（环境工程专业论文）石灰石石膏湿法烟气脱硫系统流动和反应的数值计算与模拟实验.pdf

摘要 石灰石石膏湿法烟气脱硫系统流动和反应的 数值计算与模拟实验 摘要 石灰石，石膏湿法烟气脱硫技术是目前世界上最成熟的烟气脱硫工艺，也是目前我国脱硫工程中 应用最多的技术。但是由于我国脱硫市场起步较晚，大多数脱巯项目的建设主要依靠引进国外的先 进工艺，这导致脱硫工程的设计建设成本较高，在一定程度上阻碍了烟气脱硫工程在我国火电厂的 应用。因此，在引进国外先进技术的同时进行消化吸收，对石灰石，石膏湿法烟气脱硫的技术理论、 设备特性和系统优化进行分析研究，将有利于加速脱硫技术国产化，推动我国火电厂烟气脱硫的进 程。本文以此为目的针对应用最广泛的石灰石石膏喷淋塔工艺，对其塔内流动特性、脱硫系统实验、 脱硫反应模型、除雾器除雾特性模拟以及烟气系统建模进行了系统的研究。 喷淋塔内的两相流动状态直接影响喷淋塔的脱硫性能。本文建立了喷淋塔实验台，首先利用粒 子动态分析仪( p d a ) 测量了螺旋喷嘴的喷雾性能，然后通过数值模拟的方法研究了塔内单相和气 液两相热态流场分布，模拟计算结果与实验数据吻合较好。数值模拟时，气相场采用标准k 一双方 程模型，对液滴相的计算，采用双向耦合的离散颗粒模型，液滴相与气相闯的传热采用简化的液滴 蒸发模型。模拟结果表明：在喷淋液滴的作用下，烟气在喷淋塔进口上方形成的逆时针漩涡有所减 小，同时在每个喷淋层的下方分别形成漩流方向相反的两个小漩涡，湍流非常激烈；喷淋后塔内的 温度在进口以上部分基本随着高度的升高而下降；未加喷淋时塔内压力变化较小，加喷淋之后，在 吸收塔内随着高度的增加压力逐渐降低，同时在同一水平高度，压力基本保持不变。 通过对喷淋塔脱硫效率的实验研究，得到了重要的操作参数( 包括浆液p h 值、液气比、烟气 温度、烟气速度、入1 2 烟气中s 0 2 浓度、有无强制氧化、不同喷淋层的组合等) 对脱硫效率的影响 规律。另外，基于响应曲面法进行实验设计并对实验结果进行分析，得到脱硫效率的预测模型，模 型计算结果与实验数据吻合较好。通过模型分析得到液气比对脱硫效率的影响最大，同时液气比与 p h 值以及液气比与烟气速度的交互作用均对脱硫效率有较大的影响。 将喷淋塔内喷淋浆液分为喷淋液滴和塔壁液膜两种存在形式并分别建模，该模型全面考虑了浆 液中各离子以及各种有限速率的反应，模型计算结果与实验数据吻合较好。同时，考虑到h c i 的吸 收过程与s o ，类似，因此在模型中加入了h c i 的吸收过程，计算结果表明浆液对h c l 的吸收效率高 于s 0 2 ，浆液对h c l 的吸收会降低脱硫效率，同时得到了循环浆池中a 一离子浓度的变化规律。 对除雾器叶片间的流动特性进行了数值模拟研究。模拟时，气相场采用s s t k 一翻模型，液滴 颗粒轨道计算通过积分拉格朗日坐标系下的颗粒受力微分方程得到，模拟结果与已有文献的实验结 果吻合良好。通过数值模拟分析了叶片的结构参数( 包括叶片高度、叶片间距和叶片转折角) 对除 雾性能的影响规律，并比较了折线型和波板形叶片的除雾性能，得到波板形叶片的除雾效率较高并 且压降较小。另外，基于响应曲面法进行数值模拟工况设计并对模拟结果进行分析，得到波板形叶 片除雾效率的预测模型。通过模型分析得出叶片转折角度和叶片间距以及叶片转折角度与烟气速度 的交互作用均对除雾效率有比较大的影响。 对脱硫工艺烟气系统中所用的动叶可调轴流式风机、静叶可调子午加速轴流风机和离心风机的 性能进行了比较，同时对脱硫增压风机几种不同的布置方式也进行了分析比较：对目前在f g d 系统 中经常使用的回转式g g h 和管式g g h 的性能进行了比较；介绍了脱硫后的烟气特点及其对烟囱 运行的影响。建立了某电厂脱硫工程烟气系统主要设备的数学模型，通过对计算结果和现场数据的 分析比较，验证了该模型的计算结果可以很好的反映实际运行工况，应用该模型可以为烟气系统的 设计与运行提供参考。 关键词：烟气脱硫；喷淋塔；流动特性；数值模拟；实验研究；脱硫反应模型；除雾器叶片；烟 气系统； i 东南大学博士学位论文 n u m e r i c a lc a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i v ee x p e r i m e n t a t i o no ft h ef l u e a n dr e a c t i o no fl i m e s t o n e g y p s u mw e tf l u eg a sd e s u i p h u r i z a t i o n s y s t e m a b s t r a c t t h el 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 p h u r i z a t i o nt e c h n i q u ew a sb yf a rt h em o s tp o p u l a ro n ew i t ha m a r k e ts h f i l e h o w e v e r , a st h e d e s u l p h u r i z a t i