（环境工程专业论文）伞罩型湿式脱硫除尘塔内部流场数值模拟.pdf

硕士学位论文 摘要 基于强化喷淋装置传质过程，开发了一种结构简单、效率高、气体处理量大 的新型湿式脱硫除尘塔一伞罩型湿式脱硫除尘塔。本文采用数值模拟和实验研究 相结合的方法，利用f l u e n t 软件对伞罩型湿式脱硫除尘塔内部流场进行全面的数 值模拟。 气体单相流方面，气相作为连续相，从雷诺时均n s 方程组出发，选用标准 “湍流模型加以封闭，运用s i m p l e 算法对湍流方程进行离散。 气液两相流方面，在单相流模拟结果的基础上，采用离散相模型( d p m ) 创 建喷射源进行喷淋气液两相耦合计算。液滴作为离散相，在拉格朗日坐标系中描 述。模拟结果表明：伞形罩具有增强气流湍流度和提供气液接触面积的双重作用， 增大了伞罩型湿式脱硫除尘塔内的持液量、延长了液滴在塔内的停留时间、增强 了喷淋液和烟气之间的传质，提高了脱硫除尘效率。 气液固三相流方面，利用f l u e n t 软件在e u l e r 坐标系中考察气固两相，采用 欧拉模型来表述气固两相的相互关系；同时在l a g r a n g e 坐标系中考察液滴的运 动，并把液滴对气固两相的影响耦合于欧拉模型中，提出了气液固三相的 e u l e r e u l e r l a g r a n g e 模型。获得了不同液气比下的气相体积含率、固相体积含率 和液滴浓度等的分布情况，初步掌握了除尘情况下塔内气液固三相的分布规律。 数值模拟结果与实验结果吻合良好，所提出的模型及其模拟具有很好的准确性和 可靠性，其结果对装置运行及其优化设计有一定的理论指导意义。伞罩型湿式脱 硫除尘塔适用于日益严格的脱硫除尘一体化工艺。 关键词：伞罩型：f l u e n t ；湿式脱硫除尘塔；数值模拟；优化设计 a b s t r a c t b a s e do nt h em e c h a n i s mo fm a s st r a n s f e rp r o c e s si nt h es p r a y i n gd e v i c e ，an e w 、e td e s u l f u r i z a t i o nd u s tt o w e r - c a n o p yw e td e s u l f u r i z a t i o nd u s tc a t c h e rw i t hs i m p l e s t r u c t u r e ，h i g hp r o d u c t i o nc a p a b i l i t ya n dl a r g et h r o u g h p u ti se x p l o i t e d t h i sp 2 巾e r a d o p t e dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d y ，a n dt h en o wp e r f o r m a n c ei n t h ec a n o p yw e td e s u l f u r i z a t i o nd u s tt o w e rw a sn u m e r i c a l l ys i m u l a t e dw i t hf l u e n t s o f t w a r e t h eg a s - p h a s es i m u l a t i o nw a sd e s c r i b e da sc o n t i n u u mp h a s e ，u s i n g r e y n o l d s a v e r a g en se q u a t i o n sa sb a s i cc o n t r o le q u a t i o n s ，s t a n d a r d 缸t u r b u l e n c em o d e la n d s i m p l e a l g o r i t h m t h eg a s - l i q u i dt w o - p h a s es i m u l a t i o nw a sb a s e do nt h er e s u l to ft h eg a s p h a s e s i m u l a t i o n t h el i q u i dp h a s ew a si n t r o d u c e db y e s t a b l i s h i n gs p r a ys o u r c ef o rt h e g a s - l i q u i dt w o p h a s ec o u p l i n gc a l c u l a t i o n t h eg a sf l o wa n dt h em o t i o no ft h el i q