（环境工程专业论文）燃煤电厂半干法烟气脱硫装置中流场的数值模拟.pdf

- _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - - _ 一 声 相p f j尸 删f y 17 8 5 8 ：j j j | 。爸。 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文燃煤电厂半干法烟气脱硫装置中流场 的数值模拟，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，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论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 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上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日 期： 导师签名： 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本课题以半干法脱硫系统为例，运用f l u e n t 软件对脱硫塔内部的烟气流场进 行数值模拟。主要研究脱硫剂入口及烟气入口两方面的设计对脱硫塔内气流分布的 影响。脱硫剂入口，包括脱硫剂的喷入速度，喷嘴的位置对气流分布的影响，并对 加入脱硫剂后脱硫塔内化学反应进行模拟计算；烟气入口，包括烟气入口烟道内的 导流板的尺寸、位置、角度对脱硫塔内气流分布的影响。通过对各种设计的模拟计 算，得出使流场均匀的最佳方案，从而为脱硫系统设计提供参考依据。 关键字：脱硫塔；导流板；喷嘴；数值模拟 a b s t r a c t b a s e do nt h es e m i d r yf g ds y s t e m ，t h es o f t w a r eo ff l u e n tw a su s e dt os i m u l a t et h e f l o wf i e l do ff l u eg a si nd e s u l f u r i z i n gt o w e r m a jo rr e s e a r c ht h ee f f e c t so ft h ea i rf l o w d i s t r i b u t i o ni nd e s u l f u r i z i n gt o w e ro nt h ei m p o r to fd e s u l f u r i z i n ga g e n ta n dt h ei m p o r to f f l u eg a s t h ei m p o r to fd e s u l f u r i z i n ga g e n t ，i n c l u d i n gt h ee f f e c t so ft h ea i rf l o w d i s t r i b u t i o no nt h ee i n s p r i t z e ns p e e do fd e s u l f u r i z i n ga g e n ta n dt h en o z z l el o c a t i o n ，a n d s i m u l a t et h ec h e m i c a lr e a c t i o ni nd e s u l f u r i z i n gt o w e rb ya d d i n gd e s u l f u r i z i n ga g e n t ；t h e i m p o r to ff l u eg a s ，i n c l u d i n gt h ee f f e c t so ft h ea i rf l o wd i s t r i b u t i o no nt h es i z e ，l o c a t i o n ， a n g l eo ft h e d e f l e c t o ri nf u n n e l t h r o u g hs i m u l a t et h ev a r i o u sd e s i g nc a l c u l a t i o n s ， r e s e a r c ht h eb e s ts o l u t i o no fa i rf l o ww e l l - d i s t r i b u t e d ，t op r o v i d er e f e r e n c ef o rf g d