（模式识别与智能系统专业论文）火电厂烟气脱硫方法的研究.pdf

。，?、 寸目、 ，黛氟 、零 h 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文火电厂烟气脱硫方法的研究，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：缒蚪日期： 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) 作者签名： 导师签名： ，砖i由 、n p ；斗 ，电 e ， ， 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 随着国家对火电厂环境保护的重视，石灰石石膏湿法烟气脱硫和循环流化床烟 气脱硫在我国应用也越来越广泛，用仿真方法模拟烟气脱硫过程，解决脱硫设计、 运行、人员培训等问题，已成为一个重要发展趋势。在参考了石灰石石膏湿法烟 气脱硫和循环流化床烟气脱硫机理的基础上，分别建立了湿法烟气脱硫效率仿真模 型和干法脱硫效率仿真数学模型，利用m a t l a b 程序进行了编程计算，定量分析了 p h 值、液气比、烟气温度和入口二氧化硫浓度对湿法脱硫效率的影响；分析了钙硫 比、喷水量和烟气温度对于法脱硫效率的影响。通过计算结果的分析初步验证了两 种脱硫效率仿真模型的正确性。 关键词：脱硫效率，循环流化床，仿真模型，烟气脱硫 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ee m p h a s i so ne n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ni nt h et h e r m a lp o w e rp l a n t s ， l 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 f u r i z a t i o na n dc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e df l u eg a s d e s u l f u r i z a t i o na p p l i c a t i o n sa r ew i d e l ya p p l i e di nc h i n a w h i c hh a sb e c o m ea n i m p o r t a n tt r e n dt h a tu s i n gs i m u l a t i o nm e t h o dt o s i m u l a t e df l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n p r o c e s s ，t os o l v et h ep r o b l e mo fd e s u l f u r i z a t i o nd e s i g n ，o p e r a t i o na n dp e r s o n n e lt r a i n i n g a n do t h e ri s s u e s b a s e do nm e c h a n i s mo ft h eb o t hd e s u l p h u r i z a t i o nm e t h o d s ，t h e s i m u l a t i o nm o d e l so fw e tf l u eg a sd e s u l p h u r i z a t i o ne f f i c i e n c ya n dd r yd e s u l f u r i z a t i o n e f f i c i e n c yw e r ee s t a b l i s h e da n dc a l c u l a t e du s i n gm a t l a bp r o g r a m ，r e s p e c t i v e l y t h e i n f l u e n c eo ft h ep h ，l i q u i d - g a sr a t i o ，f l u eg a st e m p e r a t u r ea n dt h ec o n c e n t r a t i o no f e n t r a n c eo fs u l f u rd i o x i d ec o n c e n t r a t i o no nt h e e f f i c i e n c y o fw e tf l u e g a s d e s u l p h u r i z a t i o nw e r ea n a l y s e dq u a n t i t a t i v e l y t h ei