u i d d r o pl e t si sd e s c r i b e di nal a g r a n g i a nw a y ，u s i n gd p mm o d e l i tw a ss h o w nt h a tt h e c a n o p yw e td e s u l f u r i z a t i o nd u s tc a t c h e rh a ss t r o n g e rt u r b u l e n c ei n t e n s i t ya n dl a r g e r g a s l i q u i dc o n t a c t i n ga r e aw h i c hl e a dt om o r el i q u i dc o n t e n t ，l o n g e rp a r t i c l er e s i d e n c e t i m e ，s t r o n g e rm a s st r a n s m i s s i o n i nt h es i m u l a t i o no ft h e g a s - l i q u i d s o l i dt h r e e p h a s e ，t h eg a sp h a s ea n dt h e s o l i dp h a s ew e r ed e a l tw i t hi nt h ee u l e rc o o r d i n a t e s ，w h 订et h em o t i o no fl i q u i d p a r t i c l e sw a sd e s c r i b e di nt h el a g r a n g ec o o r d i n a t e sw i t hf l u e n ts o f t w a r e ac l o s e d e u l e r e u l e r l a g r a n g e m a t h e m a t i c a lm o d e lf o r s i m u l a t i n gg a s 1 i q u i d s o l i d t 1 1 r e e - p h a s el o c a ln o ww a se s t a b l i s h e d g a sv 0 1 u m ef r a c t i o n ，s o l i dv 0 1 u m ef r a c t i o n ， l i q u i dc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o ne t ci nt h et o w e rw e r ea n a l y z e d ，a n dag e n e r a lr u l e f o rd u s tw a so b t a i n e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa g r e e dw e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a ， w h i c hw o u l db e h e l p f u lf o rp r a c t i c a lo p e r a t i o na n do p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h e s c r u b b e r t h e c a n o p yw e td e s u l f u r i z a t i o nd u s tr o w e ri s s u i t a b l ef o r l a r g e r s c a l e i n d u s t r i a ld e s u l f u r i z a t i o na n dd u s tr e m o v a l k e yw o r d s ：c a n o p y ；f l u e n t ；d e s u l f u r i z a t i o nd u s tt o w e r ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； o p t i m i z a t i o nd e s i g n l u 琰士学挝论文 插图索引 图1 12 0 0 6 全国酸雨发生频率区域分布图。量 图l 。22 0 0 6 全国酸雨区域分布图。2 图1 3 不同粒径的球形颗粒在液滴上的捕获示意图9 图1 4 石灰石石灰一石膏法烟气脱硫工艺流程图1 4 图2 1 伞形罩照片2 薹 图2 。2 实验装置图一2 2 图2 。