（环境工程专业论文）烟气循环流化床联合脱硫脱氮模型和机理研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 本论文首先对烟气循环流化床的流场、温度场进行分析，确定了速度 场和浓度场的分布，并建立了床内温度模型。然后在此基础上，根据流化 床内喷水活化脱硫的特点，对未捕集水滴的新鲜干燥脱硫剂颗粒、干燥再循 环颗粒和与水滴碰撞形成的含水吸收剂颗粒分别采用表面覆盖模型、气固反 应模型和浆滴脱硫反应模型，从而得到了应用高活性吸收剂的烟气循环流 化床总的脱硫模型。模型计算值与实验值误差在5 5 以内。此外，本文还 建立了烟气循环流化床脱氮模型，计算误差在2 以内。本论文的研究工 作，为开发适合我国国情的烟气脱硫脱氮装置提供了理论参考。 关键词：循环流化床，高活性吸收剂，脱硫，脱氮，数学模型 a b s t r a c t a tt h eb e g i n n i n go ft h ep a p e rt h ed i s t r i b u t i o no ft h ev e l o c i t ya n dc o n c e n t r a t i o n a r eo b t a i n e da n dam o d e la b o u tt e m p e r a t u r ei s p r o p o s e d t h e na c c o r d i n gt o t h e a n a l y s i so f t h es p r a y i n gw a t e rt h a tc a na c t i v a t et h es o r b e n t sam o d e la b o u tf l u eg a s d e s u l f u r i z a t i o nb y h i g h l ya c t i v ea b s o r b e n t i sp r o p o s e d i nt h em o d e l ，t h r e ef a c t o r sa r e t a k e ni n t o a c c o u n t ：g a s l i q u i dr e a c t i o no fs l u r r yd r o p l e t ，g a s - s o l i dr e a c t i o no fd r y c i r c u l a t i n gp a r t i c l e sa n ds u r f a c ec o v e r a g er e a c t i o no fd r yf r e s hp a r t i c l e s t h eh i g h e r a c c u r a c y o ft h em o d e lw a se x h i b i t e dw i t ham a xe r r o ro f5 5 a tl a s t d e n i t r i f i c a t i o nm e c h a n i s mo fh i g h l ya c t i v es o r b e n ti s a n a l y z e di nd e t a i l ，a n da m o d e la b o u tf l u eg a sd e n i t r i f i c a t i o nb yh i g h l ya c t i v ea b s o r b e n ti sa c h i e v e dw i t ha m a xe r r o ro f2 s t u d yw o r k so ft h ed i s s e r t a t i o np r o v i d et h e o r e t i c a lr e f e r e n c e s f o rf l u eg a so fd e s u l f u r i z a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o nt h a tf i t t e dt h es i t u a t i o no fo u r c o u n t r y z h a n gy a n ( e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db y v i c e p