（环境工程专业论文）湿法烟气脱硫塔雾化特性研究及数值模拟.pdfVIP

摘要 湿法烟气脱硫塔雾化特性研究及数值模拟 摘要 湿法烟气脱硫工艺中石灰石，石灰一石膏湿法烟气脱硫工艺是我国和世界各国当今烟 气脱硫的首选工艺，工艺核心装置为脱硫吸收塔。由于喷淋塔具有防堵塞性能优越、阻力较 小，脱硫效率高，脱硫剂利用率高、运行稳定等优点，为目前的主流塔型雾化系统是喷淋 塔的关键技术影响到引进技术的转化，制约着自主知识产权技术的研发 本文以湿法烟气脱硫工艺中应用最广的喷淋塔为研究对象，从喷淋塔雾化单元喷嘴 入手研究整塔雾化特性，进而提出并揭示喷淋塔雾化机理，较全面地研究了喷淋塔的雾化 系统为喷淋塔优化设计提供理论指导 对于雾化单元喷嘴主要以应用广泛的空心锥旋流喷嘴和有一定应用的螺旋喷嘴为 对象，通过大量试验，系统研究了体积流量、雾化粒径、雾化角、雾化粒径分布等常规雾化 特性，探讨了大孔径脱硫喷嘴的空间雾化特性，定义了体积通量、雾炬厚度、平均索太尔粒 径、粒径相对离差等参数，得到了喷嘴常规雾化性能与空间雾化性能的相关规律。将空心锥 旋流喷嘴与螺旋喷嘴雾化特性进行对比分析，认为旋流喷嘴是最适用于湿法烟气脱硫的首选 喷嘴，为湿法脱硫工艺中喷嘴选型提供了依据 喷淋塔雾化性能的研究。主要从无喷淋空塔性能、单层喷淋性能、双层喷淋性能等方面 进行，试验研究了雾化系统对塔内气流分布的影响，对旋流喷嘴单层，双层布置、螺旋喷嘴 单层，双层布置，旋流螺旋喷嘴组合布置等塔内雾化系统的断面压力分布进行了系统分析 试验表明，循环液流量、气体流量、液气比是影响喷淋塔雾化特性的主要因素，其中循环液 流量是影响断面雾化粒径的主导因素，并认为仅由喷淋层布置方式解决气流分布问题较为困 难，相比之下，上层旋流喷嘴下层螺旋喷嘴的组合布置形式可满足工艺液气比的要求，且断 面上雾化粒径分布及雾滴在喷淋段的分散都较为均匀，可作为喷淋塔雾化系统优化方案。 提出了喷淋塔雾化机理和侧向撞击流原理认为喷淋塔的雾化过程是由喷嘴雾化、液雾 撞击雾化和液雾碰壁雾化3 个基本过程组成，其中，液雾撞击雾化是由侧向撞击流形成的； 通过试验初步研究了塔内喷嘴雾化机理、侧向撞击流雾化机理、多喷嘴重叠流雾化机理和液 雾撞击塔壁雾化机理初步揭示了喷淋塔雾化过程机理，形成较为完整的喷淋塔雾化理论， 指出喷淋塔的传质理论用薄膜理论描述更为恰当 为从微观上揭示喷嘴和喷淋塔的内部流场和雾化特性，建立了内部流场数学模型，利用 f l u e n t 流体力学仿真软件对旋流喷嘴和试验喷淋塔内的流动进行了数值模拟，模拟结 果与试验较为吻合，证明了数学模型的可靠性与合理性，为喷嘴和喷淋塔的优化i 殳计提供了 经济便捷的研究手段 关键词：湿法脱硫：脱硫塔：雾化特性；雾化机理；数值模拟 摘要 s t u d i e so nt h es p r a yc h a r a c t e r i s t i c sa n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o no fw e tf l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o nt o w e r a b s t r a c t t h el i m e s t o n e l i m e - g y p s mw e tf l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o np r o c e s si st h ep r e f e r r e do n eo f w f g d p r o c e s s e si nt h ew o r l da n dt h ek e yt m i to fi ti sd e s u l f u t i z a t i n na b s o r p t i o nt o w e r t h es p r a y t o w e rh a sb e e no b t a i n i n gi n t e r n a t i o n a li i i 扯肿落ba n da p p l i c a t i o n sd u et oi 乜e x c e l l e n tc l o g g i n g - a g a i n s tp e r f o r m a n c e , l o wr e s i s t a n c e , h i g hd e s u l f u r i z a t i o ne f f i c i e n c ya n du t i l i z a t i o no f d e s u l f i a i z 目, a n dh i 曲r u n n i n gs t a b i l i t y t h ea t o m i z a t i o ns y s l e mi st h em o s ti m p o r t a n t t e c h n i q u ei ns p r a yt o w e r , w h i c hi n f l u a n tu a n s f o n n a t i o no ft h ef o r e i g nt e c h n i q u ea n dr e s t r