s y s t e md e s i g n s u n d a n ( e n v i r o n m e n te n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f h um a ny i n k e y w o r d s ：d e s u l f u r i z i n gt o w e r ，d e f l e c t o r , n o z z l e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n j j 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论l 1 1 课题背景及意义1 1 2 国内外半干法脱硫技术研究现状3 1 2 1 半干法脱硫技术研究现状3 1 2 2 半干法烟气脱硫技术研究的新趋势4 1 2 3 数值模拟在半干法烟气脱硫技术中的研究现状5 1 3 课题研究内容6 第二章半干法脱硫技术概述7 2 1 半干法脱硫技术的反应原理7 2 2 半干法脱硫系统结构及工艺过程8 2 2 1 半干法脱硫工艺过程8 2 2 2 半干法脱硫的影响因素8 第三章半干法脱硫系统选用的数值模型1 l 3 1f l u e n t 软件介绍1 l 3 1 1f l u e n t 程序软件的组成：1 l 3 1 2f l u e n t 软件可以求解的问题12 3 1 3f l u e n t 软件求解问题的步骤13 3 1 4f l u e n t 软件求解方法的选择1 3 3 2 吸收塔流场的数学模型1 4 3 2 1 湍流模型1 4 3 2 2 化学反应模型1 5 第四章半干法脱硫系统的数值模拟1 7 4 1 结构布置和边界条件的确定1 7 4 1 1 网格划分1 7 4 1 2 边界条件与计算条件1 8 4 2 脱硫剂入口计算结果与模拟分析1 9 y 护 罗 p 4 2 1 脱硫剂喷入速度的模拟1 9 2 2 喷嘴位置对流场分布影响的模拟2 1 3 6 6 2 2 2 拟 一 一 华北电力大学硕士学位论文目录 4 3 2 未加导流板流场模拟结果 4 3 3 加装直导流板后的流场模拟 4 3 4 加装弧形导流板后的流场模拟 第五章结论 5 1 脱硫剂入口对脱硫塔内流场的影响 5 2 导流板对脱硫塔内流场的影响 参考文献 致谢4 7 附录4 8 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 2 j ， r - 一一 一 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 随着世界各国工业的迅猛发展，环境污染问题日益突出，同时也越来越受到人 们的普遍重视。我国是能源生产消费大国，目前能源消费占全球的1 0 。在我国的 能源结构体系中，煤约占整个能源结构体系的7 5 。随着国民经济的迅速发展，电 力需求持续稳定的增加，使得我国能源工业得到了蓬勃稳定的发展，但是以煤电为 主的格局在以后一个较长的时期内是不会改变的。因此火电厂的污染物排放将给当 前的环境带来很大的压力。燃煤电厂在生产过程中会产生大量的有害污染物排入到 大气中，主要是粉尘、硫氧化物、氮氧化物和有害金属元素等。这些污染物对环境 和人体都造成了很大的伤害。我国火电厂的污染物排放控制首先从粉尘排放控制开 始，经过三十年的努力，燃煤电厂的烟尘排放已得到有效的控制。随着燃煤量增加， s 0 2 的排放也不断增加。纯s 0 2 是一种无色具有强烈刺激性气味的气体，它易溶解 于人体的血液和其它黏性液中。当大气中s 0 2 浓度达到o 5 p p m 时，就对人体有潜 在危害；浓度为0 1 p p m 时，即可损害农作物。另外，s 0 2 还是形成酸雨的一个重要 原因，而酸雨的危害更为广泛，酸雨已使世界上大片森林枯萎、土壤酸化、农作物 减产、许多水生生物消失、建筑物遭侵蚀，给人类生产、生活造成极大危害。每年 因酸雨和s 0 2 污染危害居民健康、腐蚀建筑材料、破坏生态系统造成的损失达上千 亿元，燃煤产生的二氧化硫污染及酸雨问题日趋严重。酸雨和二氧化硫的污染制约 了经济的发展，严重危害人们的身体健康。因此有效地控制大气中的二氧化硫已成 为刻不容缓的研究课题。 针对酸雨和二氧化硫污染的不断加剧，1 9 9 6 年国务院关于环境保护若干问题 的决定中明确提出要治理“两控区 的酸雨和二氧化硫污染。两控区控制目标为 到2 0 1 0 年，二氧化硫排放总量控制在2 0 0 0 年排放水平以内；城市环境空气二氧化 硫浓度达到国家环境质量标准，酸雨控制区降水p h 值小于4 5 的面积比2 0 0 0 年明 显减少。