（化工过程机械专业论文）循环流化床流场分析与研究.pdf

摘要 本文以循环流化床为对象研究循环流化床的流动特性，自行设计并建 立了一套气固循环流化床装置，并从不同角度对气固循环流化床的流动特 性进行了研究:通过实验研究了提升管内的压降分布情况和固相含率的分 布情况，引入固相含率轴向分布不均匀度刻画固相分布的不均匀现象。讨 论了气速和加料量对压降轴向分布、固相含率轴向分布和固相含率轴向分 布不均匀度的影响作用;应用f l u e n t 软件对实验装置的流场进行了模拟分 析，研究了压强和速度在流场内的分布情况，并根据分析结果对入口结构 进行了改进。为开发大型循环流化床脱硫设备提供了一定的依据。 关键词:循环流化床两相流分布不均匀度压降 a b s t r a c t i n o r d e r t o d e s i g n t h e i n d u s t r i a l e q u i p m e n t f o r d e s u l f u r i z a t i o n o f f u e l g a s w i t h c ir c u l a t i n g fl u i d i z e d b e d ( c f b ) . a s e t o f e x p e r i m e n t a l c i r c u l a t i n g fl u i d i z e d b e d d e v i c e w a s d e s i g n e d , w i t h w h i c h e x p e r i m e n t s w e r e c a r r i e d o u t t o d e t e r m i n e t h e d i s t r i b u t i o n o f p r e s s u r e d r o p a n d s o l i d p h a s e s c o n c e n t r a t i o n i n t h e d i r e c t i o n o f a x i s . mo r e o v e r , t h e e ff e c t o f o p e r a t i n g c o n d i t i o n s o n t h e fl o w w a5 u n e v e n n e s s o f t h e d i s t r i b u t i o n o f p a rt i c l e p h a s e a lo n g t h e r i s e r w a s t h e u n e v e n n e s s . i n v e s t i g a t e d a n d c a l c u l a t e d t o s h o w f l o w f i e l d i n t h e e x p e r i m e n t a l c f b d e v i c e w a s s i m u l a t e a n d a n a l y z e w i t h t h e h e lp o f f l u e n t 6 . 0 , i n c l u d i n g t h e d i s t r i b u t i o n o f p r e s s u r e a n d v e l o c i t y . s o m e c o n c l u s i o n s s h o w e d t h a t t h e i n l e t s t ruc t u r e ma d e s o m e b a d e ff e c t o n t h e f l o w f i e l d , b a s e d o n w h ic h n e w p l a n w a s p u t f o r w a r d a n d c o m p a r e d w i t h t h e f o r m e r . k e y w o r d s : c f b t w o p h a s e fl o w d i s t r i b u t io n u n e v e n n e s s p r e s s u r e d r o p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果， 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己经发表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果， 也 不 包 含 为 获 得 k全- 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己在论文中 作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名:签字日期:年月 1 学位论文版权使用授权书 本 学 位论 文 作者 完 全了 解 ki 大 . 