（环境工程专业论文）底饲进料循环喷动床烟气脱硫实验研究.pdf

摘要 摘要 随着经济的发展，燃煤所造成的s 0 2 污染日益严重，二氧化硫减排是我国“十一五”期间环境污染 防治工作的重点之一，因此烟气脱硫行业备受关注。烟气脱硫干法技术由于其投资少、占地面积小、运 行操作方便等特点，在我国烟气脱硫技术的应用中具有重要的优势。为了进一步提高脱硫效率和钙利用 率，东南大学热能研究所首次采用底饲进料技术将一台循环流化床烟气脱硫装置改造为底饲进料循环喷 动床( u n d e r f e e dc i r c u l a t i n gs p o u t e db e d , u c s b ) 烟气脱硫装置，并对塔内流场和脱硫效果进行实验研究。 本文通过数值模拟和冷态实验，研究了底饲进料循环喷动床反应塔内的气相流场分布，并比较不同 的操作条件对流场分布的影响。通过研究表明：相对于面饲进料，采用底饲进料能够显著改善反应塔内 截面上的流场分布；喷动速度和底饲喷射速度是影响塔内流场分布的重要因素，随着喷动速度的上升， 气体速度分布在径向上的对称性提高，采用较高的底饲喷射速度可以明显改善气体速度在径向上的分布 状况。 底饲循环喷动床烟气脱硫热态实验中研究了c a s 比、入口s 0 2 浓度、喷水量、底饲喷速等因素对 脱硫效率的影响，发现采用底饲进料方式时脱硫效率明显高于面饲方式：喷水量和c a s 比是影响脱硫 效率的最显著的因素。随着喷水量和c a s 比的增加，系统脱硫效率也迅速增加。试验还分析分层喷水 对脱硫效率的影响。采用分层喷水可以明显降低反应塔内的平均反应温度，有利于脱硫反应的进行。 该技术具有颗粒分布均匀、循环倍率高、气固混合良好等特点，且操作方便、运行可靠，投资改造 费用较低，对我国装机容量小，资金相对短缺的电力行业循环流化床烟气脱硫装置的设计和改造具有参 考价值。 关键词：底饲进料循环喷动床，干法，流场分布，脱硫效率 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n ds o c i e t y , t h ee n v i r o n m e n ti sb a d l yc o n t a m i n a t e db ys 0 2f r o m c o a l - f i r e db o i l e r s o n eo f t h em a i nt a s k sd u r i n g t h ee l e v e n t hf i v e - y e a rp l a n i st or e d u c et h et o t a ld i s c h a r g eo f s 0 2 m u c ha t t e n t i o ni sb e i n gp a i dt ot h ei n d u s t r yo ff l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n t h ed f g di sw i d e l ya p p l i e dw i t h i t sa d v a n t a g eo fl o wi n v e s t m e n t , s m a l ll a n do c c u p a t i o na n de a s yo p e r a t i o n i nt h i sa r t i c l e ，t h et e c h n i c a l r e n o v a t i o nf o rac o n v e n t i o n a lc f b f g di nt h es o t r t h e a s tu n i v e r s i t yw i t hu n d e r - f e e dt e c h n o l o g yw a s i n t r o d u c e di nd e t a i l a m o u n t so fe x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e dt os t u d yt h ef l o wf i e l da n ds u l f u rr e m o v a li nt h e r i s e r i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c to fd i f f e r e n tf e e ds t y l e so ni m p r o v i n gt h ef l o wf i e l d , s i m u l a t i o n sa n da s e r i e so fe x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e di nt h eu n d e r f e e dc i r c u l a t i n gs p o u t e db e d t h ei n f l u e n c eo fo p e r a t i o n p a r a m e t e r so nt h ef