（热能工程专业论文）喷淋式脱硫塔内流场的试验研究和数值模拟.pdf

摘要 湿法脱硫技术是目前世界上技术最成熟、使用最为广泛的脱硫工艺之一。本 文以一种典型的湿式石灰石一石膏湿法脱硫喷淤吸收塔作为研究对象，运用有关 的数值方法，利用计算机模拟不同负荷时塔内工况，并与试验数据对比，为我国 自行研制、设计、优化脱硫设备翱指导实际运行提供借鉴。 本文以紊流k 一若模型及颗粒轨道模型为理论基础，迸行电厂湿法脱硫 圆塔塔内三维流场、温度场在不同负荷下的数值 l - 算。计算中采用差分法，运用 交错网格，以速度和压力为原始变量，用g a m b i t 软件构造网格节点，再运用 f l u e n t 软件进行流场和温度场的模拟 从计算结果上看，喷淋层对塔内烟气的喷、淋极大地影响了塔内沆场_ 萃疆温度 场。本文根据这一结果作出相应的设计和运行定量分析，针对变负荷中出现的问 题，进行优化，蹶得结论和实际相符。这表明本文的方法是行之有效的。 关键词：脱硫塔数值模拟，k 一占模型，变负荷，脱硫效率，试验研究 a b s t r a c t a t w o d i m e n s i o nc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f ms t u d yo f t w o - p h a s e f l o wi naw e tf l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n ( f g d ) s p r a yt o w e ri s p r e s e n t e d i n t h i s t h e s i s ，w i t ht h er e l a t e dn m n e r i c a lc a l c u l a t i n gm e t h o d ，a p p l yc o m p u t e rs i m u l a t i n gt h e o p e m t i o ns i t u a t i o nu n d e rt h ed i f f e r e n tl o a d s ，c o m p a r e 、：v ! i mt h ee x p e r i m e n td a t e ，u s ef o r r e f e r e n c ef o ro u ro w nd e s i g n i n gd e s u l f u r i z a t i o ne q u i p m e n ta n dg u i d et h eo p e r a t i o n t h e3 d g a s d r o p l e tm u l t i p h a s ef l o w ；t h ed i s t r i b u t i o no fg a s t e m p e r a t u r e ，t h e p r o c e s so ft h ew a t e rd r o p l e tv a p o r i z a t i o n ，t h e d r o p l e t w a l lc o l l i s i o ni nt h ea b s o r b e r h a v eb e e np r e d i c t e db yp r e s e n t m o d e l t h ek - - 占m o d e l ，a n dt h ep a r t i c l ep a t hm o d e l a r ea p p l i e dn u m e r i c a l l yc a l c u l a t et h ef l o wa n d t e m p e r a t u r ef i e l d si n s i d et h ee r e c tw e t a b s o r b e ro fp o w e rp l a n t s + t h ef a c t o r sw h i c hc a ne f f e c tt h ew a t e rd r o p l e tv a p o r i z a t i o n a n dt h ea c t i v a t i o nr a t eo f t h er e a c t o rh a v ea l s ob e e ns t u d i e di nd e p t h n l ec o n c l u s i o ni nt h i st h e s i sw i l lb ev e r yu s e f u lt om a k et h ed e s i g na n d o p e r a t i o no ft h ea c t i v a t i o nr e a c t o rr e a s o n a b l ea n de f f e c t i v e a n df r o mi t ，t h ep a p e r s u g g e s t sm e a s u r et oo p t i m i z et h es y s t e ma n do p e r a t i o n l it i ej u n ( p o w e rp l a n tt h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f is o n gz h ip i n g k e yw o r d s ：s p r a yt o w e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，k 一譬m o d e l ，d i f f e r e n tl o a d e f f i c i e n c y , e x p e r i m e n t 摘要 湿法脱硫技术是目前世界上技术最成熟、使用最为广泛的脱硫工艺之一。