o n m a r k e to fo u rc o u n t r yw a gu n d e r w a gm o s t d e s u l p h n r i z a t i o np r o j e c t sh a v eb e e nb u o tb yi n t r o d u c i n go v e r s e a sa d v a n c e dt e c h n i q u e s ，w h i c hh a sb e e n b l o c k i n gt h ea p p l i c a t i o no ff g dp r o j e c t si np o w e rp l a n t so fo u rc o u n t r y t h e r e f o r e i tw a gi m p o r t a n tt o a b s o r bt h eo v e r s e a sa d v a n c e dt e c h n i q u e sa n ds t u d yt h ed e s u l p h u r i z a t i o nt h e o r y , t h ee q u i p m e n t c h a r a c t e r i s t i ca n dt h es y s t e m i co p t i m u m i nt h ed e t a i l e dt h e s i sr e s e a r c h e so nt h ef l o wc h a r a c t o r i s t i eo f s p r a yt o w e r , t h ed e s u l p h u r i z a t i o ne x p e r i m e n t ，t h er e a c t i v em o d e l ，s i m u l a t i o no fd e r n i s t o ra n dam o d e lo f f l u eg a gs y s t e mw a gc a r r i e do u ti no r d e rt or e a l i z et h ed e s u l p h u f i z a t i o nt e c h n i q u ei o c a l i n g t h et w op h a s ef l o wi nt h es p r a yt o w e ri n f l u e n c e dt h ed e s u l p h u r i z a t i o np e r f o r m a n c e as p r a yt o w e r t e s t - b e dw a sb u i l t t h ep e r f o r m a n c eo ft h eh e l i xn o z f l ew a s u r e db yt h ep a r t i c l ed y n a m i c sa n a l y z e r t h es i n g l ep h a s ea n d w ep h a s ef l o ww a ss i m u l a t e d ，t h er e s u l to fs i m u l a t i o nw a sa g r e e dw i t ht h e e x p e r i m e n td a t a t h eg a gp h a s ew a ss i m u l a t e du s i n gn o r m a ld o u b l ek 一e q u a t i o na n dt h ep a r t i c l ep h a s e w a ss i m u l a t e du s i n gd i s p e r s e dp a r t i c l em o d e l t h eh e a tc h a n g eb e t w e e nt w op h a s e sw a ss i m u l a t e db yt h e l i q u i dd r o p e tv a p o r i z e dm o d e l t h es i m u l a t e dr e s u l ti n d i c a t o dt h ea n t i c l o c k w i s es w i r la b o v et h ei n l e to ft h e t o w e rw a gm i n i s h e db yt h es p r a yd r o p l e t s ，m e a n w h i l e ，t w os m a l ls w i r l sw a sf o r m e du n d e r s i d ee v e r ys p r a y l a y e ra n dt h eo n f l o ww a sv e r yv e h e m e n t t h et e m p e r a t u r ef e l lw i t ht h er i s i n go ft h eh