n f l u e n c eo fc a sr a t i o ，s p r a yv o l u m e a n dt e m p e r a t u r eo n d r y f l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o ne f f i c i e n c yw e r ea n a l y s e da l s o t h e c o r r e c t n e s so fs i m u l a t i o nm o d e l so ft h et w ok i n d so fd e s u l f u r i z a t i o ne f f i c i e n c yw e r e v e r i f i e db yt h ea n a l y s i so ft h er e s u l t so fc a l c u l a t i n g z h e n gx i a o k u n ( p a t t e r nr e c o g n i t i o na n di n t e l l i g e n ts y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f h a np u a s s p r o f j i a os o n g m i n g k e y w o r d s ：e f f i c i e n c yo fd e s u i p h u r i z a t i o n ，c f b - f g d ，s i m u l a t i o nm o d e l ，f l u e g a sd e s u l f u r i z a t i o n -乍0 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 烟气脱硫技术综述1 1 3 烟气脱硫模型及仿真的研究现状3 1 4 课题研究内容5 第二章石灰石石膏湿法和循环流化床烟气脱硫简介6 2 1 石灰石石膏湿法烟气脱硫技术6 2 1 1 石灰石石膏湿法烟气脱硫工艺原理6 2 1 2 典型的石灰石石膏湿法烟气脱硫工艺流程7 2 2 烟气循环流化床脱硫技术9 2 2 1 烟气循环流化床脱硫工艺流程及原理9 2 2 2 几种循环流化床脱硫工艺比较1 0 2 2 3c f b f g d 的工艺特点1 2 第三章湿法脱硫效率数值模拟1 4 3 1 湿法脱硫s 0 2 吸收机理1 4 3 1 1s o ：的扩散1 4 3 1 2 气液平衡过程1 5 3 2 湿法脱硫效率模型的建立1 5 3 3 模型参数的确定1 7 3 3 1 传质速率的确定1 7 3 3 2 气膜传质系数1 9 3 3 3 液膜传质系数2 0 3 3 4 扩散系数的确定2 0 3 3 5s o ：溶解度的确定2 l 3 3 6 浆液喷淋参数的确定2 1 3 3 7 烟气的密度和粘度的确定2 1 3 4 模拟计算结果与分析2 2 3 4 1p h 对脱硫效率的影响2 2 3 4 2l 6 对脱硫效率的影响2 2 3 4 3 烟气温度的影响2 3 华北电力大学硕士学位论文目录 3 4 4 入口二氧化硫浓度的影响2 4 第四章烟气循环流化床脱硫效率模型2 5 4 1 循环流化床烟气脱硫机理2 5 4 2 循环流化床烟气脱硫仿真数学模型的建立2 5 4 2 1 脱硫塔内数学模型建立的基本假设2 5 4 2 2s 0 。气体向吸收剂液滴表面的质量传递2 6 4 i2 2s o ：总的质量传递2 7 4 2 3 通过求液膜蒸发时间进一步细化脱硫效率公式3 1 4 3 模型参数的确定3 2 4 3 1 床内压降的确定3 2 4 3 2 中心流半径及颗粒终端速度的确定3 3 4 3 3 流化床的出口温度的确定3 4 4 3 4 流化床的入口和出口处水蒸汽分压的确定3 4 4 3 5 增强因子e 的计算3 5 4 3 6 水蒸汽扩散传质系数k ，( m 2 s ) 3 6 4 3 7s o ：的液膜传质系数k 。( m s ) 的确定3 6 4 4 结果分析3 8 4 4 1 钙硫比对脱硫效率的影响3 8 4 4 2 喷水量对脱硫效率的影响3 9 4 4 3 入口烟气s o ：含量对脱硫效率的影响4 0 第五章结论及建议4 2 5 1 结论4 2 5 2 建议4 2 参考文献4 3 致谢4 7 在学期间发表的学术论文和参加科研情况4 8 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论弟一早珀下匕 我国已探明的一次能源储备中，煤炭约占总储量的9 0 。在我国一次能源的生 产和消费构成中，煤炭约占2 3 ，是我国能源工业的支柱。我国以煤为主的能源供 应与消耗格局在今后相当长的时期内不会改变【。燃煤引起了日趋严重的二氧化硫 污染，多年以来，我国一次能源消费总量中煤炭占7 5 以上，因燃煤排放的二氧化 硫连续多年居于世界首位。 