3 粉煤灰粒度体积分布曲线2 7 图2 4 液气比与除尘效率关系图2 8 图4 1 伞旱型湿式脱硫除尘塔一3 6 图4 。2 网格外观图及典型位置网格截面图3 8 图4 3 气流迹线分布图4 0 图4 4 气相速度场分布4 l 图4 5 伞形罩局部速度矢量4 薹 图4 6 如口气速分布4 l 图4 7 气相压力场分布4 2 图4 8 气相湍流强度分布一4 2 图4 9 喷淋时气流迹线分布图4 8 图4 1 0 喷淋时气相速度场分布4 9 图4 1 1 喷淋时伞形罩局部速度矢量4 9 图4 1 2 喷淋时各截面气速分布5 0 图4 1 3 喷淋时气相压力场分布。5 0 图4 1 4 喷淋时气相湍流强度分布5 1 图4 1 5 喷嘴液滴轨迹跟踪5 l 图4 1 6 液气比0 霹l - m 弓时气含率5 4 图4 ，1 7 液气比o 。5l 黻弓时气含率5 4 图4 1 8 液气比o 6l m 弓时气含率5 4 图4 1 9 液气比0 8l m o 时气含率5 4 图4 。2 0 液气比1 o 己m 弓时气含率5 4 图4 2 l 液气比o 4l m q 时固含率5 5 图4 。2 2 液气比0 5l - m 刁时固含率5 5 图4 2 3 液气比o 6l m 弓时固含率5 5 伞早型温式脱碗除尘塔内部流场鼓值模拟 图4 2 4 图4 2 5 图4 2 6 图4 2 7 图4 2 8 图4 2 9 图4 3 0 图4 - 3l 图4 - 3 2 图4 3 3 图4 3 4 图4 3 5 液气比0 8l m 4 时固含率5 5 液气比1 0l m o 时固含率5 6 液气比0 4l m 刁时液相浓度5 6 液气比0 5l m 3 时液相浓度5 6 液气比0 6l m 刁时液相浓度5 7 液气比o 8l - m 日时液相浓度一5 7 液气比1 ol m o 时液相浓度5 7 出口截面动压分布图5 8 出口截面静压分布图5 8 出口截面全压分布图5 9 出口截面速度分布图5 9 除尘效率曲线图- 南6 0 v 硕士学位论文 附表索引 表1 1 主要湿式除尘装置的性能和操作范围8 表2 1 实验仪器2 3 表2 2 进出口气体实验数据2 4 表2 3 粉尘真密度的测试2 6 表2 4 飞灰吸湿性测定表2 6 表2 5 粉煤灰粒径测试数据表2 6 表2 6 伞罩型湿式脱硫除尘塔除尘特性2 8 表3 1 标准常数值“3 5 v i i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 王器 日期：加p 绰歹月，口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校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，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密明。 作者签名：王瞀 导师签名：殇磅 | 硕士学位论文 第1 章绪论 大气环境的不断恶化是人类二十一世纪将要面临的严峻挑战之一。来自工业 排放，城市交通及生活排放的大气污染影响了人类和动物的健康，危害植物，腐 蚀材料，影响气候，降低能见度。酸雨、有毒物质污染、臭氧层耗竭、温室效应 增强是近十几年来由大气污染及污染效应引发的严重的环境问题。 中国的大气污染是典型的煤烟型污染，总悬浮颗粒物、二氧化硫是主要的污 染物。近几年，区域性大气污染状况相对稳定，大气污染物主要以总悬浮颗粒物、 二氧化硫和氮氧化物为主。 1 1 国内环境状况 我国是以煤炭为主要能源的国家，煤炭消费占我国一次能源消费的7 5 蚶， 这个能源结构近期内不会有根本性变化【2 1 。我国煤炭产量居世界第一位，而且煤 炭总贮量的2 0 2 5 为高硫煤。在全国的煤炭消费中，约占总量8 4 的煤炭被 直接燃用。因此，对于硫酸厂尾气排放的s 0 2 及有色金属冶炼过程排放的s 0 2 而 言，燃烧烟气中的s 0 2 是主要的污染源。排放到大气中的s 0 2 会形成酸雨，酸雨 对人类健康和建筑物、湖泊、生态环境造成极大的危害。而且这些污染对我国的 竞争力和经济的影响也很大。 2 0 0 6 年，全国酸雨发生率在5 以上区域占国土面积的3 2 6 ，酸雨发生率在 2 5 以上区域占国土面积的15 4 ( 图1 1 ) 。在5 2 4 个参加监测统计的城市( 县) 中，2 8 3 个城市( 县) 出现至少1 次以上的酸雨，占5 4 o 。6 个市( 县) ( 浙江建 德市、象山县、湖州市、安吉县、嵊泗县、重庆江津市) 酸雨频率为1 0 0 【3 j 。 警? 、 +一i 图1 12 0 0 6 全国酸雨发生频率区域分布图 2 0 0 6 年，全国环境质量状况总体保持稳定，局部地区污染依然严重。全国6 2 伞罩型湿式脱硫除尘塔内部流场数值模拟 的城市空气质量达到二级以上标准，较上年略有改善，但部分城市污染仍然严重。 