e i g h t t h ep r e s s u r ei n t o w e rh a sa l m o s tn oc h a n g e sw i t h o u ts p r a y e dd r o p l e t s w i t ht h ei n f l u e n c eo fs p r a y e dd r o p l e t s ，t h ep r e s s u r e w a sr e d u c e dw i t ht h er i s i n go f t h eh e i g h t t h ep r e s s u r er e m a i n e du n c h a n g e di nt h es a m el e v e lb a s i c a l l y t h ee x p e r i m e n t sw e i c o n d u c t e di nal a bs c a l es p r a yt o w e rf o rl i m e s t o n e g y p s u mw e tf l u eg a s d e s u l p h u r i z a t i o nt os t a d yt h ed e g r e eo fd e s u l p h u r i z a t i o n n l ci n f l u e n c eo fo p e r a t i n gp a r a m e t e r s i n c l u d i n g s l u r r yp 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 e ，f l u eg a sv e l e e i t y , t h es 0 2c o n c e n t r a t i o n ，t h ef o r c e d o x i d a t i o n a n dt h ee o m b i n a t i o no fd i f f e r e n ts p r a yl a y e r sw a gi n v e s t i g a t e d ap r e d i c t e dm o d e lw a sa d v a n c e d u s i n gr e s p o n s es u r f a c em e t h o d o l o g yt od e s c r i b et h ed e g r e eo fd e s u l p h u r i z a t i o ni nt h es p r a yt o w e l t h e m o d e lr e s u i 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 e f f e c tt e s ti n d i c a t e dt h a tl i q u i d g a sr a t i oh a dt h em o s t s i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h ed e g r e eo fd e s u l p h u r i z a t i o n t h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nl i q u i d g a sr a t i ow i t h s l u r r yp h ，a n dw i t hf l u eg a sv e l o c i t y , b o t hp l a y e di m p o r t a n tr o l e s t h el i q u i dp h a s ei nt h es p r a yt o w e ri sd i v i d e di n t od r o p l e t sa n dl i q u i df i l m s t h er e a c t i v em o d e l i n c l u d e da l li m p o r t a n ts p e c i e sa n dr a t ed e t e r m i n i n gr e a c t i o n t h em o d e lr e s u l t sa g r e e dw e l lw i t ht h e e x p e r i m e n t a ld a t a b e c a u s eh c lc o n l db ca b s e r b e ds i m u l t a n e o u s l yw i t hs 0 2 ，t 1 1 eh c la b s o r b e dp r o c e s s w a sa d d e di n t ot h ed e s u l p h u r i z a t i o nm o d e l t h er e s u i t ss h o w e dt h a tt l i ea b s e q p t i o ne f f i c i e n c yo