（工程热物理专业论文）双循环流化床烟气脱硫技术工业试验研究.pdf

摘要 随着经济和社会的发展，由二氧化硫排放引起的环境污染日益严重，并已 成为全人类共同面临的一大公害，控制二氧化硫的排放刻不容缓。世界各国正 积极的丌展二氧化硫污染治理工作，我国由于经济基础薄弱，不可能大规模引 进国外昂贵的脱硫设备，加上人们环保意识普遍不强，因此进展比较缓慢。 为适应国家关于烟气脱硫设施国产化的要求，7 本文征参考大量文献及对烟 气循环流化床悬浮脱硫工艺进行中试试验研究的基础上彳提出了双循环流化床 烟气脱硫技术，以双循环流化床烟气悬浮半干法脱硫工艺为主体，对其关键技 术进行了理论分析和试验研究。主要内容有： 分析了喷雾干燥的过程及反应原理，计算了液滴干燥的时间：作为该工艺 的重要部分，循环流化床的颗粒流化及分离的机理也作了相应的介绍，在此基 础上，研究了颗粒直径与流化速度的关系。 针对诸参数( 如钙硫比、烟尘浓度、近绝热饱和温度、脱硫剂性质及烟气 湿度等) 对脱硫效率的影响进行了一系列工业试验；还对脱硫系统阻力分布、 制浆工艺及脱硫对锅炉及电除尘正常运行的影响进行了研究。 作为该工艺的关键部件，设计开发了适用于本工业装置的压力雾化喷嘴， 并建设了喷嘴综合试验台，在试验台上进行了喷嘴流量标定及雾化性能的试 验。 f 工业试验的结果指出，近绝热饱和温度、钙硫比、脱硫塔内固体颗粒物浓 i 度、脱硫剂性质及烟气湿度等因素对脱硫效率均有重要影响，随着钙硫比、塔 内固体颗粒物浓度、喷水量( 烟气湿度) 的增加，脱硫效率逐渐升高；随着近 绝热饱和温度( 反应温度) 的降低，脱硫效率逐渐升高，在适当的条件下，试 验能达到9 2 3 的脱硫效率。试验发现，整个脱硫系统的阻力大部分集中在分 一：些垒坠堡塑丝垒坠一 离器部分，脱硫对锅炉和静电除尘器的正常运行无不利影响。喷嘴试验结果表 明，设计喷嘴的雾化性能及流量均满足试验要求。收到了较好的效果。 本技术的主要创新点在于设计了两级分离器，使脱硫灰循环流化，形成了 内循坏、外循环的双循环流化床特点，可以大幅提高塔内物料浓度及脱硫效率， 试验也充分证明了两级分离出的脱硫灰经过循环回送可以使脱硫效率得到显著 的提高。 通过对双循环流化床烟气脱硫工业装置的试验研究，初步了解了进行独立 试验研究的过程及方法，学到了许多宝贵的实践经验，必将对以后更深入的研 究工作有所帮助。、 关键词双循环烟气脱硫，脱硫效率i 循环流化床 1 1 ：一：些鲨鲨些型丝塾一 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fe c o n o m ya n ds o c i e t y ，e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n r e s u l t i n gf r o m t h ee m i s s i o no fs o , b e c o m e si n c r e a s i n g l ys e r i o u sa n dh a sb e e nt h e s o c i a le f f e c t so f p o l l u t i o nw e a r ef a c i n g ，t h ec o n t r o lo fs 0 2e m i s s i o ni su r g e n t a t p r e s e n t ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ni sc a r r i e do u t a l lo v e rt h ew o r l d d u et oe c o n o m i c i n s t a b i l i t ya n d l a c ko fc o n s c i o u s n e s so fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，i ti si m p o s s i b l et o i n t r o d u c et h ec o s t l yd e s u l f u r i z a t i o ns y s t e mt oo u rc o u n t r y a st h er e s u l