本 文以一静典型的湿式石灰石一石膏湿法脱硫喷淋吸收塔作为研究对象，运用有关 的数值方法，利用计算机模拟不同负荷时塔内工况，并与试验数据对比，为我国 自行研制、设计、优化脱硫设备和指导实际运行提供借鉴。 本文以紊流k s 模型及颗粒轨道模型为理论基础，进行电厂湿法脱硫 圆塔塔内三维滤场、温度场在不同负荷下的数值计算。计算中采用差分法，运用 交错网格，甄速度和压力为原始变量，用g a m b i t 软件构造网格节点，再运用 f l u e n t 软件进行流场和温度场的模拟 从计算结果上看，喷淋层对塔内烟气的喷淋极大地影响了塔内流场和温度 场。本文根据这一结果作出相应的设计和运行定量分析，针对变负荷中出现的问 题，进行优化，所得绩论莘口实际相符。这表明本文的方法是行之有效的。 关键词：脱硫塔数值模拟，k s 模型，变负荷，脱硫效率，试验研究 a b s t r a c t at w o d i m e n s i o nc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) s t u d yo f t w o - p h a s e f l o wi naw e ti l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n ( f g d ) s p r a yt o w e ri s p r e s e n t e d i n t h i s t h e s i s ，w i t ht h er e l a t e dn u m e r i c a lc a l c u l a t i n gm e t h o d ，a p p l yc o m p u t e rs i m u l a t i n gt h e o p e r a t i o ns i t u a t i o nu n d e rt h ed i f f e r e n tl o a d s ，c o m p a r ew i t ht h ee x p e r i m e n td a t e ，u s ef o r r e f e r e n c ef o ro u ro w n d e s i g n i n gd e s u l f u r i z a t i o ne q u i p m e n ta n dg u i d et h eo p e r a t i o n ， t h e3 dg a s d r o p l e tm u l t i p h a s ef l o w ；t h ed i s t r i b u t i o no f g a s t e m p e r a t u r e ，t h e p r o c e s so ft h ew a t e rd r o p l e tv a p o r i z a t i o n ，t h e d r o p l e t w a l lc o l l i s i o ni nt h ea b s o r b e r h a v eb e e np r e d i c t e db yp r e s e n t m o d e l ，t h ek sm o d e l ，a n dt h ep a r t i c l ep a t hm o d e l a r ea p p l i e dn u m e r i c a l l yc a l c u l a t et h ef l o wa n dt e m p e r a t u r ef i e l d si n s i d et h ee r e c tw e t a b s o r b e ro fp o w e rp l a n t s t h ef a c t o r sw h i c hc a r le f f e c tt h ew a t e rd r o p l e tv a p o r i z a t i o n a n dt h ea c t i v a t i o nr a t eo f t h er e a c t o rh a v ea l s ob e e ns t u d i e di nd e p t h t h ec o n c l u s i o ni nt h i st h e s i sw i l lb ev e r yu s e f u lt om a k et h ed e s i g na n d o p e r a t i o no ft h ea c