fh c lw a s h i g h e rt h a ns 0 2 a n dt h ed e s u l p h u r i z a t i o ne f f i c i e n c yw o u l dd e c r e a s ew i t hh c la b s o r p t i o n a tt h es a m t i m e ，t h ec h a n g eo f c f c o n c e n t r a t i o ni nt h eh o l d i n gt a n kw a sa d v a n c e d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n so fd e m i s t e rv a n ew i t hv a r i o u sg e o m e t r i e sa n do p e r a t i n gc o n d i t i o n sw e l e p e r f o r m e dt os t u d yt h ee f f i c i e n c yo fd r o p l e t ss e p a r a t i o n n eg a gp h 蹴w a gs i m u l a t e du s i n gs s t 七一仞 m o d e la n dt h ep a r t i c l et r a j e c t o r yw a sc a l c u l a t e db yi n t e g r a t i n gt h es t r e s se q u a t i o no fl i q u i dd r o p l e t si n l a g r a n g es y s t e mo fc o o r d i n a t e s t h em o d e lr e s u l t sa g r e e d w e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t ao fe x i s t i n g l i t e r a t u r e 1 1 l ei n f l u e n c eo fs t r u c t u r a la n do p e r a t i n gp a r a n l e t o r s 。i n c l u d i n gh e i g h t ，s p a c ea n dt u r n i n ga n g l e 摘要 o ft h ed c m i s t e rv a n ew a si n v e s t i g a t e d ap r e d i c t e dm o d e lw a sa d v a n c e du s i n gr e s p o n 辩s u r f a c e m e t h o d o l o g yt od e a c r i b et h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c yo ft h ed e m i s t e rm o i r ev 纽e 。t h ci n t e r a c t i o n so fv a n e t u r n i n ga n g l ew i t hv a n es p a c e ，a n dw i t hf l u eg a sv e l o c i t y , b o t hp l a y e di m p o r t a n tr o l e s t h ed i f f e r e n c ea m o n gt h ec o n l m o nf a n s u c h 鹅t h ea d j u s t a b l e - b l a d ea x i a lf a n 。t h em e r i d i a na c c e l e r a t e s t a t i cv a r i a b l ea x i a lf a na n dt h ec e n t r i f u g a lf a n w a sc o m p a r e d t h ei n f l u e n c eo fs e v e r a lf a nl o c a t i 0 1 1w a s a d v a n c e d 1 1 l ed i f f e r e n c eb e t w e e nr o t a r yg g ha n dt u b eg g hw a sc o m p a r e d t h ec h a r a c t e r i s t i co f d e s u l d h u f i z a t i o nf l u eg a sa n dt h ei n f l u e n c eo fi tt ot h ec h i n m c yw e r ei n t r o d u c e d n em a t h e m a t i cm o d e lo f f l u eg a ss y s t e mw a sa d v a