t s ，i tm a k e s l i r l ep r o g r e s si nc h i n a t om e e tt h er e q u i r e m e n tt h a tt h ef l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n ( f g d ) d e v i c e sb e h o m e m a d e ，ak i n do fd o u b l ec i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e df g dp r o c e s si sp r e s e n t e do n t h eb a s e so f m a n y r e f e r e n c e sa n dt h es t u d yo nt h ec i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e df l u eg a s d e s u l f u r i z a t i o np r o c e s s af u l l s c a l et e s tf a c i l i t yi sb u i l ti nq i n g d a oh e a t & p o w e r p l a n t i na d d i t i o n ，t h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n d i n d u s t r i a le x p e r i m e n th a sb e e nc o n d u c t e d t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： t h e p r o c e s sa n dm e c h a n i s mo fs p r a yd r y i n gi sa n a l y z e d ，t h et i m eo f t h es p r a y d r y i n gi sc a l c u l a t e di nt h i ss e c t i o n a sa ni m p o r t a n tp a r t ，t h ep a p e r a l s od i s c u s s e st h e c i r c u l a t i o no ft h es o l i dp a r t i c l e sa n ds e p a r a t i o ni nt h ec i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d ，t h e r e l a t i o nb e t w e e n p a r t i c l ed i a m e t e ra n dv e l o c i t y i ss i m u l a t e d as e r i e so f e x p e r i m e n t s a r ec a r r i e do u ti nt e r m so fs u c hf a c t o r sa sa p p r o a c h e st ot h ea d i a b a t i cs a t u r a t i o n t e m p e r a t u r e ，c a sm o l a rr a t i o ，s o l i dp a r t i c l e sc o n c e n t r a t i o n ，t h ep e r f o r m a n c eo f s o r b e n t sa n df l u eg a sh u m i d i t yt h a ta f f e c tt h es 0 2r e m o v a l e f f i c i e n c y 谢t 1 1d i f f e r e n t s o r b e n t s t h es y s t e mr e s i s t a n c ea n ds l u r r yc o n f e c t i o nh a v eb e