火力发电厂是最主要的烟气排放源【2 1 ，而燃煤火力发电在中国发电领域中也相 应地占主导地位，多年来煤电发电量一直占总发电量的7 5 以上。燃煤产生的s 0 2 往往与尘埃、烟雾同时排放，s 0 2 在尘埃上以m n 、f e 等为触媒剂，在触媒的氧化 作用下，氧化为s 0 3 后，与水结合生成h 2 s 0 4 ；s 0 2 在大气中也会通过光化学反应 氧化为s 0 3 ，继而生成h 2 s 0 4 ，成为干沉降或湿沉降( 酸雨) 。酸雨以不同方式危害 水生生态系统、陆生生态系统、材料和人体健康【3 1 。 长期以来，国家出台了大批相关政策、法规、法律等以限制火电厂大气污染物 的排放，我国现行的适用于燃煤电厂烟气排放的标准是2 0 0 4 年1 月1 日起实施的 “火电厂大气污染物排放标准”( g b l 3 2 2 3 2 0 0 3 ) ，促进了我国烟气污染控制方面的 研究和工程实施。在燃煤电站二氧化硫的控制方面，到2 0 0 7 年底，全国装备脱硫 设施的燃煤机组占全部火电机组的比例由2 0 0 5 年的1 2 提高到4 8 ，2 0 0 8 年二氧 化硫排放量约为2 3 2 1 2 万吨，比2 0 0 5 年下降8 9 5 。脱硫装机容量增加了3 0 多倍， 高于美国当前的煤电脱硫装机容量比例，我国电力行业二氧化硫排放控制能力有了 质的提高1 4 j ，但我国酸雨污染状况仍不容乐观。因此，国家和各级地方政府正在大 力推进二氧化硫的治理工作，新建的电厂都要求上脱硫装置，根据有关规划内容， 未来几年将是我国烟气脱硫事业蓬勃发展的最佳时期，将有超千亿元资金投向脱硫 行业。而随着计算机技术的发展，用仿真方法模拟烟气脱硫过程，解决脱硫设计、 运行人员培训等问题，已成为一个重要发展趋势。 1 2 烟气脱硫技术综述 控制燃煤产生的二氧化硫污染主要有三类脱硫技术：燃烧前脱硫、燃烧中脱硫 以及燃烧后脱硫( 即烟气脱硫) 。 煤燃烧前脱硫技术大体可以分为物理脱硫和生物脱硫【5 】两方面。物理脱硫包括 洗煤、煤气化、液化以及利用机械、电磁等物理技术对煤进行脱硫，这种方法脱硫 华北电力大学硕士学位论文 只能脱去煤中无机硫，不能从根本上解决二氧化硫对大气的污染问题。生物脱硫技 术由于占地太大，耗时过长，目前还难以实现大批量机械化连续生产【6 - 8 l 。燃烧中 脱硫主要包括炉内喷钙、流化床添加石灰石等。炉内喷钙工艺在2 0 世纪6 0 年代就 已经开始研究，2 0 世纪8 0 年代后，在此工艺基础上，美国开发了脱硫效率大为提 高的l i m b 工艺，芬兰的t a m p e l l a 公司开发成功了l i f a c 工艺，这些技术现在都 已得到了推广应用。流化床添加石灰石脱硫技术已实现工业应用，但脱硫效率也不 高1 9 ，1 0 1 。 表1 - 1 烟气脱硫技术的主要特点 脱硫j c 艺名称 脱硫工艺原理工艺特点 应用情况 利用石灰石粉料浆洗涤烟 石灰石 气，使石灰石与烟气中的 优点：脱硫率高：9 5 、：i ：艺成熟、适 石膏 s 0 2 反应生成亚硫酸钙， 合所有煤种、操作稳定、操作弹性好、脱 国内外应用 脱去烟气中的s 0 2 ，再将 硫剂易得、运行成本低、副产物石膏可以 广泛，使用 湿法综合利用，不会形成二次污染；缺点：工 比例占 亚硫酸钙氧化反应生成石 8 0 - 9 0 。 膏。 艺流程较长，投资较高。 优点：脱硫率比较高：9 0 、工艺流程 国内外均有 海水脱利用海水洗涤烟气，吸收 简单，投资省、占地面积小、运行成本低： 部分成功应 硫法 烟气中的s 0 2 气体。缺点：受地域条件限制，只能用于沿海地 用实例。 区。只适用于中、低硫煤种。 旋转喷 将生石灰制成石灰浆，将 优点：工艺流程比石灰石石膏法简单，投 雾干燥 石灰浆喷入烟气中，使氢 资也较小。缺点：脱硫率较低：约7 0 8 0 、国内外均有 氧化钙与烟气中的s 0 2 反 操作弹性较小、钙硫比高，运行成本高、 少数成功廊 法副产物无法利用且易发生二次污染( 亚硫用实例。 应生成亚硫酸钙。 酸钙分解) 。 烟气循 s 0 2 在流化床内与氢氧化 环流化 钙的颗粒反应，净化后的 优点：流程简单、占地少、投资低；钙硫 国内外均有 含尘烟气从吸收塔顶部侧 比较高，运行成本高、副产物无法利用且少数成功应 床法易发生二次污染( 亚硫酸钙分解) 。用实例。 向排出，进入脱硫除尘器。 烟气在6 0 左右与电子优点：脱硫率高：9 0 、同时脱硫并脱 电子束束辐照产生的自由基和与硝，副产物是一种优良的复合肥，无废物 国内外有少 法加入的氨气反应生成硫酸产生。缺点：投资高，因设备元件不过关， 数成功应_ 咐 铵和硝酸铵。大型机组应较困难。 实例。 烟气在6 0 左右与高压优点：脱硫率高：i 9 0 、同时脱硫并脱 国内外均有少 脉冲电电场辐照产生的自由基和硝，副产物是一种优良的复合肥，无废物 数成功应用实 晕法加入的氨气反应生成硫酸产生。