n c e d t h em o d e lr e s u l t sa g r e e dw e l lw i t ht h ee n g i n e e r i n gd a t a i tc o u l db eh e l p f u l t od e s i g na n do p e r a t et h ef l u eg a ss y s t e mw i t ht h i sm o d e l k e y w o r d s ：f l u eg a sd e s u l p h u r i z a t i o n ；s p r a yt o w e r ；, f l o wc h a r a c t e r i s t i c ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ； e x p e r i m e n t a ls t u d y ；d e s u l p h u r i z a t i o nr e a c t i v em o d e l ；d e m i s t e rv a n e ；f l u eg a ss y s t e m i l l 东南大学博士学位论文 a 口 岛 c c ( ) c d c 巩 d d e f d ( “g u p ) 只 f d g 日 l 置 k 七g k k m ( 0 ) 符号表 体积单元的表面积 希腊字母 l _ _ 1 2 x ， 每台蟹炉计算燃料量口 ( k g ，h 1 ) s p a l d i n g 热量传递系 口 a 笋坌的扩散系数 口 ( m s 1 ) 喷淋塔内径( m ) 五 直径( m ) 五 误差 ， 单位质量曳j ) ( m - s 2 ) 1 其它，位质量作用力p ( m 。s 1 频率m z ) f 多酱勒频率( h z ) 重力加速度( m s - 2 ) 亨利系数 ( p a - m 3 m o l - 1 1 烟囱内衬坡度 化学反应的平衡常数 结晶速率常数 气膜传质系数( m s ) 液膜传质系数( m - s 1 ) 气膜内烟气热传导系 数( j m - z k - j 一) 尺寸参数 回归系数 公式( 4 3 2 ) 的增强因 子 效率 高斯分布随机数 局部阻力系数 两入射激光束夹角( o ) 激光在真空中的波长 ( f n ) 摩擦阻力系数 c i r i c 活跃系数 粘滞系数( p a sm 1 ) 密度( k g m 3 ) 液滴驰豫时间( s ) 雷诺应力项( p a ) 通用变量 表面张力( n r n 1 ) 运动粘度( i n 2 s | i ) 输运系数 作用源项 多普勒频移( h z ) 压缩时烟气温度的理 论升高值( k ) 测量方向与速度矢量 之间的夹角o k ， 乳 一 溅 馓 一 热 刚 力 射 比 如 曳 入 乃 盯 v r s 址 矿 孵 符号表 l k l g t i ，扎 ，咒 n 舰 p p h 只鼢m 只巍膏， p t r r e r r v x y 流量( k g s 1 )仍 石膏芋晶的溶度积下标 ( m o l m - f ) 液气比( l - m 3 )d 随机涡团特征尺寸 (m)d 长度( m ) f 修正系数 f 质量流量( k g s ) f 折射率 f f 平均n u s s e l t 准数玎 压力) n 浆液p h 值 i t s 0 2 在气相的局部分 p 压( p a ) 6 登! 亳鲁婆警触面上g y 的局部分压( p a ) p r a n d f l 数 o u t 通用气体常数p r e y n o l d s 数 j 汽化潜热( j k g 。1 ) s 0 2 温度( k ) w 速度( m s 】) j 风机绝热压缩1 m 3 气 。 体所消耗的功( j m - 3 ) 。 自变量 z 响应 s 多普勒猝发相位。 多普勒 液滴内部 水 入射光 一次作用项 二次作用项 交互作用项 进口 体积单元 烟气 石膏 出口 液滴颗粒 液滴表面 二氧化硫 孤波 工方向 y 方向 z 方向 波底 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：噍翻! 纽日期：塑2 2 1 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阅，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：遗舱导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 烟气脱硫技术是控制二氧化硫污染最为有效的技术手段，其中石灰石，石膏湿法烟气脱硫技术由 于具有吸收剂资源丰富、成本低廉、脱硫效率高等优点，成为世界上应用最多的一种烟气脱硫工艺， 我国政府也对石灰石，石膏湿法烟气脱硫技术在我国的应用给予了充分的肯定和支持。已经投入运行 的火电厂配套脱硫装置也以该技术应用最多、容量最大。本章针对应用最广泛的石灰石石膏喷淋塔 工艺阐述了其塔内流动特性、脱硫系统实验、脱硫反应模型模型，除雾器除雾特性模拟以及烟气系 统建模等方厦的研究现状，并分析了这几个重要方面的研究不足，最后简要介绍本文的主要研究工 作。 