e ni m p r o v e da n dt h e e f f e c to nt h eb o i l e ra n de l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o ra r ea l s od i s c u s s e d a sak e yu n i t ， t h ep e r f o r m a n c eo ft h en o z z l ei sc r i t i c a lt od e s u l f u r i z a t i o n s oan o z z l ee x p e r i m e n t i i i 些坠塑些堂堂圣一 d e v i c eh a sb e e ns e tu pi nt h el a bt ov e r i f yt h en o z z l ep e r f o r m a n c e a n dm e a s u r et h e f l u xo f d i f r e r e n tn o z z l e s 1 l l ei n d u s t r i a l e x p e r i m e n t r e s u l t ss h o w e d t h a tt h e p a r a m e t e r s s u c h a s a p p r o a c h e st ot h ea d i a b a t i cs a t u r a t i o nt e m p e r a t u r e ( a a s t ) ，c a sm o l a r r a t i o ，s o l i d p a r t i c l e sc o n c e n t r a t i o n ，t h ep e r f o r m a n c e o fs o r b e n t sa n df l u eg a sh u m i d i t yh a v et h e m o s t i m p o r t a n t i n f l u e n c eo nt h e s 0 2 r e m o v a l e f f i c i e n c y t h ee f f i c i e n c y o f d e s u l f u r i z a t i o ni s c o n s i d e r a b l y e n h a n c e di nt h et e s t b yi n c r e a s i n gc a s ，s o l i d p a r t i c l e sc o n c e n t r a t i o n ，f l u eg a sh u m i d i t y a n db yd e c r e a s i n gt h ea a s t i tc a n a p p r o a c h9 2 3 u n d e rp r o p e rc i r c u m s t a n c e s m e a n w h i l e ，i ti s a l s of o u n dt h em a i n r e s i s t a n c eo ft h et o t a ls y s t e me x i s t si nt h es e p a r a t o r , t h ee q u i p m e n th a sn ob a d i n f l u e n c eo nt h eb o i l e ra n de l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r t h ed e s i g n e dn o z z l ei ss u i tf o r t h et e s ti na t o m i z a t i o na n df l u x i n n o v a t i o no ft h ep r o c e s sl i e si nd o u b l ec i r c u l a t i o ni n c l u d i n gi n t e r n a l a n d e x t e r n a lc i r c u l a t i o nt h a tw i l