1 1 3 个重点城市空气质量达到二级标准的城市比例为4 4 ，与去年相比空气质量 变化不大。城市空气首要污染物为可吸入颗粒物，s 0 2 污染也较为严重。目前我 国是世界上s 0 2 排放最多的国家，s 0 2 排放总量约为2 5 0 0 万吨，由此造成的酸雨 区面积占全国面积的1 3 。全国酸雨分布区域稳定，这些酸雨分布区域主要集中 在长江以南，四川、云南以东的区域。主要包括浙江、江西、湖南、福建、贵州、 重庆的大部分地区，以及长江、珠江三角洲地区( 图1 2 ) 。 瞬 阿带前 r 一 _ 当 图1 22 0 0 6 全国酸雨区域分布图 全国3 3 5 的城市颗粒物年均浓度超过二级标准( 其中劣于三级标准的城市 3 9 个，占7 0 ) ，1 3 2 的城市s 0 2 年均浓度超过二级标准( 其中劣于三级标准的 城市2 0 个，占3 6 ) 。全国城市总体平均的可吸入颗粒物年均浓度水平接近国家 二级标准。北方城市及其中的s 0 2 污染控制区的p m l o 平均水平相对较高，超过二 级标准，北方城市受地表条件影响较大。南方城市p m l o 平均水平低于二级标准， 其中的酸雨控制区平均水平在南方地区内相对略高。1 1 3 个重点城市平均水平较 高，接近二级标准。全国城市总体平均的s 0 2 年均浓度低于国家二级标准。北方 地区的s 0 2 污染控制区的s 0 2 平均水平较高，接近二级标准。南方地区的酸雨控制 区平均水平在南方地区内相对略高。1 13 个重点城市的s 0 2 平均水平也较高。可见， 空气中s 0 2 的含量与城市颗粒物的浓度密切相关。控制s 0 2 的排放不仅有利于保护 生态环境，而且有利于改善城市大气环境。因此控制s 0 2 的排放十分必要。 1 2s 0 2 和粉尘的危害 1 2 1s 0 2 的危害 s 0 2 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，浓度高而易对环境造成严重危害。历史上 2 鬟骀一 o一嚣既j 硕士学位论文 与s 0 2 污染有关的事故很多：1 9 3 0 年1 2 月比利时马斯河谷的烟尘和s 0 2 的污染导致 6 0 0 0 多人发病，6 0 多人死亡；1 9 4 8 年l o 月美国多偌拉同样因为烟尘和s 0 2 的污染 使5 9 1 1 人发病占全镇总人口4 3 ，死亡1 7 人；1 9 5 2 年1 2 月著名的伦敦烟雾事件 致使4 天内死亡4 0 0 0 人，2 个月死亡8 0 0 0 人；1 9 7 0 年东京的光化学烟雾时期的受害 者达到上万人1 4 j 。 s 0 2 对植物的危害主要是通过叶面气孔进入植物体，在细胞或细胞液中生成 亚硫酸根，亚硫酸氢根和氢离子。如果其浓度和持续时间超过本身的自解机能， 就会破坏植物正常的生理机能，使其生长缓慢，对病虫害的抵抗力降低，严重时 会枯死。资料表明，当s 0 2 浓度年均达到( 0 0 1 0 0 8 ) 1 0 6 时，许多植物就开始受 到不同程度的伤害，有些植物在更低的浓度下便遭受损害。 s 0 2 给人类带来最严重的问题是酸雨，这是全球性的问题。大气中s 0 2 、n o 、 与氧化性物质0 3 、h 2 0 2 和其他自由基进行化学反应生成硫酸和硝酸，最终形成p h 值小于5 6 的酸性降雨( 即酸雨) 返回地面，它们占酸雨总量的9 0 以上。 酸雨对环境的危害最为突出的是它会使湖泊变成酸性，导致水生生物死亡。 酸性湖水或河水会降低水中含钙量，损害鱼的脊椎和骨骼，使鱼畸形，造成驼背 或缩短。此外，酸性水还会使河底沉积物释放出有毒物质，如铅、锅、镍等。当 湖水或河水的p h 值小于4 5 时，各种鱼类、两栖动物和大部分昆虫消失，水草死亡。 酸雨还浸渍土壤，侵蚀矿物，使铝元素和重金属元素沿着基岩裂缝流入附近水体， 影响水生生物生长或使其死亡。 酸雨对生态系统的影响及破坏主要表现在使土壤酸化和贫瘠化，农作物及森 林生长减缓，湖水酸化，鱼类生长受到抑制，对建筑物和材料有腐蚀作用，加速 其风化等方面。 酸雨还加速了许多用于建筑结构、桥梁、水坝、工业装备、供水管网、地下 储罐、水轮发电机组、动力和通信设备等材料的腐蚀，对文物古迹、历史建筑、 雕刻等重要文物设施造成严重损害。另外酸雨对人体健康也产生间接的影响，酸 雨使地面水呈酸性，地下水中的金属含量也增高，饮用这种水或食用酸性河水中 的鱼类会对人体健康产生危害，同样也会涉及到野生动物。 1 2 2 粉尘的危害 “粉尘”或“尘”是对能较长时间悬浮于空气中的固体颗粒的总称，是指那些由 固体物料经机械性撞击、研磨、碾轧而形成的固体颗粒，这些固体颗粒经气流扬 散而悬浮于空气中，其中粒径大都0 2 5 2 0 “m ，其中绝大部分为o 5 5 p m 。属 于粉尘类的大气污染物的种类很多，如粘土粉尘、石英粉尘、煤粉、水泥粉尘、 各种金属粉尘等。 