缺点：投资高，因设备元件不过关， 例。 铵和硝酸铵。 大型机组应较困难。 华北电力大学硕士学位论文 烟气脱硫技术开发较早，目前已是控制燃煤电厂s 0 2 气体排放最有效和应用最 广的技术。目前，我国脱硫技术主要集中在燃煤烟气脱硫，按照脱硫剂以及脱硫反 应产物的状态，烟气脱硫可分为湿法、干法及半干法三大类，表1 1 列出了烟气脱 硫主要工艺及它们的主要特点。如湿式石灰石灰石一石膏法，烟气循环流化床技术、 旋转喷雾干燥法，电子束脱硫技术，亚钠盐循环法，炉内喷钙尾部增湿活化工艺等。 据报道，截至2 0 0 8 年底，我国脱硫机组装机容量达到3 6 3 亿千瓦，装备脱硫 设施的火电机组的比例有上年的4 8 提高到6 0 。2 0 0 5 2 0 0 8 年全国燃煤电厂烟气 脱硫机组发展情况如图1 - 1 所示。由图可见，随着脱硫技术和我国环保标准的日趋 严格，我国烟气脱硫发展十分迅速，脱硫装置已经是燃煤电厂重要的组成部分，在 电厂投资、运行和维护中举足轻重的地位【4 】。 图1 12 0 0 5 2 0 0 8 年全国燃煤电厂烟气脱硫机组发展情况 从烟气脱硫方法来看，以石灰石一石膏湿法为主，占9 3 ；烟气循环流化床法 占4 ；海水法占2 ；其他方法，如氨法、喷雾干燥法等，占1 。 1 3 烟气脱硫模型及仿真的研究现状 仿真技术集成了当代科学技术中多种现代化顶尖手段，正在极大地扩展着人类 的视野、时限和能力，在科学技术领域产生着日益重要的作用。计算机仿真是指通 过建立系统的数学模型并在计算机上进行解算的过程。即先对真实的或理论上的物 理系统进行建模，然后在数字计算机上运行该模型，最后再对所获得的结果进行分 析。计算机仿真包括3 个基本要素，即系统、模型与计算机；联系着它们的三项基 本活动是：模型建立、仿真模型建立和仿真试验。也就是说，计算机仿真的过程就 是建立模型、运行模型和分析模型的过程【1 1 , 1 2 l 。 仿真技术在电站的应用最早开始于核电站，然后推广到常规电站，并从简单的 华北电力大学硕士学位论文 到高级的培训型仿真装置向较高级的研究型仿真装置发展。培训型仿真装置不仅可 以进行现场所有的启停和运行操作训练，还可以做现场不可能进行的事故演习和操 作实验，分析事故和电厂的运行经济性。研究型仿真装置主要用于对电站设备运行 进行分析和开发研究，节省时间和经费，在对旧设备的改造和新设备的研发，保证 电厂安全生产和提高运行经济性，提高电厂的自动化水平有很重要的意义。 电厂脱硫的仿真技术始于近几年，在研究开发烟气脱硫技术的同时，国内外许 多研究者对烟气脱硫的机理进行了深入的探讨，并在此基础上对脱硫过程进行了模 拟，在这方面的机理及反应过程的研究较为活跃。 在过去的几十年中，人们提出了一些湿法烟气脱硫的数学模型。n o b l e t t 等i ”l ， o l a u s s o n 等1 1 4 1 ，g e r b e c 等【1 5 1 ，e d e n 和l u c k a s 【1 6 1 ，b r o g r e n 和k a r l s s o n 1 7 1 ，o o s t e r h o f f t l 8 1 和w a r y c h 和s z y m n a o w s k i 1 9 j 都提出了燃煤电厂的脱硫塔的数学模型。这些模型包 括以下四个速率控制过程：吸收过程，氧化过程，石灰石溶解过程和石膏结晶过程。 它们的差别在于建模的复杂程度和模拟的范围上，总体上都估算出了实际脱硫系统 的整体脱硫效率。 在国内，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【2 0 l ；华北电力大学的马双忱【2 ，对循环流化床烟气脱硫机理进行 了深入研究，首次提出了考虑到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；东南大学的唐志永等【2 列，利用f l u e n t 软件对喷淋吸收塔 的流场进行了三维数值模拟，描述了塔的流体力学特性。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，建立了仿真数学模型，做了非常有益的尝试。 固体流态化技术是近年来在化工、环保领域发展迅速的一项重要技术。由于流 化床具有很高的传热效率，温度分布均匀，气固相有很大的接触面积，因而大大强 化了操作，简化了流程。最早流化床用于劣质煤造气，后来用于石油加工、矿石焙 烧等，由于其具有的优点，应用范围日益扩大，除了石油和化工工业，在其它许多 部门也得到很好的应用。目前来看，无论化学过程还是物理过程，无论催化反应还 是非催化反应，无论是吸热过程还是放热过程，只要是气、固或气、液、固系统都 可采用流态化技术强化相际间的接触和传质。基于流化床技术产生了一些干法脱硫 技术。