兰有 关 保留 、 使 用 学 位论 文的 规 定。 特 授 权 玉 .圭垫乞可以 将学 位 论 文的 全 部 或 部 分内 容 编 入 有 关 数 据 库 进行 检 索，并采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、 汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和磁盘。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学 位 论 文 作 者 签 名 : 贾 郁 导师签名:知乞 签字门期:年月日 签 字 日 期 码 年 z 月 刁 日 前 一一 ， . . . . . . . . . . . . . . . .， . . . 月 ij舌 中国是世界上唯一以煤为主要能源的国家。随着煤炭消费的不断增 燃煤排放的二氧化硫不断增加 所造成的污染问题 日益严重。 连续多年超过两千万吨，居世界首 就目前的技术水平和现实能力而言，烟 长位 气脱硫 ( f g d)仍是降低二氧化硫排放量最经济、有效的办法。加快实现 火电厂烟气脱硫技术和设备的国产化，适应二氧化硫处理的需要，迫在眉 睫。 应用循环流化床 ( c f b)进行烟气脱硫可以实现高脱硫率和脱硫剂的 高利用率并且不会造成对环境的二次污染，因而成为国内新兴的研究方 向。目前，国内关于大型循环流化床脱硫装置应用于工业烟气脱硫方面的 研究还很不成熟。本课题作为研发大型循环流化床脱硫装置的第一步，其 重点在于设计循环流化床脱硫实验装置并对所设计的流化床实验装置进行 流场分析，进而进行流态化冷模实验以研究庆内两相流动特性。 第一章 文献综述 第一章 文献综述 1 . 1选题的背景和意义 我 国 目前 的大气环境污 染仍然 以煤烟型 为主 。 酸 雨问题依然严 重。1 9 9 8年全国 s o , 的排放量为 2 0 9 0万吨。以煤烟型为主的大气 污染导致酸雨的覆盖面积约占国土面积的 3 0 % ，降水年均 p h值低 于 5 . 6的城 市 占统计城市数 的 5 2 . 8 % 0 7 3 . 0 3 % 的南方城市 降水年均 p h值低于 5 . 6 ，华中酸雨区中心区域降水年均 p h值仍低于 5 . 0 , 酸雨频率在 7 0 % 以上。南部沿海部分城市降水年均 p h值逐年降低， 酸雨出现频率逐年上升。酸雨治理工作仍然任重道远。 我国现有工业锅炉 ( 含采暖锅炉) 约 4 3万余台， 年耗原煤 3 亿多吨， 占全国煤炭消费量近 3 0 % 。大多数中小锅炉的烟气除尘采用旋风除 尘器，无脱硫能力，除尘效果也不尽如人意，尤其对细小颗粒捕集 能力较差。自从 1 9 9 8年国务院颁布了 酸雨控制区和二氧化硫污 染控制区划分方案之后，对脱硫提出了更高的要求，迫切需要脱 硫除尘设备。 面对如此状况，开发制造出适合于锅炉烟气脱硫除尘 一体化的设备具有重要的意义 ， 。 中国是世界上唯一以煤为主要能源的国家，也是世界上煤烟污 染物排放第一大国。目前我国共装备工业锅炉约 4 2万台，年消费 原煤 1 2亿吨。1 9 9 7 年我国因燃煤所排放的 s 0 2 己达 2 0 4 2万吨，占 全国总排放量的 8 7 % ， 烟尘达 1 1 2 4 万吨， 占全国总排放量的 6 0 % - 3 。燃煤排放的煤烟型污染物己经在我国形成了很大的危害，降水 p h值小于 5 . 6的区域迅速扩大，已占国土面积的 4 0 % ，而且都在我 国的经济发达地区。 估计 2 0 0 0 年的s 0 2 排放量至少在 2 5 0 0 万吨 4 3 烧煤所造成的酸雨污染 己成为制约我国经济和社会可持续发展的 一个重要因素 。 第一章 文献综述 8 0年代以来，为改善环境质量，国家在全国范围内划定烟尘控制 区，有力地推动了烟尘污染治理工作。电除尘等高效除尘设备 比例 不断增加. 特别是在电力行业 ” ， 烟尘排放得到了有效控制。 例如: 在电力行业中.1 9 9 6年和 1 9 8 0年相比，尽管火电装机容量和燃烧 煤量分别增加 了 3 . 2 7倍和 2 . 8倍，但烟尘排放量却从 3 9 9万吨降 至 3 7 0万吨 。1 9 9 7 年全 国烟尘排放量 比 1 9 9 6年减少 1 5 0万 吨 。然 就 s 0 2 而 言，由于技术与经济方面原因， 目前尚未得到有效控 且以每年 1 0 0万吨的速度在递增，因此，符合我国国情的低费 而制 用烟气脱硫技术将要大力开发， 而兼顾除尘脱硫的一体化装置研究 将成为我国锅炉污染控制的一个热点【 ，。 1 . 