通常所说的颗粒状大气污染物包括烟尘、粉尘、总悬浮颗粒物、可吸入颗粒 3 物、可入肺颗粒物等。 烟尘：一般将冶金过程或化学过程形成的固体颗粒气溶胶称为烟尘【5 1 。 黑烟：指由于燃烧过程中供氧不足而产生轻质炭黑，其产生量与煤质、窑炉 燃烧方式、窑炉类型有关，挥发分越高，产生的黑烟浓度越高，黑烟的粒径均在 1p m 以下。 粉尘：指悬浮于气体介质中的微小固体颗粒，受重力作用能发生沉降，但在 某一段时闻内能保持悬浮状态。 总悬浮颗粒物( t o 专a ls 聪s p e 建d e dp 糠i e u l a f ，专s p ) ：指能悬浮在空气中，空气 动力学直径s l o o p m 以下的颗粒物。 p m l o ：指能悬浮在空气中，空气动力学直径1 0 “m 的颗粒物。 p + 5 ：指空气动力学直径 2 5 p m 的大气颗粒物。 可吸入颗粒( 王曲a l a b l ep a r l i c l e s ) ：通过呼吸系统可以吸入人体的颗粒，我国 曾称为飘尘，通常就是指p m l o 。 可入肺颗粒( r e s p i r a b l ep a n i c l e s ) ：能够进入人体肺泡的颗粒，通常就是指 p m 2 。5 。 粉尘颗粒对人体健康的影响，取决于颗粒物的浓度和在其中的暴露时间。颗 粒的粒径大小是危害人体健康的另一重要因素。它主要表现在两个方面： 1 ) 粒径越小，越不易沉积，长时间飘浮在大气市容易被吸入体内，且容易深 入肺部。一般，粒径在1 0 0 箨擞以上的尘粒会很快在大气串沉降，l o p m 以上的尘 粒可以滞留在呼吸遂中；5 l o 斗嫩的尘粒大部分会在呼吸道沉积，被分泌的粘液 吸附，可以随痰排出；小于5 “m 的微粒能深入肺部，o 0 l 0 1 “m 的尘粒，5 0 以上将沉积在肺腔中，引起各种尘肺病。 2 ) 粒径越小，粉尘跑表面积越大，物理、化学活性越高，加割了生理效应的 发生与发展。此外，尘粒的表面可以吸附空气中的各釉有害气体及其他污染物， 而成为它们的载体，如可以承受致癌物质苯并芘及细菌等【6 母】。 粉尘的化学成分直接影响着对机体的危害性质，特别是粉尘中游离二氧化硅 的含量。长期大量吸入含结晶型游离二氧化硅的粉尘可弓| 起肺病。粉尘中游离二 氧化硅的含量愈高，引起病变的程度愈高，瘸变的发展速度愈快。粉尘可随呼吸 进入呼吸道，进入呼吸道的粉尘并不全部进入肺泡，可以沉积在从鼻腔到肺泡的 呼吸道内，一般会引起呼吸系统疾病如尘肺【o ，“l 。 近年来人们认识到大气悬浮颗粒中的细颗粒物对人体健康的危害远毙粗颗粒 大。特别是p m l o 可直接进入各个呼吸器官导致呼吸道疾病的多发，是导致城区人 群患病率和死亡率增加的主要因素【1 2 】。据o s t r ob 等在泰国曼谷的研究，当p m l o 圜平均增加l o 牡g m o 时，总死亡率增加l 2 ，其中呼吸道疾病死亡率增加3 6 ，心血管疾病死亡率增加l 2 f ”】。两p m 2 5 能够进入人体肺泡甚至血液系统 4 硕士学位论文 中去，可能导致与心肺功能障碍有关的疾病。由于p m 2 5 的比表面积较大，易于富 集空气中的重金属( 如a s 、s e 、p b 、c r 等) 、酸性氧化物、有机污染物( 如p a h s 、 p c d d f s 、v o c s 等) 、细菌和病毒等，这些多为致癌物质和基因毒性诱变物质， 危害更大。s c h w a n z ，j 等研究发现，p m 2 5 平均每日增加1 0 p g m 一，总死亡率增 加1 5 。其中顽固性肺病死亡率增加3 3 ，局部缺血性心脏病死亡率增加2 1 附1 4 j 。 此外，大量研究表明，p m l o 和p m 2 5 的性质与能见度的降低密切相关u5 1 。同时由 于颗粒物的存在，直接阻挡太阳光抵达地球表面，这样使可见光的光学厚度增大， 抵达地面的太阳能通量剧烈下降，从而使地面温度降低，高空的温度增高。特别 是直径在0 1 5 p m 的颗粒，通过散射与吸收太阳与地球辐射在大气能量平衡中起 着重要作用【l6 1 。可吸入颗粒物对降水的酸度也有影响。 1 2 3s 0 2 和粉尘的危害 我国的大气污染状况是世界上最严重的国家之一，粉尘和s 0 2 二起，构成了 严重的煤烟型大气污染。根据世界卫生组织资料，居民长期接触年平均浓度超过 1 0 0 m g m 3 的粉尘和s 0 2 ：短期接触日平均浓度超过2 5 0 m g m 。3 的粉尘和s 0 2 ，能促 使呼吸系统疾病加重，患者病情恶化。从我国大气监测资料分析，北方几个城市 ( 沈阳、北京等) 居民区大气飘尘年平均超过1 0 0 m g m 一，s 0 2 为10 0 m g m 。左右； 冬季飘尘日平均浓度超过5 0 0 m g m 一，s 0 2 约2 5 0 m g m 一，均明显地超过或相当于引 起患者呼吸系统疾病恶化水平【1 7 】。