1 1 课题研究背景及意义 1 1 1 我国二氧化硫的排放现状与控制 近二十年来，中国电力工业取得了迅猛的发展，仅次于美国，居世界第二位。中国国家电力公 司的2 0 0 6 年度报告指出，截止到2 0 0 6 年底，全国总发电量已经达到2 7 5 0 6 亿千瓦时，其中火力发 电量为2 3 1 8 8 7 8 亿千瓦时，占总发电量的8 4 3 i l 。1 。根据国家电力公司的规划，到2 0 1 0 年，我国 电力装机容量可达到4 5 亿千瓦，2 0 1 5 年装机容量可达到5 5 亿千瓦，到2 0 2 0 年，我国电力装机容 量将达到9 ，5 亿千瓦左右，其中火电6 0 5 亿千瓦“m 。 随着电力工业的迅猛发展，中国以燃煤发电为主的格局在很长的一段时间内不会有很大的变化， 2 0 0 3 年我国煤炭消费量为1 5 8 亿吨，其中火电厂( 含供热) 燃煤量约为8 5 亿吨，比2 0 0 0 年增长了 4 4 ，占我国煤炭消费总增长量的8 0 。在2 0 世纪5 0 年代，全国煤炭消耗量为2 0 0 0 - 1 0 0 0 0 万吨， 二氧化硫排放量为5 0 - 2 0 0 万吨；在6 0 - 7 0 年 代，煤炭消耗量为1 0 0 0 - 4 5 0 0 0 万吨，二氧化 硫排放量为3 0 0 - 7 0 0 万吨；自1 9 8 0 年开始， 煤炭年消耗量达8 0 0 0 0 万吨，二氧化硫的排放 量为9 0 0 1 5 0 0 万吨；火电厂二氧化硫排放总0 量在全国二氧化硫排放总量中所占的比重不断r 增大，1 9 9 5 年火电厂排放的二氧化硫约占全国 。 排放量的4 3 ，到2 0 0 2 年已达到5 0 ，预计 疆 到2 0 1 0 年将增加到6 0 以上【l 。j 。由图1 - 1 可要 以看出我国1 9 9 5 年二氧化硫排放量为2 3 4 1 万 ” 吨，超过美国当时的2 1 0 0 万吨，1 9 9 8 年二氧 化硫排放量为2 0 9 0 万吨q ，2 0 0 0 年我国二氧 化硫排放为1 9 9 5 万吨，2 0 0 3 年的我国二氧化 图1 - 1 中国二氧化硫年排放量 硫排放达到了2 1 6 7 万吨，居世界首位，比2 0 0 0 年增加8 6 ，其中火电厂二氧化硫排放量约为1 2 0 0 万吨，超过我国二氧化硫排放总量的一半。按照目前的发展态势，预计到2 0 1 0 年，随着装机容量的 增长，中国的煤炭消费量将增加到2 2 亿吨左右，其中火电厂燃煤量约1 4 亿吨，二氧化硫产生总量 将达约3 5 0 0 万吨，其中火电厂二氧化硫产生量将达2 2 0 0 万吨左右，可见，火电厂烟气脱硫已成为 控制我国大气污染的关键“。 二氧化硫的大量排放会对环境和人类产生极大的危害，现在中国是仅次于欧洲和北美的第三大 酸雨区，酸雨面积大约占国土面积的3 0 i i6 】。有关资料指出，1 9 9 5 年我国二氧化硫和酸雨污染所 造成的经济损失已达1 1 0 0 多亿元人民币，接近当时国家经济总产值的2 ，每吨二氧化硫造成的经 济损失已达到5 ( 1 0 0 元人民币左右( 国外对二氧化硫造成的经济损失评估为3 0 0 0 美t r d t ) ，二氧化硫的 污染控制问题亟待解决“。j 。 随着环境问题在全球范围内越来越突出，世界各国也纷纷加大了环境治理的力度。烟气脱硫技 术( f l u eg a sd e s u l p h u r i z a t i o 。简称f g d ) 是目前控制二氧化硫排放最有效和应用最广的技术，目前 全世界已有许多国家和地区应用了f g d 装置，其设备容量相当于2 - 2 5 亿千瓦( 电站装机容量) ，每 东南大学博士学位论文 年脱除二氧化硫达到1 0 0 0 万吨“”。在工业发达国家，烟气脱硫装置的应用发展很快。日本是世界 上最早大规模应用f g d 装置的国家，日本在1 9 7 0 年安装的烟气脱硫装置不到1 0 0 套，但到了1 9 8 7 年就达n - f5 0 0 多套，1 9 9 0 年更是达到1 8 0 0 套，总装机容量达0 5 0 6 亿千瓦，处理烟气量能力为 1 7 亿m 3 h ，其中火力发电厂脱硫设备8 3 套，烟气处理7 0 0 0 万i i i ，占全部烟气量的4 1 。美国 是世界上采用烟气脱硫装置最多的国家，到1 9 9 0 年底，美国运行的f g d 系统总容量为7 1 7 8 2 m w ， 占燃煤电厂容量的2 0 以上【l 。8 j 。德国至1 9 8 8 年7 月已运行的电厂f g d 系统共1 3 5 套，装机容量为 4 1 0 0 0 m w t lq 。 根据我国火电结构，在不更换锅炉的情况下，在未来相当长的时间内，火电厂锅炉尾部烟气脱 硫仍然是控制二氧化硫排放的主要途径。2 0 0 0 年底我国电厂脱硫装机容量是5 0 0 万千瓦，2 0 0 2 年是 脱硫行业迅猛发展的一年，当年火电厂脱硫的合同总量超过了我国几十年的总和。由于2 0 0 3 年全国 性的缺电，2 0 0 4 年大量新机组上马，2 0 0 4 年脱硫市场高速发展，市场开发量近1 亿千瓦，脱硫市场 呈现爆发式的增长。