干法脱硫数学模型研究方面，吴忠标和谭天恩【2 4 】研究了石灰浆滴干燥与脱硫 的相互影响关系，实验中浆滴呈球冠形，由注射器将浆液注射到涂有疏水剂的槽片 上而制得，干燥和脱硫实验在恒温反应器中进行，他们发现，脱硫曲线与干燥曲线 形状相似但略滞后，这表明浆滴表面具有气液反应所必须的水分是维持高脱硫率的 必要条件。 4 111卅，!啕rr 华北电力大学硕士学位论文 n e a t h e r y 2 5 l 在大量脱硫实验的基础上，建立了一个数学模型，并用该模型模拟 运行参数对脱硫率的影响。但与传统概念不同，n e a t h e r y 是在已取得的脱硫率实验 数据的结果上，计算了一个特定的参数：参考状态下液相中s 0 2 的传质系数，而不 是由输入参数计算脱硫率来与实验结果进行比较。j i a n g 等【2 6 】在假设循环流化床内 气相主体为活塞流，固相主体为全混流并且床内不存在气泡的情况下，导出了稳态 下在气相和固相中的物料平衡关系式，在此基础上建立了脱硫模型。与此同时，国 内许多学者也对脱硫模型进行了大量研究。朱中华1 2 7 】通过对脱硫机理的分析，认为 s 0 2 与c a ( o h ) 2 反应为脱硫反应过程的速率控制步骤，并在此基础上提出了烟气循 环流化床反应器模型，该模型包含了粒子数量模型和收缩核模型两个微观模型，分 别用于确定床内粒径分布和脱硫率。黄震【2 8 l 通过对脱硫过程的分析，以气一液传质 双膜理论和表面吸附原理为基础建立了的烟气脱硫模型。但这些模型都是在床内各 相物性参数取平均值的情况下建立的，模型的理论脱硫效率与实测值之间都存在一 定误差。吴颖海【2 9 j 用直接数值模拟的蒙特卡洛方法( d s m c 方法) 对烟气循环流化 床反应塔的气固两相流进行了数值模拟，比较准确的计算出了反应塔内的气场和固 场。 总之，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，但是对烟气循环流化床脱硫系统的建模与仿真未见报道。 1 4 课题研究内容 本文在学习石灰石一石膏湿法烟气脱硫和烟气循环流化床脱硫技术的基础上， 从设备过程的工作机理出发，以脱硫效率为中心，对火电厂石灰石一石膏湿法脱硫 工艺系统和烟气循环流化床脱硫工艺系统流程进行机理建模。根据脱硫工艺系统工 作机理，以脱硫效率为主要考察对象，将脱硫效率数学模型处理成规范的仿真算法 模块。将湿法脱硫效率模型和干法脱硫效率模型进行计算分析和比较；通过仿真试 验定性分析各种因素对两种不同脱硫方法的脱硫效率的影响，并进行总结，以期对 两种脱硫技术的运行提供一定的参考。 5 华北电力大学硕士学位论文 第二章石灰石石膏湿法和循环流化床烟气脱硫简介 2 1 石灰石石膏湿法烟气脱硫技术 2 1 1 石灰石石膏湿法烟气脱硫工艺原理 我国湿法脱硫中9 5 以上的技术采用采用石灰石石膏湿法烟气脱硫，其工艺原 理一般包括，吸收塔内发生的s 0 2 的吸收、石灰石的溶解、亚硫酸氢根的氧化和石 膏结晶等f 3 0 , 3 1 】。 ( 1 ) s 0 2 的吸收 含有s 0 2 的烟气进入液相，首先发生吸收s 0 2 反应： s 0 2 ( 气) ；s 0 2 ( 液)( 2 - 1 ) s 0 2 ( 液) + h 2 0 h + + h s 0 3 。( 2 2 ) h 十+ h s 0 3 oh 2 s 0 3( 2 3 ) h s 0 3 h + + s 0 3 2 。 ( 2 - 4 ) 为确保最有效地吸收s 0 2 ，至少必须从式( 2 1 ) 一( 2 4 ) 中去掉一种反应产 物，以保证平衡继续向右移动，从而使s 0 2 继续不断地进入溶液。为达此目的，一 方面加入吸收剂c a c 0 3 以消耗h + 离子，另一方面通过加入氧气使h s 0 3 - 离子氧化生 成硫酸盐。 ( 2 ) 石灰石的溶解 加入石灰石，一方面可以消耗溶液中的氢离子，另一方面得到了生成石膏所需 的钙离子。石灰石按以下反应在浆液中溶解： c a c 0 3 ( 固) c a “+ c 0 3 2 。 c 0 3 2 + h + h c 0 3 。 h c 0 3 + h + h 2 0 + c 0 2 ( 液) c 0 2 ( 液) c 0 2 ( 气) ( 3 ) 亚硫酸盐的氧化 一般采取向反应区鼓入空气以提高浆液中氧浓度的方法， s 0 4 ，以保证反应按下式进行： 6 ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 使h s 0 3 强制氧化成 华北电力大学硕士学位论文 h s 0 3 + 1 20 2 h + + s 0 4 小 ( 2 9 ) s 0 4 2 。+ h + ；h s 0 4 ( 2 1 0 ) 氧化反应的生成的1 0 4 2 - 与石灰石消溶产生的c a 2 + 进一步发生以下反应： c a 2 + + 2 h s 0 3 一- c a ( h s 0 3 ) 2 ( 2 1 1 ) c a 2 + + s 0 3 2 c a s 0 3 ( 2 12 ) c a “+ s 0 4 2 c a s 0 4 ( s )( 2 1 3 ) ( 4 ) 石膏的结晶 形成硫酸盐之后，吸收s 0 2 的反应进入最后阶段，即生成溶解度相对较小的 c a s 0 4 沉淀析出，从而使s 0 2 不断地由气相转移到液相，完成脱硫过程。 