上海市分析1 9 7 4 01 9 8 2 年大气中s 0 2 与飘尘浓 度和同期人群死亡率的关系，发现它们之间有显著的相关性。有些地区则是由于 大气污染严重，致使儿童肺功能和免疫水平明显低于对照区。尘肺病就是由于工 人在职业活动中长期吸入生产性粉尘，并在肺内滞留而引起的以肺组织弥漫性纤 维化为主的肺部病变。据全国3 0 个省、自治区、直辖市( 缺西藏，台湾) 卫生部 门的报告统计，2 0 0 0 年共报告各类职业病1 17 18 例，较1 9 9 9 年的病例增加1 4 5 。 在总病例数中尘肺病占7 7 7 ，全年共报告尘肺病新发病例9 1 0 0 例，死亡2 7 2 5 例。 截至2 0 0 0 年底，全国累积检出尘肺病5 5 8 6 2 4 例，累积死亡1 3 3 2 2 6 例，病死率为 2 3 8 5 ，现患尘肺病人4 2 5 3 8 9 例l 埔j 。 1 3 政策背景 中共中央在“十一五”规划【1 9 】建议中就明确指出，我国区域大气污染仍较为严 重，s 0 2 排放量仍处于较高水平，由酸雨造成的经济损失严重。在“十一五”期间， 中国政府制定了主要污染物削减1o 的目标，也就是说到2 0 1o 年，中国s 0 2 的 总量将控制在2 2 9 0 万吨之内。目前，全国电力装机容量为6 2 2 亿千瓦，电力工 业占全国s 0 2 排放总量的一半左右。随着经济的发展，对能源的需求将会不断增 加。2 0 0 6 全国发电量达到2 8 3 4 4 亿千瓦时，火电发电量2 3 5 7 3 亿千瓦时，约占全 5 伞罩型湿式脱硫除尘塔内部流场敦值模拟 部发电量8 3 1 7 。这将会增大s 0 2 减排的任务。为落实“十一五”规划纲要提出的 s 0 2 排放总量削减1 0 推动现有电厂烟气脱硫工程建设，国家发展改革委会同环 保总局发布了现有燃煤电厂s 0 2 治理“十一五”规划。规划提出：“十一五” 期间，现有燃煤电厂需要安装烟气脱硫设施1 3 7 亿千瓦，共2 2 1 个项目。s 0 2 减 排能力约为4 9 0 万吨。加上淘汰落后，燃用低硫煤，节能降耗等措施，到2 0 1 0 年，现在燃煤电厂s 0 2 排放总量由2 0 0 5 年的1 3 0 0 万吨降到5 0 2 万吨，下降6 1 4 。 规划的实施，对实现“十一五”时期全国s 0 2 排放总量削减l o 的约束性目标 和改善全国大气环境质量将起决定性作用。 1 4 除尘脱硫技术及其机理概述 1 4 1 除尘技术概述 从气体中除去或收集固态或液态粒子的设各称为除尘装置。一般来说，除尘 技术分为四大类：机械除尘器；电除尘器；湿式除尘器；过滤式除尘器。也可按 分离原理分为：重力除尘装置( 机械式除尘装置) ；惯性力除尘装置( 机械式除尘 装置) ；离心力除尘装置( 机械式除尘装置) ；洗涤式除尘装置；过滤式除尘装置； 电除尘装置；声波除尘装置。 机械除尘器通常指利用质量力( 重力、惯性力和离心力) 的作用使颗粒物与 气体分离的装置，常用的有：重力沉降室、惯性除尘器和旋风除尘器。重力沉降 室是通过重力作用使尘粒从气流中沉降分离的除尘装置。重力沉降室有以下优点： 结构简单、投资少、压力损失小( 一般为5 0 l o o p a ) 、雒修管理容易。但重力沉 降室体积大，效率低，一般仅作为高效除尘器的预除尘装置，除去较大和较重的 粒子。 电除尘器是含尘气体在通过高压电场进行电离的过程中，使尘粒荷电，并在 电场力的作用下使尘粒沉积在积尘板上，将尘粒从含尘气体中分离出来的一种除 尘设备。电除尘器与其他除尘器的根本区别在于，分离力直接作用在粒子上，而 不是作用在整个气流上具有耗能小、气流阻力小的特点f 2 们。电除尘器的主要优点： 压力损失小，一般为2 0 0 5 0 0 p a ；处理烟气量大，可达1 0 5 1 0 6 m 3 h ；能耗低， 大约0 2 o 4 k w 1 0 0 0 n 1 3 ；对细粉尘有很高的捕集效率，可高于9 9 ；可在高温 或强腐蚀性气体下操作。但是电除尘器对粉尘的比电阻有一定要求。高比电阻粉 尘会干扰电场条件，导致除尘效率下降；低于1 0 加q ，c m 时，比电阻几乎对除尘器 操作和性能没有影响；比电阻介于1 0 i o 1 0 1 1 q ，c m 之间时火花率增加，操作电 压降低；高于1 0 1 1 q c m 时，产生明显反电晕。而且气流中微小粒子的浓度高时， 荷电尘粒所形成的电晕电流不大，可是所形成的空间电荷却很大，严重抑制着电 晕电流的产生。当含尘量大到某一数值时，电晕现象消失，尘粒在电场中根本得 6 硕士学位论文 不到电荷，电晕电流几乎减小到零，失去除尘作用，即电晕闭塞。影响粉尘层比 电阻除粒子温度和组成之外，还包括粒子大小和形状，粉尘层厚度和压缩程度， 施加于粉尘层的电场强度等。因此使用电除尘器一般要经过前端的简易处理。 目前，火力发电是电除尘器应用的最大行业【2 1 1 。