a i n tt t - s e a r c h - d e v e l o p m e n to f i n d e p e n d e n c ei n t e l l e c t u a lp r o p e r t yf i g l i t st e c h n i q u e t h ew h o l et o w e ra t o m i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f s p r a yt o w e rw h i c hw i d e l yu s e di nw e tf l u e g a sd e a n l f u r i z a t i o np r o c e s s , s t a r t e dw i t ha t o m i z a t i o nn o i t l l o z z l e 。w c l ei n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r , m a dt h e nt h ea t o m i z a t i o nm e c h a n i s mo f s p r a yt o w e rw a si n d i c a t e d t h e 砸。髓匝z 嘶s y s t e mo f s p r a yt o w e rw a sf u l l ys t u d i e d a n dat h e o r e t i cg u i d ef o ro p t i m i z a t i o nd e s i g no f s p r a yt o w e rw a s p r o v i d e d t h i ss t u d yw a sc o n d u c t e dt oa n a l y z et h ev o l u m ef l o wr a t e ，a t o m i z a t i o np a r t i c l ed i a m e t e r , l f f d m i z 蚯o na n g l ea n d 越o m i 盈m 彻p a r t i c l ed i a m e t e rd i s t r i b u t i o no f a t o m i z a t i o n 山l i t m o 翻e s i n c l u d e dh o l l o wc o n es w i r li g ) z t j e su s e dw i d e l ya n ds p i r a li i o z z l e su s e di ns cf i e l d s t o g e t h e r w i t ht h es 呻a t o m i z a t i o nc h a m ：矧s t i o f l a r g ea p e r t u r ed e s u l f u r i z a f i o nn o z z l e s t h e p a r a m e t e r ss u c ha sv o h a n ef l o w , s p r a yt h i c k n e s s ，a v e r a g es a u t 日p a r t i c l ed i a m e t e ra n dp a r t i c l e d i a m e t e rt e l 越i v ed i s p e r s i o nw e 佗d e f m e d t h er u l e so f c o m m o na t o m i z a t i o nc h a r a 吲s t i c sa n d s p a c ea t o m i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f n o z z l e sw e r ed e f i n e d t h ec o m p a r i s o no f a t o m i z a t i o n c h d g ( e r i s t i c sb e t w e e nh o l l o wc o n es w i r ln o z z l e sa n ds p i r a ln o 动a ss h o w e dt h es w i l ln o z z l ew a s o p t i m u mt y p ei nw e tf l u eg a sd a s u l f u r i z a l o np j 2 $ sa n da l s op r o v i d e dr e f e r e n c ef u rn o z z l e s p 砒i c ms e l e c t i o ni nw e tf l u eg a sd a s u l f u r i z a t i o np r o c e s s t h es t u d yo ns p r a yt o w e ra t o m i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sw e r cc o n