c a 2 + + s 0 4 厶+ 2 h 2 0 0 _ c a s 0 4 2 h 2 0 ( s )( 2 1 4 ) 2 1 2 典型的石灰石石膏湿法烟气脱硫工艺流程 不同的脱硫技术工艺，布置方式也有所区别。但是，不论哪一种石灰石湿法烟 气脱硫技术，其基本工艺流程都包括浆液制备、吸收塔、氧化和石膏脱水等子系统。 如图2 1 所示，脱硫风机布置在系统的进口，f g d 装置正压运行，系统中设置换 热器。由除尘器来的烟气经脱硫风机增压后，进入换热器，与来自吸收塔的净烟气 进行热交换，一方面将含有较高s 0 2 浓度的高温烟气降温，以利于石灰石浆液吸收 s 0 2 ：另一方面，将来自吸收塔的净烟气加热，以利于烟气抬升和污染物的输运扩 散。降温后的烟气进入吸收塔。由制浆系统制成满足工艺需要的石灰石浆液，由石 灰石浆液泵输送至吸收塔。在吸收塔内石灰石浆液与烟气中的s 0 2 发生一系列复杂 的物理化学作用，生成亚硫酸钙和硫酸钙。净化后的烟气再经换热器排出脱硫装置。 由于亚硫酸钙不稳定，需进一步经氧化系统氧化成稳定的硫酸钙，硫酸钙结晶生成 石膏。石膏浆液经石膏脱水系统制成石膏产品【3 2 】。 烟气 石灰石 脱硫彳i 膏 图2 - 1 石灰石湿法烟气脱硫典型工艺系统 这种工艺流程应用最为广泛。目前，在我国燃煤电站石灰石湿法f g d 装置中，全 7 华北电力大学硕士学位论文 部采用这种系统工艺流程。 典型的石灰石湿法f g d 装置如图2 _ 2 所示。主要包括石灰石浆液制备系统、烟气 系统、吸收塔系统、石膏脱水处理系统、公用系统和事故浆液排放系统【3 3 l 。 o & 耋厂 量式聋磨机 骓 t 水l 溅夏 过术摹 i 空皮带聪水机 图2 2 典型的石灰石湿法烟气脱硫装置 ( 1 ) 石灰石浆液制备系统 石灰石浆液制备系统有干粉制浆系统和湿法制浆系统，图示示f g d 装置采用湿 法制浆。粒径8 0 m m 左右的石灰石块料，经立轴反击锤式破碎机预破碎成小于 6 1 0 m m 粒料，经埋刮板输送机及斗式提升机送至石灰石仓。经石灰石仓下的l 台 封闭式称重皮带给料机，将石灰石粒料送至湿式球磨机，并加入合适比例的工业水 磨制成石灰石浆液，流入球磨机浆液箱。由球磨机浆液泵输送至石灰石浆液旋流站， 经水力旋流循环分选，不合格的返回球磨机重磨；合格的石灰石浆液送至石灰石浆 液箱储存。再根据需要由石灰石浆液箱配备的浆液泵输送至吸收塔。 ( 2 ) 烟气系统 烟气系统设置旁路挡板门和出、入口挡板门，f g d 上游热端前置增压风机和回 转式气一气热交换器( g g h ) 。原烟气经增压风机增压后，由g g h 将原烟气降温至 9 卜1 0 0 送至吸收塔下部，经吸收塔脱除s 0 2 后，将净烟气送回g g h 升温至大于 8 0 后经烟囱排放。 ( 3 ) 吸收塔系统 进入吸收塔的热烟气被逆向喷淋的循环浆液冷却、洗涤，烟气中的s 0 2 与浆液 进行吸收反应，生成亚硫酸氢根( h s 0 3 ) 。h s 0 3 - 被鼓入的空气氧化为硫酸根( 5 0 4 2 。) ， 舣睡_litl-_i _石f旋巍善 青警 华北电力大学硕士学位论文 s 0 4 2 与浆液中的钙离子( c a 2 + ) 反应生成硫酸钙( c a s 0 4 ) ，c a s 0 4 进一步结晶为石 膏( c a s 0 4 2 h 2 0 ) 。吸收塔中装有水冲洗系统，将定期进冲洗，以防止雾滴中的石 膏、灰尘和其它物质堵塞元件。 ( 4 ) 石膏脱水系统 由吸收塔底部抽出的主要由石膏晶体( c a s 0 4 2 h 2 0 ) 组成的浆液，脱水至小 于1 0 含水率的湿石膏后进石膏仓暂时储存。 ( 5 ) 公用系统 公用系统一般有工艺水系统、工业水系统、冷却水系统和压缩空气系统等子系 统构成，为脱硫系统提供各类用水和控制用气。 我国在运的石灰石湿法f g d 大多采用此工艺流程。该工艺的优点是：工艺成熟， 运行安全可靠，可用率在9 0 以上，适应负荷变化特性好。但系统较为复杂，初投 资大，约占电厂总投资的1 0 一2 0 ，石灰石消耗较大，运行费用高；存在不同程度 的设备积垢、堵塞、腐蚀和磨损等问题。 2 2 烟气循环流化床脱硫技术 2 2 1 烟气循环流化床脱硫工艺流程及原理 近年来采用流态化技术原理设计的烟气循环流化床脱硫系统显示了较强的竞争 优势，在我国干法脱硫工艺中，大多采用了烟气循环流化床脱硫技术( c f b f g d ) 。 c f b f g d 系统一般由吸收剂制备、吸收塔、脱硫灰再循环、脱硫除尘器以及仪 表控制系统等组成，其工艺流程见图2 3 【3 4 舶l 。 