2脱硫装置现阶段的发展状况 目前国内外关于脱硫除尘的方法很多，单就烟气脱硫来讲，可 将 目前 国内外所研 究开发的脱硫 除尘一体化 装置 分为湿 法， 干法 和 半 干 法 7 - l01 1 . 2 . 1 湿式除尘脱硫一体化装置 1 . 2 . 1 . 1文丘里、水膜除尘脱硫装置 我国燃煤工业锅炉和电站锅炉中有 6 0 % 左右是应用文丘里、水 膜除尘脱硫装置。其除尘效率约为 8 5 %- 9 0 %，脱硫效果一般 比较 低，不用碱液时只有 1 0 %左右，使用石灰浆也在 4 0 %以下。其脱硫 效果主要在文丘里中完成。 为达到耐磨防腐 目的， 装置用麻石构筑， 或在金属筒体内衬复合材料。使用石灰液时，水膜除尘器的溢流堰 易堵塞。 这种装置的主要技术参数是: 液气比。 . 2 - 0 . 5 l / n m 3 ， 阻力 7 0 % ，除尘 9 9 % 。阻力小于 1 5 0 0 p a ，液气比 2 -5 l / n m .国内己有数套该工业 第一章 文献综述 装 置推 广 。 . 2. 1 .5气 动乳 化脱 硫 除尘 装置 1 9 9 4 年以来.国内有人开发了气动乳化脱硫除尘一体化装置， 并应用到 1 6 万 n m / h r锅炉上。气体乳化除尘脱硫设备由三部分组 成 。气体首先进入均气 室 ，然后被均匀送 入各个气 动乳化 过滤元件 组.最后合流通过气液分离室。该装备除尘效率达 9 5 % -9 9 % ，脱 硫效率 7 5 % - 9 0 % ，系统阻力小于 1 2 0 0 p a ，水气比 0 . 2 -1 l / n m ,净 化气含水 7 0 % , c a: s =1 . 3 1 . 5 ，粒状 c a ( o h ) z 粒度2 s ，耗电量 占发电机组的 0 . 2 % 。喷射点烟尘浓度1 0 8 g / m 3 ，我国杭钢焦化热 电厂上三套 1 0万 n m / h的装置。 2 . 2 . 3等离子体烟气除尘脱硫一体化装置 等离子体烟气除尘脱硫一体化装置也是近几年发展的新技术 装置。该装备工艺流程是:烟气4静电除尘器今热交换至烟气 6 5 - 8 0 0c 4混氨4等离子体反应器4e s p 或布袋。 等离子体工作原理为: 烟气通过脉冲 放 电产生 的低温离子体 ，其 中含有 大量活 性 电子 、离 子、激发态粒子和光子。这些活性粒子和气体分子碰撞，从而打开 气体分子键，生成一些单原子、分子和固体微粒。另一方面产生大 第一章 文献综述 量 o h - , h o , 等 自由基和氧化性极强的 0 , 。由这些单原子、分子基 和 0 ， 等组成的活性离子所引起的反应是将 s o , , n o x转变成 h s 饥 和 h n o , 。 注入 n h 。 后凝成硫铰和硝钱。 飞灰具有强烈催化吸收作用， 可使脱硫率提高 3 1 % 。作为产物收集器的布袋也能起反应器作用， s o : 气体穿过石灰层 ， 部分 s 0 在布袋里被除去， 可提高脱硫率 1 0 % 一 2 0 % 。 意大利 e n e l公司在 m a r g h e r a热电厂上了该装置， 脱硫率 8 0 % , 脱 n o x率 5 0 % -6 0 % ，气体在等离子反应器中停留时间 l o s左右， 烟气相对温度 1 0 0 % , n h , 化学计量 1 : 1 。我 国成都热 电厂有 3 0万 n m / h r的工业装置。该工艺流程简单，可回收副产物，部分降低了 装 置 的运行 费用 。 1 . 2 . 3半干法锅炉烟气除尘脱硫一体化装置 半千法介于湿法与千法之间，具有代表性的一体化装置有: 1 . 2 . 3 . 1喷雾干燥法一体化装置 炉内喷钙增湿脱硫是一种投资很低的技术，但效果一般在 3 0 % 左右。喷钙后烟气中粉尘量增加，电阻提高，增加了电除尘器的负 荷。为提高脱硫率及钙的利用率，可在炉内喷钙后，电除尘之前， 采用烟气喷钙增湿活化技术，对烟气喷钙及对脱硫剂进行活化，降 低钙基脱硫剂的比电阻，提高收尘率及硫的转化率。这种联合脱硫 除尘技术，脱硫率可达 8 5 % ，且不会因过高地炉内喷钙造成换热管 结垢及降低炉温。 南京下关电厂的二套 1 2 0 m w发电机组应用了该技 术。其主要技术经济指标为:钙硫比 1 : 2 . 5 ，石灰石粉细度 3 2 5 目筛余 2 0 % ，电除尘出口温度 7 0 0c，对锅炉效率影响小于 0 . 6 1 % . 该方法占地不大，适合旧电厂改造，且无废水排放。 第一章 文献综述 1 . 2 . 3 . 2 、排烟循环流化床脱硫除尘的联合装置 德国鲁奇公司开发的排烟循环流化床脱硫除尘 ( f g d -c f b )的 联合装置。排烟通过固体吸收剂流化床 ，固体吸收剂与 s 0 2充分接 触，且强烈进行传质传热。运行温度降至露点附近，仍不会在反应 器壁面结垢 。由此 带来极 大益处 :脱硫 剂的高利用 率和 高脱硫 率 。 