r o f x up e i y a o k e y w o r d s ：c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d ，h i g h l ya c t i v ea b s o r b e n t ，d e s u l f u r i z a t i o n ， d e n i t r i f i c a t i o n ，m a t h e m a t i c sm o d e l 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文烟气循环流化床联合脱硫脱氮 模型和机理研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期问，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沦文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：丝日期 2 0 0 j 2 - 7 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，卜发表、传播学位论文的全部或部分内容。 r 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名 曰期 写炙狍 导师签名 加f 1 2 - 日期：丝竺! ! ：2 华北电力大学硕士学位论文 主要符号表 a ：吸收剂制备中石灰所占质量比 a ：床的截面积 h 。：液膜总表面积 a r ：阿基米德数 b ：石灰的纯度 b ：颗粒浓度 巴；：液相s o 。浓度 c m ：c a ( o h ) ：的饱和浓度 c 。：曳力系数 c 。：干空气的定压比热 c 。：吸收剂的定压比热 c 。，：水蒸气的定压比热 c 。：水的定压比热 c ，。：水膜表面水蒸气浓度 c 。：环境烟气中水蒸气浓度 d ，：吸收剂颗粒直径 d ，：水滴的直径 d ：循环流化床直径 d 2 ：s o 。在灰层内的扩散系数 d a ，：s 0 2 在液相中的扩散系数 d 。：c a ( o h ) 。在液相中的扩散系数， d 。：水蒸气在烟气中的传质系数 d “n o 液相扩散系数 f r 。：基于颗粒终端速度的佛雷德数 g ：重力加速度 g o ：液膜的剩余质量 g 。：蒸发速率 g 。：烟气的质量流率 g m 新鲜吸收荆连续进料量的质量流率 g j r ：半径为r 处颗粒的质量流率 g 。：颗粒循环流率 h ：床的轴向高度 h ：床的总高度 h e ：亨利系数 k 。：s o 。的液膜传质系数 k 。：表面覆盖速率和反应速率之间的比 例常数 k 。：吸收剂的初始反应速度 m ：每摩尔c a 对应的吸收剂的质量 吖。：烟气中的干空气质量 m b ：溶剂的分子量 m o ：入口n o 摩尔流量 肘n ；入口s 0 。摩尔流量 m 。：吸收剂的质量 m 。：烟气中的水蒸气质量 m 。：含水吸收剂颗粒中水的质量 n ：含水吸收剂颗粒总数 n i ：含水颗粒单位面积的s 0 。的传质通 量 n “干燥再循环颗粒单位面积的s o 。的 传质通量 n m 干燥新鲜吸收剂颗粒单位面积的 s 0 ：的反应速率 n u ：努赛尔数 p ：床内总压 只：烟气主体s o 。分压 只，：气液界面处s o 。分压 b ：烟气主体n o 的分压 p r ：普朗特常数； 只：烟气主体水蒸气分压 华北电力大学硕士学位论文 只。：水膜表面水蒸气饱和蒸汽压 q 。：烟气流量 r ：灰层厚度 r ：水的汽化潜热 t ：中心流域半径 r ：通用气体常数 r 。：床的半径 r e 。：对应于颗粒终端速度的雷诺数； r h ：相对湿度 r m w ：分子量 s ：单位质量高活性吸收剂表面积的测 量值 s c ：斯密特数 s f 0 吸收剂的初始表面积 s h ：舍伍德数 s r 1 半径r 处单位体积烟气内含水颗 粒液膜的表面积 s r u ：半径r 处单位体积烟气内含水新 鲜吸收剂颗粒液膜的表面积 s r l 2 ：半径r 处单位体积烟气内含水再 循环吸收剂颗粒液膜的表面积 s t 2 ：半径r 处单位体积烟气内干燥再 循环颗粒的表面积 s 孙半径r 处单位体积烟气内干燥新 鲜吸收剂颗粒的表面积 t ：烟气温度 瓦：液膜温度 t ：反应时间 t = 含水新鲜吸收剂颗粒积分时间上限 t z2 ：含水再循环吸收剂颗粒积分时间上 限 t 。