（工程热物理专业论文）分流活性炭综合脱除系统的气固两相流场研究.pdf

中文摘要 摘要：分流活性炭综合脱除系统是采用抽取锅炉内未燃尽煤颗粒作为活性炭源， 通过管道喷射到水平烟道中，与烟气充分混合，进而对烟气中的氮氧化物、硫氧 化物和汞等污染物进行综合脱除的系统。针对分流活性炭综合脱除系统的具体结 构特点，本文使用f i i 砸n r 软件对分流活性炭综合脱除系统速度场、浓度场等进行 了数值模拟研究计算，探寻系统内活性炭颗粒与烟气充分均匀混合实现污染物联 合脱除的空气动力工况。 本文运用标准be 模型对系统内的等温气相流场进行了数值模拟，通过对喷口 速度为2 5 、2 0 、1 5 m s 的流场的对比分析，得到了模拟工况下烟道空问流场速度分 布良好的操作条件。采用颗粒轨道模型，通过气相流场与离散颗粒相的耦合计算 方法，对分流活性炭综合脱除系统内气固两相流动进行了模拟，得到了模拟工况 下系统内离散颗粒的运动轨迹、浓度分布情况，通过8 喷口和1 6 喷口两种工况下的 模拟结果对比，得出了活性炭颗粒喷射速度、质量流量对系统内颗粒数浓度分布 的影响情况，以及分流活性炭颗粒粒径等因素对颗粒轨迹的影响规律，为分流活 性炭综合脱除系统气固两相流动的进一步数值模拟研究提供了基础，也为未来的 实际工程应用提供参考。 关键词：分流活性炭；数值模拟；气固两相流；颗粒浓度 m a b s t ra c t a b s t r a ( m 髓ct h i e f p i d c c 站a c t i v a t c dc a r b o nm n o v a ls y s t c mi sas y s t 啪o fs u c k i n g n o tb u m e d 枷c o a l p a n i d ef m mb o i l e ff i l m a o e 弱as r o fa c t i v a t e d f b o n ( k t h ca ci s 嫡c c i e di n t 0t h ch o f i z 仰t a ln u et or c i n o v et l l eg a s c o u sp o l l u t 锄坞s u c h 笛 n o x 、s 仉卸dh g ，e l c r e f b 盯e dt 0t h cd c t a j l e dc h a r a c t c r i s t i co ft h ea c t i v a t e d 锄b 鲫 p o l l u t 柚t sr e m o v a ls y s t c m ，t h i sd i s s e n a t i o nu t i l i z e st h c 咖m e r d a ls o f 时a r c ，f l u e n t t o s i m u l a t et h cv e l o c “ya n dp a f t i c l ec c c n t r a t i 伽6 e l d si m i d et h en u eu n d c rd i 骶彻t 叩e m t i o nc o n d i t i o n s t h ec o n d i t i 伽sw c r cd e t e 朋1 i n e df o rt l i ea c t i v a t c dp a r t i c l e sf i l l l y m 讧i n gw i t l lt l i en u eg 够i l ll h i sp r c l i m i n a r yw o r k t h i sd i 鹳c n a t i 彻p e r f o n n e dn 啪e f i c a is i l n u l a t i b yt h cs t 柚d a r dl 【吒m o d c l 五叫t h e j m e 珊a lg a s 丑o wt h es y s t 嘲，卸a l y z e d 龇f i c i d sw i m j c tv c l o d t i 锚o f2 5 m s 、2 0 i l l s 如d1 5 m sr e 僻埘i v c ly 1 n h c 砌i s o n a b i cv c l o c i t yc o n s t i t u t i w 勰d c t e 瑚i n c db yt h c 肌m e r i lf u l t su n d c rd i 骶r c n tc o n d i l i o 雎v i at l l cc o u p l i n gc a l c l l l a t i o nm e t h o do fg a s n o wa n dd i s p e 蹴p h a p a n i c k s ，t h cg 觞l i dt w o p h a f l o wo ft h ca ci l i j e c t 自 p o l l u t 锄t s 埘n o v a ls y s t e mw 鹤s j m u l a 别b yp a n i c l e t m c km o d e l 伯i sp 托i i m i n a 叮 w o r kd e t e 加i n c dt h et r