lc o n t r i b u t et ot h es 0 2r e m o v a la n dt h ec o n c e n t r a t i o n i n s i d et h er e a c t o r i th a sb e e np r o v e dt h a ts 0 2r e m o v a l e f f i c i e n c yi sh i g h l ye n h a n c e d a f t e rc i r c u l a t i o na n dr e c y c l eo f t h ep a r t i c l e ss e p a r a t e df r o mt h es e p a r a t o r a f t e rt h es t u d yo rd o u b l ec i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e df g di n d u s t r i a ld e v i c e ，t h e p r o p e r m e t h o do ft h es c i e n t i f i cr e s e a r c ha n dp r e c i o u s e x p e r i e n c e s h a v eb e e u s u m m a r i z e d ，w h i c h a r eb e n e f i c i a lt om yf u r t h e rs t u d ya n dw o r k k e y w o r d s d o u b l ec i r c u l a t i o n s 0 2 r e m o v a le f f i c i e n c y v f l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d 山东大学硕十学位论文 符号说明 d n 液滴初始直径，m 坟颗粒临界直径，i n 哌颗粒临界含湿量( 干基质量分数) ， 颗粒最终水分含量( 干基质量分数) ， p d 干燥物料的密度，k g m 3 p r 液体密度，k g m 3 气体导热系数，w m k r 一水的汽化潜热，k j k g ，。恒速干燥阶段的对数平均温差， ，m 2 降速干燥阶段的对数平均温差， 町总分离效率， j 7 。初级分离效率， 目2 二级分离效率， ”一循环倍率 m _ 一烟气质量流量，k g s d 水的质量流量，k g s g 烟气定压比热，k j k g k 卜烟气降温量， 日。水蒸气的焓，l d k g h 。一降温水的焓，k j k g v v 1 1 大气污染概况及危害 第一章前言 我国是以煤为主要能源的国家，煤在一次能源中占7 5 ，其中8 4 是通过 燃烧方法利用的。煤燃烧产生的二氧化硫，成为大气污染最主要的根源。由 于我国煤炭资源丰富，因此产生的环境污染问题格外突出。据报道1 2 l ，我国的 二氧化硫排放量约占亚洲排放总量的2 3 。由排放引起的酸雨地区范围不断扩 大，已由8 0 年代初的西南局部地区，扩展到西南、华中、华南和华东的大部 分地区，目前酸雨地区已占全国面积的4 0 左右。酸雨和污染危害人类健康、 腐蚀建筑材料、破坏生态系统，是制约社会和经济发展的重要因素之一。 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 本四同气喘病、美国洛杉矶光化学烟雾事件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于一 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，已成为一个世界性的的课题。 煤燃烧生成的主要污染物有烟尘、硫氧化物、氮氧化物和碳氧化物等， 这些污染物会对人与自然造成极大的危害。主要表现在【3 】f 4 】： ( 1 ) 对人体健康有不良影响 由于污染物主要以气体或气体悬浮物的形式存在，所以能较容易地侵入人 体对健康造成不良影响。当人体吸入含有二氧化硫的空气时，呼吸系统会受到 强烈刺激，严重时会引发呼吸道疾病。 l ( 2 ) 对生态环境有严重的影响 大气中上述污染物的存在会引起农作物和林本枯黄，产量下降。