：干燥再循环吸收剂颗粒积分时间上 限 t 。：干燥新鲜吸收荆颗粒积分时间上限 u 。：床内操作速度 u 。：终端速度 u “：庐处的气相速度 u ，。：妒处的颗粒速度 v r ：通过d r 环面的烟气体积 v w 溶质的常沸点摩尔容积 x ：再循环吸收剂颗粒的平均转化率 c a s ：入口钙硫摩尔比 c a n ：入口钙氮摩尔比 s 0 2 ：入口s o , 的浓度 n o x ：入口n o 。的浓度 口：对流传热系数 口。：对流传质系数 s 【r ) ：半径r 处的空隙率 s ：截面平均空隙率 p 。：烟气密度 pr ：颗粒密度 p 。：水密度 p ：烟气粘度 n ：除尘器效率 仉：脱硫率 ：无因次半径 ：烟气传热系数 中：增强因子 心：水的粘度 一 堡j ! 皇塑奎堂堡主堂焦堡塞 第一章引言 1 1s 0 。和n o x 的污染与危害 大气中的s o ：主要是产生于含硫燃料的燃烧及冶金等工业过程，其中6 0 来自煤 的燃烧。火力发电厂排烟中的s o 。浓度虽然较低，但总排放量却最大。在过去2 0 年 中，发达国家通过改变燃料结构，采用脱硫技术使得s o z 排放量总体上明显减少。但 在此期间，发展中国家s o 。排放量是增加的。1 9 9 5 年，我国排放s o z 达2 3 4 1 万吨， 大于美国的2 1 0 0 万吨，成为世界排放s 0 ：第一大国。1 9 9 7 年我国9 4 个城市空气中 s o ：年均浓度值在3 2 4 8 9 9 m 3 之间，全国平均值为6 6 1 1 9 m 3 ，远高于的s0 2 自然背景 浓度( 0 9 9 固体返混很大较大很小 气体返混( 轴向)不定较小很小 从总体流动结构来看，快速流态化中颗粒浓度沿床层轴向呈上稀下浓的单调指 数函数或s 形的连续分布；沿床层径向为中心稀、边壁浓，且床层空隙率一般为 0 8 0 o 9 8 。颗粒速度在床中心区主要向上、边壁区主要向下。呈明显的内循环流 动。 继续增大气速，或减小颗粒加入速率，则床层颗粒浓度不断变稀，轴向分布愈 趋均匀。到某一临界条件，空隙率轴向呈均匀的单一稀相( 空隙率为0 9 5 左右) ， 就标志着快速流态化向密相气力输送的过渡。密相气力输送的典型特征为：床层压 望i ! 皇垄盔堂堡主堂垡笙壅 降主要用于输送颗粒，并克服气、固与壁面的摩擦。继续增大气速，床层颗粒浓度 不断减小，空隙率趋近1 。当气速大于临界气速u p t 后，床层压降主要受摩擦压降支 配，进入典型稀相气力输送状态。 2 1 2 流动状态的判别公式 操作气速、颗粒循环流率是判断流动状态的两个主要根据。对于一定的颗粒循 环速率g 。，当操作气速u 。满足：u 。u 。 u ，。时，床层为快速流态化：当u r d u 。 u r t 时，床层为密相气力输送；当仉u 。时，床层为稀相气流输送。国内外许多研究者 通过对循环流化床的流动状态的分析实验，提出了流型过渡转变速度的经验公式。 y o u s f i g a n “”通过对g e l d a r ta 、1 3 类粒子的实验，得出u ，f 的经验公式如下： 黄戒。斛，m 0 6 毕晓涛等。”得到u 。的经验公式如下： 吣s 埘甜”饼1 ”( 警厂 b a i 。”研究表明u ，可用下式计算： u 胛一u | + 6 8 1 6 墨 一p 式中：g s - 颗粒循环流率( k g m 2 s ) ； d 一循环流化床直径( m ) ； p 。一烟气密度( k g m 3 ) ： g 一重力加速度9 8 1 ( m s 2 ) ； u 。一终端速度( m s ) ； u 广床内操作速度( m s ) 。 公式( 2 - 1 ) 公式( 2 - 2 ) 公式( 2 - 3 ) g 。一烟气的质量流率( k g m 2 s ) ； d ，颗粒直径( m ) ； p ，一颗粒密度( k g m 3 ) ； u 一烟气粘度( k g m s ) r e 。一对应于颗粒终端速度的雷诺数 2 1 3 快速流态化的指数分布和s 型分布 对于操作在一定气速下的循环流化床，当颗粒循环流率很小时，所加入的颗粒 立即被气流夹带向上，轴向分布均匀，即气力输送状态。增加颗粒循环流率，床内 颗粒浓度将逐渐增大，由于颗粒间的碰撞及相互作用使颗粒速度难以很快增加，颗 粒开始在床层的底部积累，从而床层底部颗粒浓度急剧增加，床内颗粒不再处于轴 向均匀分散状态，床层开始由轴向均一的气固流向轴向星单调指数分布的气固流转 变。