d u c t e dw i t hi n v e s t i g a t i o no f e m p t yt o w e r , s i n g l el a y e rt o w e ra n dd o u b l el a y e r st o w e rs p r a yc h a r a c t e r i s t i c s t h r o u g ha n a l y s i so f s e c u p r c s s u l d i s t r i b u t i o n so f a t o m i z a t i o ns y s t e mi nt o w e ra r r a n g e do f s i n g l el a y e r d o u b l e l a y e r ss w i r ln o z z l e s , s i n g l el a y e r d o u b l el a y e r ss p i r a ln o z z l e sa n ds w i r ln o z z l e s s p i r a ln o z z l e s c o m b i n a t i o n , i tw a sf o u n d e dt h a tc i r c u l a t i o nf l u i df l o w , g a sf l o wa n df l u i d - g a sr a t ew e r ek e y f a c t o r st oi n f l u e n ta t o m i z a t i o nc h a r a e t e r i s t i c si ns p r a yt o w e ra n dt h ec i r c u l a t i o nf l u i df l o wa l s o w a st h el e a d i n gf a c t o rt oi n f l u e n ts e c i o na t o m i z a t i o np a r t i c l ed i a m e t e r i ti n d i c a t e dt h a ti tw a s 东南大学博士学位论文 d i f f i c u l tt os o l v eg a sf l o wd i s t r i b u t i o no n l yb yd i f f e r e n ts p r a yl a y e rf o r m h o w e v e r , t h ea r r a n g e d f o r mt h a ts w i r ln o z z l e si nu p p e rl a y e ra n ds p i r a ln o z z l e si ns u b l a y e rw a st h eb e t t e rc h o i c e ，b e c a u s e l i q u i d g a sr a t ew a sf u l f i l l e da n dt h es e c t i o na t o m i z a t i o np a r t i c l ed i a m e t e rd i s t r i b u t i o na n df o g d m p d i s p e r s i o ni ns p r a yz o n ew c 陀m o r eh o m o g e n e o u si nt h i sa r r a n g e df o r m t h ea t o m i z a t i o nm e c h a n i s ma n ds i d e - i m p i n g i n gs l x c a m s t h e o r yo fs p r a yt o w e r w e r e p r e s e n t e d i tw a gf o u n dt h a tt h e r ew e r et h r e ep r o c e s s e s , s u c ha sn o z z l ea t o m i z a t i o n , s p r a y i m p i n g m e n ta n ds p r a yw a l l i m p i n g m e n t , i nw h o l ea t o m i z a t i o np r o c e s s o fw h i c ht h es p r a y i m p i n g m e n tw e 梯c r e a t e db ys i d e i m p i n g i n gs 臼e a m s t h en o z z l e a t o m i z a t i o nm e c h a n i s m , s i d e - i m p i n g i n g s t r e a m s t h e o r y , m u l t i n o z z l eo v e r l a p a t o m i z a t i o n t h e o r y a n d s p r a y w a l l - i m p i n