图2 - 3 烟气循环流化床脱硫系统的流程图 9 华北电力大学硕士学位论文 从工艺流程图可以看出，一个典型的c f b f g d 系统由吸收塔、除尘器、吸收 剂制备系统、物料输送系统、喷水系统、脱硫灰输送及存储系统、电气控制系统等 构成。 来自锅炉的空气预热器出来的烟气温度一般为1 2 0 1 8 0 左右，通过除尘器或 者不通过除尘器从底部进入吸收塔( 当脱硫渣与粉煤灰须分别处理时，可将烟气先 通过一级除尘器，否则烟气可直接进入脱硫塔) ，在此处高温烟气与加入的吸收剂、 循环脱硫灰充分预混合，进行初步的脱硫反应，然后通过吸收塔底部的文丘里管的 加速，吸收剂、循环脱硫灰受到气流的冲击作用而悬浮起来，形成流化床，进行第 二步充分的脱硫反应。 在这一区域内流体处于激烈的湍动状态，循环流化床内的c a s 值可达到4 0 - - 5 0 ，颗粒与烟气之间具有很大的滑落速度( l l b 技术所实现的气固滑落速度是目前 几种干法脱硫中最大的) ，颗粒反应界面不断摩擦、碰撞更新，极大地强化了脱硫 反应的传质与传热。 在文丘里的出口扩管段设一套喷水装置，喷入的雾化水一是增湿颗粒表面，二 是使烟温降至高于烟气露点2 0 左右，创造了良好的脱硫反应温度，吸收剂在此与 s 0 2 充分反应，生成副产物c a s 0 3 1 2 h 2 0 ，还与s 0 3 、h f 和h c i 反应生成相应的 副产物c a s 0 4 1 2 h 2 0 、c a f 2 、c a c l 2 等。净化后的含尘烟气从吸收塔顶部侧向排 出，然后转向进入脱硫除尘器( 可根据需要选用布袋除尘器或电除尘器) ，再通过 锅炉风机排入烟囱。由于排烟温度高于露点温度2 0 左右，因此烟气不需要再加热， 同时整个系统无须任何的防腐。 经除尘器捕集下来的固体颗粒，通过除尘器下的再循环系统，返回吸收塔继续 参加反应，如此循环，多余的少量脱硫灰渣通过物料输送至灰仓，再通过罐车或二 级输送设备外排1 2 引。 2 2 2 几种循环流化床脱硫工艺比较 近几年烟气循环流化床技术发展很快，目前，已达到工业化应用的主要有三种 流程，主要包括德国鲁奇( l u r g i ) 的循环流化床烟气脱硫技术、德国沃尔夫( w u l f f ) 公司的( r c f b f g d ) 脱硫技术、丹麦e l s m i t h 公司开发的气体悬浮吸收( g s a ) 烟气脱硫技术和a b b 公司研制的一种集除尘和脱硫一体的n i d 工艺【3 7 _ 3 9 1 。 c f b f g d 、r c f b f g d 和n i di 艺的简介和比较如表2 - 1 所示： 1 0 华北电力大学硕士学位论文 表2 - 1几种脱硫工艺的技术经济比较 烟气循环流化床回流式烟气循环流化床新型一体化 干法脱硫工艺名称 ( c f b f g d )( r c f b f g d )( n i d ) 吸收剂c a o c a ( o h hc a o c a ( o i - 1 ) 2c a o c a ( o h ) 2 脱硫率 9 0 以上，最高达9 9 7 9 0 8 0 8 5 c a s 1 2 1 31 3 2 01 3 2 5 采用卧式双轴搅拌石灰 采用流化床消化器( 该技 石灰消化装置术系鲁奇公司发明，后弃采用双层增湿搅拌器 干消化机 之不用) 带文丘里装置的空塔，塔 带文丘里装置的塔，塔内 内没有任何支撑杆件，塔 有紊流装置，塔上部有中 利用烟道作为反应 内结构简洁。塔上部的回 间强制回流装置。由于水 流装置，均匀地加强整个 平进气，中部气流速度偏 器，虽吸收剂及脱硫 塔内的床层密度。出口处 高，需要人为加强塔内中 灰亦多次循环，烟气 吸收塔理烟气量在4 0 万n m 3 h 部的颗粒浓度。塔内吸收 颗粒之间相对滑移速 以上采用多个文丘里喷 剂及脱硫灰多次循环，其 度很小，没有流化床 嘴。塔内吸收剂及脱硫灰 与烟气相对滑移速度大， 的特征，属输送床。 多次循环，其与烟气相对 具有循环流化床特征，但 烟气与吸收剂接触时 滑移速度大，具有循环流 由于进气方式和没有设 间非常短，大约只有 循环烟气管，系统阻力较 一秒左右。 化床特征。 大。 吸收塔文丘里装置扩散 吸收塔文丘里装置扩散增湿搅拌器内，由于 段，不论负荷如何变化， 段，由于采用多根喷嘴， 水滴的直径大约为 喷水点加上塔内流速变化范围 2 0 0u ，颗粒和水滴之 均处于湍动能和颗粒密 度最大的区域。 大，喷水点不能保证处于 间容易出现抱团现 最佳点，象。 在低负荷时，因加入 调节喷水量控制出口烟调节喷水量控制出口烟烟道反应器的吸收剂 烟温控制能力温，各种工况下烟温控制 温，各种工况下烟温控制和循环灰减少，烟温 能力良好能力良好控制能力欠佳，脱硫 率不稳定 清洁烟气再循环有无无 5 m s 左右，基本不随负荷2 m s - - - 5 m s 左右，随负荷1 5 2 5 m s 左右( 其为 脱硫塔内烟气流速 变化变化烟道反应器) 3 5 万n m a h ( 单根烟 单塔最大处理烟量2 4 0 万n m 3 h1 8 0 万n m 3 h 道) 出口烟气温度 7 5 7 0 6 5 由于物料循环系统的不 因物料的增湿混合器 运行稳定性无须频繁停运易出故障和结垢，需 稳定，需经常停运。 