循环流化床进入快速流态化。当颗粒循环流率进一步增加达到气体饱和夹带速 率g s + ( 对应于床层底部颗粒浓度刚刚达到最大饱和浓度时的颗粒循环速率) 时，颗 粒浓度轴向分布开始由单调指数函数形式转变为s 型，此时床层底部颗粒浓度达到 华北电力大学硕士学位论文 饱和值，再继续增大颗粒循环流率，将只造成底部密相区的增高，并不影响床层底 部的颗粒浓度。 因此，根据气体饱和夹带速率，可以将快速流态化的操作区域划分为两个部分， 即空隙率轴向分布呈单调指数函数分布( g ； g s + ) 两个区域。 b a i 和k a t o 。“通过回归分析得到了的g 。关联式为： 譬- o 场只1 , 8 5 t f 0 , 6 3 ( 警) 黼浯a ， 式中：f r 。一基于颗粒终端速度的佛雷德数，r * - 7 竿 g a e a r 一阿基米德数，4 ，；旦! 鸳! 二生2 口 2 2 流动状态判别公式中参数的确定 2 2 1 循环流化床所需新鲜吸收剂连续进料量的确定 由入口烟气s o z 或n 0 x 浓度可计算出所需新鲜吸收剂的连续进料量( 由于n 仉中 n o ：所占比例很小，因此n o 。对应的参数近似等于n 0 的参数) 。 m 礁一q l s o ： ( 1 0 0 0 r m w s o , j m 加；z 蜴 d ，】( 1 0 0 0 p k m n o ) 瓯- m s o r m c a o c a s h ( 6 i 0 0 0 3 6 0 0 a ) 或瓯i m n o x r m 形c a 。c a ，卅口( b i 0 0 0 - 3 6 0 0 4 ) 式中：肘一入口s o z 摩尔流量( m o l h ) ； s o j 一入口s 0 ：的浓度( m g m 3 ) ： r m w s o 广s 0 2 的分子量( g m 0 1 ) ： r m w “o 一c a o 的分子量( g m 0 1 ) ： a 一床的截面积( m 2 ) ： c a s 一入口钙硫摩尔比； a 一吸收剂制各中石灰所占质量比： 公式( 2 - 5 ) 公式( 2 - 6 ) 公式( 2 - ? ) 公式( 2 - 8 ) m 。，一入口n o x 摩尔流量( m o l h ) n 0 ， 一入口n 0 ；的浓度( m g m 3 ) r m w h o _ n 0 的分子量( g m 0 1 ) ： b 一石灰的纯度： q ，烟气流量( i n 3 h ) ； c a n 一入口钙氮摩尔比： g 。一新鲜吸收剂连续进料量的质量流率( k g m 2 s ) 2 2 2 循环流化床颗粒循环流率的确定 循环流化床颗粒循环流率( 即颗粒再循环流率与新鲜吸收剂连续进料量的质量 1 3 华北电力大学硕士学位论文 流率之和) 是判断床内流动状态的重要参数，也是影响脱硫脱氮效率的重要因素。 根据设备形式不同，回料方式不同，对应的颗粒循环流率确定方法也不同。 ( 1 ) 有回料储备仓时颗粒循环流率的确定 当系统具有回料储备仓时，可通过回料储备仓下再循环颗粒的螺旋加料器改变 回料量( 颗粒再循环流量) 的大小，并通过新鲜吸收剂和再循环颗粒的加料速度计 算颗粒循环流率。 ( 2 ) 无回料储备仓时颗粒循环流率的确定 如果系统没有回料储备仓，除尘器收集的颗粒全部送回循环流化床中，由床内 的质量平衡可得，床内的进口颗粒质量流率等于床的出口颗粒质量流率，由循环流 化床和除尘器的整体质量平衡可得，连续进料量等于除尘器未能捕集的颗粒质量， 因此颗粒循环流率为： g 。上叠_ 。 l 一卵 式中：n 一除尘器效率； 本校烟气循环流化床系统如图2 - 1 所示，没有回料储备仓， 颗粒全部送回循环流化床，颗粒循环流率按第二种形式确定。 烟气循环流化床 图2 - 1 循环流化床系统流程图 公式( 2 - 9 ) 第一级旋风除尘器 2 2 3 颗粒粒径c l ，的确定 对于流化床采用的吸收剂颗粒的平均粒径d 。可采用下式计算 1 4 华北电力大学硕士学位论文 妒黔华) 馘 1 式中：x 。一颗粒各筛分的重量百分数( 也叫质量频率分布) ； d 。，d 。一颗粒筛分的上、下筛目尺寸，( m ) 。 2 2 4 终端速度的确定 当一个颗粒在无限静止的介质中，作自由落体运动时，颗粒在重力的作用下加 速；而浮力和流体曳力则阻碍颗粒的下落，当颗粒加速至三力平衡时，颗粒达到一 个稳定的速度，这个速度就叫终端速度u 。