l o wf i e l dw a sa l s os t u d i e d t h er e s u l t si n d i c a t e ：c o m p a r i n gw i t ht h ef a c e - f e e ds t y l e ，t h e t e c h n o l o g yc a l ld i s t i n c t l yi m p r o v et h ed i s t r i b u t i o no fg a sv e l o c i t yi nt h er i s e r a st h es p o u t i n gv e l o c i t y a d v a n c e s ，t h ef l o wf i e l dg e t sm o r eu n i f o r m a p p l y i n gh i g h e ru n d e r f e e di n j e c t i n gv e l o c i t y , t h es y m m e t r yo fg a s v e l o c i t yd i s t r i b u t i o ni nt h er a d i a ld i r e c t i o nc a l lb eo b v i o u s l yi m p r o v e d as e r i e so fe x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e di nt h eu n d e r f e e dc i r c u l a t i n gs p o u t e db e d a n dt h ei n f l u e n c eo ft h e m a i np a r a m e t e r s ，s u c ha ss 0 2i n l e tc o n c e n t r a t i o n , i n j c o t i n gv e l o c i t y , w o r k i n gw a t e rj e tc a p a c i t ya n dt h ec a s m o l a rr a t i o ，w a sr e s e a r c h e dr e s p e c t i v e l y t h er e s u l t si n d i c a t e ：a p p l y i n gt h eu n d e r f e e ds t y l e ，t h ed e s u l f u r i z a t i o n e f f i c i e n c yi so b v i o u s l yh i g h e rt h a nt h a tw i t ht h ef a c e f e e ds t y l e a st h ec a sr a t i oo rw o r kw a t e rj e tc a p a c i t y i n c r e a s e s ，t h ed e s u l f u r i z a t i o ne f f i c i e n c ya d v a n c e so b v i o u s l y w i t hh i g h e r e c t i n gv e l o c i t y , h i g h e r d e s u l f u r i z a t i o ne f f i c i e n c yc a r lb ea c q u i r e d a p p l y i n gt h em u l t i - l e v e lh u m i d i f y i n g , t h ea v e r a g er e a c t i o n t e m p e r a t u r e d e c r e a s e s r e m a r k a b l y a s ar e s u l t , t h ed e s u l f u r i z a t i o nr e a c t i o ni sa c c e l e r a t e da n dt h e d e s u l f u r i z a t i o ne f f i c i e n c ya d v a n c e s w i t ht h ea d v a n t a g e so fl o wc a p i t a li n v e s t m e n t , e a s yo p e r a t i o na n ds t e a d yr u n n i n g ot h en e wt e c h n o l o g y h a si m p o r t a n tv a l u ea n di n s t r u c t i o n0 nt h ed e s i g na n dr e n o v a t i o no fc o n v e n t i o n a lc f bw i t hs m a l lc a p a c i t ya n d p o o rc a p i t a li nt h ee l