对高硫煤也能达到 8 0 % -9 0 % 脱硫率 除尘效果可 以保证 。该装 置 占地大 ， 。其后接 电除尘或袋收尘器， 运行 可靠 ，投 资 大 ， 适 中。该装置业 已应用 1 9套 技术参数为:c a : s = 1 . 1 - 1 . 3 , 最 大的为 2 0 0 m w发 电机 组 运行 费用 。其 主要 排烟温 度约为 7 0 c，吸收剂平均粒 径为 1 0 0 - 1 2 0 u m ,床重 1 8 -5 3 k g / m 2 ，压降 2 0 0. 5 3 0 p a ，气速 0 . 2 5 - 0 . 4 m/s 。适 合 旧 电厂 改造 。 1 . 3 较 高 流化床用于 电厂锅炉烟气脱硫研究的进展 湿法洗涤具有脱硫效率高的特点， 但投资大， 运行及维护费用 ，脱硫产物为湿态，易造成二次污染;普通千法投资少，但脱 硫 效率低 ，并且钙利用 率低 ，造成脱硫剂浪 费严重 。基于 以上的认 近 1 0年来人们开始将注意力集中到循环流化床烟气脱硫工艺 并做了大量的工作 2 一 ” 。 识上 1 . 3 . 1 循环流化床烟气脱硫的产生及其特点 循环流化床烟气脱硫工艺( f g d c f b ) 是由德国鲁奇( l u r g i ) 公司 于 8 0 年代后期开发的一种新的半干法技术 i l 。这种工艺以循环流 化床原理为基础，通过对吸收剂的多次再循环， 延长吸收剂与烟气 的接触时间，大大地提高了吸收剂的利用率和脱硫效率。f g d c f b 工艺与循环流化床锅炉相似， 它使床内达到一种激烈的湍流状态从 而加强了吸收剂对二氧化硫的吸收。 高温烟气在湍流床内与石灰浆 第一章 文献综述 很好的混合， 二氧化硫被吸收后转变成为钙的亚硫酸盐和少量硫酸 盐，反应后的固体颗粒物从床中移走 。强烈的湍流状态以及高的颗 粒循环 比提供 了连续 的颗粒接触 ， 颗粒之间的碰撞 使得 吸收剂表面 的反应产物不断的磨损剥落， 从而避免了孔堵塞造成的吸收剂活性 下 降。 新 的石 灰表 面连续暴 露在气 体 中， 强化 了床 内的传质和传热 。 它不但 具有干法脱硫 工 艺的许 多优 点 ，如流程简单 、占地 少、投资 少以及副产物可利用等， 而且能在较低的钙硫比情况下接近或达到 与湿法洗涤工艺相同的脱硫效率。如 n e a t h e r y 等人 ， 用循环干洗 气系统进行脱硫实验时，用燃烧丙烷的产物做模拟烟气 ，s 0 2 用钢 瓶加入， 进口浓度为 1 7 0 0到 2 5 0 0 p p m 。 反应器高 3 . 6 6 m ， 直径 0 . 3 1 m . 旋风除尘收集的固体颗粒回送至反应器以维持一定的床 内固体颗 粒物浓度，石灰浆的质量百分比浓度为 2 5 % -3 0 % ，并掺以飞灰， 钙硫比为 1 . 3 ( 1 . 0份新鲜石灰浆，0 . 3份的熟化副产物) ，在最佳 工况下，脱硫率可以达到 9 0 % 。又如高金和等人 1 5 ， 采用循环流化床 进行烟气脱硫实验时，当t =4 2 3 k 、停留时间 t , = 1 s 和 c a / s =1 . 5 时，二氧化硫 的脱除率可以达到 8 4 . 8 % . 1 . 3 . 2循环流化床烟气脱硫设备的几种形式 像许多干法脱硫工艺一样，f g d c f b工艺的反应温度需控制在 烟气的露点附近。通常地 ，反应器内部不设任何附件 。f g d c f b工 艺设备 的几种形 式在 固体颗粒 回送 至反应器 的方式 、 增湿活化 以及 通过位于反应器内部的再循环来增强传质等方面略有不同。 第一种形式，烟气通过一个文丘里段，然后与吸收剂 向上并流至反 应 器 。新 鲜 的消 石 灰 和增 湿 水在 文 丘 里段 的上 部加 入 ，经 过 反应 的 固体颖粒由除尘器收集后从增湿水的正对面下方加入。 鲁奇( l u r g i ) 公司采用这种 形式对燃煤 电厂 的烟气进行 同时脱硫 脱氮 ， 能分别达 到 9 5 % 和 9 0 % 的脱除率。 东南大学热能所于 1 9 9 9年 6月建成的一套 相当于 2 t / h 锅炉用 f g d c f b中试装置，采用的也是这种形式 1 6 1 第一章 文献综述 八 泪丫1 图 i -1循环流化床脱硫工艺流程 f i g . i 一 1 f l o w c h a r t o f t h e d e s u l f u r i z a t i o n w i t h c f b 在第二种形式里，消石灰、水或水蒸汽、再循环的固体颗粒从 反应器的底部单独加入。反应器的工作状态事先调好，使床 内固体 颗粒形成从反应器顶端到底端的内部回流， 这样可以使反应器内部 气固相强烈混合，达到良好的传质传热效果。 据报道这种回流方式 可 以达 到 2 5 % - 5 0 % 外部循环相 同的效果 。w u l f f 公 司在 这方面有 7 0 0 0 0 h的实际操作经验， 脱硫率达到 9 7 % 。 