g m e o tm e c h a n i s mw e r ei n v e s t i g a t e db ye x p e r i m e n t s i no r d e rt oi n d i c a t et h e a t o m i z a t i o nm e c h a n i s m ms p r a yt o w e r i tw p o i n t e dt h a tf i l mt h e o r yw a sm o r es e e m l yt oe x p l a i n m a s sw a n s f e rm e c h a n i s mi ns p r a yt o w e r t h em a t h e m a t i c a lm o d e l so ff l o wf i e l d mn o z z l e sa n ds p r a yt o w e rw e r ef o u n d e dt od i s c l o s e t h e i ri n t e r i o rf l o wf i e l da n da t o m i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i c si nm i c r o s c o p e t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n r e s u l t sb yf l u e n th y d r o d y n a m i c ss i m u l a t i o ns o f t w a r ew e r ei i la c c o r d i n gw i t ht h ee x p e r i m e n t d a 饥i td e m o n s t r a t e dr e l i a b i l i t ya n d j u s t i f i c a t i o no f t h em a t h e m a t i c a lm o d e l s t h em o d e l sp r o v i d e d am o r ee c o n o m i ca n dc o n v e n i e n tm e a nf o ro p t i m i z a t i o nd e s i g no f t h en o z z l ea n ds p r a yt o w e r k e yw o r d s ：w e tf l u eg a sd e s u l f u t i z a t i o n ；d a s u l f u r i z a t i o nt o w e r ；a t o m i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ； a t o m i z a t i o nm e c h a n i s m ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 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，论文中不包含其他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已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 研究生签名 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、缩印或其他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圈，可以公布( 包括刊登) 论文 的全部或部分内容论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理 研究生签名：纽鱼，导师签名；一日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 1 1 1 我国二氧化硫污染现状 随着工业化进程的持续发展和人民生活水平的不断提高，社会对物质和能源的需求越来越大 2 0 0 3 年以来，我国经济快速增长，钢铁、电解铝、水泥等9 种重要工业原料生产量大幅增长，电力、 煤炭等能源供不应求，高能耗、高污染行业的快速发展。对环境造成重大压力各主要污染物捧放 量，特别是废气中工业二氧化硫、烟尘和粉尘，改变了近几年逐年下降的趋势，呈现较大幅度的反 弹i l “2 0 0 5 年，国家结合产业结构调整，淘汰了一批高能耗、高污染的落后生产工艺和设备。继 续开展整治违法捧污企业保障群众健康环保专项行动，重点流域、区域，城市、海域污染防治工作 进一步加强污染治理进度加快但由于经济快速增长增长方式粗放资源能源消耗大，主要污 染物捧放总量有所增加，环境形势依然十分严螋p 。”在经济发展中大气污染已成为一个较为突出 的方面 据国家环境保护总局公布的中国环境状况公报i ”2 0 0 5 年全1 1 - 氧化硫捧放量为2 5 4 9 3 万吨 ( 其中，工业捧放量为2 1 6 8 4 万吨，生活捧放量为3 8 0 9 万吨) ，而2 0 0 0 年全国二氧化硫捧放量为1 9 9 5 1 万吨( 其中，工业捧放量为1 6 1 2 5 万吨。