e c t r i cp o w e ri n d u s t r yo ft h ec o u n t r y k e yw o r d s ：t h eu n d e r f e e dc i r c u l a t i n gs p o u t e db e d , d r ym e t h o d , f l o wf i e l d ，d e s u l f u r i z a t i o ne f f i c i e n c y 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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己在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名：理查! 量 e l 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包 括以电子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：1 墟导师签 期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 第一次产业革命以来，人类进入了大规模开采和消耗化石燃料的时代，同时给全球环境带来了巨大 的影响，使人类自身面临前所未有的生存危机。化石燃料在燃烧自挝程中造成的大气污染是人类共同面 临的难题，成为制约我国经济可持续发展的一个重要因素。 就目前的情况来看，能源紧缺和环境污染已经成为全球最引人关注的两大问题，关系到全人类的生 存和发展，如何解决好这两大问题成为当前人类所必须面对的共同课题。人类需要发展，但绝对不能够 不计后果地追求发展，在经历了日本熊本县水俣病事件、伦敦烟雾事件、洛杉矶光化学烟雾事件和瑞士 莱茵河事件等几次惨重的教训之后，人类逐渐意识到环境污染的严重性。因此1 9 9 2 年世界环境与发展 大会通过的2 1 世纪议程和气候变化框架条约都提出了可持续发展( s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ) 的概念，即“既满足当代人的需求，又不对后代人满足其自身需求的能力构成危害的发展”。所以，可持 续发展的基本理念就是要解决好人类与环境、不可再生资源与人类发展需求之间的矛盾，实现可持续发 展基本途径就是要走“节约能源”和“清洁生产”的道路。 能源工业是国民经济的基础，随着工业化进程的持续发展和人民水平的不断提高，社会对能源的需 求量越来越大，能源利用过程中的环境污染问题也日益严重，其中大气污染就是其中一个较为突出的方 面。 根据对主要大气污染物的分类统计，其来源可概括为三大方面：( 1 ) 燃料的燃烧；( 2 ) t 业生产过 程中：( 3 ) 交通运输。在我国，这三种来源产生的大气污染物所占的比例分别约为7 0 、2 0 和1 0 。 在直接燃烧的燃料中，燃煤排放的大气污染物数量约占燃料排放总量的9 6 ，大气中9 0 的s 0 2 ，7 1 的c o ，8 5 的c 0 2 ，7 0 n o x 以及7 0 0 , 6 的粉尘均来自煤炭的直接燃烧【1 1 。可见，煤的直接燃烧是我国 大气污染的主要来源。燃煤s 0 2 污染控制是我国目前大气污染控制领域最紧迫的任务，是国民经济发展 过程中必须解决的重大问题【2 4 j 。 我国是世界最大的煤炭生产国和消费国，2 0 0 7 年全国原煤产量为2 5 2 3 亿吨，在一次能源中占 7 4 9 。它提供了7 6 的发电能源、7 5 的工业燃料和动力、8 0 的民用能源、6 0 的化工原料。到本 世纪五十年代，煤炭仍将是我国主要的一次能源，而且随着煤层开采深度的增加，煤中的含硫量将逐年 增大，加上煤炭产量的逐年提高，总的s 0 2 年排放量也将逐年增大。 在我国，电力用煤占有很大的比重，电力工业将成为削减s 0 2 排放量的重点工业【5 ，6 】。国家发改委 重大技术装备协调办公室对发电装机容量、发电设备产量进行了预测，见表l l 。 东南大学硕士学位论文 表1 1 我国电力装机容量现状与预测 项目 2 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 82 0 0 92 0 1 02 0 1 52 0 2 0 全国发电装机容量 5 1 7 1 86 2 2 0 07 1 2 0 0 7 9 0 0 08 6 0 0 09 2 0 0 01 2 6 0 0 01 6 5 0 0 0 ( 万k w ) 平均增长装机容量 7 6 4 81 0 4 8 29 0 0 07 8 0 07 0 0 06 0 0 06 8 0 07 8 0 0 ( 万k w ) 年增长率 1 0 12 0 31 4 4 61 0 9 49 1 7 37 26 1 9 ( ) 其中：水电( 万k w )1 1 7 3 91 2 8 5 71 9 0 0 02 6 0 0 03 3 0 0 0 火电( 万k w )3 8 0 9 l4 8 4 0 56 8 6 5 0 9 2 0 8 01 1 7 0 0 0 气电( 万k w )1 0 4 72 3 0 03 5 0 0 5 0 0 0 核电( 万k w )6 8 56 8 51 0 5 0 2 9 2 04 0 0 0 风电( 万k w )1 0 61 8 7 9 0 02 0 0 05 6 0 0 其他( 万k w )5 26 68 51 1 01 5 02 0 0 4 0 01 0 0 0 近年来，国际上普遍关注的全球性的环境保护热点问题有三个： ( 1 ) 由于c 0 2 排放所引起的温室效应，全球气候变暖； ( 2 ) 因大气中的s 0 2 和n o x 所引起的酸雨问题； ( 3 ) 由于氟里昂等物质大量使用所引起的臭氧层破坏问题。 