他们还将在澳大利亚建 成与 3 0 0 m w e的火电厂配套的回流流化床烟气脱硫工程。 在上面提到的两种形式中，既可以用布袋除尘器 ( f f ) 也可以用电 除尘器 ( e s p ) 分离烟气中的固体颗粒，然后使它们返回到 c f b反应 器里以维持恒定的床内固体颗粒物浓度。 在 第 三 种 形 式 里 ，也就 是 被 称之 为气 体 悬 浮 吸 收 塔 ( g a s s u s p e n s i o n a b s o r b o r ，缩写 g s a ) 反应器。它具有与以上两种类似 的反应器形式 ，但在反应器与 e s p或 f f之间加了一个旋风除尘器 来循环固体吸收剂。g o s s 采用 g s a技术可以得到 9 0 % 以上的 s 0 2 脱 第一章 文献综述 除率 1 7 1 。丹麦 f l s m i l j 。公司开发的 f l s -g a s 气体悬浮吸收塔也 采用这种形式 ，并且对重金属汞 、锡有 9 0 % 和 9 5 % 的脱 除率。 目前，在各先进国家探索的低费用烟气脱硫技术中，普遍认为烟气 脱硫剂悬浮循环技术 ( g s a)或排烟循环流化床脱硫技术 ( f g d - c f b)是 最有 前途 的脱硫 技术之一 ，其投资费用 为湿法烟气脱硫装 置的 1 / 2 ，运行 费用也较低 。 目前该技术 的 2 0 0 mwe干法排烟循环 流化床脱硫系统已投入使用 1 8 1 国内方面 ， 中绿环保 公司在江苏无锡建设 了中国第 一套 商业运行 的 循环流化床烟气脱硫装置0 2 0 0 0年 1 0月， 无锡化工集团公司 6 5 t / h 热电锅炉的国产烟气循环流化床脱硫工程竣工。 烟气处理量 1 0 0 %, 设计煤种硫含量 1 . 0 %， 烟气量 1 1 0 0 0 0 n m 3 / h ， 脱硫效率 9 0 %， 脱硫 剂为电石渣，钙硫比 1 . 1 -1 . 2 。烟气循环流化床法脱硫工艺的运行 费用和设备投资只有石灰石石膏法的 7 0 %。 其主要缺点是烟气脱硫 系统的压降较大，需要增加脱硫风机 1 9 1 1 . 3 . 3 循环流化床烟气脱硫模型及影响因素 1 . 3 . 3 . 1 脱 硫模 型 1 . 3 . 3 . 1 . 1脱硫 反应机理 已有的研究成果表 明床 内的脱硫反应主要分 以下几个步骤完 成 2 。 一 ” : ( 1 ) s o : 从气相主体向浆滴表面扩散; ( 2 ) 浆滴表面对 s 0 2 的吸收; s o , ( s ) * s o , ( ) ( 1 一 1 ) ( 3 ) 溶解的s 0 2 形成 h s o , 一 和 s o 3 2 - s o , ( 1 ) + h , 0 ( l ) c a h- + h s o , ( 1 一 2 ) 第一章 文献综述 ( 4 ) 浆滴中亚硫酸根的扩散: ( 5 ) c a ( o h ) 2 颗粒 的解 : c a ( o h ) 2 -c a ( o h ) 2 ( l ) 。c a t + 2 0 h - ( 6 ) 亚硫酸钙的生成: c a t + s o , - + 月 h 20 (1) 。 c a s o 3 月 h 2 0 (s ) 总 的反应 : c a (o h ) 2 + s 0 2 。 c a s o , . 万 h 20 + 形 h 2 o 部分产物在多次循环过程中被 0 2 氧化成硫酸钙 2 c a s o 3 名 h 2 0 + 0 2 一 。 s 0 , + h 2 o ( 1 一 3 ) ( 1 一 4 ) ( 1 一 5 ) 其氧化反应式为: ( 1 一 6 ) n e a t h e r y 2 1 运用双膜理论并考虑 c a ( o h ) , 浆滴在反应器里的蒸 发时 间推 导 出一个 总脱硫 效 率方 程 : ( 1 一 7 ) 二， . ,6 - h c ba， ， _ 。 、 a) . = 1 + 二 二 二 二 竺 竺 ( 1 一 8 ) p a . 式中，。 一 增强因子;k i c * e r 一 标准状态下的液相传质系数;w 一 浆 滴的重量百分 比浓度;w + r 一 标准状态下浆滴的重量百分比浓度;h - 亨利常数;p。 一 溶液密度; k w 一 气膜传质系数; p w 一 水的蒸汽压: p a , t 水的饱和蒸汽压。 j i n g等 2 2 1 假设反应器内气相主体为活塞流，固相主体为全混流 并且床内不存在气泡的状况下，导出稳态下 s 0 2 在气相和固相中的 物料平衡关系式如下: d c 刃 。 3 ( 1 一 : 、 “ ，- ， r ， _ 、 _ 。 . 三 二竺 g=一 二 五 立 一 i i 兰生 _ 卫 p . ( r) d r ( 1 一 9 ) d z 4 1 r 了 r 边 界条件 : z = o c , = c o a g ; z = h , c a i = c 沁( 1 一 1 0 ) 其脱硫效率 几可表示为: 第一章 文献综述 呻丁。 