由颗粒受力方程： 驴c 。汐警+ p 。 由此可得： 即【0 ，s 警p 】1 ，20 0 d 式中：c 。一为曳力系数。 公式( 2 - 1 1 ) 公式( 2 - 1 2 ) 流化床内物料可近似按照球形颗粒来进行计算，球形颗粒的曳力系数c 。与雷诺 数r e 。( r e 。= d ，u 。p 。u ) 的关系可表示为： ( 1 ) 滞流区：( r e 。 o 4 ) c 。= 2 4 r e 。、公式( 2 1 3 ) ( 2 ) 过渡区；( 0 4 r e 。 5 0 0 ) c d = 1 0 r e 。“2公式( 2 - 1 4 ) ( 3 ) 湍流区：( 5 0 0 r e 。 0 7 5公式( 2 - 2 3 ) 已知颗粒循环流率，可求出截面平均空隙率及 由空隙率分布公式求出径向各点的空隙率，进 公式( 2 - 2 4 ) 式中：b ( r ) 一半径r 处颗粒浓度( k g m 3 ) ； f ( ，) 一半径r 处的空隙率。 ( 2 ) 由颗粒速度和颗粒浓度的分布，确定颗粒质量流率的径向分布： g s , 。丑( ，) u p 公式( 2 - 2 5 ) 式中：g 。，一半径r 处的颗粒质量流率( k g m 2 s ) ： ( 3 ) 将颗粒质量流率沿床径向积分，求出在假设的截面平均空隙率手下，截面 的净颗粒质量流量g s ( 即颗粒循环流率的计算值) ( k g m 2 s ) 为： g 1 s 一 r 争嘭撕d r 公式( 2 - 2 6 ) v ( 4 ) 将计算所得颗粒循环流率g s ，与真实的g 。比较，并由比较结果修正f ， 然后重复上述过程，直到g 1 s 与g s 相等，此时的f 为真实的截面平均空隙率，进而 可确定空隙率和颗粒速度、浓度分布。 2 4 2 快速流态化状态下颗粒浓度轴相分布的计算 、 当床内流化状态为快速流态化时，颗粒浓度在床层顶部较低，底部较高；沿径向则 为中心部较稀，边壁较浓。但由气相速度假设，环形区速度为零，所以环形区颗粒对脱 硫不产生影响，因此只需由中心区空隙率的轴向分布经验公式求出中心区颗粒浓度轴向 分布。计算步骤如下： ( 1 ) 根据颗粒循环流率不同，判断快速流态化的操作区域。当g 。 g s + ，空隙率沿床高的s 型分布曲线的计算式为m 1 ： 嚣r - 吣) 一。】 1 8 公式( 2 - 2 7 ) 公式( 2 - 2 8 ) 华北电力大学硕士学位论文 热”们s s - 竿】0 ”z 。 学 o “ h 。一5 0 0 e x p - 6 9 ( e 。q ) 埘s 忙( p e 帆- p g 也) d e l g - l “ r e ，。d p u p p e 一 ( 2 ) 根据空隙率，由式( 2 - 2 4 ) 计算不同高度处的颗粒浓度。 1 9 公式( 2 - 2 9 ) 公式( 2 - 3 0 ) 公式( 2 - 3 1 ) 公式( 2 - 3 2 ) 公式( 2 - 3 3 ) 一 堡j ! 皇垄奎堂堡主堂垡堕壅 _ _ _ 一一 第三章烟气循环流化床温度模型 3 1 循环流化床温度模型 实验表明烟气循环流化床的操作温度对其脱硫脱氮效率有很大的影响，而床内吸收 剂颗粒表面水膜的蒸发是引起床内温度变化的直接原因，因此本文根据能量平衡，建立 了一个液膜蒸发模型，从而确定床内温度的变化。对该模型做出如下假设： ( 1 ) 吸收剂颗粒为球形而且直径均匀； ( 2 ) 不计颗粒内的导热过程，颗粒温度均匀； ( 3 ) 颗粒液膜的蒸发过程为绝热过程； ( 4 ) 忽略c a ( o h ) z 的溶解热： ( 5 ) 由于通入的s o 。、n o ；的量很小，忽略反应生成的水量。 由于气相温度不高，因此气相对液相的辐射传热可以忽略不计。而由于环境的 温度比液膜的温度高，加上气体和颗粒之间存在相对速度，因此颗粒表面的液膜与 周围的气体存在对流传热。对流传热将热量传递给含水颗粒，而含水颗粒表面的水 蒸气浓度与周围环境的水蒸气浓度之差引起液膜蒸发，带走潜热。根据液膜蒸发能 量平衡：气相对液膜的对流传热量一液膜蒸发带走的热量= 液膜的焓增，确定液膜 蒸发方程如下： g o ，。鲁= 吼眈一。) 一r 整理得液膜表面温度变化为： d 瓦哦畋一瓦) 一g x ， d t g o c p w 式中：g o 一液膜的剩余质量( k g ) ； t 。