t i v a t i o nr e a c t o rr e a s o n a b l ea n de f f e c t i v e a n df r o mi t ，t h ep a p e r s u g g e s t sm e a s u r et oo p t i m i z et h es y s t e ma n do p e r a t i o n l it i ej u n ( p o w e rp l a n tt h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f s o n gz h ip i n g k e yw o r d s ：s p r a yt o w e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，k 一嚣m o d e l ，d i f f e r e n tl o a d e f f i c i e n c y , e x p e r i m e n t 声明 y8 6 7 8 0 7 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文喷淋式脱硫塔内流场的试验研 究和数值模拟，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期闻，在导耀指导下进行 的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特潮热以标注和致谢之处 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瞒并表示了谢意。 学位论文作者签名：至烂 目期： e ，3 j 1 3 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操嚣、馒用学位论文的规定，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俘；学校可叹采用影印、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l 冀学术交流为目的，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) 作者签名：叁烃 日 期：q ：! ：l ! 蝴签名：龃 曰期：兰1 2 ：! ：侈 华北电力大学硕士学位论文 1 1 我国s 0 2 的排放现状 第一章绪论 s o ：是当今人类面临的主要大气污染物之一，其污染源分为两大类：天然污染 源和人为污染源。天然污染源由于量少、面广、易稀释和净化，对环境的危害不大； 而人为污染源由于量大、集中、浓度高，对环境造成严重的危害。s o 。的污染属于低 浓度、长期的污染，它的存在对自然生态环境、人类健康、工农业生产、建筑物及 材料等方面都造成了一定程度的危害。 s o 。的主要来源与能源消耗有关，而经济发展离不开能源的支持。我国是一个能 源生产和消费大国，一次能源消费总量仅次于美国，居世界第二位，但人均消费量 还达不到全世界人均的一半，不足美国人均的1 1 0 。目前我国能源短缺仍然是制约 经济发展的重要因素，改革开放以来，随着经济的发展，我国的电力工业持续、稳 定的增长。我国全面小康社会的经济发展目标是，到2 0 2 0 年实现g d p 比2 0 0 0 年翻 两番，也即2 0 0 1 2 0 2 0 年g d p 年增长速度达到7 2 左右，人均g d p 3 2 0 0 美元左右。 这样，在未来2 0 年，我国电力需求增长需要保持较快的发展速度，预计为5 5 6 左右。到2 0 1 0 年全社会用电将达到2 5 4 0 0 2 6 6 0 0 亿k w h ，需要装机5 5 - - 5 8 亿k w ；2 0 2 0 年全社会用电将达到3 9 4 0 0 4 3 2 0 0 亿k w h ，需要装机8 2 - - 9 0 亿k w 。 【1 又据国际能源署( i e a ) 2 0 0 2 年9 月发布的一份世界能源展望报告显示，在2 0 0 0 2 0 3 0 年期间，中国的能源需求每年平均将增长2 7 ，2 0 3 0 年将达到2 1 3 3 亿t 油当量， 这一增长率高于其他国家和地区。中国在此3 0 年期间对煤炭的需求每年将增长2 2 ， 在2 0 3 0 年达到2 0 亿t 。所增加需求的大多数将来自发电领域。在我国一次能源和发电 能源构成中，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有很大的不同。而且在已探明的一次能源储备中，煤炭仍是主要 能源，约占一次能源探明总储量的9 0 。有关专家预测，到2 0 5 0 年，煤在一次能源中所 占比例仍在5 0 以上，这充分说明在很长的一段时间内，我国一次能源以煤为主的格局 不会发生变化。煤炭是一种低品位化石能源。我国煤炭中灰份、硫份含量高，大部分煤 的灰份在2 5 - - 2 8 ，硫份的含量变化范围大，从0 1 1 0 不等。我国多数煤种除长 焰煤、气煤和不粘结煤外，平均含硫率均超过1 0 ，我国s 0 。