a j c c t o i ) r 柚do o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o fd i s p e 瑙ep h 弱ep a n i c l c s i l it l l ef l u cd u c t n ci m p a c t so ft h cj e tv c l o c i t y 柚dm a 稿f l o w t h ep a f t i d c s n c c n t f a l i 彻d i s 蛹b u t ；伽a n dm cp a n i c l c sd i a m e t 盯t h cp a m d c st m c kb yi i i c s i i i l u i a t i 彻麟u l t sw c r ca i s op r e s c n t e df o rt h ed i f f e 佗n t8j e t s 柏d1 6j e t s h i o n s n j s r e a f c hp r 0 v i d c ds o m ei c f e t e n c cr 髂u l t sf o rt i l cf u t u 曲m “c a ls i l i l u l a t i o no f g 鹤- s o l i d 铆o p h a s en o wo f t h et h i e f - p m c e 鼹p r o d u c c da c t i v a t c d c a f b 謦婚e o 惦 p o l l u t 卸t s 化m o v a ls y s t e m 鼬y w 0 如s ： t h i e f - p r o 黜；a c l i v a t c dc a r b o n ； 姗m c i i c a l s i l n l l l a t i ；g 船- l i d m o p h 鹊en o w ；p a n i c l ec o n c e n t r a t i i v 致谢 本论文的工作是在我的导师何伯述副教授的悉心指导下完成的，何副教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 何老师对我的关心和指导。 何伯述副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，在此向何老师表示衷心的谢意。 何伯述副教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示 衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，刘淑敏、刘保林、魏国强、王丽莉等同学对 我论文中的模型的选择等研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之 情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业 n 1 1 大气污染概况及危害 1 绪论 中国经济的快速增长，工业化、城市化的发展使中国的g d p 年增长率达到 8 曲。自改革开放以来，中国的城市化快速前进，城市人口比例从1 9 7 8 年的1 8 增加到2 0 0 0 年的3 4 ，这一时期的增长速度是世界平均增长速度的3 倍【。2 0 世纪 末，经济的剧增使得中国成为世界上继美国之后的第二大能源消费国，能源特别 是煤的消耗已成为中国城市空气污染的主要人为源。我国的总能源消耗从1 9 r 7 8 年 的5 7 1 亿t 标准煤增加到2 0 0 2 年的1 5 亿t 标准煤【2 】，作为主要能源的燃煤占总能源消 耗的6 0 以上，燃煤是城市空气污染物( 如t s p 、n o x 、s 0 2 、h g 与酸雨等) 产生的 重要原因。 据统计，目前全世界每年向大气排放的污染物多达6 亿多t ，其中s 0 2 约占2 5 ， 是危害最大的污染物之一。s 0 2 的排放主要来自化石燃料的燃烧及硫化物矿石的冶 炼等过程。1 9 8 啦! 9 9 0 年全球s 0 2 的排放量增长了1 8 ，以后一直在逐年增加。人 类活动的另一种对大气污染有严重影响的气念污染物是氮氧化物，它的8 0 以上也 来白化石燃料的燃烧【3 l 。 根据国家环保总局2 0 0 4 年6 月发布的中国环境状况公报所示，我国的二氧化硫 总量在持续几年略有减少的情况下，从2 0 0 3 年开始又有了上升趋势，2 0 0 4 年的排 放量为2 2 5 4 9 万t 。据统计，我国每年氮氧化物的排放量约为7 7 0 万1 1 4 l 。如何脱除燃 煤烟气中的s 仉、n o x 和重金属，已成为当l ； f 迫切需要解决的问题。 在清洁干燥的大气中，s 0 2 氧化成s 0 3 的速度是很慢的，但由于s 0 2 往往与尘 埃、烟雾同时排放，而且触媒氧化作用是s 0 2 转化的主要途径，s 0 2 在尘埃上以 m n 、f c 等为触媒剂，经热氧化为s 0 3 后，与水结合生成h 2 s 0 4 ，其反应式【3 】为： k + 馥一s b ( 在催化剂的作用下)( 1 1 ) | + 哎d 一2 i ( 1 - 2 ) s 0 2 在大气中也会通过光化学氧化为s 0 3 ，继而生成h 2 s 0 4 ，如果含有s 0 2 的大气 中还含有氮氧化物和碳氢化合物，在阳光照射下，s 0 2 的光氧化速度会明显加快。 