燃煤产生的大量c 0 2 ，s 0 2 和n o x 是引起前两个问题的主要原因。而s 0 2 和n o x 所引起的酸雨问题 尤为严重，治理要求也最为迫切。 s 0 2 属于低浓度、长期起作用的污染物，对生态环境造成长期慢性、累积性的危害。它对自然生态 环境、人类健康、工业生产、建筑物及材料等均会造成不同程度的危害。空气中的s 0 2 浓度高于0 5 l o ( 体积分数) 时，即对人类健康有潜在的影响。( 1 3 ) xl o 。6 ( 体积分数) 时就使人受到明显刺激。长期吸 入低浓度s 0 2 将引起或加重人的呼吸道疾病。s 0 2 对植物的危害也很明显，一定浓度时就会造成农作物 的落叶、落果、甚至枯死，导致农作物减产。s 0 2 形成的酸雨对水资源生态系统、农业生态系统、森林 生态系统、建筑物和材料以及人体健康都造成危害【7 一。 为了强化对s 0 2 的污染治理，中国采取了一系列措施。1 9 9 5 年下半年全国人大重新修改并颁布了 中华人民共和国大气污染防治法，该法修改的重点内容中就包括强化对燃煤污染的防治，即不仅要 防治由于燃煤造成的烟尘污染，而且也要防治由于燃煤而造成的s 0 2 污染，并且以此法为根据修订颁布 了大气污染综合排放标准。此后国务院专门将两省九市排污收费试点工作扩大到酸雨控制区和二氧 化硫控制区。2 0 0 0 年对该法案再次进行修改，条款由原来的5 0 条增加到6 6 条，原有条款除1 3 条完整 保留外，大部分条款都得到修改，无疑是大气环境管理法律基础建设的重要进步【9 1 。随着人们对s 0 2 、 n o x 等污染气体危害的认识逐步加深，我国提出了可持续发展战略，规划分阶段地制定越来越严格的 污染气体排放标准，促使工业部门去开发、寻找并采用新技术，以适应新的更严格的污染物排放标准， 从而有力地推动技术进步，并使能源消耗与原材料消耗进一步降低。随着国家对环境保护的重视，对火 力发电厂锅炉排放烟气中的s 0 2 控制越来越严，火电厂大气污染物排放标准( g b l 3 2 2 3 - - 2 0 0 3 ) 已于 2 0 0 4 年1 月正式实施，有关二氧化硫的排放标准见表l - 2 。 本标准分三个时段，对不同时期的火电厂建设项目分别规定了排放控制要求： 2 第一章绪论 1 9 9 6 年1 2 月3 1 日前建成投产或通过建设项目环境影响报告书审批的新建、扩建、改建火电厂建 设项目，执行第1 时段排放控制要求。 1 9 9 7 年1 月1 日起至本标准实施前通过建设项目环境影响报告书审批的新建、扩建、改建火电厂 建设项目，执行第2 时段排放控制要求。 自2 0 0 4 年1 月1 日起，通过建设项目环境影响项目( 含在第2 时段中通过环境影响报告书审批的 新建、扩建、改建火电厂建设项目，自批准之日起满5 a ，在本标准实施前尚未开工建设的火电厂建设 项目的火电厂建设项目) ，执行第3 时段排放控制要求。 表1 - 2 火力发电锅炉二氧化硫最高允许排放浓度单位：m g m 3 时段第l 时段第2 时段第3 时段 实施时间 2 0 0 5 年1 月1 日2 0 1 0 年1 月1 日 2 0 0 5 年1 月1 日 2 0 1 0 年1 月1 日2 0 0 4 年1 月1 日 4 0 0 燃煤锅炉及燃 2 1 0 04 0 0 2 1 0 0 01 2 0 0 08 0 0 0 油锅炉1 2 0 0 窜1 2 0 0 0 1 2 0 0 回 该限值为全长第一时段火力发电锅炉平均值。 在本标准实施前，环境影响报告书已批复的脱硫机组，以及位于西部非两控区的燃用特低硫煤( 入炉燃煤收到基 硫分小于0 5 ) 的坑口电厂锅炉执行该限值。 以煤矸石等为主要燃料( 入炉燃煤收到基低位热值1 2 5 5 0 k j k g ) 的资源综合利用火力发电锅炉执行该限值。 位于西部非两控区内燃用特低硫煤( 入炉燃煤收到基硫分小于0 5 ) 坑口电厂锅炉执行该限值。 针对我国烟气脱硫技术状况，国家环保总局、国家经济贸易委员会、科学技术部于2 0 0 2 年1 月联 合发布了“燃煤二氧化硫排放污染防治技术政策”。2 0 0 5 年5 月国家发改委发布了关于加快火电厂烟 气脱硫产业化发展的若干意见。它规定：燃用含硫量小于1 的煤并且容量小于2 0 0 m w 的机组，或剩 余寿命低于1 0 年的老机组以及场地条件有限的现役电厂，在吸收剂来源和副产物处置条件充分落实的 情况下，建设烟气脱硫设施可考虑采用干法、半干法或其它一次性投资较低的成熟技术。 