的排放量与煤炭消耗量有 着密切的关系，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 0 0 0 亿m 3 ( 标 准状态下) ，比上一年增长2 8 。其中s 0 。排放量为1 4 9 5 万t ，与上一年基本持平。1 9 9 5 年我国s o 。排放量达到2 3 7 0 万t ，超过欧洲和美国，使我国成为世界s 0 2 排放第大国， 华北电力大学硕士学位论文 之后连续多年排放量超过2 0 0 0 万t ，由于采取了一系列有效的控制排放政策和措施，目 前已取得一定的成效，但s o 。的排放仍十分巨大，污染严重。电力行业是用煤大户，以 2 0 0 0 年为侧，我国发电装机容量为3 1 9 3 2 i m w , 发电量为1 3 6 8 5 t w h ，均为世界第二位， 其中火电装机容量为2 3 7 5 4 0 m w ，约占7 4 4 ，火电的发电最保持在8 1 左右。在火 电机组的燃料中，煤炭占9 5 ，油气只占5 左右( 主要j 幂予少数特殊的电站、机组点 火用油、联合循环机组及内燃及发电机组) 。2 0 0 0 年，我国发电总煤耗量约为6 亿t ，约 占煤炭产囊的6 0 ，撵放s 0 2 8 0 0 多万t ，占全国排放总豢的4 0 以上，是s 侥污染的大户， 因此削减火电厂的s o 。排放是控制s o 。排放总星的重点。削减s 0 ：排放量、控制大气s0 2 污染、保护大气环境质量，是目前及未来相当长时期内我国环境保护的重要课题之 1 。2 脱硫技术概述 s 0 。污染控制技术颇多，诸如改善能源结构、采用清洁燃料等，烟气脱硫就是有 效削减s o 。排放薰不可替代的技术。据美国环保署( e p a ) 1 9 8 4 年统计，世界各国开 发、研制、使用的s o 。控制技术已达1 8 4 种，而目前的数量已超过2 0 0 种。这些技 术概括起来可分为三大类：燃烧前脱硫、燃烧中脱硫及燃烧羼脱巯( 烟气脱硫f g d ) 。 1 2 1 燃烧前脱硫 燃烧前脱硫技术主要包括煤炭的洗选、煤炭转化( 煤气纯、液纯) 、水煤浆技 术。洗选煤是采用物理、化学或生物方式对锅炉使用的原煤进行清洗，将煤中的硫 部分除摔，使煤褥以净化并生产出不同质量、规格的产品。其中煤的物理净化技术 是目前世界上应用最广泛的燃烧前脱硫技术，该法可以从煤中除去泥土、页岩和黄 铁矿硫。 化学脱硫多数针对煤中有机硫，主要利用不同的化学反应，包括生物化学反应， 将煤中的硫转变为不同形态的硫而使之分离。 微生物脱硫技术虽然本质上讲也是一种化学法，僵由于其自身豹特殊 生可把它 单独归为一类。它是把煤粉悬浮在含细菌的汽泡液中，细菌产生的酶能促进硫氧化 成硫酸盐，从两达到脱硫的目的。 煤的汽化，是指用水蒸汽、氧气或空气作氧化剂，在高温下与煤发生化学反应， 生成h ：、c o 、c 心等可燃混合气体的过程。 煤的液化是将煤转化为清洁的液体燃料( 汽油、柴油、航空煤油等) 或化工原 料的一种先进的洁净煤技术。 水煤浆是将灰份小于1 0 ，硫份小予0 5 、挥发分高的原聿耳煤，研磨成2 5 0 3 0 0 u m 的细煤粉，按6 5 7 0 的煤、3 0 3 5 的水和约1 的添加剂的比例配置 面成。水煤浆存很大的市场潜力。 华北电力大学预士学位论文 1 2 2 燃烧中脱硫 燃烧中脱硫( 即炉内脱硫) 是在煤粉燃烧的过程中同时投入一定量的脱硫剂， 脱硫剂一般利用炉内较高温度进行自煅烧，煅烧产物( 主要c a 0 、 d 9 0 等) 与燃烧 过程产生的s o 。、s 0 3 反应，生成硫酸盐和亚硫酸盐，以灰的形式排出炉外，减少s 0 。s o ， 向大气的排放，达到脱硫的目的。燃烧中脱硫技术主要有型煤固硫技术、直接喷锈 脱硫技术、硫化床燃烧脱硫技术。 1 2 3 燃烧后脱硫 燃烧厝脱硫( 即烟气脱硫) 是在烟道处加装脱硫设备，典型的技术有石灰石 石膏法、喷雾干燥法、电子束法、氨法等。 湿法烟气脱硫( w e tf l u eg a sd e s u l 曲u r i z a t i o n ，w f g d ) 尾世界上主流商业化应 用的脱硫方法，是控制酸雨和s o z 污染的最为有效的和主要的技术手段。目前，世界 各国对烟气脱硫都非常重视，已有数十秘行之有效的脱硫技术被广泛应用。 搬据脱硫过程是否有水参与及貌硫产物的干湿状态w 以分为湿法( w f g d ) 、半 于法( s d f g d ) 和于法( d f g d ) 烟气脱硫。目前，湿法烟气脱硫技术占8 5 左右，其 中石灰石石膏法约占3 6 7 ，其它湿法脱硫技术约占4 8 3 ；喷雾干燥脱硫技术约 占8 4 ；吸收剂再生脱硫技术约占3 4 ；炉内喷射吸收剂及尾部增湿活化脱硫技 术约占1 。9 ；其它烟气脱硫形式有电子束脱硫、脉冲等离子体脱硫、海水脱硫技 术、循环流化床脱硫技术等。湿法脱硫在日本约占9 8 、美国约占9 2 、德国约占 9 0 。2 1 国内烟气脱硫技术的发展起步予1 9 6 1 年，当时仅为防止锅炉尾部受煞嚣的低 温腐蚀，采用在过热器前喷入自云石粉的措施，以减少烟气中5 0 2 的浓度，降低烟 气酸露点，保护低温段空气预热嚣不受腐蚀。 1 9 7 3 年我国环保机构正式成立，火电厂f g d 工作受到有关部门的重视，进入正 式开发研究阶段。