一环境气相温度( k ) ； 口一对流传热系数( k w m 2 k ) ； g f ，一蒸发速率( k g s ) ： 沿轴向将循环流化床分为许多微元， 液相焓增等于气相焓降( 下标g 、a i r 、 相) ，即： d i | | 一d l w l 公式( 3 - 1 ) 公式( 3 - 2 ) c 。一水的定压比热( k j k g k ) ； t 一液膜温度( k ) ； a 广液膜总表面积( m 2 ) ； r 一水的汽化潜热( k j k g ) 。 由于系统为绝热系统，所以在每个微元内， v 、w 分别代表气相、干空气、水蒸气和液 公式( 3 - 3 ) 烟气由空气、r o 。( s o z 和n o x ) 、水蒸气组成，在忽略r o 。的情况下烟气的焓值 可用下式计算： 2 0 华北电力大学硕士学位论文 ，。= 。c 神+ m ，c ，) t 公式( 3 - 4 ) 含水吸收剂颗粒由水、吸收剂和反应产物组成，如忽略因反应产物的生成而引 起的焓值变化，含水吸收剂颗粒的焓值等于水的焓值与吸收剂的焓值的和。 ，。一。c ，。+ m 。c 删) 0 公式( 3 5 ) 式中：m ，一烟气中的水蒸气质量( k g m 3 ) ；m 。，一烟气中的干空气质量( k g m 3 ) ； 乙一烟气温度( k ) ； 瓦一液膜温度( k ) m 。一含水吸收剂颗粒中水的质量( k g m 3 ) c 。，一烟气中的于空气的定压比热( k j k g k ) ； c 。一烟气中的水蒸气的定压比热( k j k g k ) ； c 。一水的定压比热( k j t k g k ) ； c 一一吸收剂的定压比热( k j k g k ) ： m m 一吸收剂的质量( k g m 3 ) ； 假设固体颗粒的温度不变，吸收剂的焓值变化也可以忽略， 的焓值变化实际上只是液膜的焓值变化，又因为第1 1 和第1 是已知的或是已经求得，因此可得到们。 d l g - i t j - 1 一，j j ，。一。+ m ，q ，l 。0 ，。- 。+ 肘，q ，l t ， 则含水吸收剂颗粒 微元内液膜的温度 公式( 3 - 6 ) 公式( 3 - 7 ) 公式( 3 - 8 ) 由于第1 一1 个微元内的参数已经得到，式( 3 - 7 ) 是可以计算的，式( 3 - 8 ) 中， 由于液膜的蒸发量可以得到，则m 。、m 。己得到，比热只是温度的函数，因此三个 方程中只有一个未知数t j ，经过试算可以得到温度值。 综合以上各式，以入口参数为边界条件，经过向后迭代计算，可以计算液膜温 度，烟气温度的变化趋势。 3 2 温度模型参数的计算 3 2 1 对流传热系数 2 l 华北电力大学硕士学位论文 对流传热系数a 可以利用n u 来计算： - 口_ d p 公式( 3 - 9 ) 式中： 一烟气传热系数( k w m k ) ， = 2 4 4 x 1 0 4 + 7 7 8 x 1 0 。t j - 1 7 5 x 1 0 1 1 t 5 2 ； n u 一努赛尔数，n u 一2 + 0 6 r e ”p r ”； p r 一普朗特常数； t l _ 环境气相温度( ) 。 在忽略烟气中的r o ；的情况下，烟气可以认为是湿空气，它的所有物理性质， 都可以用水蒸气和干空气的物性参数加权平均值计算，是烟气含湿量的函数。烟气 的含湿量有以下两种表达方式： 比湿度：d t 州，m 。n ： 水蒸气的质量份额：l = 再d i 。 可以得到烟气的p r 数为： p f - ( 1 一y ，) p r o “+ l p r v 式中：p ；0 7 0 7 1 9 5 x 1 0 。t g 一3 8 6 4 x 1 0 4 t g2 取一0 8 7 9 6 + 1 ，3 4 x 1 0 3 f 一2 8 7 6 5 1 0 “f g 2 。 3 2 2 水的汽化潜热 公式( 3 - 1 0 ) 水的汽化潜热随温度的不同，也略有变化。根据饱和水、饱和蒸汽数据1 ，用 最小二乘法拟合公式得到： r 2 2 5 0 0 i - - 2 3 8 t 十8 5 7 x 1 0 4 t 。2 1 4 5 x 1 0 5 t 3公式( 3 - 1 1 ) 式中：t 一液膜温度( ) 3 2 3 液膜蒸发速率的计算 根据传质传热理论： - a 。口。乜。一c 。)公式( 3 1 2 ) 式中：a d 一对流传质系数( m s ) ；c ，。一水膜表面水蒸气浓度( k g m 3 ) ： c 。一环境烟气中水蒸气浓度( k g m 3 ) 。 