品质蜕变。 其中可使植物从叶被到叶面均出现“烟斑”然后其叶脉褪成白色，叶片脱水逐 渐变黄。在近半个世纪内，欧洲和北美已有1 9 个地区的森林减少，其中至少 有7 个与大气中的污染物有关。 ( 3 ) 酸阿问题 p h 值低于5 6 的酸性降水即为酸雨。s o ，在锅炉炉膛的高温条件下存在氧 原子时或在受热面上有催化剂时，一部分会转化成s 0 ，。通常，生成的s o ，只 占的0 5 2 左右，但s o ，的存在对烟气酸露点有重要影响。此外，烟气中 的水分会和s o ，反应生成h ：s o 。气体。硫酸气体在温度降低时会变成硫酸雾， 而硫酸雾凝结在金属表面上会产生强烈的腐蚀作用。烟气中s o ，的份额越多， 烟气的酸露点越高，越容易结露，腐蚀作用就越厉害。排入大气中的s o ，由 于大气中金属飘尘的触媒作用而被氧化生成s 0 ，大气中的s o ，遇水就会形成 硫酸雾，硫酸雾被雨水淋落就变成了酸雨。以上煤燃烧过程可能产生的硫氧化 物及由此产生的酸雨问题，不仅造成大气污染，破坏了生态环境，而且对人民 生命和财产造成损害，严重影响了人类的正常活动。 1 2 国外脱硫技术发展概况l i l l s l 1 7 1 前世界上采用烟气脱硫系统最多的是美国、日本和德国。德国绝大部分 电厂都装有f g d 装置，以灰石石灰石膏法为主，由于严格的环保标准，主要 采用脱硫效率高的湿式脱硫技术。这些国家由于经济实力雄厚，无论在脱硫技 术的开发还是应用方面都走在了各国的前面。 1 2 1 日本的脱硫技术发展概况 e 1 本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一半，排烟脱硫装置的总处理能 力上升3 0 倍。出于对策奏效，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，并且着手开 展烟气脱硫脱硝的研究。 1 , 2 2 美国的脱硫技术发展概况 1 9 7 1 年，美国实施洁净空气法( c a a a ) ，此后环境质量有了明显改善， 各项污染指标均降低。此法规规定了酸雨控制的计划，削减二氧化硫排放量的 计划，并且介绍了削减二氧化硫排放量的途径，还制定了一些优惠政策。 将煤配成低硫燃料或洗煤是保证排放量的有效技术，可应用于共用事业发 电厂。对现有电厂的污染控制主要有如下几点：采用先进的烟气脱硫技术；采 用集成气化组合循环，该方法在加卅i 一电厂进行了应用，具有良好的环保性能 和价格优势，利用流化床燃烧来降低污染排放，尤其是增压流化床更具有更高 的脱硫效率，但投资较高；吸收剂注射技术等。 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 ，的污染已基本得到控制。主要的烟气脱硫方 法是石灰石法、石灰法、双碱法、碳酸钠法和氧化镁法等，特别是适应中低硫 、 山东大学硕士学位论文 煤的喷雾干燥法近年来更是得到广泛应用。 1 3 我国的污染控制 在烟气脱硫发面，我国发展缓慢，与美、同等国家有很大差距，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。 对二氧化硫如不加以控制，将造成城市大气污染加剧，二氧化硫超标城市 增加，酸雨面积加速蔓延，对人民生命和财产造成严重损害。根据有关的研究 结果，1 9 9 5 年，我国的二氧化硫排放量已居世界第一位，由于酸雨和二氧化 硫污染造成农作物、森林和人体健康等方面的经济损失约为1 1 0 0 多亿元，已 接近当年国民生产总值的2 ，成为制约我国经济和社会发展的重要因素。因 此，控n - - 氧化硫排放已成为社会和经济可持续发展的必然要求，迫在眉睫。 目前全国火电厂二氧化硫排放量占全国二氧化硫排放量的3 7 ，预计2 0 0 0 年达到4 0 ，2 0 1 0 年将达到6 0 ，因此对电厂的污染治理显得尤为重要。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。详见表 1 1 1 6 1 。 我国政府对酸雨和二氧化硫污染问题十分重视。1 9 9 0 年，国务院环委会 通过了关于控制酸雨发展的意见；1 9 9 5 年全国人大通过了新修订的中华 人民共和国大气污染防治法，规定在全国划定酸雨控制区和二氧化硫污染控 制区，即“两控区”，在“两控区”内强化对酸雨和二氧化硫污染的控制n 。 