表l 一1 反映了国内开发的烟气脱硫技术发展及应用状况，表1 2 给出了弓l 进的国外烟气脱硫技术在国内应用现状( 不完全统计) 。 表1 一l国内开发的烟气脱硫技术发展及应用 开发时间脱硫技术地点备注 1 9 7 4 1 9 7 6 湿式石灰石石膏法 烟气量2 5 0 0 m 3 h上海闸因结垢、腐蚀等问题试运 ( 标准状态下) 北电厂 行后即停运 1 9 7 4 1 9 7 6 铁离子液相催化脱硫网收法 烟气量上海南因动力消耗大、体积大和 2 5 0 0 m h ( 标准状态下) 市电厂瘸蚀严重等问题丽停运 1 9 7 4 1 9 7 6亚钠循环法( 烟气量1 0 0 0 0湖南3 0 0因动力消耗大、运行费用 华j 电力大学硕士学位论文 1 1 13 h ( 标准状态下) 电厂离和腐蚀严重丽停运 1 9 7 6 1 9 8 l 水洗再生活性炭脱硫法 烟气量湖北松木因设备庞大、电耗大、操 5 0 0 0 m 3 h ( 标准状态下)坪电厂作复杂和腐蚀严重而停远 1 9 8 4 1 9 9 0 旋转喷雾干燥烟气脱硫工艺 烟气量四川i 白 钙硫比为1 4 1 7 时脱 5 0 0 0 一7 0 0 0 0 m 3 h ( 标准状态下) 】马电厂硫效率达8 0 ，完成中试， 屋前已停运 8 0 年代磷铵肥法烟气量5 0 0 0 m 3 h 标准状态四川1 豆孛试效率可达9 5 ，已停 下) 坝电厂 运 9 0 年代文秋里水膜除尘简易脱硫贵州电厂 南京电力环保所。6 0 7 0 脱硫率 9 0 年代后湿式脱硫除尘技术( 湍流塔、漩流板全国各地多家单位 塔、n i d 等) 新型液柱湿法沈阳化渍华大学，脱硫效率9 0 肥总厂 9 9 新型干法、半干法如c f b f g d 、d c l全国各地脱硫效率5 0 一9 0 ，在 固硫剂等技术推广 表1 2 国外f g d 技术在国内的应用 f g d 技术 用户 机组容爨( m w ) 设计脱 投运f g d 技 烟气最 m 3 h ( 标准状巯率时阀术来源 态下) ( ) 石灰石重庆华能珞璜电 2 ( 2 x3 6 0 ) 4 9 5 8 0 9 2 9 3 日本三 ( 石灰) 厂i 、i i 期1 0 8 7 2 0 09 9 0 0菱重工 石膏湿法 山东潍坊化工厂 2 3 5 t h 1 0 0 0 08 21 9 9 5e t 本j i i 崎重工 南宁化工集团 3 5 t h 5 0 0 0 07 01 9 9 5日本川崎重工 蘑庆长寿化工厂 3 5 t h 6 1 0 0 07 01 9 9 5 居本子代田 太原第一热电厂2 0 0 0 0 0 0 0 0 8 01 9 9 6 3 珏本尽立 杭州半山电厂 2 1 2 5 、1 2 3 0 0 0 09 5 + 72 0 0 i 3德国s t e i n m u l l e r 北京一热i 期 2 4 1 0 t h 1 1 0 0 0 0 09 52 0 0 l德国s t e i n m u l l e r 重庆电厂 2 2 0 0 1 9 6 0 0 0 09 5 7 2 0 0 1 德国s t e i n m u i l e r 广州连州电厂2 i 2 5 1 0 9 0 0 0 0 8 l2 0 0 0 i 奥地利a e 公司 江苏扬州发电厂2 0 0 9 7 5 0 0 0 8 02 0 0 2 日本川崦重工 托京京能热电厂2 0 0 9 1 9 5 2 39 52 0 0 2 国电龙源f b e 技术 4 华北电力大学磷士学位论文 贵州安颓电厂 2 3 0 0 2 1 2 5 6 6 8 29 02 0 0 3 层本川崦重工 浙江钱清电厂1 2 5 5 5 0 0 0 0 9 0 2 0 0 3 7浙江省电力设计院 ( 美国b w 技术) 北京热电i i 期2 4 l o t 1 l o 0 0 0 0 9 52 0 0 3 7萄电龙源f b e 技术 山东黄奁电厂 2 3 0 0 一9 52 0 0 3 国电龙源f b e 技术 江苏夏港电厂2 1 3 8 一 9 5 2 0 0 4 国电龙源f b e 技术 广东瑞明电厂 2 1 2 5 1 0 8 1 0 0 09 02 0 0 3 1广东省电力设计院 0 太原第二二热电厂1 2 0 0 8 0 6 0 5 9 9 0 2 0 0 3 武汉凯迪( a e 技术) 江苏镇江电厂2 1 3 5 - 9 5 2 0 0 4武汉凯地( 美国b w 技术 电子束四川成都热电厂2 0 0 3 0 0 0 0 0 8 01 9 9 6 。1 昂零荏原 0 荷电干式杭州钢铁集团3 5 t h 6 0 0 0 0 7 01 9 9 7 美国a i a n c o 喷射脱硫 海水脱硫深圳秘韶3 0 0 1 1 0 0 0 0 0 9 01 9 9 8 挪威a b b 公司 电力公司 l i f a c 法南京下关电厂2 1 2 5 2 5 4 3 6 0 0 7 5 2 0 0 0 芬兰t e m p e l l a 公司 烟气循环广州恒运电厂2 1 0 7 8 3 4 0 0 8 52 0 0 2 1武汉凯迪( 德国 硫化床 0 w u l f f 公司技术) 尽管我国对蘑际上现有的f g d 技术的_ 燕要类型都进行了各释试验研究，并且囊 主开发了一些新技术，但是大部分尚箨蜜在小试或中试阶段，有的技术虽已有工业 性试验，但都局限于容量较小的锅炉上，在5 0 m w 以上的电站锅炉上很少得到应用。 