烟气和水蒸气可视为理想气体，同时假设液膜表面的水蒸气为饱和状态，则有： 咿4 丧降一别 2 2 公式( 3 - 1 3 ) 些i ! 皇垄盔堂堡圭兰堡垫壅 _ 一 式中：r 。：。一水蒸气理想气体常数( k j k g 。k ) ， 护。面面r 瓦。 r w m h 一一水的分子量( g m 0 1 ) ； r 一通用气体常数( j m o l k ) ： 只。，一液膜表面水蒸气饱和蒸汽压( k p a ) ： 只一环境气相中水蒸气分压( k p a ) 。 对流传质系数a 。可利用舍伍德数s h 来计算： 咿等 式中：d 。一水蒸气在烟气中的传质系数( m 2 s ) ； 卟z 嗍叫等广p s h - - 舍伍德数，s h 2 + o 6 r e 0 5 s c ”5 s c 嘲蝻觏踮矗； p 一床内总压( a t m ) 。 对于液膜表面水蒸气饱和蒸汽压只。，根据文献。”： - 等唧( 1 5 3 0 3 6 - 岩) 环境气相中水蒸气分压为： p ! ! ! ：! 型 3 2 4 液膜表面积的计算 公式( 3 - 1 4 ) 公式( 3 - 1 5 ) 公式( 3 1 6 ) 液膜的表面积a o 为： 4 一再玎。d 刍 公式( 3 1 7 ) 式中：n 一含水吸收剂颗粒总数； d ，- _ 含水吸收剂颗粒直径( m ) ； 考虑到含水颗粒的半径变化很小，则含水颗粒的半径随时问的变化为： 婴。尝 公式( 3 - 1 8 ) 出4 几 式中：p 。一水的质量密度( 1 0 0 0 k g m 3 ) 。 2 3 华北电力大学硕士学位论文 3 2 5 各种物质的比热公式 根据各种物质的比热数据，用最小二乘法拟合公式得到，空气的比热为 c p - 1 0 0 50 f gs 6 0 c 肿一1 0 0 96 0 k 。，则 一警喝只 式中：k a - 嗉 公式( 4 - 1 1 ) 4 3 烟气循环流化床干燥再循环吸收剂颗粒的脱硫反应模型 公式( 4 - 1 2 ) c h r i s t o p h e r 驴1 在沙床反应器中进行了用飞灰和c a ( o h ) 。制成的吸收剂吸收 s 0 ：的试验，研究表明：这种吸收剂的转化率接近1 0 0 ，远大于相同情况下c a ( o h ) 。 的转化率( 2 0 3 0 ) ，这可能是因为该吸收剂的表面积远远大于c a ( o h ) ：的表面 积，表面产物层较薄，从而大大提高了产物层下的c a ( o h ) 。的利用率。这说明该吸 收剂的干燥再循环颗粒仍具有一定的脱硫效率。 2 8 华北电力大学硕士学位论文 烟气中s 0 ：与干燥再循环颗粒之间的反应为气固反应，描述气固非催化反应的 模型有两类： ( 1 ) 整体连续转化模型：固体颗粒的孔隙足够大，烟气中参与反应的成分可以自 由扩散到固体颗粒的内部。有效扩散率高而反应速率是有限的，气体和固体的 反应在整个固体内均匀进行。 ( 2 ) 渐进模型( 核心收缩模型) ：反应从粒子的外表面逐层向中心推进。该模型适 用于未反应固体孔隙非常小，烟气的有效扩散率非常低，烟气在固体颗粒内部 的扩散速率非常有限的情况。 由于在再循环吸收剂颗粒的外表面已经形成了脱硫产物层，且脱硫产物的摩尔 体积比石灰的摩尔体积大，再循环吸收剂颗粒外表面的孔隙结构不会很大，因此本 文采用渐进模型计算干燥再循环吸收剂颗粒的脱硫效率。 干燥再循环吸收剂颗粒与烟气中s o ：之间进行的气固反应为： s 0 2 + c a ( o h ) 2 - c a s o a 1 2 h 2 0 + 1 2 h 2 0 干燥再循环颗粒脱硫的整个过程可分为以下几步： ( 1 ) s o 。经过气膜扩散到固体表面； ( 2 ) s o 。经过脱硫产物层扩散到未反应核的表面； ( 3 ) s 0 2 与c a ( o h ) ：固体反应。 上述整个过程中各步的阻力往往相差很大，当某步阻力最大时，就可以认为过 程由该步控制。s a d r i y e “”认为由于再循环颗粒表面形成的脱硫产物层，颗粒内空 隙缩小，阻止s o t 与吸收剂的接触，因此脱硫反应为s 0 。通过反应产物层的扩散控制。 在灰层扩敞控制反应过程中，烟气中的s o ：和未反应界面都向球形粒子的中心 方向移动，但与s 0 ：的传质速度相比，界面的移动速度要小的多，因此，可以把它 看成相对静止状态。于是反应速度可以用s 0 ：在灰层内的扩散速度来表示，即在定 常状态下： 以：。