截至到2 0 0 4 年底，全国投入运行的脱硫机组大约1 5 0 0 万千瓦，约3 0 0 0 多万千 瓦机组的烟气脱硫设施正在施工建设，是2 0 0 0 年前全国脱硫工程总装机容量的1 3 倍，且其中2 3 是2 0 0 3 年发展的“3 j ，而全部已建、在建和已经招标的脱硫机组，已经超过1 3 亿千瓦。绝大部分 是新建扩建机组，老机组的脱硫装置建设进度较慢。2 0 0 5 年全国的脱硫市场有1 亿千瓦，与2 0 0 4 年的市场相当，而老机组的比重将上升到一半左右【l ，按照“两控区”二氧化硫总量控制的要求， 全国电力系统到2 0 1 0 年需安装烟气脱硫装置约1 8 0 台，2 0 0 6 2 0 1 0 年约有1 7 3 0 0 m w 机组容量需安 装烟气脱硫装置，在今后十年中脱硫市场以3 0 0 0 , , 4 0 0 0 m w 年的速度增长，每年约需投资人民币 3 0 - 5 0 亿元m 。预计1 0 年内，约有3 亿千瓦装机容量的烟气脱硫装置投运和建设。根据国家电力 规划，未来1 5 年内有4 7 亿千瓦的脱硫市场。同时目前重新颁布的火电厂烟气排放标准相当严格， 这势必将促使更多的电厂增设烟气脱硫装置来满足日益严格的环保标准。 1 1 2 主要脱硫技术 脱硫技术的研究至今已有9 0 多年的历史。目前世界各国已开发出2 0 0 多种二氧化硫控制技术， 这些技术按脱硫工艺的特点概括起来可以分为三类，即燃烧前脱硫、燃烧中脱硫和燃烧后脱硫“”。 燃烧前脱硫即“煤脱硫”，采用物理、化学或生物的方法将煤中的部分硫除去，例如洗煤技术、 微生物脱硫技术等。美国的洗煤量约占火电厂锅炉耗煤量的3 0 ，德国的大部分燃煤都经过清洗。 燃烧前的物理方法脱硫只能脱去煤中的一部分硫( 主要是无机硫) ，不能从根本上解决问题。曾经引 起广泛重视并开展研究的生物脱硫技术，由于占地太大、无法实现大批量机械化连续生产，因此目 前尚无大规模工业应用。 燃烧中脱硫是在适当位置向炉内喷入脱硫剂，使其利用炉内高温进行自身煅烧，煅烧产物与煤 燃烧过程中产生的硫氧化物发生反应，生成硫酸盐或亚硫酸盐，以灰渣的形式排出炉外，减少二氧 化硫、三氧化硫向大气的排放。典型工艺有工业型煤固硫技术、流化床内添加石灰石技术等。 燃烧后脱硫，即烟气脱硫，主要利用各种碱性的吸收剂或吸附剂捕集烟气中的二氧化硫并将其 转化为较为稳定且易于机械分离的硫化合物或单质硫，从而达到脱硫的目的，是目前控制二氧化硫 污染最有效和最主要的技术手段。 按照脱硫剂和脱硫产物的形态特点，烟气脱硫一般可分为湿法、干法和半干法三类”：湿法， 即采用液体吸收剂洗涤以除去二氧化硫，脱硫产物也是液态；干法，即用固态的粉状或粒状吸收剂、 吸附剂或者催化剂以除去二氧化硫，脱硫产物为固态；半干法，则是采用液体吸收剂吸收二氧化硫， 但是脱硫产物为固态。这三种类别的特点以及代表性工艺列于表1 - 1 中。 1 1 3 石灰石- 4 5 膏湿法烟气脱硫装置的广泛应用 在烟气脱硫技术中，湿法脱硫技术由于具有技术成熟、运行稳定可靠，二氧化硫的脱除率高、 适用煤种广等优点而得到了广泛的应用，始终占据脱硫技术的主导地位。而其中占绝对统治地位的 石灰石，石膏法是目前世界上技术最成熟、实用业绩最多、运行状况最稳定的脱硫工艺，该工艺已有 3 0 年的运行业绩，占全世界脱硫装机总容量的8 5 ，脱硫效率总水平在9 0 以上，应用单机容量已 达1 0 0 0 m w l 。1 “。美国采用的脱硫技术中8 0 是石灰石，石膏法”。1 1 ，日本也| 三i 石灰石，石青法为主， 占7 5 以上“| 9 】。根据国内目前的实际应用推广情况，国内各大脱硫公司己投运的3 0 0 m w 级机组烟 2 第一章绪论 湿法 石灰石石灰石膏 工艺 钠法 海水法 氨法 镁法 双碱法 c a c 0 3 c a ( o h ) 2 c a 0 n a 2 c 0 3 n a o h 海水 海水+ c 矗( o 胃) 2 n h 3 m g o n a 2 s 0 3 + c a c 0 3 或c a 0 半干法喷雾干燥法 c a ( o h ) 2 c a s o , 三即 c a s 0 4 2 h 2 0 n a 2 s 0 3 星蓊差篓薹 ( n i l 4 ) 2 s 0 4 等问题。 m g s o j m g s 0 4 筋0 3 三日：d c a s 0 4 2 h 2 0 炉内喷钙 c a c 0 3 ，c a ( o h ) 2 c a s 0 3 c a s 0 4 烟道喷射 干法 炉内喷钙加尾部 增湿活化 循环流化床 c a c 0 3 ，c a ( o h ) 2c a s 0 3 c a s 0 4 c a ( o h ) 2 脱硫剂一般在湿态下脱硫、干态下处 理或再生；兼有湿法和干法工艺的某 些特点。 嗣体吸收吸附剂在干态下与二氧化 硫反应，并在干态下处理或再生脱硫 剂；烟气在脱硫过程中无明显降温， 利于排放后扩散；无废液= 次污染。 但反应速度慢，脱硫效率及脱硗荆利 用率低。 气脱硫装置均为石灰石，石膏法”j ，石灰石，石膏烟气脱硫工艺已经成为我国燃煤电厂烟气脱硫的首 选工艺。