目前在火电厂大型机组f g d 技术上，我国采取了联合设计、引进技术等方式，正逐 步掌握设计参数、主设备选雳、工艺系统设计等关键技术，到2 0 0 5 年将独立完成 燃煤电厂2 0 0 m w 及以上机组烟气脱硫工艺设计能力。经济的快速发展必然消耗大量 能源，不同的能源消耗会产生不同的环境问题，火电带来的主要是大气污染闭题， 特别是s 0 。和酸雨污染。因此火电厂进行烟气脱硫是一项熏要的环境保护措施。 1 3 谍题研究背景、主要内密 吸收塔是烟气脱硫系统的核心装鬻，要求气液接触面积大，气体的吸收反应良 好，压力损失小，并虽适用于大容量烟气处理。吸收塔主要有喷淋塔、填料塔、液 桂塔和喷射鼓泡塔等类型。 华北电力大学颈士学位论文 喷淋塔脱硫是传统的脱硫方式中的一种，吸收塔的吸收区高度为5 1 5 m ，区内设置 3 6 层喷淋层，每个喷淋层都装有多个雾化喷嘴，交叉布置，覆盖率达2 0 0 3 0 0 ， 喷嘴出口流速为l o m s ，雾漓壹径为1 3 2 0 2 9 5 0um ，烟气流速为3 4 m s ，大液滴在塔 内的滞留时间为3 8 s 。1 本文以喷淋式湿法烟气脱硫塔作为研究对象，对塔内烟气与 液滴的两相流动的流体动力学特性进行研究，通过数值计算得到塔内气液两相流动的流 动规律，为脱巯塔安全经济运幸亍撬供设计和运行参数，同时也为我国真主开发具有我潮 自主知识产权的脱硫技术提供技术支持。研究内容主要包括试验研究和数值计算两个方 面。 目前脱硫塔运行中存在的主要问题是，当吸收塔在机组满负荷时运行良好，但当机 缀低负荷运行时，出瑰脱硫效率不稳定、运行状况波动、常常达不到脱硫预期效率的问 题。产生这种问题的原因主要是由于机组降低负荷后，烟气量减少，塔体入口阻力发生 变化造成进入塔内的烟速发布不均匀带来的问题，且目前尚没有较好的解决办法。本文 拟以慕3 0 麟襁组电厂配套的喷淋式吸收塔作为研究对象，在调试试验数据的基础上， 对塔内烟气与液滴的两相流动的流体动力学特性进行研究，通过数值模拟计算得到塔内 气液两相流动的三维流动规律，将模拟结果与试验数据进行比较，分析得到变负荷工况 下，脱硫效率与入口烟气流速、沿程阻力之阆的关系，从谢确定在变负荷工况下，影响 脱硫效率的具体原因，并提出改善建议和解决措施。喷淋塔设备简图如图l - l ： 第暇 第三 第二 筻一 烟气 进口 截面 除雾器底面 浆液池表面 图1 1 湿法脱硫喷淋塔示意图 华北电力大学顶士学位论文 研究肉窑： ( 1 ) 利用g a m b i t 软件进行流场诗算所需的嚼格构造； ( 2 ) 对脱硫反应塔内流场气相湍流流动、气一波多相流动、液漓蒸发进行全 面耦台的数值模拟； ( 3 ) 模拟计算并分析在不同工况和负荷下塔内流场、温度场的情况； ( 4 ) 模拟结果与实际运行数据比较，得出结论，并对喷嘴布置位置和数鲎进 行改进，以便得到更好的脱硫效粜，指导实际运行和设计。 华北电力大学硕士学位论文 第二章常用烟气脱硫技术介绍 2 1 湿法烟气脱硫技术 2 1 1 石灰石( 石灰) 石膏法 该工艺使用氧化钙( c a o ) 或碳酸钙( c a c o 。) 浆液在湿式洗涤塔中吸收s o 。其 典型的工艺系统如图2 1 所示 图2 1 典型的石灰石石膏湿法f g d 系统 它主要包括：烟气系统( 烟道挡板、烟气再热器、增压风机等) 、吸收系统( 吸收 塔、循环泵、氧化风机、除雾器等) 、吸收剂制备系统( 石灰石储仓、磨石机、石灰石 浆液罐、浆液泵等) 、石膏脱水及储存系统( 石膏浆泵、水力漩流器、真空脱水机等) 、 废水处理系统及公用系统( 工艺水、电、压缩空气等) 等。 该工艺完全成熟，运行安全可靠，可用率在9 0 以上，能耗低。但基建投资大，约 占电厂总投资的1 1 2 0 ，吸收剂原料消耗大，运行费用高。随着国产化程度的提高， 其投资在逐渐下降。 2 1 1 1 工艺流程及主要设备 典型的湿式石灰石烟气脱硫工艺流程主要由脱硫剂浆液制备系统、s o 。吸收、氧 化系统、烟气再加热系统、石膏脱水系统、工艺水供应系统、废水排出和处理系统、 吸收塔浆液排放系统等组成。如图2 2 所示 ( 1 ) 石灰石浆液制各系统 石灰石块由自卸卡车直接卸入地下料斗，经皮带输送机及斗式提升机、石灰石仓顶 输送机送至石灰石仓内，再由称重式皮带给料机送到湿式球磨机内制成浆液送至石 r 华北电力大学磺圭学拉论文 灰石浆液循环箱中，然后石灰石浆液由石灰石浆液循环泵输送到石灰石浆液漩流站 进行粗颗粒的分离。经分离后，大尺寸物料圆球磨机再循环，满足粒度要求，含固 量约2 5 的石灰石浆液溢流并储存于石灰石浆液箱中，然后经石灰石浆液泵送至机 组f g d 装置的吸收塔中。为使石灰石浆液混合均匀、防止沉淀，在石灰石浆液箱和 石灰石浆液循环箱内装设浆液搅拌器。设置一个石灰石浆液箱；两台石灰石浆液泵， 一台运行，一台备用。吸收塔内石灰石浆液的添加量根据f g d 迸、出嗣烟气的s o ： 浓度及吸收塔循环浆液中的p h 俊进行调节。 