硫化物在大气中的转化示意图见图1 1 。 图1 1 硫化物在大气中的转化过稃 f i g 1 1s u l 6 d e ，st r a n s f o 咖a t i o ni nt h ea t m o s p h 讹 造成大气污染的氮化合物通常是指n o 和n 0 2 ，n o 的氧化可以有以下两条途 径，其中以第一条途径为主。 ( 1 ) n o 氧化成n 0 2 ，其反应式为： d + d 2 一q + d( 1 - 3 ) 这个反应进行得很迅速，当n 0 和0 2 容积浓度均为o 1 x 1 0 r 6 时，全部氧化时 问仅需约2 0 s 。n o 也可被大气中的自由基氧化成n 0 2 。 ( 2 ) n o 氧化成h o n o ( 亚硝酸) 和h n 0 3 ，反应式为： n o + o h 。h o n o + o z n o + h o _ h n 0 3 n 0 2 的氧化也有两条途径： ( 1 ) 大气中的n 0 2 与氢氧自由基，可转化为h o n 0 2 ，反应式： ( 1 4 a ) 【1 _ 4 b ) q + 0 忖+ m 一麒柳q + 材 ( 1 5 ) 此外也可通过以下途径生成h n 伤，反应式为： q + d 2 一q + d 2( 1 6 a ) q + 0 2 + j i f 一2 9 + m( 1 6 ” 2 q + h 2 d 一2 朋) q( 1 - 哟 ( 2 ) n 0 2 转化为过氧化酰基硝酸基( p a n ) 和过氧硝酸( h 0 2 n 0 2 ) ，反应 式为： oo n 0 2 + c l 3c o o + m c h 3c o o n 0 2 + m( 1 7 ) ( p a n ) 式中队n 为重要的二次污染物，是光化学烟雾的主要成分，它在大气中比 h 0 2 n 0 2 较为稳定一些，对n 0 2 的转化过程起重要作用。氮氧化物在大气中经过一 系列化学变化，最终产生硝酸或硝酸铝盐，成为干沉降或随降雨降落。其迁移过 程如图1 - 2 所示。 2 n 2 0 l - n 0 、n 0 2- l 硝酸铵盐 j ? 天 人 天 ，i 、 湿 然 为然 掣蓬 沉 降源 淫 源 黍f 弹i 1 图1 2 氮氧化物在大气中的迁移过稃 h g 1 2n i t r o g c no x i d c s n l i g r a 廿o ni nn 艟a t 肿s p h e i c 综上所述，燃煤排放的二氧化硫和氮氧化物进入大气后，经历扩散、转化、 输运以及一系列的化学变化，最终形成酸雨睁6 】。酸雨以不同方式危害水生生态系 统、陆生生态系统、材料和人体健康。近几年来我国酸雨发展速度惊人，酸性降水 发生频率超过5 0 以上，有的地区已高达9 0 。短期看，酸雨会影响农作物、鱼类 生长，腐蚀建筑物，直接造成巨大的经济损失；长远看，酸雨会破坏整个生态系 统，最终危及人类的生存l 7 j 。因此，人类必须解决s 0 2 和酸雨的污染问题。 西方发达国家在这方面也有沉痛的教训，闻名世界的英国伦敦烟雾、日本四 日气喘病、美国洛杉矶光化学烟雾事件1 8 】就是众多环境污染问题中的几个典型例 子，给人类带来的灾难也是空前严重的，这些事件的危害程度并不亚予一次中等 程度的自然灾害，从此引起了各国政府和环保工作者的高度重视，纷纷开展了污 染控制的工作，并且取得了显著成绩。不过，随着煤炭在一次能源中的比例逐渐 增加，烟尘、二氧化硫的控制问题又重新引起了广泛的关注。可以说，由二氧化 硫排放造成的污染，已成为一个世界性问题。 汞的毒性以有机化合物的毒性最大。甲基汞的毒性是甲基汞侵入机体，与s h 结合而形成硫醇盐，使一系列含$ h 基酶的活性受到抑制，从而破坏细胞的基本功 能和代谢；并且甲基汞能使细胞的通透性发生变化，破坏了细胞离子平衡，抑制 营养物质进入细胞，导致细胞坏死。汞中毒引起肾功能衰竭，并损害神经系统。 汞不仅能在植物中累积，还会对植物产生毒害，导致植物叶片脱落、枯萎。其他 痕量元素如铅、硒、氟等都对环境和人类产生巨大的影响。 当前，燃煤脱硫、脱硝、脱汞技术的研究开发水平和经济性是制约有关政策 和计划实施的关键因素。 1 2 国内外s o 。及氮氧化物排放控制情况 1 2 1s 0 ：排放控制情况 3 当前世界上采用烟气脱硫系统( f l u eg 弱d c s u l p h u r i z a t i o n ：f g d ) 最多的国家是 美国、德国和日本。据统计，1 9 9 2 年全世界安装有脱硫装置的燃煤发电机组已达 6 4 6 套，总容量1 6 7 亿k w ，其中美国占5 5 3 ，德国占2 6 4 ，日本占8 6 ，其余 国家占9 7 【9 l 。 1 2 1 1 日本的s 0 2 排放控制情况 日本是世界上最早大规模应用f g d 装置的国家，也是世界上控制二氧化硫最 有成效、最为严格的国家，当然也付出了巨大的经济代价。