3 ( 1 一 二 ) h k , (i 一 .y . f 3 _ _ _ 、 一式( k) d r r 一 夕 ( 1 一 1 1 ) 一 厂了leseswewe、 p x c - 1.1 一- 口 式中，。 一气体通过反应器的流速;c a , - s o : 在气相中的浓度;z 一床高变量; 一床层空隙率;r 一吸收剂颗粒半径;r s o 2 ( r ) 一对 应于颗粒半径 r的 s o : 反应速度;p , ( r ) 一床层颗粒分布函数，h - 床高;k : 一反应速率常数:x 。 一床上固体颗粒平均转化率。 谭忠超等 2 3 - 2 4 3 对脱硫过程进行模拟分析时， 建立起一个温度沿 床高变化的循环流化床烟气脱硫模型。 其每一微元 内的脱硫效率可 用 下式表 示 : k .a p . 、 h p , a t ) ( 1 一 1 2 ) - 训飞 x e 一 r.，.eseswel fl h c so ， 二 i a k s o : 二 i i 十 i x l p - 该模型计算结果表明脱硫效率和实验结果较好吻合。 1 . 3 . 3 . 2 脱硫效率的影响因素 1 . 3 . 3 . 2 . 1 床内固体颗粒物浓度 循环流化床具有较高的脱硫效率， 其中一个很重要的原因就是 在反应器中存在飞灰 常可达 0 . 5 - 2 . o k g 、 粉尘和石灰的高浓度接触反应区，其浓度通 m ，相当于一般反应器的 5 0 -1 0 0 倍。j i a n g 等通过实验发现床内颗粒物浓度从 1 3 . 3 到 2 6 . 6 k g二 一 ， 之间变化时， 脱硫率从 1 0 % - 5 7 % 上升到 2 3 % -8 7 % 。张凡等 2 5 ， 发现通过脱疏灰的 循环利用，使 c a/ s摩尔比为 1 . 5 1 . 7之间时，脱疏率超过 8 0 % a 1 . 3 . 3 . 2 . 2 钙 硫 比 脱硫效率随钙硫比的变化相对比较简单，当钙硫比增加 效率也随着显著的增加。但是，当钙硫比增加到一定的值时， 脱硫 脱硫 效率的增加会趋于平缓直至不变。n e a t h e r y 1 4 1 、高金和等 . 5 ， 的研 第一章 文献综述 究证明了这点。这也和其它干法脱硫一致的。 1 . 3 . 3 . 2 . 3 绝热饱和温差 绝热饱和温差是指烟气 出口温度 与绝热饱和温度 的差值 。 一方 面 ，降低绝热饱和温 差有利 于脱硫 效率 的提 高 ;另 一方 面 ，绝热饱 和温 差过低又会 引起 烟气 结露，造成对 设备 的腐蚀增加 ，从而使设 备维护 费用 加大 。典型 的工况下 ，可将绝 热饱和温 差控 制在 1 0 - 2 2 左右。钱枫等 2 5 1 发现脱硫率受烟气中相对湿度的影响非常明 显。在实验范围内，相对湿度由 2 4 % 增加至 6 1 % ，脱硫率由 3 9 % 增 加至 6 2 % ，增加将近 1 . 6倍;同时看 出相对湿度对脱硫率的影响趋 势，相对湿度较小时影响较大，反之亦然。张伟等 2 7 1 对反应塔湿 壁现象进行了分析，阐述 了湿壁的非塔结构因素。 1 . 3 . 3 . 2 . 4入口烟气温度 樊保国 2 e 等认为脱硫效率受浆滴蒸发过程的制约， 在其它参数 不变的条件下，床内温度的升高不仅使露点温差增大，而且会加速 蒸发过程，从而降低气体和 c a ( o h ) : 的有效反应时间，导致脱硫率 下降。高金和 l 5 也得到了同样的结论。陆永琪等c 2 9 ) 对烟道喷浆烟 气脱硫技术进行研究发现提高烟气入 口温度有利于脱硫反应速率 的增加 。 1 . 3 . 3 . 2 . 5 气体停留时间 n e w t o n 等 2 u 7 认为s 0 2 脱除反应大部分都发生在 1 -2 s 的浆滴蒸 发期内，当液相蒸发完毕时， 反应基本停止。陆永琪等 1 9 1 在实验中 通过调节烟气流量来改变烟气停留时间发现 t ， 由 3 . 3 s增至 4 . 4 s . 脱硫效率没有显示出随时间变化的规律性。 高金和在气体停留时间 为 i s的条件下 ，得到 8 4 . 8 % 的脱硫率 。 1 . 3 . 4 . 气固循环流化床气固模型研究 由于循环流化床提升管中气固流动结构非常复杂: 因此精确的 实验测试和建立普遍适用的数学模型是相当困难的， 甚至是不可能 第一章 文献综述 。 : 一 0 - p , + .f + ， 户 ， 9 (1 一1 9) v p e - 、十/ p 左 v p p -1 p - 、lesesj/ g 封 v pk e k au u( at 11 + 0 au gat + ug( e g ) - v : 一 几+ e g p 8 9 (1 一 u口 、 2 0) 方程中 : 、 c。 