图2 2f g d 系统流稷与主要设备 ( 2 ) s 0 2 吸收系统 来自回转式烟气加热器( g g h ) 的烟气通过烟道的烟气冷却区域进入吸收塔。在烟 气冷却区域中，喷入补给水和吸收塔内浆液，使得烟气被冷却到饱和状态。来自烟气冷 却区域的烟气进入由上隔板和下隔板形成的封闭的吸收塔入因烟室。装在入口烟室下隔 扳的喷射管将烟气导入吸收塔鼓泡区的石灰石浆液以下的区域。在鼓泡区域发生s 0 ：的 吸收、氧化、石膏结晶等所有反应。发生上述一系列反应后，烟气通过上升管流入位于 入口烟室上方的出口烟室，然后流出吸收塔。离开吸收塔后，洁净的烟气进入除雾器去 除烟气所携带的雾滴。 吸收塔内浆液被吸收塔搅拌器适当地搅拌，使石膏晶体悬浮。由氧化风杌吹出的氧化空 9 华北电力大学碳士学位论文 气进入吸收塔的反应区，使被吸收的s o 。氧化。将石灰石浆液送入吸收塔，脱除s 0 。以形 成石膏。加入适当当量的石灰石，以保持吸收液的p h 值于5 6 之间。石膏浆液排出泵 将含有1 5 2 0 固体的石膏浆液从吸收塔排出到石膏脱水系统。当吸收塔的浆池或搅 拌器出现事故需要检修时，吸收塔内的浆液由排浆泵排至事故浆液箱中，为下次f 6 d 装 置启动提供晶种。 ( 3 ) 烟气系统 来自锅炉引风机出口的全烟气量从原烟气进口挡板门进入脱硫系统，经脱硫增压风 枫送至回转式烟气一烟气加热器( g 6 h ) 。在g g h 中，烟气( 未经处理) 与来自吸收塔的 洁净烟气进行热交换后被冷却。被冷却的烟气在烟道的烟气冷却区域被进一步冷却、加 湿后进入吸收塔。在塔内洗涤脱硫看的烟气经除雾器后进入换热器的升温侧被加热至 8 0 0 c 以上，然后从挣烟气出口挡板门进入烟囱排入大气。烟气出嗣含雾漓小于5 0 m g m 3 ( 标 准状态下) 。 豳转式烟气换热器设有空气欢扫系统和高、低压冲洗水系统。烟气系统的增压风极 采用轴流式动叶可调风机。脱硫烟气系统进、出口挡板门采用带密封系统的双挡板门， 密封系统设置2 x1 0 0 容曩的密封风枫，f 6 d 装置运行与停运时的密封介质分剐为净烟 气与空气。脱硫系统设置1 0 0 容量的烟气旁路烟遵，旁路烟道挡板采用双挡板。在锅 炉起动阶段和烟气脱硫设备( f g d ) 停止运行时，f g d 进、出口挡板门关，旁路烟道门打开， 来自锅炉引风枫的烟气由旁路烟道直接进烟囱捧放。旁路烟道门其有快开功能。( 1 5 s ) ( 4 ) 石膏脱水系统 从吸收塔捧出的石膏浆液，经东力旋流器浓缩至含固最约4 0 5 0 9 t 后，进入真空皮 带脱水装置进行脱水。经脱水处理后的石膏表面含水率不超过1 0 ，脱水后的石膏由皮 带输送机送入石膏库中存放待运。水力旋流器分离出来的溢流液一部分进入废水摔旅系 统，一部分则返回吸收塔循环使用。为控毒4 脱硫石膏中的c l 一等成分的含量，确保脱硫 石膏品质，在石膏脱水过程中用工艺水对石膏及滤布进行冲洗。石膏过滤水收集在滤液 水籍巾，然厝由滤液水泵送到吸收塔和湿式球磨枫。 ( 5 ) 废水排放系统和处理系统 根据脱硫工艺的要求，脱硫系统需要连续排放一定量的废水以维持吸收塔浆池适当 的c l l 离子浓度。石膏浆液旋流器的溢流液中部分送到废水水箱，由废水漩流器给水 泵送到废水旋流分离器进一步浓缩，废水旋流器的底流返回吸收塔，含有固体颗粒的废 水旋流器溢流经废水输送泵送至废水处理系统，处理达标后排放。 ( 6 ) 工艺水、闭式循环冷却水系统 工艺永从主厂房工业水系统接入脱硫互艺水箱，然后由王艺水泵送至脱硫系统各用承 点，主要包括： 1 ) 吸收塔浆池、制浆系统、真空皮带脱水装置用水。 2 ) 烟气冷却器用水。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 3 ) g g h 的冲洗水。 4 ) 设备冷却水。 5 ) 所有浆液输送设备、输送管路、储存箱的冲洗水。 闭式循环冷却水从炉盾闭式德环冷却水管接出供增噩风机、氧化风机设备冷却用水，其 回本圜收薰炉露闭式循环冷却水回水管。 ( 7 ) 浆液排放与凰收系统 f g d 装嚣静浆液管道和浆液泵等，在侉运时需要进行冲洗，其 串洗水就近收集在吸 收塔旁边静集水坑肉，然后愿裂送至石费事故浆液箱或吸收塔浆漶。吸收塔浆浊需要排 空送彳亍梭修时，塔内浆液邋进排浆泵攥入攀散浆液箱。在吸收塔重新启动翦，通过泵将 枣散浆波箱豹浆液泵送隧吸收塔。每痉吸收塔旁边设嚣一个集水坑。 2 1 1 。2 反应原理 由锅炉过来的烟气以1 3 0 左右豹滠度进入脱硫吸收塔( 预先经过除尘以及换 热降溢) ，在吸收塔内与2 0 3 0 豹石灰石粉浆液或2 0 左右的石灰乳液接触，在 此避程中，二氯化硫被吸收擞成亚磷酸钙，亚硫酸钙又被氧化成硫酸钙。由于石灰 石较好的溶解度及活性，采用石灰石为脱硫剂，其脱硫率一般在8 5 以上。吸收塔 底部的石膏浆先程水力漩流器中稠亿至畲阉罴约为4 0 ，然后摊戡反应塔，经带式 真空过滤枕过滤，脱出其中鹃大部分水。由此制得的副产品石膏可嗣 | 芟利用，亦可 擞弃处置。吸收塔内经历吸收氧化两个主要反应过程： ( 1 ) 嗷收 s 0 2 8 2 04h 2 s 0 3 叶h + + h s 0 3 c a c 0 3 + 2 薹。