截至2 0 0 4 年3 月底，国内已建成投运的f g d 装置共1 6 套，其中湿法1 4 套，占9 1 6 ， 己投运和在建项目共计达1 5 9 套，其中湿法1 3 6 套“3 】。专家预测未来几年中，9 0 以上的脱硫市 场仍将由石灰石，石膏法占领。 1 1 4 石灰a s 年膏湿法烟气脱硫喷淋塔工艺 目前，国外对于石灰石，石膏湿法烟气脱硫系统的研究比较深入，技术上也日趋成熟，发展出多 种吸收塔型和技术工艺，包括普通喷淋塔，川崎喷淋塔、支丘里喷淋塔、b & w 合金托盘、鼓泡塔、 填料塔、液柱塔、双循环工艺和简易湿法工艺等“”。2 。 综合各方面的因素，普通喷淋塔工艺已逐渐成为石灰石，石膏湿法烟气脱硫吸收塔的主流塔型， 同时也是国内已投运和在建项目中的主要塔型，该工艺流程如图i - 2 所示l l 。除尘后的锅炉烟气经 增压风机增压，通过气一气热交换器( g g h ) 换热降温后从底部进入脱硫塔，自下而上流经脱硫塔， 与自上而下的石灰石浆液形成逆向流动，同时发生热量交换和化学反应，除去烟气中的二氧化硫。 净化后的烟气经除雾器除去烟气中携带的液滴，通过g g h 升温后从烟囱排出。反应生成物c a s 0 3 进入脱硫塔底部的浆液池，被通过氧化风机鼓入的空气强制氧化，生成c a s 0 4 ，继而生成石膏。为 东南大学博士学位论文 了使浆液池中的硫酸钙保持一定的浓度，生成的石膏需不断排出，新鲜的石灰石浆液需连续补充， 石膏浆经脱水后得到纯度较高的石膏。 图1 - 2 普通喷淋空塔工艺流程图 1 增压风机2 气一气热交换器3 脱硫塔4 喷淋层5 除雾器6 _ 浆液循环泵7 - 一级脱水装置 8 浓缩浆液箱9 二级脱水装置1 0 - 石膏仓1 1 氧化风机1 2 浆液泵1 3 浆液箱1 4 石灰石粉仓 1 1 5 本课题研究意义 由于国内脱硫市场起步较晚，对石灰石石膏湿法烟气脱硫喷淋塔工艺的研究还不够深入，国内 火电厂脱硫工程的建设主要依赖引进国外先进技术和设备。对引进技术的消化吸收再创新还不够， 因此脱硫系统建设的初投资和运行维护费用较高，这在一定程度上阻碍了其在火电厂的应用，一些 火电厂宁愿交纳排污费也不愿意上脱硫工程，这样造成了环境的继续污染。对石灰石，石膏湿法烟气 脱硫喷淋塔工艺进行深入的研究，掌握该工艺的核心技术，减少其系统工艺和重要设备在设计、运 行方面的不合理之处，是降低脱硫系统的初投资和运行维护费用的主要途径，这对于推动我国火电 厂烟气脱硫进程具有重要的现实意义。 本文主要从喷淋塔内流体动力学特性模拟、喷淋塔重要参数对脱硫效率的影响规律和预测模型 的建立、脱硫反应过程的模型研究和h c i 吸收对脱硫过程的影响、除雾器叶片的模拟比较和结构优化 以及烟气系统建模等五个方面对喷淋塔工艺进行系统的研究。 1 2 国内外研究综述 1 2 1 喷淋塔流场的实验和模拟研究 烟气脱硫喷淋塔是湿法烟气脱硫工艺的核心设备，其内部两相流动状态直接影响压降、气液传 质、塔内温度场分布和脱硫效率等脱硫塔的重要性能参数。如果喷淋塔体设计不合理，就有可能导 致塔内温度分布不均匀，气液传质不畅，影响该工艺的脱硫效率，同时也会造成系统压降较大，运 行电耗较多。由于很难通过实验的方法全面的了解喷淋塔内的流动特性，因此国内外研究学者大多 采用数值计算的方法对其进行研究。 w e i s s 等人13 3 1 通过建立小型喷淋实验装置，采用激光多普勒测速仪0 - , d a ) 及粒子动态分析仪 ( p d a ) 对单喷嘴性能进行了测试，并分析了气相的速度分布以及液滴相的粒径分布。同时应用质点 网格法( p a r t i c l ei nc e l lm e t h o d o l o g y ) 模拟液滴相和气相的流动状况，在模拟中充分考虑了液滴壁面的 交互作用。 m u l l 等人m 2 4 1 研究了逆流式喷淋塔内气体流场的分布。为了使塔内气速分布比较均匀在烟气入 口和喷淋层之间设置了多孔托盘，并且对烟气入口加挡板前后流场进行了的比较。 d u d e k 等人”】研究了实验规模托盘喷淋塔内二维和三维流场，二维主要研究了气液两相流中气 相的速度矢量分布，三维主要研究了塔和储液槽垂直和3 0 0 倾角两种情况下气体的速度矢量以及水的 体积分数分布问题。该实验模型是以实际吸收塔为原型，缩t , j k 倍建成的。在塔中安装了多孔合金 4 托盘，使得气流分布更为均匀。 l i n 等人阻硼通过实验研究了湍流气相与液滴相之间的相互作用，并且以单相湍流模型为基础， 建立了气液两相流动模型，分析了气相湍流程度对液滴相的影响。 m a r k u s 等人“0 1 基于两相流和液滴碰撞理论建立了多喷嘴喷淋模型通过分析颗粒碰撞对液滴 粒径分布的影响，提出在研究喷淋塔流动特性时，应当考虑颗粒碰撞的影响。 李仁刚m 捌建立了实验规模喷淋塔，其中吸收塔塔径0 4 m ，高度可调节，最高6 m ，用透明的有 机玻璃制成。塔上预设6 个喷淋层开口，每个喷淋层间距, 1 0 0 r a m 。塔顶和水平烟道各设有一级除雾 器。循环氧化槽直径1 , 6 m ，高1 6 5n l 。采用热球风速仪进行气流分布均匀性实验。实验结果表明： 安装气流分布板后，可大大提高塔内气流分布的均匀性；气速提高，气流分布改善；开孔率越小， 均匀性越好。 曾芳等人“矧应用颗粒轨