为了规范行业标准，国家环保总局于2 0 0 5 年6 月发布了火电厂烟气脱硫工程技术规范烟气循 环流化床法0 - i j t 1 7 8 - - 2 0 0 5 ) 。它对循环流化床烟气脱硫技术中的各种术语、总体设计、工艺和辅助 系统等进行了详细的规定，显示了国家对循环流化床烟气脱硫技术的重视，并说明了国家对循环流化床 烟气脱硫技术是认可的。 根据国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要，“十一五”期间国家对二氧化硫实行排放总量 控制计划管理，排放基数按2 0 0 5 年环境统计结果确定。计划到2 0 1 0 年，全国主要污染物排放总量比 2 0 0 5 年减少1 0 ，二氧化硫由2 5 4 9 万吨减少到2 2 9 4 4 万吨。国家将进一步加大对环保技术及装备自 主创新的支持力度，在国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见中，大型环保技术设备的研发制造是 支持的重点之一，这为我国全面掌握烟气脱硫核心技术，进一步提高烟气脱硫关键设备的生产和制造水 平创造了条件。 从整个经济社会环境来看，无论是政府还是企业，对环保事业的态度正在发生转变。随着国家环保 执法力度的加强，大型燃煤电站锅炉的二氧化硫最高允许排放浓度受到了越来越严格的限制，这对锅炉 烟气脱硫技术提出了更高的要求，而技术放大是普遍存在的困难。但同时，燃煤锅炉脱硫设备的研究与 开发不能脱离我国国情，要紧密结合目前企业经济承受能力和管理技术水平以及国家排放标准要求，研 究开发具有自主知识产权且投资低廉、运行可靠、运行费用低、脱硫效率高的技术及设备。 3 东南大学硕士学位论文 1 2 脱硫技术综述 目前应用的脱硫技术可以分为三类，即燃烧前脱硫、燃烧中脱硫和燃烧后脱硫，燃烧后脱硫( 即烟 气脱硫) 是应用最广泛的。 2 0 世纪6 0 年代后期以来，烟气脱硫( f g d ) 技术发展迅速。根据美国e p r i ( 电力研究院) 的统 计，大约有3 0 0 种不同流程的f g d 工艺进行了小规模试验或工业性试验，但是最终被证实在技术上可 行、经济上合理并且是可承担的，目前在燃煤电厂得到采用的成熟技术仅有十多种。 烟气脱硫技术按其脱硫方式以及脱硫反应产物的形态可分为湿法、干法及半干法三类：一般把以水 溶液或浆液作脱硫剂，生成的脱硫产物存在于水溶液或浆液中的脱硫工艺称为湿法工艺；把以水溶液或 浆液为脱硫剂，生成的脱硫产物为干态的脱硫工艺称为半干法工艺；把加入的脱硫剂为干态，脱硫产物 仍为干态的脱硫工艺称作干法工艺，见表1 3 。 表1 3 不同类别烟气脱硫工艺的特点及代表性工艺 本文对几种典型的烟气脱硫工艺进行介绍。 ( 1 ) 湿式石灰石石膏法烟气脱硫工艺 。 湿式石灰石石膏法是将石灰石粉制成浆液，在吸收装置中将烟气中的二氧化硫脱除而副产石膏的 方法，该方法是目前应用最广的一种烟气脱硫方法。其典型工艺流程见图1 1 。该工艺具有操作方便、 原理简单、脱硫效率高( 部分机组c a s 接近1 ，脱硫效率超过9 0 ) 、可应用于大容量机组、高s 0 2 浓 4 一覃绪论 度条件、可利用宰高( 9 0 嘲、吸收剂来源广泛、价格也低廉、副产品石膏具有综合利用价值、运行和 维护成本以及脱硫成本较低是目前公认应用最广泛、技术最为成熟的脱硫技术“。 在石灰石，石膏 击中，石襄石首先在研磨车间研磨成符合要求粒度的细粉，然后在浆j 瘦制备槽中将 细糟与水棍合，制备好的浆液用泵轴送到吸收塔。最常见的吸收剂与烟气的接触方式是逆流接触，吸收 剂浆渡采用喷嘴向下喷赫湿式石灰石厢膏 击工艺的主要缺点是基建投资费用高。占地面积大，耗水 量大脱硫副产品为湿态，因此难以赴理，而且脱硫产生的废水需处理岳捧放。但由于脱硫效率高，钙 利用率高，作为脱硫荆的石灰石资源丰富，价格低廉，加上脱硫副产品石膏可加以利用，因此根适台在 燃用中高硫煤的电厂使用。 tk h 图1 1 石灰石，石灰- 石膏法烟气脱硫工艺流程图 我国已拥有了3 0 万千瓦级火电机组自主知识产权的湿 击烟气脱硫主流工艺技术。如北京国电龙源 环保工程有限公司在引进德国技术的基础上进行消化、吸收和再创新，亦拥有了自主知识产权的石灰石 一石膏湿法烟气脱硫技术，并成功应用于江阴苏龙发电有限公司三期( 2 x 3 3 0 m w ) 烟气脱硫工程；苏 源环保工程股份有限公司研控的具有自主知识产权的石灰石一石膏湿法烟气脱硫技术已经成功应用于 太仓港环保发电有限公司二期( 2 3 0 0 m w ) 烟气脱硫工程：在大唐国际发电股份有限公司的支持下， 国电清新环保技术有限公司自主创新的石灰石一石膏湿法烟气脱硫技术已在陡河发电厂投入运行。 ( 2 ) 喷雾干燥工艺 s d a 法是美茸j o y 公司和丹麦n i r o 公司联合研制出的烟气脱硫工艺，该工艺的工艺流程示意图 见围1 - 2 。 该法是将吸收剂浆液在反应塔内赜雾，雾滴在吸收烟气中s o ：的同时被热烟气蒸发，生产固体并由 电除尘器捕集吸收剂浆液一般采用喷嘴式或者旋转式喷雾，目前大部分采用旋转式，所以又称旋转喷 雾干燥法。