从2 0 世纪6 0 年代开始， 日本已经开展了重点监测有代表性的二氧化硫污染地区的工作，降低二氧化硫主 要以重油脱硫和排烟脱硫装置为主。近2 0 年来，日本努力使重油含硫量减少了一 半，排烟脱硫装置的总处理能力上升了3 0 倍。由于对策奏效，使二氧化硫引起的 污染得到明显的改善 在烟气脱硫方面，日本是f g d 装置相对占有率最大的国家，也是应用最早的 国家，以湿式为主，还对他国出口了大量的脱硫技术及装备，年代以来，开本 加强了对外出口，仅向中国就出口或援助近十套f g d 装置1 9 1 0 l ，并且着手歼展烟气 脱硫脱硝的研究。 1 2 1 2 美国的s 0 2 排放控制情况 美国对f g d 的研究起步较晚，自7 0 年代切开始。f g d 的应用才有了长足的进 展。1 9 r 7 3 一1 9 9 0 年耗煤量从3 5 亿t 增加到7 3 亿t ，增长1 0 7 ，而s 0 2 的搀放量却由2 8 9 0 力- t 减少到2 1 2 0 万t ，降低了2 7 i ” 1 9 r 7 0 年美国颁布了空气洁净法，要求新建燃煤电厂s 0 2 排放控制在5 1 6 m m 3 以下。为此，以石灰石湿法为代表的第1 代f g d 技术歼始在电厂应用。1 9 7 9 年美国 国会通过了“洁净空气法修正案( 1 9 7 9 ) ”，确立了以最小脱硫率和最大s 0 2 排放量 为评价指标的新标准，此后环境质量有了明显改善，各项污染指标均降低，在这 个阶段，石灰石石灰湿法得到了显著的改进完善。1 9 9 0 年美国国会再次修订了“洁 净空气法( c a a a1 9 9 0 ) ”。新的修正案允许美国的电力公司以更灵活的方式来达到 s 0 2 排放的控制目标；同时，在“a 讹1 9 9 0 ”中还要求减少现有电厂发电机组的s q 排放量，到2 0 0 0 年1 月1 日，s 0 2 排放总量要在1 9 9 0 年捧放基础上减少9 0 0 万t 。每个 电厂可根据具体情况，灵活地达到s 0 2 的排放要求，如改用低硫煤，建设或改造f g d 系统，购买s 0 2 排放许可证。1 9 9 0 年以来。美国燃煤电厂使用的第3 代f g d 均为脱 硫率9 5 的石灰石石灰湿法工艺，脱硫副产品作为商业石膏得到应用。 在烟气脱硫领域，美国占全球f g d 装置总数的一半以上，以抛弃法为主，其 中又有5 0 为石灰石法。美国燃煤电站中f g d 装置容量约占总容量的1 4 ，并且逐年 上升，在主要区域内s 0 2 的污染已基本得到控制。 1 2 1 3 我国的s 0 2 排放控制情况 4 在烟气脱硫方面，我国发展缓慢，与美、日等国家有很大差距，大部分技术 只停留在小试或中试阶段，远未达到大规模工业化应用的程度。而投入巨资引进 的示范工程虽然设备先进、运行稳定，但投资相当巨大，而且运行费用也高。我 国应根据实际情况，因地制宜，开发适合国情的脱硫技术。 目前我国年均降水p h 值小于5 6 的区域已占国土面积的4 0 左右。近年来，由 酸雨和s 0 2 污染造成的经济损失每年高达2 0 0 多亿元【1 2 l ，已成为制约社会经济发展 的重要因素之一。近几年，随着我国经济实力的逐步增强和环境标准渐趋严格， 我国治理二氧化硫污染的力度不断加大，先后建成了一批烟气脱硫试验项目和示 范项目。见表1 1 i l j j 。 表1 1 全国部分火电厂烟气脱硫示范项目 ! ! 坐! ：! 塑! ! 垫! ! ! 些婴堂p 堂! ! p ! 型旦坚置塑堂! 业! 丝! ! ! ! ! 堂些! ! ! 塑! i ! ! 刨! ! ! 兰 项目装机容量脱硫j ：艺技术负责投返时间 1 2 2 氮氧化物排放控制情况 八十年代以来，世界上许多国家围绕n 0 。排放控制问题采取了一系列国家行动 和国际性合作方案。早在1 9 7 9 年，有3 3 个国家签署了联合国经济委员会关于欧洲 长距离越境空气污染公约。1 9 8 8 年1 1 月根据该公约制定了一项议定书，要求到1 9 9 4 年将n o i 排放冻结在1 9 8 7 年( 或更早年份) 的水平上。所有签字国均被要求采用最佳 实用技术控制新增固定源和流动源排放的n o 。 许多国家还根据各自特点采取了相应的国家行动。如奥地利、比利时、丹麦、 德国、意大利、日本、荷兰、瑞典、瑞士、英国和美国等均制定了现有锅炉和新 增锅炉的n o 。排放标准及国家控制方案。在n o i 控制技术方面，上述国家均已应用 商业化的低n 0 。燃烧技术，其中奥地利、日本和德国等已应用商业化的烟气脱氮技 术【1 4 1 。 1 2 2 1 德国的氮氧化物排放控制情况 德国是世界上n 0 。控制技术的开发与应用最先进的国家之一，自1 9 8 4 年原联邦 德国在“大型燃烧设备规定”中提出3 0 0 m w 以上燃煤锅炉的烟气中n o i 浓度要控 制在2 0 0 l i i l 以下后，该国大型燃煤电厂控制n o x 排放的技术水平得到了迅速的 提高。如今，德国的燃煤电厂，不仅对老式锅炉不断进行技术改造和燃烧优化调 整，采用了一系列低n o ，燃烧系统，而且大型电站也全面安装了烟气脱氮装置。 降低n o 。排放措施分为一级脱氮技术和二级脱氮技术。