也最为广泛。 它以石灰石或石灰浆液与烟气中的s o ：反应，脱硫产物可直接抛弃，也可综合 利用。我国重庆珞璜电厂从日本引进了两套石灰石一石膏法脱硫装置，分别匹配 两台容量为3 6 0 m w 的发电机组，1 0 0 烟气处理，脱硫效率大于9 5 ，系统有 效利用率达锅炉运行时间的9 9 以上，石膏纯度 9 0 ，年副产石膏约3 3 万吨。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 一换热器；2 - 除雾器；3 一吸收塔；4 一循环泵；5 持液槽 图2 - i 气液并流式填料塔湿法烟气脱硫工艺流程简图四 f i g 2 - 1t e c h n i c a lf l o wo f w c t - p r o c e s sf l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o ni ag a s l i q u o r c o m b i n i n g - s t r e a m i n gp a d d i n gt o w e r 2 2 半干法烟气脱硫技术 半干法烟气脱硫市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干燥，并在干燥过程中与s 0 2 反应生 成干粉状脱硫产物。半干法工艺简单，干态产物易于处理，无废水产生，投资 一般低于传统湿法，但脱硫效率及脱硫剂的利用率低，一般适用于低、中硫煤 烟气脱硫。半干法烟气脱硫技术主要有喷雾干燥烟气脱硫、循环流化床烟气脱 ? 硫技术、增湿灰循环烟气脱硫技术等。其中应用最广的是旋转喷雾干燥法 ( s d a ) 。 喷雾干燥烟气脱硫是2 0 世纪7 0 年代中期在美国和欧洲发展起来的( 如图 2 - 2 为喷雾干燥烟气脱硫工艺流程图) ，如今在f g d 市场中列第二位。在燃低、 中硫煤的地区，有逐渐取代湿法烟气脱硫的趋势。它是利用喷雾干燥的原理， 在吸收剂喷入吸收塔后，一方面吸收剂与烟气中的s 0 2 反应，生成固态产物； 另一方面烟气将热量传递给吸收剂，使其不断干燥，在塔内脱硫反应后形成的 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 l 贮存槽：2 - 泵；3 - 消化槽；4 i i 1 2 2 4 螺旋输送机；5 - 石灰仓；6 - 延时箱： 7 - 筛；8 - 吸收罐；9 - 供给泵；1 0 - 终产物仓：1 3 一斗式提升机；1 4 双片阔；1 5 吸收塔；1 6 - 高位槽：1 7 一雾化器；1 8 一烟囱；1 9 - 风机；2 0 - 除尘器；2 1 拥： 2 2 - 调节阀；2 3 - 产物调节器；2 5 - 终产物仓i ；2 6 - 再循环浆池 图2 - 2 喷雾干燥烟气脱硫工艺流程图1 2 1 f i g 2 - 2t e c h n i c a lf l o wo f s p r a y i n g - d r y i n gf l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n 产物为干粉。工艺流程包括：吸收剂制备、吸收剂浆液雾化、雾粒与烟气的接 触混合、液滴蒸发与s 0 2 吸收、灰渣排出、灰渣再循环。脱硫效率达7 0 9 5 。 我过山东黄岛电厂就是采用的旋转喷雾干燥烟气脱硫技术，在钙硫比c a s = i 4 ， 近绝热饱和温差1 2 c 的条件下，设计脱硫率 7 0 。目前从丹麦尼鲁公司引 进的s d a 技术，可使脱硫效率达到9 0 以上，正在山东曲阜电厂，河南金冠电 厂和上海金山供热站实施。 2 3 千法烟气脱硫技术 对于使用寿命相对较短的现有锅炉来说，需要大量资金投入的烟气脱硫技 术是不合适的。有些电厂对安装f g d 有严格的空间限制，有些机组仅仅在尖峰 负荷时运行，因此这些电厂要求有投资低、容易改造的控制技术。吸收剂喷射 技术正好适应了这一要求，用较低的投资可以达到中等脱硫效率( 5 0 7 0 ) 。 