控制和治理二氧化硫污染，是我国当前和今后相当一段时间内最为紧迫的 任务之一，不但关系到我国的经济建设和社会发展，而且还会影响我国的国际 ：堡垄塑些堂堡堡坠：。：一 形象。2 0 0 0 年4 月，全国人大通过了新修订的中华人民共和国大气污染防 治法，对工业二氧化硫污染源既实施总量控制，又实施浓度控制。开展二氧 化硫污染防治技术研究，适应国家发展规划，有广阔的市场前景1 8 】 表i - 1 全国火电厂烟气脱硫示范项目的基本情况 项日重庆珞璜电厂一期珞璜电厂二期 脱硫机组容量2 x 3 6 0 m w2 x 3 6 0 m w 处理8 5 烟气 脱硫i ：艺石灰石一石膏湿法( 填料塔)_ i 灰彳i i l 膏湿法( 溢柱塔) 烟气量1 0 8 7 万n m 3 h 台烟气量9 1 5 5 万n m 3 h 台 烟气条件 入口s 0 2 浓度3 5 0 0 p p m ( 干烟气)入口s 0 2 浓度3 5 0 0 p p m ( 干烟 烟温1 4 2 气) 烟温1 4 2 系统脱硫效率9 5 f g d 脱硫率9 5 钙利用率9 3 系统脱硫效率8 0 液气比2 6 l n m 3 液气比2 0 l n m 3 主要设计参数石膏纯度9 0 以上钙利用率9 3 石灰石耗量2 4 t h 台打膏纯度9 0 以上 石灰石粉细度2 5 0 目筛余5 石灰石耗量1 7 t h 台 石灰石粉细度2 5 0 目筛余5 技术负责日本三菱日本三菱 投运时间1 9 9 1 年1 9 9 8 年 项目太原第一热电厂黄岛发电厂 从3 0 0 m w 机组抽6 0 万n m 3 m 脱硫机组容量2 1 0 m w 机组抽3 0 万m 3 ，h 烟气 烟气 脱硫工艺石灰石一石膏湿法( 简易)旋转喷雾法 烟气量6 0 万m 3 ，1 1烟气量3 0 万m 3 ，h 台 烟气条件 入口s 0 2 浓度2 0 0 0 p p m ( 干烟气)入口s 0 2 浓度1 8 4 2 p p m ( 干烟 烟温1 4 0 气) 烟温1 4 5 f g d 脱硫率8 0 f g d 脱硫率7 0 液气比1 5 u n m 3钙硫比1 4 石灰石过剩率1 0 生石灰耗量3 t h 主要设计参数 石灰石粉细度1 0 0 目筛余5 生石灰纯度7 0 石灰石耗量4 6 t h吸收塔出口烟气温度6 0 6 5 石膏纯度8 5 以上 技术负责日本电源开发和日立日本电源开发和三菱 投运时间1 9 9 6 矩1 9 9 4 生 项目深圳西部电厂下关发电厂成都热电厂 脱硫机组从2 0 0 m w 机组抽3 0 万 容量 3 0 0 m w2 1 2 5 m w n m 3 h 烟气 脱硫j ：艺海水洗涤法炉内喷钙尾部增湿活化电子束法 烟气量1 1 0 万n m 烟气量5 4 5 万n m v h烟气量3 0 万n m 3 h 烟温1 2 3 烟气条件 燃煤含硫量0 9 2 入口s 0 2 浓度1 8 0 0 p p m 燃煤含硫量 烟温1 6 0 ( 干烟气) 烟温1 3 2 0 6 3 ，0 7 3 系统脱硫率9 0 系统脱硫率7 5 f g d 脱硫率8 0 脱硫海水流量1 2 m 3 s 钙硫比2 - 2 5脱硝率1 0 脱硫海水盐度2 3 3 2 5 目筛余2 0 液氨耗量6 5 4 k g h 主要殴计 脱硫海水温度2 7 4 0 石灰石纯度9 5 ，细度吸收剂氨的化学计量比 参数 f g d 出口烟温7 0 石灰石过剩率l o 0 8 瀑气池出口海水 活化器出口烟温5 5 副产品产量2 4 7 0 k g h ( 硫 p h 值6 5 以上 电除尘器出口烟温7 0 氨含量9 0 以上1 技术负责挪威a b b芬兰i v o 日本荏原 投运时间1 9 9 9 焦1 9 9 9 年1 9 9 8 芷 1 4 课题背景及研究内容 煤炭洗选、洁净煤燃烧技术、燃用低硫煤和烟气脱硫是目前火电厂减排 二氧化硫的主要途径。煤炭洗选目前仅能除去煤炭中的部分无机硫，对于煤炭 中的有机硫尚无经济可行的去除技术。洁净煤燃烧技术在国际上是近1 0 年开 发的新技术，目前工业发达国家成熟的已经商业化运行的有：循环流化床锅炉 ( c f b c ) 、加压循环流化床锅炉( p f b c ) 和燃气蒸汽联合循环发电o o c c ) ，但单 机容量都不大，国内目前尚处于引进技术和示范试验阶段，后两种洁净煤燃烧 技术投资大，技术要求高，难以在短时间内在国内大面积推广使用，在可预见 的将来，洁净煤技术在电力结构中所占比例仍较低。