一级脱氮技术主要是采 用低n o ：燃烧器以及通过燃烧优化调整，有效控制n o x 的产生；二级脱氮技术则是 利用各种措施，尽可能减少已生成n o x 的排放。现在德国的燃煤电厂普遍采用二级 脱氮技术，二级脱氮技术的装置分为选择性催化还原( s c r ) 脱氮、选择性非催化还 原( s n c r ) 脱氮和同步脱硫脱氮等类型。德国绝大多数燃煤电厂，采用以氨气为还 原剂的选择性催化还原法进行烟气脱氮1 1 5 l 。 德国在十几年的时间罩，烟气脱硝技术的工业应用进展十分迅速，到1 9 8 5 年 末公用电厂装脱硝装霞的发电设备容量已达6 l o m w ，1 9 8 6 年7 月已有4 3 台试验装 置在电厂运行，到1 9 9 1 年达约3 0 0 0 0 m w ，根据国家标准规定的所有需要二次脱石i i 的机组( 占总容量的4 0 ) 都已装上脱硝装置，主要用于石煤锅炉( 8 7 7 ) ，其他褐 煤及燃油锅炉分别占5 3 与7 o 。烟气脱硝方法一般都采用干法，而且绝大部分 都用s c r 法，s n c r 法仅占约5 。 通过开发利用一系列低n 0 。燃烧系统，全面安装烟气脱氮装置，并对老式锅炉 进行技术改造和燃烧优化调整等技术措施，德国的燃煤电厂有效地控制了n o 。的排 放。1 9 8 和1 9 9 5 年，n o 。排放量减少了7 0 以上1 1 6 】，德国也成为欧洲减少n o x 排放 量收效最为显著的国家。 1 2 2 2 我国的氮氧化物排放控制情况 国家最新的火电厂大气污染物排放标准( g b l 3 2 2 3 2 0 0 3 ) 已经规定火力发 电锅炉及燃气轮机n o ；的最高允许排放浓度分3 个时段进行限制，2 0 0 3 年1 1 月2 7 日 投产后的机组n 0 。的排放量不大于2 0 0 | m 鲥m 3 。可见未来若干年内，我国对n o x 的 捧放量的控制将越来越严格。 在我国进行n o x 控制技术的开发应积极借鉴日本、欧洲和美国的经验，强调技 术要适合我国国情和结合我国目前正在进行的烟气脱硫工作，要考虑我国电站锅 炉的容量、炉型，特别要考虑脱硝技术的关键一燃煤，我国燃煤中灰分、硫含量较 6 高，大部分煤的灰分在2 5 砣8 之间，硫分含量变化范围较大，从o 1 1 0 不等， 1 9 9 5 年我商品煤的平均硫含量为1 1 3 。 国家电力公司在制定的“十五”电力科技发展规划中，有关电力环保的技术 主要是大型火电机组低n 0 。燃烧、烟气脱硝技术、高效除尘技术和火电厂废水处理 技术。同时，国家电力公司还将实施低n o x 燃烧技术试验工程、锅炉尾部烟气脱氮 试验工程等6 项重大中试项目。通过工程实践，进一步提高这些技术的工程实用化 水平体系【1 7 j 。通过1 肌1 5 年的努力，国家电力公司将建成较为完整的科技开发与技 术创新体系。 1 3 脱硫脱硝一体化技术 随着社会的发展，对环保要求越来越高，制订了更严格排放标准，大部分的 燃煤锅炉都面临着要加强控制n o i 和s 0 2 排放的问题。单独使用脱硫、脱硝技术， 特别是f g d + s c r 装置，设备复杂，占地面积大，运行和投资费用高；而脱硫脱硝 一体化工艺则结构紧凑，投资与运行费用较低，效率较高。因此，脱硫脱硝一体 化技术将是未来发展的趋势。脱硫脱硝一体化技术一般有如下几类： 1 3 1 电子束照射法【1 8 ，1 蜊 电子束法( e b a ) 是7 0 年代初由同本荏原公司首先提出的一种脱硫脱硝新工艺。 经过3 0 年的研究开发已经从小试、中试和工业示范逐步走向工业化。 在e b a 处理流程中脱硫、脱硝反应大体分为以下三个反应过程。 1 活性基团的生成 烟气中含有0 2 、h 2 0 、n 2 、c 0 2 、s 0 2 、n 0 、n 0 2 等成分，当电子束照射烟气 时，在辐射场中被加速的电子与烟气中气体分子如0 2 及水分子h 2 0 发生非弹性碰 撞，生成具有化学反应活性的活性基团( 如自由基o h 、h 0 2 等) 或氧化性物质， 可表示为： 0 l 、日2 d + e 一d 日、日q 、日、d + 2 、e ( 1 8 ) d + d 2 w d 3 + m ( m 为n 2 等分子)( 1 9 ) 2 氧化 活性基团或氧化性物质氧化烟气中的s 0 2 、n o 、n 0 2 生成s 0 3 和高价态氮氧 化物。其中n 0 和n 0 2 氧化生成硝酸的过程如图1 3 所示。 7 瑚q 啦 l 是 删o ， 图1 - 3 活性基团与n o 、n 0 2 的反应 f 培1 3r e a c l i 蛐o f a 嘶v a t c dg 删p s 卸dn o 、n 0 2 对于s 0 2 氧化生成s 0 3 的过程可用图1 4 表示。 0 r 2 mo h s o + r 二一s o 厂_ 二= 二h s 0 3 、。o吼 s o ，瓦万一h 2 s q 图l - 4 活性墓团与s 0 2 的反戍 f i 昏1 4r e a c t i o no f a c t i v a t c dg m u p s a l l ds 0 2 3 硫酸铵和硝酸铵的生成 生成的h 2 s 0 4 、h n 0 3 与加入的n h 3 进行中和反应，分别生成硫酸铵和硝酸铵 颗粒，反应为： 日2 s d 4 + 2 朋，一( 删) 2 i( 1 - l o ) 日2 s 0 4 + 2 也一( h ) ：s d 4( 1 - 1 1 ) 此外，还可能有尚未反应的s 0 2 和n h 3 ，将通过反应( 1 1 2 ) 生成硫酸铵。 