此工艺脱硫效果不是太高( 一般在7 0 左右) ，较适用于中、低硫煤的脱除也有用于高硫 煤的例子。四川白马电厂机组每台容量为2 0 0 m w ，采用2 0 0 目的生石灰( c a o 纯度在6 0 7 0 ) 处 理古硫量在32 左右的燃煤烟气( 8 0 0 0 m ) ，脱硫效率可达到8 0 左右。s d a 工艺的特点：( i ) 工 艺简单，操作简便安全。( 2 ) 维护费用低。( 3 ) 腐蚀性小，可采用普通碳钢制造。( 4 ) 采用静电除尘器 或布袋除尘器。( 5 ) 过程无废水产生。( 6 ) 压降低，能耗少，符合当前节能减排的要求t 1 , 1 2 l 。 东南大学硕士学位论文 来经处鬓的烟气 图1 - 2 喷雾干燥脱硫工艺流程图 ( 3 ) l i f a c 工艺 l i a f c 法【1 3 1 由芬兰i v o 公司和t a m p e l l a 公司联合开发的基于炉内喷钙技术基础上发展起来的 新型烟气脱硫工艺。传统炉内喷钙工艺的脱硫效率仅为2 0 - 一3 0 ，而l i a f c 法在空气预热器和除尘 器间加装一个活化反应器，并喷水增湿，促进脱硫反应，脱硫效率可达到7 0 7 5 。l i a f c 法比较 适合中、低硫煤，其投资及运行费用具有明显优势，较具竞争力，比较适合中小容量机组和老电厂的改 造。 1 i 皿e s t o d e 图1 3l i f a c 工艺示意图 国内此工艺在辽宁抚顺电厂和南京下关电厂得到应用，该工艺具有操作简单、占地面积少、脱硫率 中等、吸收剂消耗量大，主要应用于低硫煤。南京下关电厂应用该套装置处理含硫量为0 9 2 燃煤，处 理烟气量2 5 4 4 0 0 0 m a h ，脱硫效率约7 5 【1 4 】。 1 3 循环流化床烟气脱硫技术 循环流化床烟气脱硫技术是2 0 世纪8 0 年代后期开发的一种新的脱硫技术【1 5 】，它是把循环流化床 技术应用于烟气脱硫而形成的一类烟气脱硫技术，国际上德国、丹麦、瑞典、美国己陆续将各自开发的 烟气循环流化床脱硫技术实现商业化。从实际运转情况看，该技术趋于成熟并有其它工艺无法替代的优 良性能，需求市场正在逐步扩大，在国际上普遍认为是很有发展前途的脱硫技术，适合于发展中国家使 6 第一章绪论 用。它与现有的其它脱硫技术相比，该技术装置建设投资少，占地小，结构简单，易于操作，兼有高效 除尘和烟气净化功能，运行费用低，适用于中小型燃煤发电机组、各类型工业锅炉、窑炉、垃圾焚烧炉 和其它产业的燃煤系统。 1 3 1 烟气脱硫循环流化床国外技术运用 在国际上掌握此项技术的公司有丹麦的f l s m i l j o 公司、德国的鲁奇( l u r g i ) 公司和瑞典a l s t o m p o w e r 公司等，各公司在试图提高该技术的脱硫效率、简化系统、降低造价和运行维护费用、提高可靠 性的过程中，又形成了各具特色的技术。如丹麦的f l s m i l j o 公司的g s a 技术、德国的鲁奇( l u r g i ) 公司 的c f b 技术和瑞典a b b 公司的n d 技术等。 1 丹麦f l s m i l j o 公司的g s a 系统 丹麦f l s m i l j o 公司的气体悬浮吸收技术( g a ss u s p e n s i o n a b s o r b e r ，简称g s a ) t 幡1 9 1 是一种简单有效 的脱硫技术，工艺系统包括圆柱形反应器；用于分离床料循环使用的旋风分离器；石灰浆制备系统( 包 括喷浆用喷嘴) 三个主要部分，如图l 一4 。 去灰场 图l - 4g a s 脱硫工艺系统流程图 从锅炉或焚烧炉出来的烟气进入g s a 反应器的底部与雾化的石灰浆混合，反应器内的石灰浆在干 燥过程中与烟气中的二氧化硫及其它酸性气体进行中和反应。烟气经旋风分离器分离粉尘后进入电除尘 器或袋式除尘器，然后符合标准的清洁烟气经烟囱排放到大气中。 含有脱硫灰和未反应完全的石灰的流化床床料在旋风分离器中分离，其中9 9 的床料经调速螺旋 装置送回反应器中循环，只有大约1 的床料作为副产品脱硫灰排出系统。脱硫灰的循环意味着未反应 的石灰可以继续进行脱硫反应，并且脱硫灰的循环可以更好的分散雾化石灰浆，促进脱硫反应的进行。 g s a 系统充分利用了石灰浆和脱硫灰，减少了新鲜石灰的用量。 国内云南小龙潭电厂i o o m w 机组，于2 0 0 0 年引进此技术，2 0 0 2 年末投入生产运行，脱硫效率可 以达到9 0 以上。 2 德国鲁奇公司m 玛i ) 的烟气循环流化床脱硫技术 德国鲁奇公司( l u r g i ) 的烟气循环流化床脱硫技术【2 0 】的主要设备有流化床反应器、带有特殊预除尘装 置的电除尘器、水及蒸汽喷入装置。该脱硫工艺系统的流程见图1 5 。 7 东南大学硕士学位论文 图1 5c f b 脱硫工艺系统流程图 此工艺的主要特点为【2 1 0 2 】： ( 1 ) 没有喷浆系统及浆液喷嘴，只喷入水或蒸汽； ( 2 ) 新鲜石灰与循环床料混合进入反应器，依靠烟气悬浮，喷水降温反应； ( 3 ) 床料有9 8 参与循环，新鲜石灰在反应器内停留时间累计可达到3 0 m i n 以上使得石灰利用率可 达9 9 ； ( 4 ) 反应器内烟气流速为1 8 3 m s - 6 1 m s ，烟气在反应器内驻留时间约3 s ，可以满足锅炉负荷从 3 0 - 1 0 0 范围内的变化； ( 5 ) 对含硫6 的煤，其脱硫效率可达9 2 ； ( 6 ) 基建投资相对较低； ( 7 ) 不需要专职人员进行操作和维护。 