经常检修。 华北电力大学硕士学位论文 2 2 3c f b - f g d 的工艺特点 c f b f g d 在脱硫技术方面的特点主要有以下几点： 1 设备使用寿命长、维护量小。塔内完全没有任何运动部件。塔内磨损小，设 备使用寿命长。 2 脱硫效率高、运行费用低。容易选择最佳c f b 操作气速，使得气固两相流在 c f b 内的滑落速度最大，脱硫反应区床层密度高，颗粒在吸收塔的停留时间长达2 5 秒以上，强化了塔内的气固混合、传质、传热效率，优化了脱硫反应效果，从而保 证了达到较高的脱硫效率。 3 控制简单，没有制浆系统及浆液喷嘴，加入吸收塔的消石灰和水是相对独立 的，便于控制消石灰用量及喷水量，容易控制操作温度。 6 单塔处理能力大，已有大型化的应用业绩。通过采用一个塔内配置结构，单 塔最高可处理2 8 1 0 5 n m 3 l l 。配置7 个文丘里单塔c f b f g d 系统已在3 0 0 m w 燃 煤机组得到成功运行。 7 负荷适应性好。由于采用了清洁烟气再循环技术，以及脱硫灰渣循环等措施， 可以满足不同的锅炉负荷要求。锅炉负荷在1 0 - - 1 1 0 范围内变化，脱硫系统可正 常运行。 8 无须防腐。c f b 吸收塔内具有优良的传质传热条件，使塔内的水分迅速蒸发， 并且可脱除几乎全部的s 0 3 ，烟气温度高于露点2 0 左右，吸收塔及其下游设备不 会产生粘结、堵塞、腐蚀。 c f b f g d 的工艺控制过程较简单。它的控制主要通过三个回路实现，这三个回 路相互独立，互不影响。c f b f g d 的主要工艺控制主要有： 1 8 0 2 排放控n - 根据吸收塔进口烟气流量及s 0 2 浓度控制消石灰粉的给料量， 吸收塔出口的s 0 2 浓度，则用来作为校核和精确地调节消石灰粉给料量的辅助调控 参数，以保证达到按要求的脱硫效率。 2 温度控制：为了促进消石灰和s 0 2 的反应，通过向吸收塔内喷水来降低烟气 的温度，同时增加吸收剂颗粒的含水量。为了防止结露和有利于烟气的排放扩散， 通常选取的吸收塔出口温度高于水的露点温度1 5 到3 0 。通过对吸收塔出口温 度的测定，控制回流喷嘴向吸收塔内喷水，以使温度降低到设定值。工艺水通过高 压水泵以一定的压力注入，回流喷嘴布置在吸收塔的扩管处，可以在c f b 运行过程 中进行调节，维修和更换。脱硫系统停止运行时，系统内压力降低到设定值，工艺 水会自动停止注入。 华北电力大学硕士学位论文 3 吸收塔的压降控制：吸收塔的压降由烟气压降和固体颗粒压降两部分组成。 由于循环流化床内的固体颗粒浓度( 或称固气比) 是保证流化床良好运行的重要参 数，在运行中只有通过控制吸收塔的压降来实现调节床内的固气比，以保证反应器 始终处于良好的运行工况，它是通过调节除尘器灰斗下料进空气斜槽的物料量，以 控制送回吸收塔的再循环量，从而保证了床内脱硫反应所需的固体颗粒浓度。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 第三章湿法脱硫效率数值模拟 3 1 湿法脱硫s o ：吸收机理 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，它包括扩散、吸收和化学反应等过程，该过程大致分为4 个阶段 【3 4 】： ( 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。 3 1 1 s 0 ：的扩散 脱硫过程中，s 0 2 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。气体扩散过程包括分子扩散和湍流扩散( 对流扩散) 【4 0 1 。分子扩散可由 费克定律描述如下： q 。一( 吆) ( 3 1 ) 其中，d 为q 的扩散速率，i 溯o l ( m 2 s ) ；为q 在混合物中的扩散系数，m 2 s ； 7 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。 对流扩散是湍流主体与相界面之间的涡流扩散和分子扩散这两种传质作用的总 称，由于涡流扩散，传质过程比较复杂，常常把对流扩散中的涡流扩散进行简化， 用分子扩散来描述。湿壁塔中气液的传质中，分子扩散速率写出由气相中心区到相 界面的对流扩散速率方程，即； 以5 去吣) ( 3 - 2 ) 式中：n o 溶质a 的对流扩散速率，k m o l ( m 2 s ) ： d 溶质a 在气相的扩散系数，m 2 s ； z g 气相有效滞流膜层厚度，m ； p 气相总压，p 。； p 气相主体中溶质a 分压，p 。： 华北电力大学硕士学位论文