生活捧放量为3 8 2 6 万吨) ，相比之下，总量增加- j 2 7 8 ， 生活捧放量基本持平。工业捧放量大幅增加国务院在国民经济和社会发展。十五“计划纲要 中曾明确要求2 0 0 5 年全国二氧化硫捧放量比2 0 0 0 年减少l o ；两控区二氧化硫捧放量比2 0 0 0 年减 少2 0 1 一，现在看来，。十五”计划目标不仅没有实现，二氧化硫的捧放量却大幅增加致使全国 酸雨频发。2 0 0 5 年全国开展酸雨监测的6 9 6 个市( 县) 中，出现酸雨的城市3 5 7 个( 占5 1 3 ) ，其中， 浙江省象山县、安吉县，福建邵武市，江西瑞金市酸雨频率为1 0 0 与2 0 0 4 年相比，出现酸雨的城 市比例增加了1 8 个百分点；降水p h 年均值低于5 6 的城市比例增加了o 7 个百分点，其中p h 值小 于4 - 5 的城市比例增加了1 9 个百分点酸雨频率超过8 0 0 的城市比例增加了2 8 个百分点降水p h 年 均值低的城市以及高酸雨频率的城市比例均比上年有所增加，表 ) 1 2 0 0 5 年酸雨污染较上年有所加 重，其中，华东地区酸雨发生频率总体有所增加，全国酸雨区域主要在长江以南- 井迅速i 向：l t 方地 区延伸酸雨污染的加剧对生态系统、建筑物和材料、农业、人体健康等方面均造成重大的危害 因此，二氧化硫是我国大气污染的主要污染物，污染形势十分严峻，二氧化硫排放量的削减仍是控 制大气污染的主要任务 1 1 2 我国烟气脱硫产业的发展现状 我国大气中的二氧化硫主要来自燃煤型二氧化硫燃煤二氧化硫控制的方法有很多，概括起来 通常可以分为三类，即燃烧前脱硫、燃烧中脱硫和燃烧后脱硫( 烟气脱硫) 其中，烟气脱硫仍是降 低二氧化硫排放最经济、有效的手段【”，烟气脱硫( f l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n 简称f g d ) 又分为： 湿法( w f g d ) 、半干法( s d f g d ) 和干法( d f g d ) 。这三类烟气脱硫技术在发达国家己经发展多 年，目前在火电厂大中容量机组上得到广泛应用并继续发展的工艺有4 种：石灰石，石灰一石膏湿法 工艺，喷雾干燥脱硫工艺、炉内喷钙炉后增湿活化脱硫工艺( l i f a c ) 和循环流化床烟气脱硫工艺 l 东南大学博士学位论文 ( c f b - f g d ) 其中，石灰石，石灰一石膏湿法工艺约占全球烟气脱硫工艺的8 0 以上。是各国的首 选主流工艺。 近年来，我国烟气脱硫行业发展迅速。据2 0 0 4 年中国环境保护产业协会锅炉炉窑脱硫除尘委员 会进行的我国火电厂烟气脱硫行业发展报告i i ，2 0 0 2 年底我国火电厂烟气脱硫在政策上和技术上 完成了准备工作，2 0 0 3 年进入发展期2 0 0 4 年进入快速发展期2 0 0 2 年，我国能完成5 万k w 机组以 上大型电厂脱硫项目的总承包公司只有8 家2 0 0 3 年火电厂烟气脱硫工程合同额近4 0 亿元2 0 0 4 年我 国能完成5 0 m w 机组以上大型电厂脱硫项目的总承包公司已增加到3 0 余家，部分国内烟气脱硫骨干 企业基本具备了独立完成, 3 0 0 m w 及以下火电机组脱硫工程的总承包能力，火电厂烟气脱硫工程合同 额已近3 】o 亿元截至2 0 0 4 年1 2 月底，全国已投运和在建的火电厂烟气脱硫项目累计总装机容量达到 1 3 3 8 万m w 其中已投运的烟气脱硫项目1 6 l 万m w ，占火电厂烟气脱硫项目的1 2 o 。占火电厂总 装机容量的4 9 其中，湿法脱硫项目累计1 2 8 5 万m w 。占脱硫项目总装机容量的9 6 。按我国火 电总装机容量增加的速度估算，烟气脱硫项目装机容量的需求还将以每年7 万m w - 8 万m w 的速度增 加据不完全统计，截f f 2 0 0 4 年底，全国有3 0 余家脱硫公司先后引进德国、美国、日本、瑞典、意 大利，臭地利，韩国等国的火电厂烟气脱硫技术装备，多头重复引进现象普遍在已投运和在建的 火电厂烟气脱硫项目中从技术层面上，并不拥有自主知识产权，而部分拥有国内自主知识产权的 项目总装机容量为9 8 9 7 m w 。仅占脱硫项目总装机容量的7 4 自主研发能力薄弱。越来越成为脱 硫工艺技术真正实现国产化的主要制约因素，影响着我国脱硫产业发展的整体水平 国家对于烟气脱硫产业的发展一直十分重视2 0 年2 月国家经济贸易委员会印发了关于印 发 的通知 ( 国经贸资源【2 0 0 0 ) 1 5 6 号 ) i 通知 指出：火电厂烟气脱硫是控制二氧化硫污染的重要措施烟气脱硫关键技术与设备国产化是降低工 程造价加快火电厂二氧化硫治理速度，提高机电制造企业竞争能力，培育新的经济增长点的需要 为推进火电厂烟气脱硫关键技术和设备国产化，国家经济贸易委员会制定了火电厂烟气脱硫关键 技术与设各国产化规划要点要点指出，国产化的主要内容是设计技术和脱硫设备的国产化，并明 确指出目前已具备条件开发的设备，应组织技术力量集中攻关，国家应设立专项攻关资金，确保成 果及时用于脱硫工程2 0 0 5 年5 月，国家发展和改革委员会根据国务院领导关于加快火电厂二氧化硫 治理和推进烟气脱硫产业化发展的批示精神，制定了关于加快火电厂烟气脱硫产业化发展的若干 意见意见指出，目前脱硫行业存在的问题是，脱硫项目建设规模急剧增长，但产业化发展相 对滞后；虽然大部分设备可以国内制造，但关键设备仍需进口；脱硫技术存在重复、盲目引进。