因此，控制火e e v - - 氧化 硫的排放，在未来较长的时间内，其主流和根本有效的手段仍将是烟气脱硫 6 1 。 对大中型火电厂，运用湿法等投资大的脱硫工艺不容易做到，即使在中小型锅 炉上也不可能引进国外技术，因此，响应国家关于烟气脱硫设施国产化的号召， 研究开发适合我国国情的脱硫技术势在必行。国家经贸委、国家环境保护总局 在促进我国烟气脱硫国产化有关技术政策中，均把半干法脱硫( 喷雾干燥、烟 气流化床、悬浮脱硫) 列为重点支持技术。 本课题就是在这样的背景下提出的，旨在控制二氧化硫排放，研制开发新 型的烟气脱硫装置，既要付出较小的代价，又要达到较高的脱硫效率，探索我 国刀：展污染治理的道路，为我国的污染控制做出贡献。 在大量阅读国内外文献的基础上，经过长时间的探索和试验，课题组提出 了双循环流化床烟气脱硫技术。该技术充分利用了循环流化床烟气脱硫的优 点，设计了两级分离器，提高反应物的浓度，强化了脱硫塔内的传热传质，提 高了脱硫剂的利用率和脱硫效率。在研制过程中“山东省优秀中青年科学家奖 励基金”对基础研究进行了资助，“山东省可持续发展战略示范工程”对试验 研究进行了资助，山东省环保局对示范工程进行了资助。 本文在工业试验装置上进行了一系列试验，在对整个脱硫系统进行热力计 算的基础上，对影响脱硫装置性能的各种因素进行了试验研究，全面分析了这 些因素对脱硫系统的影响，初步掌握了钙硫比、近绝热饱和温度、脱硫塔物料 浓度、烟气湿度、脱硫剂性能、喷水量及喷浆量等因素与脱硫效率的关系，考 察了脱硫对锅炉、静电除尘器及吸风机正常运行的影响，并对系统阻力性能、 制浆工艺、管路系统布置等一些具体问题做了进一步的完善，对喷雾干燥及颗 粒循环流化和分离机理进行了阐述，计算了液滴的干燥时间及颗粒流化速度， 进一步了解了脱硫塔内气流分布及热量传递过程。 喷嘴性能对整个脱硫系统是至关重要的，因此专门设计了适用于本工业装 置的压力雾化喷嘴，建设了喷嘴综合试验台，改进了喷嘴性能，并在试验台上 进行了一系列试验。 通过对试验结果的整理和分析，研究该工艺的运行规律及特性，对其不足 之处进行改进和完善，为该工艺的大规模工业应用提供依据；同时通过对所做 试验进行经验教训、成败得失的总结，可以丰富自己的实践经验，更好的理解 科学研究的过程及途径，提高自己的综合素质。 第二章脱硫技术简介 鉴于煤燃烧产生的硫氧化物污染破坏，必须在烟气排入大气之前采取各 种措施来减少硫氧化物的排放量。一般来说，煤燃烧设备的脱硫技术可以分为 三大类，即燃烧前对燃料进行脱硫、燃烧脱硫和燃烧后的烟气脱硫。 2 1 燃烧前脱硫 燃烧前脱硫即对燃料进行脱硫，因此亦称之为燃料脱硫。常见的燃料脱 硫方法如煤的洗选和转化，可使燃烧的燃料不含或少含硫，包括煤气化、液化、 洗选和机械浮选等物理洗煤技术。煤炭洗选除灰脱硫是煤炭工业的一个重要组 成部分，是脱除无机硫最有效、最经济的技术。经过洗选除灰，可提高煤炭质 量，减少污染，减轻运输负荷，提高热能利用率。在美国洗煤量约占火电厂锅 炉耗煤总量3 0 ，德国电厂锅炉用煤大部分经过清洗，含硫量在o 3 1 2 。 煤炭洗选目前仅能除去煤炭中的部分无机硫，对于煤炭中的有机硫尚无 经济可行的去除技术。我国高硫煤产区中，煤中有机硫成分都较高，很难用煤 炭洗选的方法达到有效控制二氧化硫排放的目的。 煤炭化学脱硫技术包括碱法脱硫、气体脱硫、热解与氢化脱硫、氧化法 脱硫等，这些技术充分利用化学反应，或者在一定的条件下使煤中的硫转变成 含硫化合物，或者热分解，可获得8 0 以上的脱硫效率。但工艺条件要求严 格，费用高，而且发生化学反应后对煤质有影响，因此限制了该方法的应用。 生物脱硫技术完全不同于有机硫和无机硫的脱除方法，机理是微生物参 与了铁和硫化合物的氧化作用，使硫铁矿降解；细菌作用将2 价铁氧化为3 价 铁，单质硫由于细菌作用而氧化为硫酸，实际上是直接作用和间接作用联合作 用的结果，并不是单一作用的结果。由于该工艺的特殊性，无论从经济性和技 9 术性方面都没有获得大量应用。随着生物技术的突破发展，该工艺显示出良好 的发展前景。 煤的其它净化脱硫方法主要有微波法、超声波法、电化学法等。