分别为气、固相的体积含率;u 。 分别为气、 固相的平均速率;p s p。 分别为气、固相的微观密度;。 为气相 平均应力;p p a 。 为固相压力;f 。 为气、固间曳力。作者利用以上方 程，并借助有限元计算方法对其进行了数值模拟，结果认为，颗粒 的聚集与再分散在流化床系统中起着主导地位 ， 在建立模型时必须 优先考虑局部流动结构对宏观流动特性 的影 响。 k r u s e和 w e r t h e r ( 4 7 则根据 s c h o e n f e l d e r等【 4 8 ， 将流化床提升 管分成底部密相区、喷射区、内循环区和出口区四个区域的工作， 并在一系列假设的条件下 ， 对提升管中内循环区提出了两维流体力 学模型，认为在此区域中气固流动相总体是 由两部分组成:一是颗 粒含率较低整体向上流动的连续相一一疏相; 一是颗粒含率较高整 体向下运动的分散相一一密相。 密相在靠近边壁区较高，以后沿着 径向向内依次递减。结果认为，提升管截面平均颗粒含率与截面的 相对位置有关，要合理运用二维流体力学模型，必须考虑到局部参 数对提升管径向和轴向流动结构的影响。 虽然两维模型的物理意义合理，与部分实验结果相吻合，但是 由于湍动流现象过于复杂，对引入 k - e湍动流模型是否合理还有 待进一步验证， 且这些模型主要都是针对循环流化床提升管中完全 发展区提出的，因此，到目前还没有统一的机理模型能够解释所有 的颗粒相互作用的特征，所以，对发展适合于循环流化床操作系统 的两维模型，仍是急需解决的问题。 1 . 3 . 5需要的工作 像所有的干法工艺一样，f g d c f b 的副产物中亚硫酸钙 的含量 第一章 文献综述 大于硫酸钙的含量，这也是它的缺点之一。并且，为了达到高的脱 硫率而 不得不在烟 气露 点附近操作 ， 从而造 成 了吸收剂在反应器 中 的附聚。这些都是 f g d c f b工艺有待改进的方面 。同时，循环流化 床内涉及多相流动，内部流场比较复杂，流动分析和传质传热模型 需进一步完善。本文利用 自行设计的循环流化床 ，通过模拟和实验 的方法 分析 了循环流化系统 内的单相流动特性 和 多相流动特性 。 为 研发大型 f d g c f b设备提供了一定的依据， 为继续的实验研究打下 了基 础 。 第二章 流化床系统设计与计算 第二章 流化床系统设计 与计算 2 . 1 工 艺 流 程 设 计 旋风除a =.提升节 芍 布 袋 除 尘 器 去 引 风 机 八了 审 回 舫 环 流ifk t- !j n水 n 来 自鼓 风 机 图 2 - 1循 环 流 化 床 脱 硫 工 艺 流 程 f i g . 2 一 i d e s i g n e d f l o w c h a r t o f t h e t e c h n i c s o f d e s u l f u r i z a t i o n wi t h c f b 工艺流程如 图 2 - 1所示 ，含有二氧化硫 的烟气 风机的作用下 ， 通过进风 口进 入文丘里 分布 器底 部 的风 室 ，之后烟 气 以较高速 度通 过 喉 口 ， 吸 入 系 统 高速气流造成负压 ，将吸收剂 ( 主要成分为氧化钙粉末 ) 吸 收 剂 被 喷 淋 雾 化 器 喷 出 的水 增 湿 ， ( 流 化 床 主 床 体 ) 内 充 分 混 合 ，经 过 碰 撞 、扩 散 并与烟气在提升管 润 湿 及 化 学 反 应 吸收过程 ，将烟气 中二氧化 硫 除去 。 升 管 排 出的产物 包括 亚硫 酸钙 和硫 酸钙 两种 ( 当不设 置前 除尘器 还含有所有的粉尘 ) 。 反应后的物料及部分 未反应的物料被 高速气 流带 出流化床提 。气流 沿 圆周切 线方 向进入旋风分离器 后 ，依靠 离心惯性 力将 第二章 流化床系统设计与计算 所携 带 的物料 甩 向筒壁 。分 离后 的净化气体 经 随后的布袋 除尘器进 一步除尘后排 出:而大部分 的物料颗粒沿旋风分离器内壁下滑到收 集 段 后 ， 经 星 型 卸 料 器 返 回 到 流 化 床 提 升 管 继 续 参 加 循 环 ，部 分 反 应 生 成 的 亚 硫 酸 钙 和 硫 酸 钙 沉 积 到 旋 风 分 离 器 下 部 的 尘 粒 储 室 ，并 被定期 的从排料 口清 走 。 2 . 2 .流化参数计算 2 . 2 . 1流态化的形成条件 流态化是 以流体使 固态物质流化 的一种操作状态，当气体 向上 运 动 所 产 生 的 曳 力 等 于 固 体 颗 粒 的重 力 时 ，固 体 颗 粒 开 始 出现 流 态 化现 象并形成流化床 ，如果 不考 虑流 体和颗 粒 与流化床反应器 内壁 之间的摩 擦损 失 ，则根据 静 力学分析 ，床层 压 降全部转化为流体对 颗 粒 的 曳 力 ，用 公 式 表 示 为 : a p - 杏= ( a f 崎) ( 1 一 f ) p , g + e , p g g l (2 一 1) 由上 式 可 得 : 如 _ 八 几 了 一=k 1 一 fj p ., g一0 m f p g g o f (2 一 2) 在起 始流化 的床 层 中 ，其空隙率略大 于 固定床 层 的空隙率 ，流 化床层呈最松散状态。 