它可以分为：炉内喷钙、管道喷射、混合喷射等。对某些机组需进一步提高脱 硫效率，可根据具体现场评估，选择提高脱硫效率的方法，如吸收剂的选择、 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 增湿活化、反应产物的循环或者这些方法的组合。目前主要的干法烟气脱硫技 术有炉内喷钙烟气脱硫技术、炉内喷钙尾部烟气增湿活化脱硫技术、管道喷射 烟气脱硫技术、荷电干式吸收剂喷射脱硫技术、电子束照射烟气脱硫技术、脉 冲电晕烟气脱硫技术。 本课题是探索提高l i f a c 脱硫工艺脱硫效率研究的一部分( 炉内喷钙喷钙 部分，另一部分为活化塔喷雾优化设计) 。下面主要讨论l i f a c 烟气脱硫技术。 2 4l i f a c 烟气脱硫技术 l i f a c ( l i m e s t o n ei n j e c t i o ni n t ot h ef u r n a c ea n da c t i v a t i o no fc a l c i u m o x i d e ) 烟气脱硫工艺即锅炉炉膛内喷射石灰石粉，并配合采用锅炉尾部烟道 增湿活化反应器，使未反应的c a o 通过雾化水进行增湿活化的烟气脱硫工 艺。该工艺是由芬兰t a m p e u a 和i v o 公司开发的，并于1 9 8 6 年首先投入商 业性运行。 2 4 1m 艺流程 如图2 - 3 ，石灰石粉借助气力喷入炉膛内9 0 0 1 2 5 0 c 烟温区，石灰石煅 烧分解成c a o 和c 0 2 ，部分c a o 与烟气中的s 0 2 反应生成c a s 0 4 ，脱除烟 气中一部分s 0 2 。炉膛内s 0 2 脱除率随煤种、石灰石粉特性、炉型及其空气 动力场和温度场特性等因素而改变，一般在2 0 3 0 。在活化塔中，脱硫 剂颗粒和水滴相碰撞以后，在脱硫剂颗粒表面形成一层水膜，脱硫剂及s 0 2 气体均f 句其中溶解，从而使脱硫反应由原来的气固反应转化成水膜中的离子 反应，烟气中大部分未及时在炉膛内参与反应的c a o 与烟气中的s 0 2 反应生 成c a s 0 3 和c a s o , 。活化反应器内的脱硫效率通常在4 0 6 0 ，其高低取 决于雾化水量、液滴粒径、水雾分布和烟气流速、出1 ：3 烟温，最主要的控制 因素是脱硫剂颗粒与水滴碰撞的概率。总脱硫效率可达8 0 以上。由于活化 反应器出口烟气中还有一部分可利用的钙，为了提高钙的利用率，可以将电 除尘器收集下来的粉尘返回一部分到活化反应器中再利用，即脱硫灰再循环。 活化器出口烟温因雾化水的蒸发而降低，为避免出现烟温低于露点温度的情 况发生，可采用烟气再加热的方法，将烟气温度提高至露点以上1 0 1 5 。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 4 2 过程化学 图2 - 3l i f a c 脱硫工艺流程示意图 f i 昏2 - 3t e c h n i c a lf l o wo f l i f a c l i f a c 工艺的化学过程分为两个阶段，第一阶段是在炉膛中进行的化学反 应，第二阶段是活化反应器中进行的反应。 在锅炉炉膛9 0 0 1 2 5 0 。c 烟温区域喷入石灰石粉，石灰石迅速分解生成 c a o 和c 0 2 ，并与烟气中部分s 0 2 和s 0 3 反应。 c a c 0 3 - - * c a o + c 0 2 ( 2 1 ) c a o + s 0 2 + 1 2 0 2 _ c a s 0 4 ( 2 2 ) c a o + s 0 3 - - , c a s 0 4( 2 3 ) 这一过程是复杂的高温、短时的多相反应，吸收剂的类型、新生c a o 的微 观结构、温度、时间等诸多因素影响着硫酸盐化反应过程。因此炉内喷钙脱硫 仍是一个活跃的研究课题。 烟气在特殊设计的活化反应器中被喷入的水增湿，未反应的c a o 转化 成c a ( o h ) 2 ，再与s 0 2 发生反应。 