福建龙净引进该技术，应用于山西榆社电厂2 x 3 0 0 m w 机组。c a s 摩尔比在1 1 - - 1 5 之间时，脱 硫效率可达到9 0 以上。 3 新型一体化脱硫工艺( n i d ) 瑞典a b b 公司新型一体化脱硫技术( n e wi n t e g r a t e dd e s u l f u r i z a t i o n , 简称n i d ) t 2 3 - 2 5 1 的主要组成部分 有反应器、石灰消化器、袋式除尘器和混合增湿器4 部分组成。n i d 脱硫工艺系统的流程见图1 - 6 。 新型一体化脱硫技术( n d ) 采用专门的增湿活化器将循环脱硫剂和新鲜的石灰混合成具有一定活 性和流动性的物料( 含水量5 左右) ，按一定速率加入到烟道反应器中脱硫。通过借助粉粒的极大表 面，水分很快蒸发，烟气湿度很快达到4 0 - 5 0 ，形成有利于脱硫的工况，从而可以去除8 0 以上的 s 0 2 。 反应器容积相当于传统半干法的2 0 ，烟气在反应器内停留时间小于2 秒。由于再循环物料循环 倍率可达到3 0 - - - 5 0 ，实际上烟气与吸收剂的接触时间要比此值高，从而能够保证n i d 工艺高吸收剂利 用率和较高的脱硫效率。与其他c f b 工艺一样，增湿水量以控制反应器出口烟气温度高于水露点温度 1 0 - - 2 0 为宜，即出口的烟道温度一般控制在7 0 - - 9 0 。 目前，该技术已经在浙江巨化热电厂7 0 m w 机组得到了应用，荆门热电厂2 2 0 0 m w 和首钢3 x 2 2 0 讹设备正在调试中。 8 第一章绪论 图l _ 6n d 脱硫工艺系统流程图 1 3 2 烟气脱硫循环流化床国内技术研究 针对我国目前脱硫形势紧迫，资金又相对缺乏的现状，东南大学热能工程研究所依靠多年从事流化 床研究的丰富经验，从1 9 9 5 年开始研究循环流化床烟气脱硫工艺，并在实验室建立“n ”型变速循环 流化床烟气脱硫试验台。初步试验证明，循环流化床烟气脱硫工艺在c a s 比很低( 1 1 - - - 1 2 ) 时可以达到 较高的脱硫效率( 8 0 , - - 8 5 ) ，系统比较简单，投资低，占地少，是一项适合国内中小型电厂和中小工业 锅炉的烟气脱硫技术。 山东大学与哈工大联合开发了双循环流化床烟气悬浮脱硫工艺( d c f b f g d ) 1 2 6 j ，提出了两级分 离双循环工艺路线，在青岛电厂三台7 5 t h 燃煤锅炉上得到应用。在工况为：c a s 摩尔比为1 3 ，近绝 热饱和温度差为1 l 时，脱硫效率为9 2 ，系统阻力为1 0 0 0 p a 。运行结果表明：该烟气脱硫工艺投资 少，占地面积少，脱硫效率高，运行维修方便。 武汉凯迪电力环保公司引进德国“w u l f f n 公司r c f b 回流循环流化床烟气脱硫技术，并在该技术 基础上又进行了改进，其中包括：张泽【2 7 】等开发了一种复合循环式流态化干法烟气脱硫。其特点为： 将洁净烟气与燃烧设备中排出的烟气一起送入脱硫反应塔内再循环。当c a s 摩尔比为1 1 1 3 之间时， 脱硫效率可达9 0 - - 9 2 。林冲【2 8 1 等提出了一种采用混合进料方式的循环流态化干法烟气脱硫工艺，采 用混合给料的方式将初始给料与系统循环物料混合送入反应塔中，在混合进料口的位置布置播散风，使 系统在调试和运行中可以保证物料在反应塔内的均匀性以及满足脱硫化学反应需要的浓度分布特性提 高反应塔空间利用率，有利于脱硫效率的提高。 中国环境科学研究院张凡、林军等利【2 9 】用蒸汽在高压、高温和高湿的条件下活化煤灰中碱性物质 的方法，采用蒸汽输送脱硫剂和脱硫灰，分布在2 t h 和3 5 讹锅炉上完成了中试试验和示范研究。实现 了c a s 摩尔比小于1 时脱硫效率8 0 以上的效果。 国家电站燃烧工程技术研究中心和华北电力大学李永华等【3 0 】首先对脱硫塔烟气入口处的形式进行 了研究优化，在6 0 0 m 3 h 的试验台和1 3 0 t h 锅炉上进行了中试试验，结果表明：在c a s 摩尔比为1 4 ， 物料循环倍率为2 0 5 0 时，脱硫效率达到8 5 。 9 东南大学硕士学位论文 1 4 本文的研究目的与工作内容 本文的目的是在东南大学原有循环流化床烟气脱硫设备基础上增设一套底饲进料系统，使改造后的 底饲进料循环喷动床工艺具有运行稳定、操作方便、工艺流程简单、脱硫效率较高等特点，既能用于燃 煤电厂，又能适合中小型锅炉及工业窑炉烟气脱硫技术的改造。对底饲进料循环喷动床烟气脱硫技术进 行基础性的研究，通过实验和数值模拟研究塔内流场分布和不同操作条件对烟气脱硫的影响，同时探索 把这种技术付诸工程应用的可行性。 本文的主要工作内容包括： ( 1 ) 在原有的循环流化床烟气脱硫装置上增设一套底饲进料系统，使新鲜脱硫剂从位于脱硫塔底 部的底饲喷嘴进入反应塔，达到改善流场和物料分布的目的。 ( 2 ) 对床内流场分布进行模拟分析，通过改变底饲喷嘴的种类、喷嘴的高度、回料的位置、回料 管角度以及底饲喷速等参数，研究不同操作条件对塔内流场的影响。 ( 3 ) 进行冷态实验，研究进料方式及喷射速度等参数对气体速度径向分布均匀性的影响，并与数 值模拟结果进行比较。 ( 4 ) 进行热态实验，研究响脱硫效率的主要参数：反应烟气温度、钙硫比、喷水量、分层喷水等 参数对底饲进料循环喷动床烟气脱硫效率的影响。 1 5 本章小结 本章首先介绍了目前我国能源生产和电力行业的形势以及今后的发展预测，分析了s 0 2 排放和酸雨 污染对人类活动和自然生态环境造成的危害，讨论了我国s 0 2 和酸雨污染的现状，并介绍了我国为减少 燃煤锅炉s 0 2 排放量所制订的政策和采取的措施及目前烟气脱硫工艺技术的现状，着重叙述了国外三种 循环流化床烟气脱硫工艺的工艺流程和国内烟气脱硫循环流化床技术研究现状。 l o 第二章底饲连科循环喷动床实验装置 第二章底饲进料循环喷动床实验装置 2l 采用底饲进料技术改造常规循环流化床实验装置 底饲进料循环喷动床( t h eu n d e r f e e dc i r c u l a t i n gs p o u l e db e 0 , u c s b ) 是在常规循环流化床烟气脱硫 装置基础上提出的新型干法脱硫技术，其技术特点是采用底饲加科：新鲜脱硫荆在螺旋给料器的输送下 从料斗进入喷射器并被高速气流推动，通过管道输送最后从位于文丘里扩张段中心的底饲喷嘴进入脱硫 塔内。底饲喷嘴出口为水平多孔，脱硫剂颗粒从喷嘴的各个孔送 密相床层底部后，与烟气及循环的回 料颗粒进行强烈的湍流混合，该技术克赈了面饲进料方式下脱硫剂分布不均的缺点，能够改善颗粒浓度 在反应塔截面上的均匀分布，从而进一步提高脱硫剂的钙利用率。 2 l1 原脱硫塔装置 原循环流化床烟气脱硫模拟中试试验装置系统如图冬1 所示。脱硫塔直径0 6 皿反应塔高度1 9 。 其设计烟气处理能力为2 0 0 0 n m 3 h 。整个试验装置由烟气笈生系统，脱硫反应塔主体，雾化增湿系统， 气固分离系统，加料和回料系统组成”“。 塑坚1 r 图2 - 1 原循环流化床烟气脱硫试验装置示意图 试验的模拟烟气由燃烧室提供。烟气经文丘里段布风后进入反应塔与脱硫剂颗粒充分捏合并发生 脱硫反应。沿塔径向不同高度位置布置有四层喷水口，烟气增媪对钙基脱硫剂的脱硫反应活性有明显的 活化效果。反应扁的烟气从脱硫塔出口进入旋风分离器进行气固分离，随后经布袋除尘嚣二级分离后由 引风机送入大气。从烟气中分离的脱硫剂飞灰经中继仓被送至回料器井与螺旋加料器加入的新鲜脱硫 剂一起输送至脱琉塔主体。 存在的问题：由于进料的方式是从塔体侧面加入，脱硫剂进入反应塔主体后浓度分布会偏向塔体一 侧，使烟气未能与脱硫剂充分接触混合并发生反应。固体颗粒在截面上浓度分布的不均匀性在设备放大 和工程应用时尤为严重。由于塔内脱硫反应主要发生在低段喷水区域，因此脱硫剂分布在底部截面上的 不均匀性会对整体脱硫效率造成很大的影响。 奎塑奎兰堡主兰垡丝茎： 2 1 2 改造措施 为了改善颗粒相在脱硫塔截面上的分布均匀性，进一步提高脱硫效率和钙利用率，采取了如图2 - 2 所示技术改造的主要措施。增设了一套底饲进料系统。该系统由料仓、螺旋加料器、立管、喷射器、底 饲喷嘴和罗茨风机等组成。底饲加料时，料仓中的新鲜脱硫剂在螺旋给料器的输送下经立管进入喷射器 中，在高速气流的推动下通过气力输送管道，最后从位于文丘里扩张段中心的底饲喷嘴进入脱硫塔内， 与烟气及回料充分接触混合。 r 一 1 吸收塔2 喷水日3 旋风除尘器4 再循环物料s 中阃灰仓色放辩口7 料仓8 加j 降器吼输送风l o 流化 风1 1 回料器1 2 捧料口1 3 弓l 凤机1 4 布袋除尘嚣1 5 换热器1 6 s 0 21 7 掺风1 8 燃油1 9 雾化风2 0 燃烧风 2 1 视镜冷却风2 2 点火冷却风2 3 掺冷空气2 4 尾部加热空气2 5 热空气2 6 喷射气体2 7 喷射器勰底饲喷头 曩一湿度测点：& s 0 2 体积浓度测点；卜压力测点； 图2 2 底饲进料循环喷动床烟气脱硫试验装置图 底饲喷头上端为1 2 0 。锥面，以防止颗粒堆积。喷头四周均匀分布有一层等径圆形喷嘴，出口气速 一般在1 5 - - 一2 5 m s 之间。底饲喷头下端与气力输送管道之间为螺旋连接，可方便拆卸更换。喷嘴形式有 四孔、六孔等多种形式，可根据塔体尺寸选择合适的底饲喷头。 1 2 r j。!l 第二章底饲进料循环喷动床实验装置 四孔喷头六孔喷头 卜底饲喷头2 一输送管道 底饲喷头结构示意图 图2 3 底饲系统及喷嘴结构图 气力输送管道采用焊接式直通管接头进行分段连接，其目的是可方便更换底饲喷头和调整喷嘴高 度，管道直径为2 0n l n l ，颗粒质量含率为c = 0 3 , - - 0 5k g 颗粒慨空气。气力输送管道与脱硫塔文丘里 收缩段之间有一固定支架，固定环与气体管道之间为活动连接，安装时应将环面上的固定螺丝拧紧，从 而能够固定气体输送管道防止发生摇动，同时保持其方向垂直，采用活动连接的原因是便于拆卸更换底 饲喷头。 喷射器的两个进口中，一个与罗茨风机相连，另一个连接加