啼c a t + 十h 2 0 + c 0 2 ( 2 ) 氧纯 h s 0 3 。+ l 2 0 2 + + + s 0 4 + c a 2 + + s 0 4 2 十2 h 2 0 _ c a s 0 4 2 h 2 0 脱硫豹总反应式为： c a c o a + 0 2 + 1 2 0 2 + 2 h 2 0 斗c a s 0 4 2 h 2 0 + c 0 2 2 1 2 格糯脱硫塔 壤料塔形式的脱硫塔最初使用聚乙烯球或泡沫球作为填料，由于磨损腐镪以及 耐热性的原因，系统无法长期稳定运彳亍。近年来，瀑法脱硫填料塔采用特殊的格撵 手# 为填料，因此这种塔也称为格栅塔。 图2 3 所示为颓流式掇襁吸收塔，塔顶喷淋装嚣将脱硫浆液均匀的喷灏东格据 顶部，然厝睦塔顶瀑在格撵表藤上劳逐渐下流，这样能够形成比较稳定的液膜。气 体通过备填料之间的空隙下降与液体作连续的顺流接触。气体中的二氧化硫不断地 被融解吸收。处理避的烟气从塔底氧化、遣上经过，然焉进入除雾器。 l 华北电力大学硕士学位论文 生气 i t 击脱 的石 图2 - 3 格栅脱硫反应塔 格栅塔要求脱硫浆液能够比较均匀地分布于填料之上，而且，在格栅表面上的 降膜过程要求连续均匀：格栅必须具有较大的表面积，较高的空隙率，较强的耐腐 蚀，较好的耐久性和强度以及良好的可湿润性；价格不能太昂贵。和喷淋塔一样， 格栅塔也要求脱硫剂具有一定的颗粒度( 2 5 0 目) ，在目前应用中，填料中的结垢堵 塞问题还未彻底解决，该系统需要较高的自控能力，保证整个反应在合适的状态下 运行，以尽量降低结垢的风险。 2 1 3g e 氨法 g e 氨法的流程如图2 4 所示，主要分为预洗涤、s o ：吸收、亚硫酸铵氧化和结 晶四个工序。 所谓预洗涤，实际上也具有s 0 ：吸收作用。因此该技术也称为双循环吸收。它 采用的是喷淋吸收塔。热烟气经电除尘后进入预洗涤器，与硫酸铵饱和溶液并流接 触，烟气被绝热饱和雨被冷却，同时，由于硫酸铵饱和溶液中水的蒸发而析出硫酸 铵结晶。因此在预洗涤器中，烟气的余热得到充分有效的利用，而不必使用昂贵的 外部热源。 预洗涤液流入储槽，由循环泵进行循环洗涤，储槽中装有搅拌装置，以防硫酸 铵结晶沉积。在预洗涤器中，不通入氨气。预洗涤液的p h 2 ，因此对s o 。的吸收不 明显。来自预洗涤器的已被冷却饱和的烟气须经过除雾器进入s o ：吸收塔。烟气与 喷淋而下的稀硫酸铵溶液逆流接触，烟气中的s o 。再次被吸收。吸收器内的稀硫酸 铵溶液用泵进行循环。在吸收塔下部鼓入空气，氧化亚硫酸铵，生成硫酸铵。液铵 经减压蒸发后随空气一起进入吸收塔的下部，以维持吸收液的p h 值。洗涤后的气 体经除雾器除去夹带的液滴后。自烟囱排空。补充水全部加到吸收器中，以保证洗 涤溶液维持一个较低的盐浓度，并容易氧化。由于预洗涤塔中亚硫酸铵含量比吸收 1 2 华北电力大学硕士学位论文 塔高，如果在预洗涤塔中进行氧化，氧的传质速率缀低。丽在亚铵浓度较低的吸收 塔中氧化皿硫酸铵，氧的传质速度高，氧的耗量小，且能耗低。从吸收器中排除适 量的吸收液，以移出所生成的硫酸铵，靠自动补充水来维持吸收器下部液位的恒定， 吸收器排除液经除雾器补充到预洗涤器中，这样可以保持除雾器干净，通过控制， 可以实现进入洗涤器的吸收液所带的水量等于预洗涤器中水分的蒸发量，因此，在 吸收器中形成的全部硫酸铵就在颈洗涤系统中结晶。预洗涤器中含硫酸铵结鑫的溶 液靠密度自动控蒂l 排出。排除的硫酸铵辩浆先进经水力旋流器脱水，然后经离心机 得到含水2 的硫酸铵滤饼。从旋流器和离心机回收的滂液返回预洗器。 图2 4g e 氨法的工艺流程俺图 1 一预洗涤器：2 一除雾嚣；3 - 喷淋吸收塔；( a 除雾段b 吸收段) ；4 一氨储罐 5 一吸收液循环泵；6 一水力旋流器；7 一离心机；8 一挤压成型机；9 一干燥塔 2 1 4 喷淋脱硫塔 喷淋塔是气液反应工程中的常用设备。用于脱硫工程的喷淋吸收塔如图2 - 5 示。石灰石浆液通过循环泵送至塔中不同高度布墨的喷淋层的喷嘴。喷嘴是用耐 蘑材料制成的，浆液雾从缕嘴向下喷出形成分散的小液滴并往下捧落，同时，烟 气逆流向上流动，在此期间，气液充分接触并对二畿化硫避行洗涤。工艺上要求 喷嘴在满足雾化细度的条件下尽最降低压损，同时喷出的雾能覆盖整个吸收塔截 面，以达到吸收的稳定性和均匀性。在塔底一般布置氧化池，用专门的氧化风机 往里面鼓空气，而除雾器则布鼹在烟气出口之前的位嚣。 华北电力大学硕士学位论文 图2 5 喷淋脱硫反应塔 在烟气脱硫技术的发展过程中，喷淋塔是最早采用的脱硫反应装景。它的优点 是能够形成较大的气液接触面积，而同时系统的气液比可以比较小。但是，为了保 证良好的雾化效果，将喷液喷射形成均匀微小的液滴，循环泵必须能够提供足够的 压力，浆液中的脱硫剂颗粒的尺度也不能太大，否则喷头容易被堵塞，这就要求脱 硫剂在磨制的过程中必须要达到一定的颗粒度( 2 5 0 目左右) 。因此，该装置对脱硫 剂的磨制过程以及循环泵的性能要求都比较高。 2 2 干法脱硫技术 湿法烟气脱硫以外还有干法、半干法f g d 技术，干法的脱硫吸收和产物处理均在 干状态下进行。该法具有无污水废酸排放、设备腐蚀小、烟气在净化过程无明显温降、 净化后烟温高、利于烟囱排气扩散等优点，但存在脱硫效率低，反应速度慢、设备庞大 等