由于环保要求对除尘技术的要求 不断提高，为此欧美等发达国家的除尘装置正逐渐引入现代电子技术，电除尘装 置的开发正在向脉冲电荷技术发展。日本开发了超高宽间距电除尘器、双区电除 尘器；美国则应用蒸汽除尘器、三电极板电除尘器、带屏蔽网电除尘器等。除此 之外，一些新的除尘技术正处在研究和实验阶段。如声波辅助清灰、微粒凝聚技 术、高压蒸汽喷射、带电湿式除尘和复合式除尘等。这些新技术将为传统的除尘 器领域注入新的活力口引。 过滤式除尘器是使含尘气流通过过滤材料将粉尘分离捕集的装置。它分为以 下三种：空气过滤器；颗粒层除尘器；袋式除尘器。其中采用纤维织物作滤料的 袋式除尘器具有性能良好、投资相对经济、除尘效率相对较高的特点，应而在工 业尾气的除尘方面应用越来越广泛。目前袋式除尘是大气污染控制的主要手段。 相比电除尘器，袋式除尘器在超细粉尘的捕集和适应燃煤电厂粉尘排放特性方面 优势明显【z 引。 湿式除尘器是使含尘气体与液体( 一般为水) 密切接触，利用水滴和尘粒的 惯性碰撞及其它作用捕集尘粒或使粒径增大的装置【2 4 也引。它可以有效地除去直径 为o 1 2 0 “m 的液态或固态粒子，亦能脱除气态污染物。表1 1 列出了主要湿式除 尘装置的性能，操作范围【2 9 。3 3 1 。根据湿式除尘器的净化机理，大致分为：重力喷 雾洗涤器；旋风洗涤器；自激喷雾洗涤器；板式洗涤器；填料洗涤器；文丘里洗 涤器：机械诱导喷雾洗涤器。在耗用相同能耗时，湿式除尘器比干式机械除尘器 效率高。高能耗湿式除尘器清除直径0 1 p m 以下粉尘粒子，仍有很高效率。可与 静电除尘器和布袋除尘器相比，而且还可适用于它们不能胜任的条件，如能够处 理高温，高湿气流，高比电阻粉尘，以及易燃易爆的含尘气体。在去除粉尘粒子 的同时，还可去除气体中的水蒸气及某些气态污染物。既起除尘作用，又起到冷 却、净化的作用。但湿式除尘器也有些有待解决的问题：排出的污水、污泥需要 处理，澄清的洗涤水应重复使用；净化含有腐蚀性的气态污染物时，洗涤水具有 一定程度的腐蚀性，因此要特别注意设备和管道的腐蚀问题；不适用于净化含有 憎水性和水硬性粉尘的气体；寒冷地区使用湿式除尘器，容易结冻，应采取防冻 措施。 在湿式除尘过程中，气体中的粉尘粒子是在气液两相接触过程中被捕集的。 气液两相间的接触面积、捕尘体形成的流体动力学以及粉尘粒子在捕尘体上的沉 降等是湿式除尘的主要理论基础【3 4 。7 。 7 伞罩型湿式脱硫除尘塔内部流场数值模拟 湿式除尘中气液两相接触表面的形式及大小，对除尘效率有着重要的影响。 气液两相接触表面的形式及大小取决于一相进入另一相的方法，即液体与含尘气 流的接触方式，主要有三种形式【3 8 3 叭。 1 ) 液滴 当洗涤液体向含尘气体中分散时，如在重力喷雾塔洗涤器中，将形成液气接 触表面，气体中粉尘粒子在液滴捕尘体表面上沉降大多数实际应用的湿式除尘 器是以液滴作为捕尘体而进行捕尘的。形成液滴捕尘体的方法主要有两种：一种 是采用机械( 喷头) 喷雾的方法将洗涤液体分散成细小的液滴；另一种方法是以 含尘气流本身的速度冲击贮水液面，而形成细小液滴( 同时有气泡生成) 。 2 ) 液膜 有些湿式除尘器，如填料塔洗涤除尘器和湿式离心式洗涤除尘器，利用水进 入除尘器后，在其内表面形成一层液膜，进入装置内气流中的尘粒受惯性和离心 力的作用撞击到液膜中，而完成除尘过程。在这些湿式除尘器中，气液两相接触 表面为液膜，液膜是这类除尘器的主要捕尘体，粉尘粒子在液膜上得到沉降。 3 ) 气泡 当含尘气体向液体中分散时，如在板式塔洗涤除尘器中，将形成气体射流和 气泡形状的气液接触表面，气泡和气体射流即为捕尘体，粉尘粒子在气泡和气体 射流捕尘体上沉降。对许多类型的湿式除尘器来说，气体和洗涤液体的接触表面 不只是一种类型接触表面和捕尘体，而是有两种或两种以上的接触表面形式。 粉尘粒子在捕尘体上沉降的形式有重力沉降、惯性碰撞、拦截捕获和电力沉 降，除此之外，还有热泳力、扩散泳力、磁场力和辐射力等。除尘器的总除尘效 率的是这些沉降参数及粒子的雷诺数的函数，即： ，7 = ，( r e 。，g ，屯，r ，d ，世冒) ( i 1 ) 式中：r e 。为粒子的雷诺数；g 、s t k 、r 、d 、k e 为受重力、离心力、惯 性力、拦截、扩散和电场力作用产生粉尘粒子沉降的无因次参数。 在湿式除尘中主要涉及到的是粉尘粒子的惯性碰撞、拦截捕获和扩散沉降。 8 硕士学位论文 1 ) 惯性碰撞 当含尘气流绕流于液滴或固体捕尘体时，由于粉尘粒子比气体分子具有较大 的惯性力，气流中的粉尘粒子将脱离弯曲的气体流线，继续向前运动，并与捕 尘体相碰撞，这种捕获也称为惯性力沉降【4 0 】，是捕集密度较大的尘粒的主要机理。 不同粒径的球形颗粒在液滴( 捕尘体) 上的捕获见图1 3 【4 1 1 。图中粒子3 的捕获 便是依靠惯性碰撞而被液滴捕获的。 