2 0 0 0 年修订了大气污染防治法，国家环境保护总局、原国家经贸委、 原国家计委、国家发改委等部委相继颁布了多个配套的法规、标准、条例及具体实 施的规划和计划，通过淘汰小机组、技术改造、实施烟气脱硫、发展洁净煤燃烧技 术、调整电力结构等方式，降低火电s 0 2 排放量，其中实施烟气脱硫是控制我国s 0 2 污染的关键。此外在国内外环保压力下，我国相继出台了更为严格的排放标准和收 费标准，也从项目审批和电价补贴方面促使企业提高建设脱硫装置的积极性，截至 2 0 0 7 年底，已经投运的火电厂烟气脱硫工程装机总容量为2 0 8 1 0 3 m w ，其中有 1 1 6 7 8 2 m w 机组的脱硫系统投运在年以上i l j 。 1 华北电力大学硕士学位论文 s 0 2 控制技术根据其煤炭燃烧中处理位置的不同分为燃烧前脱硫、燃烧中脱硫 和燃烧后脱硫3 种。燃烧前脱硫是指在燃烧前对燃料进行处理，如洗煤、煤气化、液 化、型煤固硫和利用脱硫剂等，洗煤只可用作脱硫的辅助手段，煤的气化和液化从经 济角度看，目前还不能与石油、天然气竞争。燃烧中脱硫是指炉内脱硫，主要包括炉 内喷钙、循环流化床锅炉添加石灰石燃烧等。流化床添加石灰石燃烧的脱硫技术具 有良好的前景，国内外近年来发展很快。炉内喷钙工艺早在2 0 世纪6 0 年代就已经开 始研究，但是由于脱硫效率不高，一直未能得到广泛应用。进入2 0 世纪8 0 年代后， 在炉内喷钙工艺基础上，美国开发了脱硫效率大为提高的l i m b 工艺，芬兰的 t a m p e l l a 公司开发了l i f a c 工艺，这些技术都在燃烧中脱硫的基础上增加了后续工 艺，现在都已经得到了成功的应用【2 j 。燃烧后脱硫即指烟气脱硫( f g d ) 是目前唯 一大规模商业应用的脱硫方式，是控制燃煤电厂s 0 2 气体排放最有效和应用最广的 技术。工业化国家普遍认为：烟气脱硫是今后最经济而现实可行方法。 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 法三大类。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荆，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。湿法烟气脱硫工艺包括石灰石( 石灰) 石膏法、海水脱硫、磷铵 复合肥法、钠碱法、氨吸收法、氧化镁法、氧化锌法、氧化锰法等。半干法烟气脱 硫工艺包括旋转喷雾干燥法、循环流化床烟气脱硫技术。干法烟气脱硫技术包括荷 电干粉喷射脱硫法、干法喷钙类脱硫技术、电子束照射法、脉冲电晕等离子脱硫 技术、吸附法等。湿法脱硫技术最成熟，工业应用最广泛，脱硫效率最高，但投资 及运行费用也最高，我国一般厂家难以承受。半干法脱硫效率中等，投资及运行费 用较湿法低，综合经济性能较好，适合我国国情，应大力推广。干法脱硫投资及运 行费用最低，且无结垢、腐蚀等问题，但脱硫效率有待于进一步提高。生物脱硫技 术目前尚未成熟，脱硫机理需要深入研究，效率有待于提高，预计与传统湿法工艺 结合是其今后发展的方向u j 。 可见，半干法烟气脱硫由于其投资低、占地小、耗水少等优点，最适于我国现 役机组的脱硫技术改造，通过对半干法脱硫系统多方位全面系统的研究，了解其内 部结构、烟气流动特性、化学流动特性等，利用流场数值计算软件选择合理的数值 计算模型，确定各种数据和参数进行数值模拟，设计一个达标可靠的系统对减少半 干法脱硫中因结构造成的问题、完善半干法脱硫工艺、提高脱硫效率以及脱硫剂的 利用率意义重大。 2 华北电力大学硕士学位论文 1 2 国内外半干法脱硫技术研究现状 1 2 1 半干法脱硫技术研究现状 半干法脱硫包括喷雾干燥法脱硫、循环流化床脱硫、半干半湿法脱硫、粉末一 颗粒喷动床脱硫、烟道喷射脱硫等。 喷雾干燥( s d a ) 工艺脱硫于2 0 世纪8 0 年代初至中期首先在欧美等国开发成功， 并在工业上推广使用。这种脱硫方法主要应用于中低硫煤的脱硫，该法脱硫投资及 运行费用较低、腐蚀小、系统简单、运行可靠性高、脱硫产物呈干粉状、无废水排 放。近十年来，国内喷雾干燥脱硫技术主要致力于提高吸收剂利用率的研究。方法 是采用灰渣再循环、利用添加剂、研制高效吸收剂等。s d a i 艺在国外已有一定的 市场占有率，但在我国报道的工程应用较少。“七五”期间，沈阳黎明发动机厂从丹 麦n i r o 公司引进了一套5 0 0 0 0 m 3 l l 的工业规模喷雾干燥脱硫装置。西南电力设计院 在四川白马电厂建立了一套7 0 0 0 m 3 h 的中型试验装置。