研 发人员严重不足等进一步明确国家将继续支持发展拥有自主知识产权的脱硫技术，继续推进脱硫 专用设备本地化。对由于技术或加工制造能力原因致使目前尚不能本地化的脱硫专用设备，应有计 划、有重点地组织协调、加快技术引进扶持科研设计单位、设备制造商或脱硫工程公司联合开发， 并在资金和项目上予以支持1 1 1 i 2 0 0 5 年1 2 p j ，国务院作出国务院关于落实科学发展观加强环境保 护的决定( 国发【2 0 0 5 】3 9 号) ，决定 确定，到2 0 1 0 年，重点地区和城市的环境质量得到改善。 生态环境恶化趋势基本遏制，到2 0 2 0 年，环境质量和生态状况明显改善的环境保护目标再次强调， 要以降低二氧化硫排放总量为重点。推进大气污染防治，2 0 0 4 年底前投运的二氧化硫捧放超标的燃 煤电厂，应在2 0 1 0 年底前安装脱硫设施；要加快环保产业的国产化、标准化，现代化产业体系建设， 2 第一章绪论 重点发展具有自主知识产权的重要环保技术装备和基础装备在立足自主研发的基础上，通过引进 消化吸收，努力掌握环保核心技术和关键技术；大力提高环保装备制造企业的自主创新能力，推进 重大环保技术装备的自主制造。强化环保科技基础平台建设，加快高新技术在环保领域的应用，积 极开展技术示范和成果推广，提高自主创新能力”“ 综上所述二氧化硫是我国大气污染的主要污染物污染形势十分严峻，二氧化硫捧放量的削 减仍是控制大气污染的主要任务二氧化硫主要来自燃料的燃烧，故燃煤烟气中二氧化硫的脱除是 控制二氧化硫排放的重要途径，也是最经济、有效的手段1 1 1 2 0 0 0 年以来，我国烟气脱硫行业经过5 年的快速发展，已具备一定的规模，但产业化发展相对滞后，采用的工艺多以引进国外为主，关键 设备仍需进口从技术层面上。并不拥有自主知识产权，而且立足于拥有自主知识产权的研究开发 也相对较少i ”1 自主研发能力薄弱，越来越成为脱硫工艺技术真正实现国产化的主要制约因素消 化引进技术形成自主知识产权的工艺，已成为脱硫产业发展的瓶颈为此，国家多次出台政燕。鼓 励自主创新，通过引进消化吸收，努力掌握环保核心技术和关键技术因此，对脱硫工艺装置和设 备的关键技术进行国产化研究。是目前脱硫技术研究领域的主要方向 石灰石，石灰一石膏湿法工艺脱硫效率在9 0 以上，并且有了近3 0 年的运行经验，工艺具有煤 种适用范围大、脱硫效率高、钙利用率高、运行稳定等优点，是目前世界上技术最成熟。实用业绩 悬多运行状况最稳定的脱硫工艺，是各国和地区首选的主流工艺在我国的应用也最为广泛该 工艺的核心装置是脱硫吸收塔，塔内的雾化技术是其关键技术我国投运和在建的石灰石，石灰一石 膏湿法工艺多为引进德国、美国、日本等国的技术，虽然已有大量的工程应用但仍处于模仿设计 和制造阶段，难以适应各种工况下的应用且由于没有掌握关键技术。工程设计相对保守，造成初 投资及后续运行费用的增加而全国火电市场对该工艺需求每年仍在6 万m w 一7 万m y 因此，对 石灰石，石灰一石膏湿法工艺的研究。特别是对其关键技术一脱硫吸收塔雾化特性的研究是目前迫 切需要解决的重点课题对该工艺在技术层面上实现国产化，推动整个烟气脱硫产业的发展。具有 重要的现实意义 1 2 石灰石石灰一石膏湿法工艺常用塔型及研究现状 石灰石，石灰一石膏湿法脱硫工艺的核心装置是脱硫吸收塔。目前较常用的吸收塔主要有喷淋 塔、填料塔、鼓泡塔和液柱塔，其中喷淋塔是湿法脱硫工艺的主流塔型1 1 j 1 2 1 喷淋塔 喷淋塔是气液反应工程中的常用设备石灰石浆液通过循环泵，经塔内不同高度布置的喷淋层 的喷嘴雾化后形成小液清，并与逆流向上流动烟气充分接触，对烟气中的s 0 2 进行洗涤烟气中s 0 2 浓度较低，体积分数通常 3 0 0 0x1 矿，且s 0 2 易溶于水，达到9 0 o 以上脱硫效率仅需2 3 个传质单元 数，适合选用喷淋空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置也是 主流塔型它的优点是在系统液气比较小时，能够形成较大的气液接触面积，喷淋塔内部构件少。 塔内不易结垢和堵塞压力损失也较小其关键的技术是雾化系统。工艺要求。浆液流经喷嘴压力 降较小，雾化后能稳定和均匀覆盖整个吸收塔截面目前，世界上运行的脱硫装置中有相当大一部 分为喷淋脱硫塔，该工艺技术成熟，应用广泛。我国引进的石灰石一石膏湿法脱硫技术主要有德国 东南大学博士学位论文 的鲁奇能捷斯比晓夫技术、美国的巴布科克一威尔科克斯公司( b w ) 技术、德国的斯坦米勒公司 ( 现为巴高克博希格能源公司b b p ) 技术、意大利i d r e c o 公司技术、奥地利a e 公司技术、日本千 代田技术、日本三菱技术等。除日本千代田技术采用鼓泡塔，日本三菱技术采用填料塔外其余大多 数均为喷淋塔。