溉+ 2 脚3 + h 2 d + 1 ，礁一o 峨) 2 观 ( 1 - 1 2 ) 这种方法能高效地同时除去高浓度的s 0 2 和n o x ，s 0 2 脱除效率大约9 0 ， n o x 脱除效率大于8 0 。由于采用干法工艺，不产生废水，不会造成二次污染， 副产品可作肥料加以利用，具有很大的综合效益。设备结构简单且运行管理容易， 建设投资和运行成本比较低，但是也存在氨用量大、能耗较高、运行维护要求技 术商、需要功率大且长期连续稳定的电子枪等问题，另外还要考虑对x 射线的防 护，防止其在工程实际中可能造成的污染转嫁：另外液氨储运困难，要求电厂附 近有稳定的氨来源。 1 3 2 同时脱硫脱硝的湿式洗涤法 其方法原理是：采用石灰石、石灰作为吸收剂脱除s 0 2 。对于n o l ，一种方法 是可以利用已有烟气湿式脱硫装置进行适当改造或调整运行工况，将烟气中的n 仉 通过洗涤方式部分去除。 ( a ) 石灰石膏法 8 采用生石灰，消石灰和微粒碳酸钙制成吸收液，并加入少量硫酸将吸收液的 p h 值调整到4 巧，则在洗涤塔里会发生下面的反应： c 4 h ) 2 + s q ，c h s d i 日2 d + 1 2 2 d ( 1 1 3 a ) c h c o i + - s q + 1 ，2 h 2 d 。_ c h s o j - 月2 d + c o ( 1 - 1 3 b ) 国c 0 3 哇日2 d + ：+ 1 2 日2 d c 4 ( 觑d ) 2 ( 1 一1 3 c ) 烟气中有0 2 ，故： 2 q s q 咕上l d + d 2 + 3 h 2 d 一2 0 s q 2 日2 d ( 1 - 1 4 a ) d + 2 0 ( 麒f d 3 ) 2 + 日2 d 一1 2 2 + 2 0 s d 4 2 h 2 d + s d 2 ( 1 - 1 4 b ) j d j + 2 c 4 ( 日鼢) 2 + 2 日2 d ，1 2 j + 2 c a s 0 i 2 h 2 d + ：峪d 2( 1 1 4 c ) ( b ) 氨石膏法 在洗涤反应器中再加入n h 3 ，则会发生下面反应： 2 也+ s d 2 + 日2 d 一( h 4 ) 2 s d 4 ( 1 - 1 5 a ) ( 肥4 ) 2 s d 3 + l + d 一2 h 4 且s d 3 ( 1 1 5 ” 2 脚4 硼d 3 + c 口伽) 2 ( 1 - 1 5 c ) o 观宰1 埘2 d + 2 删3 + 3 埘2 d + c 口5 d 3 。 d + 2 h 4 月i 一1 ，2 2 + ( w 4 ) 2 阳i + s d 2 + 皿d ( 1 一1 5 d ) 晓+ 删h 且s d 3 一l 2 2 + 2 ( 旧) 2 s d + 2 s d 2 + 2 日2 d ( 1 - 1 5 c ) 另一种方法是考虑到n 仉的9 0 以上是n o ，而n o 很难溶于水，因此，加入 添加剂先将n o 氧化成n 0 2 ，然后用水吸收，这种添加剂有黄磷盐，高锰酸钾， a 0 2 ，0 3 ，金属螫合物等1 2 1 忍矧。 利用0 3 将n o x 氧化成n 0 2 ，然后用水溶液吸收， d + a 一谚+ q( 1 1 6 a ) 2 d + g 一肌供( 1 - 1 6 b ) m q + 圩，d 一2 明岣；( 1 - 1 6 c ) 此法用水作为吸收剂，但生成物h n 0 3 液体需经浓缩处理，而且臭氧的制取费 用高。 采用a 0 2 将n o 氧化成n 0 2 ，然后用钠基湿式洗涤器，其中n a 2 s 0 3 水溶液将 n 0 2 还原成n 2 。 2 d + c 冒0 i + 月2 d - d | + r 亿) 3 + 删 ( 1 - 1 7 ) d 2 + 撇2 观一1 巩+ 胁2 观( 1 1 8 ) 此法可以和采用n a o h 作为脱硫剂的湿法脱硫相结合，脱硫后反应产物 n a 2 s 0 3 可作为还原n 0 2 的吸收剂。 肋伽+ 政一口2 观+ 且d ( 1 1 9 ) 此法脱硝率可达9 5 ，c 1 0 2 可以再生，且可同时脱硫，但c 1 0 2 和n a 伽的价 格较贵，运行成本提高，还有废水处理问题，故不适宜处理大量烟气。 9 1 3 3 活性炭加n h 3 的吸附法 活性炭是一种特殊结构和性能的微晶质炭，具有大量孔隙和很大的比表面积， 有着多种选择性和吸附能力，能对气体或液体进行催化作用，并是一种用途广泛 的催化剂，可用于烟气脱硫。烟气中的s 0 2 被活性炭层吸收，然后将这种吸收了s 0 2 的活性炭，进行加热脱硫酸回收，分离出来的s 0 2 浓度很高，可回收利用。n o 。是 在加氨的条件下，经活性炭的催化作成水和氮气再排入大气。图1 5 为活性炭 加氨同时脱硫、脱氮的工艺流程示意图。 