1 9 9 4 年，山东黄岛电厂根据日 本政府“绿色援助计划”，在该厂1 0 0 m w 机组实施旋转喷雾脱硫工程，处理烟气量3 0 万m 3 1 1 ，入口s 0 2 浓度2 0 0 0 x 1 0 ，设计脱硫率7 0 。 循环流化床( c f b ) 烟气脱硫工艺是由德国鲁奇公司于2 0 世纪8 0 年代后期开发的 一种新型半干法技术。该工艺以循环流化床原理为基础，是一种基于流态化的脱硫 工艺。n 2 0 0 0 年，有2 0 多套c f b f g d 装置用于供热站。热电站和凝汽式电的锅炉烟 气脱硫，单台c f b f g d 装置的最大处理烟气量约7 0 0 0 0 0 m 3 h 。在不同的运行 下，c f b f g d 脱除s 0 2 的效率一般在6 0 - 、- 9 8 之间，而s 0 3 的去除率则为9 0 9 9 在鲁奇技术的基础上，德国w u l f f 公司开发出回流式循环流化床烟气脱硫 ( r c f b f g d ) 技术。此外，美国、日本的有关机构都对c f b f g d 技术进行过研究。 我国在循环流化床烟气脱硫方面，一方面进行技术引进，另一方面也正在开展独立 的技术开发。清华大学煤的清洁燃烧国家重点实验室、煤清洁燃烧技术国家工程研 究中心分别提出了自己的c f b f g d 技术专利，并独立开展了中试或工业性工程示 范。最近，武汉凯迪公司和清华同方能源环境公司分别中标，承包宁夏回族自治区银 川热电厂烟气脱硫工程( 2 x 2 5 m w ，lx 2 5 m w ) ，用的就是循环流化床烟气脱硫技术【3 】 总之，c f b f g d 技术在我国呈现出强劲的发展势头，具有良好的发展前景。 半干半湿法脱硫技术属于半干法烟气脱硫范畴，是在克服旋转喷雾法的制浆 系统庞大、设备磨损以及炉内喷钙尾部增湿法的钙硫比过高等缺点基础上发展起来 的一种新型半干法脱硫技术，在c a s 物质的量比q 时，脱硫率可达8 0 以上。同时此 种技术极易发生“湿壁现象 。 粉末一颗粒喷动床( p p s b ) 半干法烟气脱硫是近年来日本的研究人员开发的一种 3 华北电力大学硕士学位论文 新型半干法脱硫技术。这种脱硫技术应用石灰石或消石灰做脱硫剂。具有很高的脱 硫率及脱硫剂利用率，而且对环境的影响很小。但进气温度、床内相对湿度、反应 温度之间有严格的要求，在浆料的含湿量和反应温度控制不当时，会有脱硫剂粘壁 现象发生。近年来国内郭启民等【4 】利用消石灰和氢氧化钠作为脱硫剂，研究了脱硫剂 种类、脱硫剂粒子直径、反应温度和床内气体湿度对脱硫率的影响，并得出结论： 氢氧化钠脱硫效果优于消石灰，而消石灰脱硫效果又比石灰石强。所以提示以后的 研究者在能满足必要的脱硫效率时，可以使用廉价的脱硫剂，以降低操作费用。目 前，p p s b 脱硫技术仍处于实验室研究阶段，有待于进一步研究，争取早日应用于工业 上。 烟道喷射半干法烟气脱硫是针对工业锅炉不适于技术成本高，不易管理，运动 中问题较多而提出的一种简单有效的方法。该方法利用锅炉与除尘器之间的烟道作 为反应器进行脱硫，不需要另外加吸收容器，使工艺投资大大降低，操作简单，需场 地较小，适合于在我国开发应用。该技术已被美国能源部列为洁净煤技术示范项目。 目前国内开发研究较少。 国内河北工业大学的张少峰等【5 】在总结、吸收前人研究的基础上，利用喷动床结 构简单、传质传热效率高等特点，融合了喷雾脱硫及喷动床流态化技术的优点，设计 出了一套半干法喷雾喷动床脱硫装置，即将喷动床内加入直径l - - 3 r a m 的刚玉球颗 粒，吹入模拟的高温烟气使粒子处于喷动状态，当床内喷动稳定后，开料液泵输送一 定浓度c a ( o h ) 2 浆液，浆液由喷嘴喷出，喷出的液滴成雾状s 0 2 气体在喷动床中进行 反应。由于加入颗粒，增大了反应接触表面积，反应后的c a s 0 4 粒子在碰撞中脱落， 被吹出喷动床，在高效除尘器中实现分离。此技术工艺流程简单、脱硫产物是干态 粉末，无灰水的二次污染1 6 j 。 1 2 2 半干法烟气脱硫技术研究的新趋势 1 ) 重视脱硫产物、飞灰的再循环脱硫产物和飞灰的再循环，不仅可以提高脱 硫剂的利用率，降低运行成本，而且还可以保证脱硫装置在较低的钙硫物质的量比 条件下，取得较高的脱硫效率。 2 ) 以循环流化床为基础开发研究在流化床内固体颗粒物充满整个上升段空间， 混合、湍动十分强烈，加快了传热传质速率，使脱硫剂和烟气中s 0 2 充分反应，提高 了脱硫剂的利用率和脱硫效率。 3 ) 利用工业废弃物，以废治废。近年来国内外许多学者和单位，致力于以工业 废弃物作为脱硫剂的开发研究。这可以降低运行成本、节约能源、减少二次污染， 粉煤灰、电石渣、硼泥以及废石膏等均可以作为钙基脱硫剂。 4 华北电力大学硕士学位论文 1 2 3 数值模拟在半干法烟气脱硫技术中的研究现状 国外在脱硫技术的设计和优化中，大都是通过计算机进行数值模拟，根据数值 计算的结果调整脱硫设计方案，优化设计结果。