见：孥 a r 式中：d r s o 。在灰层内的扩散系数，( m 2 s ) 公式( 4 - 1 3 ) 虬2 一灰层内s 0 2 的传质通量，( k m o l m 2 s ) 。 不计气膜阻力，因此颗粒表面s o 。的浓度等于气相主体s o 。的浓度，将上式从吸 收剂表面积分到未反应吸收剂处，整理得： 巩：南 公式( 4 1 4 ) 式中：r 一灰层厚度，( m ) ； 因为气固反应较慢，床内干燥再循环吸收剂颗粒的转化率变化较小，所以可假 华北电力大学硕士学位论文 设干燥再循环颗粒的转化率x 和r 不随高度变化而变化a 表面积很大，所以r 为： r 。 p ，s 式中：s 一离活性吸收荆表面积的测量值，( m 2 k g ) ； 考虑到高活性吸收剂的 x 一床入口处再循环吸收荆颗粒的平均转化率 4 4 烟气循环流化床干燥新鲜吸收剂颗粒的脱硫反应模型 公式( 4 - 1 5 ) 由于本文研究的高活性吸收剂，具有较高的表面积，因此干燥新鲜吸收剂颗粒 的脱硫效果不可忽略。l i u “”发现表面覆盖模型非常适合于描述c a ( o h ) ：粉煤灰制 成的吸收剂与s 0 ：的反应动力学。 表面覆盖模型的假设如下：吸收荆由片状晶粒组成；反应的速率控制步骤为发 生在吸收荆表面的化学反应：随着反应的进行，吸收剂表面被反应产物覆盖，表面 积逐渐减小；当吸收剂完全被反应产物覆盖时，吸收剂达到最大转化率。根据上述 假设l i u 得到了转化率的渐进方程如下： x - 【1 一e x p ( 一，2 f k ：公式( 4 1 6 ) 式中；t 一反应时间，( m i n ) 。 k 。、k 。定义如下： k l k s s g o m ( 皿i n l ) 公式( 4 - 1 7 ) k z k p ( s , o m j ( 无量纲) 公式( 4 一1 8 ) 式中：ks 一吸收荆的初始反应速度，( m 0 1 m i n m 2 ) ： k p _ 表面覆盖速率和反应速率之间的比例常数，( m 2 m 0 1 ) ； s 1 0 一吸收剂的初始表面积，( n l z g ) ； m 每摩尔c a 对应的吸收剂的质量，( g m 0 1 ) 。 c h i u n g f a n gl i u 根据实验数据，利用最小二乘法拟合出了k 。、k ：的经验公式 如下： k l 一0 0 2 1 8 s g o e o , o l f f 2 “e - ”7 7 1 ”y “”公式( 4 1 9 ) k 2 2 5 0 8 0 s j o r 日4 5 6 4公式( 4 2 0 ) 式中：r h - - k 僦度，即在一定温度及总压下，湿空气的水蒸气分压p v 与同温度 下水的饱和蒸气压p s 之比的百分数，r h = p v p s ，( ) ： y s q 的浓度，( p p m ) 。 一 生j ! 皇垄查兰堡主兰堡堡壅 ： _ 一一 一一 方程( 4 一1 6 ) 、( 4 一1 9 ) 、( 4 - 2 0 ) 组成了c a ( o h ) z 粉煤灰制成的吸收剂与s o z 反 应的动力学模型。但上述模型为吸收剂转化率的渐进方程，不能直接用于脱硫率计 算，本文根据该模型计算得出吸收剂与s o z 的反应速率r ( 即n a ) 为： - e x p ( k k t-t=-x：-,-t,-z-ii ”瓦万i 丽 公式( 4 - 2 1 ) 式中：t 一反应时间，( m i n ) 。 将方程( 4 - 1 9 ) 、( 4 - 2 0 ) 代入得( 4 - 2 1 ) ，整理得： r 壁：q ! ! ! ：! ! ! 竺竺：! ：竺! ：! ! ! ：! ! 旦f = ! ! ：! ! 塑：! ：! ：兰竺：! ：! ：羔：! ：! 塑：竺：1 2 。a 。 6 0 0 0 0 m 公式( 4 - 2 2 ) 4 5 输送态烟气循环流化床总的脱硫反应模型 在循环流化床中半径r 处厚为d r 的环管上取一微元段d z ，由于与脱硫剂发生 反应，当烟气从z 断面流到z + d z 断面时，烟气中s o ：含量将发生变化，根据气体状 态方程，d r 环管中单位时间流过z 断面和z + d z 断面的s o ：气体摩尔数和+ 出。 可以分别表示为： 靠。盟 4 r r 公式( 4 - 2 3 ) 疗+ d n 。一j 芈 公式( 4 - 2 4 ) 联立方程( 4 - 2 3 ) 和( 4 - 2 4 ) 可得： r t 咖。蚂砟公式( 4