c a o + h 2 0 - c a ( o h ) 2 佗- 4 ) c a ( o h ) 2 + s 0 2 + 1 2 0 2 _ c a s 0 4 2 h 2 0 ( 2 5 ) 2 4 3 主要工艺参数 ( 一) 炉内喷钙部分 ( 1 ) 反应温度和停留时间 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 在1 0 0 0 * c 对于1 0 “m 的石灰石颗粒，8 0 的煅烧在o 2 o 5 s 内完成。石灰 石反应的临界温度范围，在炉膛上部9 8 0 1 2 3 0 。c 区域内，生成c a o 后，活性 c a o 在临界温度范围内必须具有足够的时间( 至少1 5 s ) 。 在炉膛喷射中，吸收剂在有效温度区的停留时间在0 4 1 5 s 之间变化，一 般认为在一定的温度和c a s 下，s 0 2 脱除率随停留时间增加而增加，并且硫酸 盐盐花反应速率在初始的o 0 3 o 3 s 非常快，随后减缓。 ( 2 ) 颗粒尺寸 颗粒直径越小，比表面积越大，脱硫效率越高，当颗粒直径减小到l 2 9 m 时，对硫酸盐化有益，但低于这一尺寸并不有利，通常要求8 0 以上的粒度小 于4 0 1 x m 。 ( 3 ) c a s 摩尔比 c 娟摩尔比越大，脱硫效率越高，随着c a ，s 的增大，开始时，脱硫效率 增大很快，但当c a s 2 后，脱硫效率增大速度会逐渐减小。通常c a s 比约为 1 5 3 。 ( 4 ) 吸收剂与烟气的混合情况 吸收剂与烟气混合的好坏是影响脱硫效率的重要因素，混合得越好，脱硫 效率越高。 故炉膛喷粉系统的设计原则是：使石灰石颗粒在8 5 0 1 2 5 0 c 温度范围 内停留时间最长；在石灰石烧结的温度区( 1 3 0 0 以上) 停留时间最短； 使颗粒比表面积最大；使石灰石与烟气有最充分的混合。 ( 二) 尾部增湿部分 尾部增湿部分主要工艺参数为活化反应器内的反应温度和c a s 摩尔比。活 化反应器内的反应温度越接近露点越好，但不应引起活化器壁，除尘器和引风 机结露，可通过改变喷水量及水滴直径来控制。 2 4 4 炉膛温度预测和吸收剂混合数学模拟 吸收剂喷射脱硫的有效性取决于吸收剂喷射温度以及喷射系统引起的混 合。利用预测炉膛温度的模拟技术可以设计出吸收剂喷头的布设位置，吸收剂 和烟气间混合的模拟技术可用来估计设计参数，如喷嘴直径、固体负荷、喷嘴 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 速度等。因此吸收剂喷射温度以及喷射引起的混合条件已被确定为影响脱硫效 率的重要参数。 ( 一) 炉膛温度的预测 使用良好搅拌模型预测炉膛温度，为建立良好搅拌炉膛数学模型，先假设： 火焰与炉壁温度是均匀的；系统具有灰体辐射特征；火焰周围气体为非 吸收性物质；导热和对流传热可忽略。如图2 - 4 所示。 炉壁( 面积a w ) 火焰( 面积a f ) 图2 - 4 预测炉膛温度的良好搅拌模型嘲 f i g 2 - 4i n t e n s i v em i x i n gm o d e l f o rf o r e c a s t i n gf u r n a c et e m p e r a t u r e 单位时间、表面积内投入、投出的炉壁辐射能分别由方程( 2 6 ) 和( 2 7 ) 控制： g = 芦易+ ( 1 一勺) ，+ ( 1 一，) ， ( 2 - 6 ) ，= e + ( 1 - s w ) g ( 2 7 ) 式中：g 单位时间、单位表面积投入炉壁的辐射能，w m 2 ； ，单位时间、单位表面积投出炉壁的辐射能，w m 2 ： y y = 乏，火焰表面积与炉壁表面积之比，无量纲； 0 ，气火焰和炉壁的辐射率； 吕一e = c r t 4 ，单位时间单位表面积的辐射能，w m 2 ， 盯= 5 6 7 x 1 0 。3 w m 2 k 4 。 