在计算机技术高速发展的今天，合理 利用计算机进行脱硫系统的仿真数值模拟，不仅能缩短研制周期，降低设计成本，而 且能明显提高设计质量，其优越性是传统的实验方法所无可比拟的【7 1 。 影响脱硫效率的关键因素是塔内的流场情况：喷嘴喷出的浆液是否均匀覆盖， 烟气与浆液接触是否充分【s 】。但对于吸收塔这一大型的反应器，仅靠试验往往难以揭 示塔内复杂的流场情况，采用计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ，c f d ) 软件 来进行三维流动的研究已经成为一种重要手段。通过数值模拟来深入认识吸收塔内 烟气和浆液流动规律，这对指导吸收塔的设计起着重要的作用。在设计中，针对具体 工程，应该在初步的塔型设计和喷嘴布置后进行数值模拟，观察计算结果，看烟气和 浆液是否能够混合充分且均匀，发现问题进行调整然后再计算，并加以优化。对于不 同的改进方案进行模拟，通过方案比较，最终达到设计最优化。由数值计算结果所确 定的设计方案可以作为研究和设计的参考依据。 杨敏等【9 】人以流体力学理论为指导，运用f l u e n t 6 2 软件对喷淋吸收塔的流场 进行三维数值模拟，揭示吸收塔内的流场特性。计算结果表明，模型的计算值对优化 脱硫吸收塔的设计工作具有指导意。 高继录等【1 0 】人通过建立2 段含湿颗粒干燥模型，将该干燥模型与分段s 0 2 传质 模型及气固双流体模型耦合，编制求解程序。应用该程序通过u d f 接口，对f l u e n t 计算软件进行二次开发。模拟结果表明：沿塔体高度方向s 0 2 浓度逐渐降低；脱硫 反应主要发生在喷口后1 5 m 距离内；从喷口开始塔内脱硫产物浓度沿高度方向逐 渐升高，并呈现中心浓度低、边壁浓度高的趋势。脱硫灰在塔内形成稳定的壁面回 流，高倍率脱硫灰的循环利用不但可以强化传热传质过程，有效防止塔内结垢，并 可在很大程度上提高吸收剂利用率。 周山明，金保升，孙志翱】通过建立喷淋脱硫塔喷嘴数值模型，研究了影响喷 淋脱硫塔内气液传质的喷淋液流量与液膜平均破裂长度、喷嘴初始喷射角、液滴平 均粒径的关系。设计了专门的测试平台和单匝螺旋喷嘴，采用快速c c d 和数码照 相机拍照对液膜和液滴运动进行了测试和分析。模型计算和实验结果均表明：液膜 平均破裂长度随喷淋液流量加大而减小：液滴平均粒径减小随喷淋液流量加大而减 小；在喷嘴出口缝隙高度等于4 2 5 m m 时，随流量的增大，喷嘴的喷射角随流量的 增大反而变小，大于4 2 5 m m 后，在同一喷嘴缝隙高度下，喷射角随喷嘴流量的增 加而增加。 5 华北电力大学硕士学位论文 国外学者s q c i r ehb t l 2 】和r a y l e i chl t l 3 】对喷嘴和线性非稳态液膜的流动状 况进行了研究，详细考察了液膜周围气流、液体的粘性、液体的表面张力等对液膜 流动及破裂的影响，并提出了液膜破裂后液滴的平均直径计算关联式【8 】。在液膜的流 动过程中，外界对液膜的扰动以波的形式在液膜中扩散，随着液膜的流动，这种扰动 形成波不断增强，而液膜在液体粘性力、表面张力、重力以及外界扰动形成波的作 用下，液膜表面将产生晃动，而晃动的幅度随着液膜的流动过程中不断变大，当其幅 度超过一定程度后，液膜将破裂形成液丝，液丝在液体表面张力的作用下形成液滴。 s e n e c a lpk t l 4 】等学者对粘性液体在高速流动下形成的液膜进行了研究，推导出了 长波扰动和短波扰动下波的复杂增长率c o 的理论公式和液膜破裂长度l 和液滴的粒 径d 。n o n n e n m a c h e rs 等人对压力漩流喷嘴流动雾化进行了数值模拟，其模拟 结果与实验值吻合很好【l ”。国内学者则主要研究喷嘴雾化情况及颗粒粒径分布等， 并提出了相应的实验关联式，对喷嘴出口处液膜的运动及破裂则少有文献报道。 1 3 课题研究内容 本课题研究的主要内容是用f l u e n t 软件对半干法脱硫系统结构进行数值模拟。 主要研究脱硫塔上喷管的位置对脱硫塔内烟气流场分布、速度场分布、化学流动特 性及脱硫效率的影响；脱硫塔内导流板的形状、尺寸、角度等因素对脱硫塔内流场 分布以及对脱硫效率的影响。 在设计中，针对具体工程，第一在初步的塔型设计和喷嘴布置后进行数值模拟， 观察计算结果，看烟气和浆液是否能够混合充分且均匀，浆液喷入速度取不同值时 对流场的影响以及喷嘴位置不同对脱硫系统及脱硫效率的影响：第二对未设置导流 板的脱硫塔、加入不同形状、尺寸、角度导流板的脱硫塔分别进行数值模拟观察导 流板对流场的影响以及对脱硫效率的影响。对不同的方案进行比较，最终达到设计 最优化。