对于随意填充的粒度均匀的颗粒床层， e r g u n 得出了计算固体床层压力降的半经验公式 ( e r g u n 1 9 4 9 ) : a p . - . ( 1 一 e ) z f j p u o _ - 1 一 : 。 p p u l 下 ，=l d u -3 一 一万 二 - 兀 灭 万+ l l ) 一 - 3七二下 二 i ! 0 6 0 k v . u . ) e o (p s ( 4 , (2 一 3) 联立公式 ( 2 - 2 . 2 - 3 )求解 ，可得 出临界流化时的表观速度 u m f 的二次方程式 : 15 0 (1- e f ) r d ,u f o gi 3 = d ,3p g (p s 二 p g )g 0 6 . ftp gli g (2 一 4) + 令 ，.1.j 式中:盛 一流化颗粒的球形度。 第二章 流化床系统设计与计算 2.22初始流化速度 u m f的计算 ( 利用e r g u ” 公式) : 进 一 步简化 ( 2 - 4 )式 ，当雷诺数较低 时 ，忽略式 中粘度 损 失项 ( 第 一 项 ) : 当 雷 诺 数 较 高 时 ，忽 略 式 中 动 能 损 失 项( 第 二 项 )可 得到简化 的 e r g u n 公式 : ( 1 ) 当雷诺数 r e 1 0 0 0时: u 2- f d , 协 ， 一 p f 坛 2 4 . 5 p , ( 2 一 6 ) 根据经验入 口温度 1 4 0 的烟气通过 一次喷淋水 后 出口温度为 6 5 - 7 5 0c，设 定 气 体 的 定 性 温 度 t = 7 0 c; 根据 煤粉炉排尘颗粒 大部分在 颗粒的最大粒径:d p = 7 4 x 1 0 4 m ; 气体密度p r = 1 m9 k g i m ; 7 4 u m 以下 ， 所 以计算选取物料 物料密度p p = 2 4 0 0 k g / m ; 气体的粘度e t = 2 .0 6 x 1 0 s p a - s 当雷诺数 r e 1 0 0 0时: d , 伽 ; 一 p i )9 2 4 . 5 p f _ 7 4 x 1 0 - 6 2 4 0 0 一 0 2 9 ) x 9 .8 1 2 4 . 5 x 1 . 0 2 9 呱 从 而 可 得 u f = 0 .2 6 m / s 取气速2 . 5 8 m / s ( 见2 . 3 . 1 . 1 之气速计算) ， 第二章 流化床系统设计与计算 r ,二 7 4 x 1 0 - x 2 . 5 8 x 1 . 0 2 9 2 . 0 6 x 1 0 - 6 =9 . 5 4 故取 u m f = 3 . 7 9 x 1 0 - 3 m / s 2 . 2 . 3 计 算 所 能流 化 的 最大粒 径 d p : 在气速为 u = 2 . 6 5 m l s时( 见2 . 3 . 1 . 1 之气速计算) d , u - f 1 6 5 0 p 2 . 6 5 x 1 6 5 0 x 2 刀 6 x 1 0 - (p ， 一 p j 1 . 9 6 x 1 0 - 3 m(2 一 7) 介 ( 2 4 0 0 一 1 . 0 2 9 ) x 9 . 8 1 柳|曰 22 4颗粒输送速度u , 的计算: 2. 2 4 . 1计算单颗粒终端速度 ( 悬浮速度)u . : g d n (p ， 一 p r ) u,= 1 吕 户 r e , 0 . 4(2 一 8) u ,= 0 . 4 re , 5 0 0 (2 一 9) r e , = 心. u ， . p 8 p ( 2 一 1 0 ) 利用试差法试差得 r e , = 2 . 1 ，则由式 ( 2 - 7 )可得粒径为 心= 7 4 u m的颗粒 的单颗粒 沉 降速度为 : u , = 2 d p (p s 一 p f )g r 0s _ 1 5 p f 2 x 7 4 x 1 0 - 6 x 2 4 0 0 一 1 .0 2 9 ) x 9 .8 1 x 2 . 1 0 1 5 x 1 . 0 2 9 =0 . 5 7 m / s 2 . 2 . 4 . 2计 算 输 送 速 度 u t r 0.121r q 0.468t 一 17 7 4 x 1 0 - 6 0 . 21 8 01 2 1 x 2 . 1 - 0 .4 6 8 ( 2 一 1 1 ) 心一d 第二章 流化床系统设计与计算 可得输送速度u = 2 .3 2 m / s a 2 . 2 . 5 计 算 喷