气键雳i ；荤 争 图1 3 不同粒径的球形颗粒在液涌上的捕獗示意图 图中x s 为停止距离，即尘粒从脱离流线到惯性运动结束，总共移动的直线 距离。v p o 为尘粒脱离气体流线时的相对速度，一般认为与气速相同，也就是气液 相对速度。如果x s 大于x d ，尘粒和液滴就会发生碰撞，被液滴捕集。实践表明， 惯性沉降效率是对数正态分布函数，可以用下式来表示： = 厂( r e p ，& ) ( 1 2 ) 式中：s 。k 为斯托克斯准数，又称惯性参数。 碰撞数n i 用来表示尘粒与液滴碰撞的几率，其定义式为： m = 孚 ( 1 3 ) 式中：x s 为停止距离；d d 为液滴的直径。 粒径在3 1 0 0 m 范围内的球形粒子( 即符合斯托克斯定律的范围内) ，碰 撞效率n 与碰撞数n i 的关系为： ，7 = 瓦 ( 1 4 ) ，72 瓦而丽 【l 4 1 ) 腻 m = 镶 ( 1 5 ) 式中：v p o 为气液相对速度；p p 为子的密度；d p 为粒子的直径；p g 为流体的粘 性系数。 由式( 1 3 ) 可以看出，n i 越大，尘粒与液滴碰撞的几率就越大，被液滴捕集 的效率也就越高。式( 1 5 ) 表明，工艺条件确定之后，要想提高n i ，可以采取提 高气液相对速度v p o 或减小液滴直径的办法。但液滴的直径也不是越小越好，因 9 伞罩型湿式脱硫除尘塔内部流场数值模拟 为直径过小的液滴容易随气体一起运动，会减小气液的相对运动速度，从而降低 n l 。 2 ) 拦截捕获 依靠被绕物体( 捕尘体) 表面，捕集气体中具有大小而无质量的粒子的过程 称为拦截捕获过程。拦截捕获是忽略粒子的质量，不考虑粒子惯性碰撞的捕尘效 应。当只考虑拦截捕集效应时，沿气体流线运动的粒子不仅能在流线与被绕物体 相交表面处沉降，而且还能捕获流线与捕集体表面距离等于或小于粒子半径d o 2 的所有粒子，图1 3 中的粒子5 便是被液滴拦截捕获的。拦截捕获效率n 窑可写成 如下函数形式： = 厂( ，r e 。) ( 1 6 ) 式中：s 。k 为斯托克斯准数；r e e 为以被绕捕尘体的特性尺寸d 。所表示的雷诺 数。 3 ) 扩散沉降 微细的粉尘粒子在气流中常伴有无规则的布朗运动，引起布朗扩散。扩散沉 降效率1 1d 有多种计算式。兰格谬尔推导出，粘性含尘气体绕流于圆柱形捕尘体 的扩散沉降效率计算式为： 古扎7 2 7 j 爷 m 7 ， 适用于o 1 r e c 1 0 4 以及s c 1 0 0 ( 1 0 p e 1 0 6 ) 。式中p e 为彼克列准数；s c 为 斯密特准数。 1 4 2 脱硫技术概述 s 0 2 控制技术的研究，从本世纪初至今已有9 0 多年历史。自6 0 年代起，一 些工业化国家相继制定了严格的法规和标准，限制煤炭燃烧过程中s 0 2 等污染物 的排放，这一措施极大地促进了s 0 2 控制技术的发展。进入7 0 年代以后，s 0 2 控制技术逐渐由实验室阶段转向应用性阶段。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 0 2 己达18 4 种，而目前的数量已超过2 0 0 种【4 2 1 。 总的来说，燃煤的s 0 2 控制技术概括起来可分为三大类：燃烧前脱硫、燃烧 中脱硫及燃烧后脱硫即烟气脱硫。 1 、燃烧前脱硫技术 燃烧前脱硫技术的主要内容是采用物理、化学或生物方式对锅炉使用的原煤 进行洗选，去除煤中部分硫。其中比较有代表性的技术有选煤、动力配煤等。 1 ) 选煤 用物理方法对原煤进行洗选净化是目前世界上应用最广泛的燃烧前脱硫技 l o 硕士学位论文 术，该法可以从原煤中除去泥土，页岩和黄铁矿硫。通过煤的粉碎，使非化学键 结合的不纯物质与煤脱离，继而利用构成煤的有机物质( 煤的基本微观结构) 与 密度较大的矿物不纯物之间比重的不同，或利用二者表面润湿性，磁性，导电 性的不同将它们分离。主要方法有：重力法、浮选法、重液体富集法、磁性分离 法、静电分离法、凝聚法、细煤粒一重介质旋风分离法等。物理方法工艺简单， 投资少，操作成本低，但不能脱除煤中有机硫，对黄铁矿硫的脱除率也只有5 0 左右。 化学法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。目前主要的化学净化方法有： b h c 法( 碱水液法) 、m e y e r s ( f e 2 ( s 0 4 ) 3 氧化法) 、l o l 氧化法( 0 2 空气氧化 法) 、p e t c 法( 空气氧化) 、k v b ( n 0 2 选择氧化) 、氯解法( c 1 2 分解) 、微波法、 超临界醇抽提法等。 微生物脱硫技术虽然从本质上讲也是一种化学法，但由于其自身的特殊性， 可把它单独归为一类。它是把煤粉悬浮在含细菌的气泡液中，细菌产生的酶能促 进硫氧化成硫酸盐，从而达到脱硫目的。目前常用的脱硫细菌有：属硫杆菌的氧 化亚铁硫杆菌，氧