主要工作有以下几方面： 1 ) 通过对半干法脱硫及脱硫塔结构的研究，对脱硫系统进行全面分析，分析 影响脱硫效率的各种因素。 2 ) 简要介绍f l u e n t 数值模拟软件，以及模拟方法步骤，并确定脱硫系统选取 的数学模型。 3 ) 利用f l u e n t 软件模拟计算脱硫塔内的流场，通过改变脱硫剂喷入速度和喷 入位置使反应达到最佳，并画出相应的分布图以及矢量图。对模拟结果进行分析比 较，提出改进措施。 4 ) 利用f l u e n t 软件模拟计算脱硫塔内的流场，通过改变导流板尺寸、角度、 形状使脱硫塔内气流分布，脱硫效率达到最佳，并画出相应的分布图以及矢量图。 对模拟结果进行分析比较，提出改进措施。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章半干法脱硫技术概述 2 1 半干法脱硫技术的反应原理 半干法烟气脱硫不同于湿法与干法之处在于，湿法脱硫是以c a ( o h ) 2 等碱性浆 液为脱硫剂，脱硫剂在吸收塔中与s 0 2 发生气液化学反应：干法脱硫则是将干性脱硫 剂加入炉内或喷入烟气中，脱硫剂与s 0 2 发生气固反应脱除s 0 2 ；半干法则是脱硫剂 以浆液的形式被喷入烟气中，吸收剂与s 0 2 发生气液化学反应的同时，浆滴水分全部 蒸发，得到干态产物1 1 6 j 。 半干法烟气脱硫机理：脱硫剂以浆液的形式被喷入烟气中，c a ( o h ) 2 浆滴与烟气 中s 0 2 发生气液反应。在反应初期，s 0 2 ( g ) 浓度较高，气膜推动力较大，气膜阻力相 对于s 0 2 在液相的溶解阻力来说很小，故溶解阻力成为反应的控制阻力，随着反应的 进行，气膜阻力逐渐增大，同时s 0 2 ( g ) 溶解阻力由于浆滴的水分逐渐蒸发也呈递增趋 势，液相溶解阻力仍是整个反应的控制阻力【i 7 1 。 在实际的反应过程中，当烟气中s 0 2 浓度较低，暴露时间足够长时，浆滴中已经 电离出来的c a 2 + 可以完成吸收过程；而当s 0 2 浓度较高时，c a 2 + 从c a ( o h ) 2 浆滴上 的溶出速率低于c a 2 + 和亚硫酸根的扩散和反应速率，并且生成物c a s o 。的摩尔分子 体积为5 2 1 6 m l m o l ，大于c a ( o h ) 2 的摩尔分子体积3 3 0 4 m l m o l ，容易造成反应通 道的堵塞，导致吸收速率下降【l5 1 6 】。半干法烟气脱硫涉及气液固三相，一般经以下反 应过程【l8 】： c a o ( s ) + h 2 0 = c a ( o h ) 2 ( a q ) s 0 2 ( g ) + h 2 0 = h e s o 1 ) c a ( o h ) 2 ( a q ) + s 0 2 = c a s 0 3 ( s ) + 1 - 1 2 0 ( 1 ) c a ( o h ) e ( s ) + s 0 2 ( g ) = c a s 0 3 ( s ) + 1 4 2 0 ( 1 ) c a o ( s ) 七h 2s 0 3 ( 1 ) = c a s o z ( s ) + 1 4 2 0 c a ( o h ) 2 ( s ) + h 2 s 0 3 ( 7 ) = c a s 0 3 ( s ) + 2 1 1 2 0 c a o ( s ) + s 0 2 ( g o = c a s 0 3 例 c q s 0 3 ( s ) j r 2 0 2 = c a s 0 4 ( s ) 公式( 2 1 ) 公式( 2 2 ) 公式( 2 3 ) 公式( 2 - 4 ) 公式( 2 5 ) 公式( 2 6 ) 公式( 2 7 ) 公式( 2 8 ) s 0 2 在6 0 时溶解度为0 0 8 3 9 x 1 0 6 m m h g ，而且公式( 2 2 ) 在5 0 时的反应平衡 常数为0 5 3 2 ，生成h 2 s 0 3 较少，因此，公式( 2 5 ) 及公式( 2 - 6 ) 可以忽略。公式( 2 - 4 ) 和公式( 2 7 ) 描述的是干燥吸收剂脱硫反应，在较低的脱硫温度下( o 2 5 不合格 0 1 5 仃 o 2 5 合格 0 - o 1 5优 将上章设置直导流板各个均方根偏差值进行数据汇总以便比较，见下表5 2 ： 华北电力大学硕士学位论文 表5 - 2 数据汇总 均方根 数据汇总入口速度导流板角度与个数 截面1 1截面2 - 2 1 3 m s 0 1 2 2o 1 0 9 不设置导流板 17 4 5 m s 0 1 2 2 0 1 2 1 2 0 m s 0 1 3 2 0 1 2 5 3 0 00 5 7 00 6 6 4 6 块 4 5 00 2 8 7 o 3 3 1 6 0 