太原理工大学硕士研究生学位论文 投入炉壁的净热通量由下式给出： 见= g - j 把方程( 2 6 ) 和( 2 7 ) 代入( 2 8 ) ，得： q w = ( 2 8 ) ( 2 9 ) 方程( 2 9 ) 描述了投入炉壁的热通量、火焰温度和炉壁温度之间的关系，并用 方程( 2 1 0 ) 所示的能量平衡补充这一关系。火焰温度一般认为等于炉膛出口 温度。 竹日一q 4 一q 弓= 0 ( 2 1 0 ) 式中：卅，燃料质量流量，k s ； 酽嗽料热值，j k g ； e 燃烧产物的常压比热，j k g k ； 弓火焰温度，k 。 ( 二) 吸收剂与烟气混合的模拟 预测吸收剂喷射的混合模拟有三种方法：经验关系式；冷态流动与燃 烧试验；三维分析与计算机模拟。 本文通过分析模型，采用计算机模拟来预测吸收剂与烟气的混合情况。 2 4 5 炉内喷钙对锅炉运行性能的影响 ( 1 ) 锅炉效率 炉内喷钙脱硫系统对锅炉效率会产生一定的影响，主要来自：吸收剂煅 烧吸热与硫酸盐化反应放热两者之间的净能得失；吸收剂输送喷射造成过剩 空气量；吸收剂输送过程的辅助动能消耗以及制粉系统能耗。但是，其影响 并不是太大。 ( 2 ) 传热 炉内传热主要是辐射传热，影响辐射传热的因素除占小部分的三原子气体 外，主要是飞灰的辐射特性和光学特性。石灰石的光学特性与煤粒不尽相同， 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 对辐射传热的影响很大。增加的灰负荷以及灰的化学性质的改变还会影响到对 流面的传热，水冷壁和过热器的结渣和积灰也会影响到辐射和对流传热。 ( 3 ) 锅炉结渣 由于石灰石在炉膛的后火焰区域喷入，温度已经降到1 1 0 0 左右，结渣的 可能性不大。 ( 4 ) 磨损 喷钙后灰量增加，主要引起冲刷磨损，虽然石灰颗粒较小，质地较软，磨 损增加不显著，但也应考虑在对流受热面中采用防磨措施。 2 4 6l i f a c 脱硫工艺的工艺特点及应用概况 l i f a c 工艺适用于燃煤含硫量在o 6 2 5 之间的锅炉脱硫，最佳锅炉容 量为5 0 3 0 0 m w 。c a s = i 5 2 时，采用干灰再循环或灰浆再循环，总脱硫率 可达7 5 8 0 。l i f a c 技术工艺简单、投资及运行费用低，其设备投资费仅 为湿法脱硫系统投资的3 2 ，运行费为湿法脱硫的7 8 。占地面积少，适用于 现有电厂的改造，也可用在一些空间受到限制的新电厂的设计中。无污泥或污 水排放，最终固态废物可作为建筑和筑路材料。 从1 9 8 8 年开始，l i f a c 工艺正式商业化生产并推广到世界范围的电力工业 中。表2 1 给出了l i f a c 工艺的应用情况。 表2 - 1l i f a c 工艺的工业化装置 t a b l e2 - 1a p p l i c a t i o ns y n o p t i cc h a r to f l i f a c 编号 电厂或锅炉锅炉容量煤中含硫量脱硫率投运日期 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 5 本章小结 本章对目前几种主要烟气脱硫方法进行了简单介绍，重点介绍了l i f a c 脱 硫技术的工艺流程、化学反应过程、影响脱硫效率的因数、炉内温度和吸收剂 混合的预测以及对锅炉运行性能的影响以及工艺特点和应用概况，可对本论文 的研究提供参考。 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章计算流体动力学模型综述 3 1 计算流体动力学简介 计算流体动力学( 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 ) 是通过计算机 数值计算和图象显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做 的分析。其基本思想是：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，用一 系列有