活性炭厂圃厶肭 图1 5 活性炭加n h 3i ：艺流程 弼参1 51 b c h n i c a ip r o 锚o fn h ，a n da c i i v a 忙dc a f b o n 在烟气中有氧和水的条件下，活性炭不仅能物理吸附s 0 2 ，而且由于活性炭表 面具有催化作用而对s 0 2 产尘化学吸附，使吸附的s 0 2 被烟气中的0 2 氧化为s 伤， s 0 2 和水蒸气反应生成硫酸，即在吸附器内进行如下反应1 2 5 洲： s d 2 + 上，2 d + 1 2 d 2 一删( 活性炭作用下) ( 1 2 0 a ) 日：5 d ：+ 以一心，嘲( 表示吸附状态)( 1 2 0 b ) 0 + 船3 + 1 ，4 一2 + 3 2 h 2 d( 1 活性炭吸附s 0 2 后，生成的h 2 s 0 4 存在于活性炭的微孔中，这将使活性炭的 吸附能力降低，因此，必须把存在于微孔中的h 2 s 0 4 释放出来，使活性炭再生 再生的方法可以是水洗或热处理。采用水沈后需要进行干燥，而用加热再生法会导 致h 2 s 0 4 与炭材料进行反应，生成c o 和c 0 2 等气体，炭材料上也会生成一定量 的含氧官能团，影响其脱硫活性，而且磨损较大，影响了其经济性。 活性炭( 焦) 法的优点在于具有很高的脱硫率( 9 8 ) ；能除去湿法难以除去的 s 0 3 ；能除去废气中的h c l 、h f 、砷、硒、汞，兼具除尘功能，是深度处理的技术； 在低温下( 1 0 睢2 0 0 ) 能得到高的脱硝率( ) 。发展此类烟气脱硫脱氮技术，可 有效控制我国燃煤s 0 2 和n 0 ) 【排放，对于国民经济的可持续发展意义重大。 1 4 本课题的研究内容及其意义 1 0 一 嚣 硫声一篡槲 一 x 一芦 一 ， 砂叉钸酽，f 1 4 1 活性炭对汞的脱除 利用活性炭、钙基吸附剂( c a i o 、c a ( o h ) 2 、c a c 0 3 、c a s 0 4 2 h 2 0 ) 、沸石材料 或者其它吸附剂来除去烟气中的汞。吸附剂吸附法主要针对气态零价汞的脱除。 表卜2 为添加钙基吸附剂前后燃煤电厂各部分排放物中汞含量的对比【明。 表卜2 钙基吸附剂吸附效果对比表 ! 些丝! ：! 纽! 型坚! 塑墼i 坚鲢竖堕! 苎丝i 坠! ! ! 曼璺! ! 塑! 堕坐 灰渣e s p 灰中捧空气态汞捧空同态汞 活性炭吸附法是目i i f 研究中最为集中且较成熟的一种方法。活性炭对汞的吸 附是一个非常复杂的过程，到目前为止对其具体的汞吸附机理的认识还很不充分， 从文献实验结果判断可能是一个物理吸附和化学吸附并存的过程。 活性炭吸附法脱除烟气中的汞可以通过两种方式进行：一种是在颗粒脱除装 置前喷入活性炭，吸附了汞的活性炭颗粒经过除尘器时被除去；另一种是将烟气 通过活性炭吸附床，但如果活性炭颗粒太细会引起较大的压降。活性炭喷射方式 比较有应用潜力，如图1 6 所示，在电除尘器( e s p ) 前喷射活性炭，可以吸收烟 图卜6 活性炭喷入方式示意图 h g 1 - 6l n j t c dw a y so fa c i i v a 伽r b o n 气中的汞，吸收了汞的活性炭颗粒被e s p 捕获，实现燃煤烟气的汞排放减捧。图 1 7 为典型的在e s p 前喷射活性炭时，烟气中汞的脱除率随活性炭喷射量的变化情 况。垃圾焚烧炉等为控制重金属汞的排放已经采用了活性炭吸附结合布袋除尘的 方法，选择合适的碳汞( c h g ) 比例，可以获得9 0 以上的脱汞效率。另外，运用 化学方法将活性炭表面渗入硫或者碘，可以增强活性炭的活性，且由于硫或碘与 汞之间的反应能防止活性炭表面的汞再次蒸发逸出，可提高吸附效率。而直接采 1 1 用活性炭吸附的方法成本很高，般燃煤电厂难以承受。据美国d o e 估算结果表 明：燃煤电厂如选择活性炭喷入吸附方式，每脱除o 4 5 4 k g 汞需耗资$ 2 5 0 0 睢 7 0 0 0 0 【硼；如采用活性炭吸附床，每脱除0 4 5 4 k g 汞需耗资$ 1 7 4 0 0 8 6 0 0 。鉴于活 性炭如此昂贵，很多研究人员开始开发新型、价格低廉的吸附剂。有人提出采用 未燃尽煤，即分流活性炭作为吸附剂吸附烟气中的汞，图1 8 为n o r i td a r 活性 炭与分流活性炭的微孔结构图片的对比，通过对比可以看到两者的比表面结构相 似，根据多孔介质的特性可知二者的性质也应相似。 活件发喷射盈 1 6 0 1 8 5 l o 。k g _ l 图1 7 电除尘器( e s p ) 前活性炭喷入封与汞脱除率的关系 f i g 1 - 7r c l a i i o fa d i v a t c dc a r b o ni n j t i 咖柚dm e r c i l r yf e m o v a lb c f 0 犯e s p n o r i td a r l m i 删 分流活性炭 5 0 m i c 伽 图卜8n 0 f i td a f 活性炭和分流活性炭的微孔结构对比 f i g 1 - 8m i c mp 0 m p a r i s o no f n o r i td a r a n dt h i e f 鞠m p l c 1 4 2 分流活性炭与商业活性炭的比较 表卜3 商业活性炭与分流活性炭的汞吸附能力比较 曼! 熊! 曼哑型墼! 