00 0 9 2o 1 3 4 3 0 00 6 0 30 6 6 3 设置导流板 l7 4 5 m s8 块4 5 0 0 2 9 00 2 7 3 6 0 00 0 6 90 0 8 9 3 0 00 5 7 90 5 8 3 1 0 块4 5 00 3 0 5o 3 1 2 6 0 00 0 9 40 1 1 6 通过对上章的内容进行分析，并对加装直导流板前后计算出的均方根偏差值进 行比较，结合所选截面速度云图的对比，得出结论： 1 ) 在烟道入口选取1 7 4 5 m s 的进气速度合格，不设置导流板时气流分布不均 匀，进气口对面一侧的流速大于进气口侧的流速，并在进气口- - n 存在较大的回流。 2 ) 当在烟道转弯的两个截面上设置6 0 度的直导流板，并使导流板尺寸和间距 都相等，可以改善流场。用均方根值评价方案为优。 3 ) 在设置与所在的截面成6 0 度( 逆时针方向) 的6 块、8 块、1 0 块直导流板 的三种方案中，8 块导流板的流场最均匀，纵向速度云图对称。所以建议在实际应 用中设置8 块6 0 度导流板进行流场调节。 根据设置弧形导流板的计算结果可以看出，在烟气入口烟道内设置弧形导流板 不如分别在两个拐弯处设置直导流板合适，设置弧形导流板没有直导流板的气流分 布均匀。在设置弧形导流板时，当入口烟气速度为2 0 m s 时均方根偏差值最小，即 速度分布最均匀。因此，如果采用入口烟道内布置弧形导流板，选择入口烟气速度 为2 0 m s ，脱硫塔内流场分布较为均匀，脱硫效率较高。 4 3 华北电力大学硕士学位论文 参考文献 1 】中华人民共和国国家统计局中国统计年鉴，2 0 0 7 【2 】中国能源发展战略与政策研究课题组中国能源发展战略与政策研究北京：经济 科学出版社，2 0 0 4 【3 】郝吉明，田贺忠中国氮氧化物排放现状、趋势及控制对策2 0 0 4 中国国际脱硫脱硝 技术与设备展览会暨技术研讨会论文集2 0 0 4 ：2 4 0 2 4 7 【4 魏星，李伟力等脱硫塔气固两相流场优化的数值模拟研究中国电机工程学报， 2 0 0 6 7 【5 】贺亮，张少峰半干法烟气脱硫技术研究现状及进展天津化工，2 0 0 7 ，2 1 ( 2 ) ：1 8 1 9 【6 】王风印，王翠苹循环流化床烟气脱硫技术的研究现状电力环境保护，2 0 0 5 ， 2 1 ( 4 ) ：1 2 - 1 4 【7 】候波中温干法烟气脱硫过程实验研究工程热物理学报，2 0 0 4 ，2 5 ( 6 ) ：1 0 6 1 1 0 6 4 【8 】郭启民，岩田惠明，加藤邦夫粉粒流动层半干式高效率脱硫装置的开发化学工学论 文集，19 9 6 ，2 2 ( 6 ) ：14 0 0 14 0 7 【9 】杨敏，余晓芹吸收塔流场数值模拟分析江西电力职业技术学院报，2 0 0 8 ，2 i ( 3 ) ：4 4 - - 4 5 【1 0 】高继录，陈晓利，高继慧半干法脱硫塔内s 0 2 脱除过程数值模拟东北电力技 术，2 0 0 8 ，7 ：4 - - 5 【l l 】周山明，金保升，孙志翱顺淋脱硫塔喷嘴外流动数值模拟与实验研究热能动力工 程，2 0 0 7 ，2 2 ( 6 ) ：6 7 3 , - - 6 7 6 【1 2 】s q c i r eh b i n v e s t i g a t i o no f t h ei n s t a b i l i t yo f am o v i n gl i q u i df i l m b r i tja p p l p h y s ，1 9 5 3 ，4 ：1 6 7 - 1 6 9 【1 3 】r a v i e i g hl o nt h ei n s t a b i l i t yo f j e t s p f r o cl o n d o nm a t hs o e1 8 7 9 【1 4 】s e n e cpk ，s c h m i i h dp ，n o u a r i ，e t a l m o d e l i n gh i g h s p e e d v i s c o u sl i q u i d s h e e ta t o m i z a t i o n i n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo f m u l t i p h a s ef l o w ，1 9 9 9 ，2 5 ：1 0 7 3 - 1 0 9 7 【15 】n 心删a c h e rs ，p 匝s c h em d e s i g ho fh o l l o wc o n ep r e s s u r es w i r ln o z z l e s t