目前，国内投运和在建的石灰石，石膏湿法脱硫项目中，绝大部分采用喷淋塔，尤其 新建的6 0 0 m w 及以上机组，如扬州第二发电厂，广东沙角c 电厂，湛江奥里油电厂等i l ” 我国喷淋塔的研究严重滞后于工程应用，仍处于起步阶段，研究的内容也主要集中在数值模拟、 运行条件优化、设计参数和整塔设计等方面，对工艺的化学动力学过程、流体力学特性等也有一定 的研究 在喷淋塔数值模拟方面，目前的研究较多林永明i l ”等对3 0 0 唧机组湿法烟气脱硫( w f g d ) 系统 喷淋塔内烟气流场进行了数值模拟，结果表明，喷淋塔内烟气流场总体趋势大体上一致几何结构尺 寸和运行参数对塔内烟气流场有较大影响；耿萍1 1 7 1 q 对湿法脱硫立式喷淋空塔的流场进行数值模拟， 脱硫塔内速度场和温度场进行三维数值模拟，结果表明喷淋塔的烟气入口角度对流场内烟气分布具 有较大的影响，脱硫塔形状及喷淋层高度对流场与温度场有很大的影响；唐志永1 1 9 l 等对对喷淋塔空塔 的流场进行三维数值模拟。计算结果表明喷淋塔形状对流场有很大的影响；孙克勤l 驯等对大型脱硫 塔进行合理模化和简化，采用随机模型确定颗粒初始位置，基于t f 湍流方程对喷淋脱硫塔进行了空 塔和喷淋状态下的流场计算，计算结果表明，喷淋液滴对烟气流场具有强烈的整流作用；曾芳口l 等 对吸收塔为空塔和有喷嘴时的塔内烟气流场进行了模拟计算；张红蓉【2 2 1 对湿法脱硫立式圆形吸收塔 内冷、热气相及气液两相流场湍流流动进行了数值模拟；赵占占田l 等利用颗粒轨道模型模拟了烟气脱 硫喷淋塔两相流，模拟结果表明。中空锥形喷嘴设计使喷淋液形成伞状雨帘可有效的防止烟气短流 总之，国内利用c f d 软件进行喷淋塔数值模拟已取得一定进展，但仍停留于流量场模拟，与国外已利 用c f d 软件进行工程优化设计和改造相比还有一段距离目前对于喷淋塔模拟方法的研究还是主 要的研究问题。 在运行条件的优化研究方面，主要是结合工程实际进行试验徐建斌垮人对吸收塔系统的优 化运行进行了一些试验和探讨；曾庭华1 2 ，“l 介绍了广东省连州电厂石灰石，石膏湿法烟气脱硫吸收塔 系统的流程、设备、吸收塔内部结构、防腐措施等设计情况，同时对系统的运行状况进行了分析 这方面的研究有待进一步深化 在设计参数和整塔设计方面，主要是李荫堂等人对喷淋塔的容积负荷、容积吸收率、传质参数、 液滴停留时间、本体设计等进行的研究i ”。涉及内容主要是从宏观上以塔本体设计为目标的分析 大多进行了经验简化，所得到的方法没有工程应用的实例此外，王祖培对喷淋塔设计过程中对其 主要尺寸的确定各主要零部件的结构和防腐材料的选择作了阐述l j 2 1 化学动力学过程方面的研究仍然以理论分析为主。吴标忠，谭天恩以旋流扳塔作吸收器的石灰 湿法烟气脱硫技术进行了试验研究，初步提出了石灰湿法脱硫传质反应过程机理【划；吴国华【卅，王 启军等人理论分析了脱硫塔的传质性能，讨论了强化的措施：李守信蚓、韩琪阳等从理论上分析 了石灰石石膏法的工艺原理及化学过程；翟忠和等对石灰石脱硫动力学模型的优选进行了研究” 在流体力学特性方面，由于条件的制约，试验研究较少孟令杰3 9 1 等阐述了建立烟气湿法脱硫 吸收塔冷态模型及其研究方法，分析了吸收塔冷态模型实验台的研究内容，初步建立了喷淋塔研究 4 第一章绪论 的框架：李仁刚i 删等对烟气脱硫喷淋塔流体力学特性进行了研究，讨论了烟气流速、液滴直径等工 艺参数对液滴停留时间、吸收区阻力和塔内传质面积的影响；李荫堂i 1 l 等对喷淋塔的气体旋流进行 了试验，得出了旋流强度、压力损失等随导流板角度的变化关系并将旋流情况与常规的直流进行了 比较 可见，国内对喷淋塔的研究虽是有一定规模但仍处于探索阶段，尚未达到工业化应用要求 由于条件和设备的制约，针对喷淋塔关键技术一雾化系统的系统研究尚无报道。 1 2 2 填料塔 填料塔是化学工业中常见塔型之一，一般采用特殊几何形状的填料环杂乱堆放脱硫塔最初的 填料塔形式为t b c ( t u r b u l e n tb e dc o n 呦) ，使用聚乙烯球或睛泡沫球作为填料，由于磨损、腐蚀、 耐热性的原因。填料常常被破坏并堵塞浆体输运管道，影响系统长期稳定运行。近年来，湿法脱硫 填料塔采用特殊的格栅作为填料，故此类塔也称为格栅塔( g r i d t o w e r ) 它类似于将规则的填料整齐 地捧放为减小阻力，填料塔多为顺流布置典型的顺流式格橱填料塔在塔顶设置喷淋装置，将脱 硫浆液均匀地喷洒于格栅上部，浆液在格栅表面逐渐下漉，形成比较稳定的液膜烟气通过填料之 间的空隙下降，与液体作连续的顺流接触，烟气中的二氧化硫不断被溶解吸收处理过的烟气白塔 底氧化池进入除雾器后捧放填料塔关键技术是脱硫浆液能均匀分布于填料之上，在格栅表面上的 降膜过程连续均匀这就要求，填料必须具有较大的比表面积，较高的空隙率，较强的耐腐蚀性 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脱硫剂具有一定的颗粒度( 2 5 0 目左右) 应用中。填料中的结垢堵塞问题仍未解决目前主要是通过较高的系统自控能力。