垡垒墨塑i 坐丝塑堡世! ：! ! ! 竺亚! 塑! 望型丝 吸附剂 吸附能力( m g ，g )温度 表1 - 4 不同含碳鼙和喷入量情况下分流活性炭与商业活性炭吸附能力的对比 1 a b l c1 - 4c o m p a r i no f a c 姐dt h i c fs a m p l e sa d r p “o nc a c i t y a td i f c e r e n tc 孤b o nc o n t e n ta n dc a r b 佣i n i e c t i o n 含碳量喷射吸附荆 脱汞率 吸附剂类别 ( 叭)( 1 m a c o( ) 分流活性炭8 7 - 9 11 4 15 7 分流活性炭 7 5 - 8 4 分流活性炭 5 m 6 5 d m6 6 5 1 1 5 2 3 2 1 8 2 9 2 9 1 由表1 - 3 、1 4 可知，分流活性炭与商业活性炭的吸附容量相近，其他性质也 比较接近，脱汞能力接近于商业活性炭，而且要比商业活性炭经济。前文已经提 到活性焦( 炭) 法的优点在于具有很高的脱硫率( 9 8 ) ；能除去湿法难以除去的s 0 3 ； 能除去废气中的h c l 、h f 、砷、硒、汞，兼具除尘功能，是深度处理的技术；在 低温下( 1 0 0 2 0 0 ) 能得到高的脱硝率( 8 0 ) 。活性炭已用于脱硫脱硝，分流活性炭 与商业活性炭性质相似，如果能将分流活性炭用于脱硫脱硝，将具有十分重要的 意义。 1 4 3 研究内容 分流活性炭综合脱除系统是采用锅炉内未燃尽煤作为活性炭源，通过管道喷 射到水平烟道中，与烟气充分混合，进而对烟气中的有害气体及痕量元素进行脱 除的系统，如图卜9 所示本学位论文的研究是教育部留学回国人员科研启动基金 资助项目：“分流活性炭对燃煤污染物联合脱除的机理研究”的前期基础理论研究 的一部分。 本学位论文主要是针对这个综合脱除系统，比照实际电厂使用商业活性炭进 行汞脱除的实验结果( 见图1 7 ) ，基于高汞脱除率对的活性炭喷射量并适当增加， 通过数值模拟方法，研究不同喷射速度、不同颗粒粒径、不同活性炭颗粒喷入量 及不同喷口数量条件下的气固颗粒分布，得到相对理想的气固流场结构，以使活 性炭颗粒有比较充足的时间与烟气均匀混合及充分反应，为今后的工作提供理论 和基础数据支持。 图1 9 分流活性炭综合脱除系统简圈 f i g 1 - 9m u l 6 p o u t a n t s 撑m o v a ls y s t e mb yt h i c f - p r o c c 蟠p r o d u c e da c t i v a t c dc a f b o n ，4 4 研究意义 活性炭材料用于净化的一个独有的特点是其能脱除烟气中的多种污染物，如 s 0 2 、n 0 2 、烟尘粒子、汞、二嚼英、呋哺、重金属、挥发份有机物及其它微量元 素等，因此，与其它的f g d 工艺相比，活性炭质材料具有较高的竞争能力和较大 的发展空间，是一种发展前景较好的综合污染物脱除剂。 活性炭脱除燃煤烟气中s 0 2 早有研究，但由于活性炭价格较高，且易碎，因此 寻找一种能代替活性炭的新型炭系脱硫剂势在必行。分流活性炭综合脱除系统利 用锅炉中未燃尽煤作为吸附剂，其本身就是一种良好的活性炭，大大降低了活性 炭成本。 分流活性炭综合脱除系统属于于法脱除，针对我国大部分地区都存在水危机 这一现状，可以降低用水成本，同时从系统本身来讲，成本也比较低廉。 1 5 数值模拟软件简介 f i 疋月b n t 【埔l 软件是美国f i j j e n r h c 于1 9 8 3 年推出的，是继p h o e m c s 软件 之后第二个投放市场的基于有限容积法的数值模拟软件，目前其市场占有率已达 到4 0 。f i l ，e n t 用结构化或非结构化的网格，来求解二维和三维的可压缩和不 可压缩，稳态和瞬态，无粘流、层流和湍流，牛顿流体和非牛顿流体，对流换热， 导热与对流换热耦合，辐射换热，惯性和非惯性坐标系下的流动，动网格，化学 反应，用l 丑g f a n g i 柚轨道模型模拟稀疏相，多相流，自由表面流动等问题。其应 用范围涵盖了航空、汽车、透平机械、水利、电子、发电、建筑设计、材料加工、 加工设备、环境保护等领域。f i ，e n t 公司于2 0 0 5 年3 月推出了最新版本f l u e n t 6 2 l 冽。 1 5 1f l u e n t 软件的结构及计算流程 f u j e n t 软件由以下几部分组成： ( 1 ) g a m b r r 前处理模块，用于建立几何结构和网格的生成，其几何内 核为a a s ，提供流体区域中面、体的网格划分，边界条件类型的设置。对于二维 流动，可以生成三角形和四边形网格；对于三维流动，可以生成四面体、六面体、 棱锥形和棱柱形网格；结合具体计算，还可以生成混合网格，其自适应功能，能 对网格进行细化和粗化，或生成连续网格、可变网格和混合网格。 ( 2 ) f 1 l i e m r _ 懈算模块，用于进行流动模拟计算的求解器。该模块的数 学模型是以n s 方程组和各种湍流模型为主体，再加上多相流模型、燃烧与化学 反应模型、自由面模型以及非牛顿流体模型等。采用的是有限体积法来离