oa t o m i z en e w t o n i a nf l u i d s c h e m i c a le n g i n e e r i n gs c i e n c e 2 0 0 0 ，5 5 ：4 3 3 9 - - 4 3 4 8 【1 6 】钟秦，等燃煤烟气脱硫脱硝技术及工程实例化学工业出版社，2 0 0 2 ，4 ：2 7 5 2 9 5 【1 7 】魏恩宗，等半干法烟气脱硫性能实验及其机理分析电站系统工程，2 0 0 3 ，1 9 ( 1 ) ：4 9 5 2 【18 hy o o n , e t a l p i l o tp r o c e s sv a r i a b l es t u d yo fc o o ls i d e d e s u l p h u r i z a t i o n e n v i r o n m e n t a l p r o g r e s s ，1 9 8 8 ，7 ( 2 ) 【19 】y o o n c o o ls i d ed e s u l p h u r i z a t i o nr e a c t i o n sa n dm e c h a 2 n i s m a m c h e m s o e d i v f u e l c h e m p r e p r , 19 8 7 ，3 2 ( 4 ) ：4 8 4 【2 0 q ：延召，李守伟，李巍半干法烟气脱硫技术探讨2 0 0 7 ，1 0 ：2 2 - 2 4 华北电力大学硕士学位论文 【21 r u i z a l s o p ，rn ，r o c h e l lgt e f f e c t o fd e l i q u e s c e n ts a l ta d d i t i v e so nt h er e a c t i o n o fs u l f u rd i o x i d e 、析md r yc a ( o h 0 2 a i t l e r c h e m s o c d i v f u e lc h e m p r e p r 19 8 5 ，3 0 ( 2 ) ：8 8 【2 2 】高继慧，吴少华，秦裕琨，等3 0 0 0 m 3 h 排烟循环流化床脱硫工艺中试实验研究哈尔 滨工业大学，2 0 0 2 2 5 ( 5 ) ：3 9 - , - 4 2 【2 3 1 张凡，等半干法钙基烟气脱硫技术厶邑源环境保护，2 0 0 4 ，18 ( 1 ) ：4 4 - 4 7 2 4 】a m o l i n a , e ge d d i n g s ，d wp e r s h i n g ，fs a r o f i r n r e a c t i o no f n i t r i co x i d eo nt h ec h a r s u r f a c ea tp u l v e r i z e dc o n c l b u s t i o nc o n d i t i o n s p r o ec o m b u s ti n s t ，2 0 0 2 2 9 【2 5 x uxc ，c h e nch ，q ihy ，e ta 1 d e v e l o p m e n to f c o a lc o m b u s t i o np o l l u t i o nc o n t r o lf o r s 0 2a n dn o x i nc h i n a f u e lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , 2 0 0 0 ，6 2 ：15 3 - 1 6 0 2 6 w a t e rr e c o v e r yf r o mh a tc y c l ee x h a u s tg a s ：ap o s s i b l es o l u t i o nf o rr e d u c i n g s t a c kt e m p e r a t u r ep r o b l e m si n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo fe n e r g yr e s e a r c h ，v21 ，n9 ， j u l ，19 9 7 ，p8 0 9 - 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- i n gf l u eg a s d e s u l f u r i z a t i o nb ys p r a y d r ya b s o r p t i o n s e p a r a - t i