以保证整个反应 在合适的状态下运行，尽量降低结垢的风险日本三菱公司在重庆珞璜电厂一期的石灰石一石膏湿 法工艺中采用填料塔并配套复杂的自控系统来防止结垢的危害，但在运行中因烟气负荷的波动， 结垢仍十分严重1 4 2 1 目前，由于填料塔堵塞问题难以解决，且塔内阻力较大，湿法烟气脱硫市场应用较少国内填 科塔研究较少主要是试验室研究，内容集中在新工艺的探索、小型工业废气处理的优化及填料应 用研究等，对于石灰石一石膏湿法工艺而言，主要是对现有的重庆珞璜电厂一期工程的经验总结 王英刚岬j 等进行了生物膜填料塔挂膜启动及烟气脱硫试验研究，初步探讨了生物膜填料塔用于 烟气脱硫的可行性；z 丽1 4 4 等介绍生物法净化s 0 2 和其他含硫废气净化的原理及国内外近年的应 用研究，对生物填料塔净化s 0 2 废气进行了初步的试验研究在试验工况下，生物脱硫效率较高，但 生物活性、稳定性、塔型布置、适用烟气范围等等仍需进一步研究洪涛1 4 5 1 等研究了用柠檬酸盐溶 液在波纹填料塔中吸收高氧含量烟气中低质量浓度s 0 2 的特性，重点考察了柠檬酸浓度、溶液p h 、 烟气流量对吸收效果的影响，确定出溶液中s 伤质量浓度与烟气s 0 2 脱除率的关系；袁孝竟m l 等以 柠檬酸，柠檬酸钠溶液为缓冲液在高效规整填科塔中进行烟气脱硫，研究了影响吸收及解吸效率的各 种参数，确定了最佳操作条件，对该工艺的应用提供了基础。柠檬酸盐溶液填料塔的研究目前主要 集中在较高质量浓度s 0 2 烟气的吸收上1 4 7 - 4 9 1 华玉芝l 蛐1 等对填料塔一钠碱法脱硫效果的影响因素进 行了试验分析黄苏河l ，1 1 等通过脱硫填料塔堵塞物形态的分析，指出存在于吸收和再生过程中的几 个问题，提出了改进工艺流程和塔结构的意见；李金喜”】从工艺控制条件的变化，分析了湿法脱硫 中填料塔阻力上涨的原因，论述了在生产实际中应采取的对策与处理措施。在填料方面，焦洪桥m l 5 东南大学博士学位论文 等对塑料格栅填料在脱硫装置的应用做了总结，认为p v c 格栅填料是木格子填料替代品；徐利红旧 等介绍了新型格栅填料在合成氨生产中水煤气湿法脱硫塔上的应用，并比较了改造前后脱硫塔的效 果：任伟民l ”l 简单介绍了一种新型的抗堵填料在脱硫塔中的应用，认为在脱硫塔设计过程中，应根 据不同的工艺条件、气体成份和净化要求采用复合型格栅填料塔 总之，由于填料塔本身的局限性国内在填料塔方面的研究较少，在湿法脱硫工艺中应用尚较 局限，其堵塞问题是应用中的难题。 1 2 3 鼓泡塔 鼓泡脱硫塔j b 8 伯u b b l i n gr e a c t o r ) 属于鼓泡反应器，其核心部位为射流沸腾反应区烟气经除尘 器后由特殊设备分配，垂直鼓入脱硫剂浆液液面下，产生沸腾状气泡井浮出液面，烟气中的s 0 2 与浆 液充分接触反应生成亚硫酸钙，氧化空气白鼓泡反应器的底部均匀分配到浆液中，将亚硫酸钙氧化 为硫酸钙工艺的优点是，对烟气含尘量的要求较低，在高粉尘浓度下也能较好地运行并获得较 高的脱硫率；较之其他形式脱硫塔省略了再循环泵、喷嘴。井将氧化区和脱硫反应区整合在一起， 设计较为简洁降低了投资成本；气相高度分散在液相中具有较大的液体持有量和相间接触面， 传质和传热效率高但是，液相内部有较大的返混，且工艺的系统阻力较大，反应器的占地面积也 比其他方法大该工艺是日本千代田公司开发国内首次应用是重庆长寿化工总厂的脱硫工程i 卅。 2 0 0 4 年，台山电厂l 号6 0 0 m w 机组的f g d 系统也采用了该技术，是喷射鼓泡吸收塔烟气脱硫技术在 国内大型机组上的首次应用i ，q 由于喷射鼓泡塔工艺具有s 0 2 脱除率高，不易结垢，装置简单、可靠性高，石灰石利用率高以及 可生成大颗粒、高质量的石膏晶体等特点鼓泡塔在工程上有一定程度的应用，工艺技术主要是引 进日本千代田公司开发第二代c t - 1 2 1 技术，可广泛应用于高、中、低硫煤发电机组的烟气脱硫国 内对于鼓泡塔用于烟气脱硫的研究，主要是结合工程的应用分析以及基础性和中小型的应用研究 林彬p ”等介绍了国内首台应用在6 0 0 m w 机组的喷射鼓泡塔烟气脱硫技术，并对该技术的工艺 和运行参致进行了分析，结果表明，该工艺具有s 0 2 脱除率高石灰石利用率高，不易结垢，装置 简单，可靠性高等特点；葛曼i ”l 等也介绍了喷射鼓泡塔烟气脱硫在台山电厂l 号、2 号6 0 0 1 v 机 组的应用；单选户1 6 0 1 等详细介绍了c t 1 2 1 鼓泡式吸收塔脱硫工艺的技术特点，分析了工程应用的 可靠性和实用性孙世利1 6 1 i 等利用软锰矿浆进行了烟气脱硫的中试试验，中试采用喷射鼓泡反应器， 处理烟气量为7 0 0 0 - 1 0 0 0 0 m 3 h ，用其独特的内循环代替外循环，试验结果表明，该中试工艺路线正 确，设备选用、设计合理，装置运行稳定，脱硫率大于9 0 ，锰浸出率大于7 0 ；罗锡如阱l 、胡厚 美嘟增也利用鼓泡反应器对软锰矿浆烟气脱硫进行了中试研究；朱晓帆 6 4 6 5 等对在喷射鼓泡反应器 o b r ) 中采用软锰矿吸收烟气中s 0 2 进行了实验室研究仲兆平悯、王娟me 1 、钟秦限7 q 等对鼓泡 塔用于湿法烟气脱硫进行了基础性试验研究；王瑛【_ 圳等在泡罩塔的基础上，开发研制了一种新型的 喷射鼓泡式脱硫净化装置。 喷射鼓泡塔工艺已被美国能源部列入洁净煤技术示范项目1 7 2 】，在我国已有工程应用，但目前 c t - 1 2 i 技术仍存在动力消耗大、烟气温度低、设备防腐难以解决等问题，由于不是烟气脱硫主