微波法 是基手微波能激发煤中硫化物同浸提剂反应的一种方法；而电化学法是借助煤 在电解槽发生电化学氧化和还原反应，将煤中黄铁矿和有机硫氧化成可溶性硫 化物或将煤还原加氢，从而净化脱硫。 2 2 燃烧脱硫 燃烧脱硫是指在燃烧过程中脱硫，在燃烧产生的高温气氛下，脱硫剂与二 氧化硫气体分子发生化学反应，因此燃烧脱硫是伴随着燃料燃烧一起完成的。 2 2 1 反应原理i i 以石灰石( 主要成分为c a c o ，) 作为脱硫剂，将其破碎到合适的颗粒度进 入锅炉内，c a c 0 3 在高温下分解成c a o 和c 0 2 ，烟气中的s 0 2 就会与c a o 反 应，完成s o ：的炉内吸收过程；若在还原性气氛下，石灰或石灰石就会和煤燃 烧产生的h ：s 反应，生成c a s ，遇氧会氧化成c a s o 。 石灰石的分解反应是吸热反应，由于反应过程中c a c o ，颗粒变成c a o 颗 粒时其摩尔体积缩小了4 5 ，因而煅烧使c a c o ，颗粒内的自然孔隙扩大了许 多，这有利于多孔隙的c a o 与s o ，进行脱硫反应生成c a s o ；同时，由c a o 转变为c a s o 。的反应其摩尔体积会增大1 8 0 左右，因此在反应一开始，就会 在c a o 的表面生成一层致密的c a s o 薄层，这一薄层阻碍了c a o 颗粒与s 0 2 的继续反应，所以一般在燃烧过程中用石灰石脱硫时，钙利用率通常很低。下 式描述了该过程进行的主要反应。 c a c 0 3 h c a 0 + c 0 2( 2 - 1 ) l n 些奎塑壁兰墅婆；：一 c a o + i 2 0 2 + s q c a s o ( 2 - 2 ) 仅从脱硫方面来考虑，脱硫反应的最佳温度范围是8 5 0 c 左右，如果炉内 温度高于1 2 0 0 ( 2 ，由于生成的硫酸钙发生分解，反而使脱硫效果很差刚”a 而白云石的分解温度就比碳酸钙低，仅为3 4 4 c ，煅烧产生的氧化镁在炉 内与s o ，的反应很缓慢，并且受氧化镁反应特性的影响，在8 0 0 c 以上时就基 本不脱硫了。在实际炉膛温度下，白云石的脱硫效果并不好l ”。但含钙量较高 的白云石能使钙硫比有所降低，原因是氧化镁形成的空隙较氧化钙为大，氧化 镁的存在使氧化钙分子间距增大，比表面积增加，这样钙的利用率提高】。 2 2 2 流化床燃烧脱硫 由于煤粉炉燃烧温度很高，实际脱硫效率并不高，而循环流化床锅炉不仅 燃烧温度较低，而且物料多次循环，大大提高了脱硫剂利用率及脱硫效率。 循环床的气固两相动力学研究表明m 】，颗粒的聚集和团聚，是循环流化床 颗粒运动的一个特点。细颗粒团聚成大粒子团，粒子团由于重量增加、体积加 大，有较大的自由沉降速度。在一定的气流速度下，大颗粒团不是被吹上去， 而是逆着气流沿四周的炉膛向下运动，气固问产生较大的相对速度，然后被上 升的气流打散成细颗粒，再被气流带动向上运动，又再聚集成粒子团，再沉降 下来，使循环流化床内发生强烈的热量和物质交换。由于粒子团沿炉墙沉降和 边壁效应，循环床中气固流动形成近炉壁处很浓的粒子团以旋转状向下运动， 炉膛中心则是相对较稀的气固相向上运动，产生一个强烈的炉内循环运动，大 大强化了炉内的传热和传质，使刚进入炉内的新鲜燃烧和脱硫剂颗粒在瞬间及 被加热到炉膛温度，并保证了在整个炉膛内纵向和横向都具有十分均匀的温度 分布，从而使反应在整个炉膛内和分离器内进行，达到好的脱硫效果。 l j 于循环床中被烟气带走的细颗粒能在旋风分离器中分离出来并送回炉内 再反应，因此大大延长了脱硫剂的停留时间。在炉膛内的内循环和整个物料通 过分离器的外循环过程中，脱硫剂的颗粒会被磨碎而出现新的反应表面，而在 整个固体物料的循环系统内温度分布均匀，从而改善了脱硫性能，提高了钙利 用率。、一般用循环流化床，煤含硫量大于2 ，钙硫比为2 时，最佳反应温度 8 5 0 c 下，可达到9 0 的脱硫效率i ”】。而本课题的提出也充分利用了循环床的 这些优点，只不过原理有所不同而已。 为确定达到一定的脱硫效率所需要的脱硫剂量，常用钙和硫的摩尔比值作 为一个综合指标，来反映c a c o ，脱硫时钙的利用率，所需的c a s 越高，则钙利 用率越低。其中钙的利用率可定义为参与反应的钙的摩尔数与加入的钙的摩尔 数之比，也即脱硫效率与钙硫摩尔比的比值。在进行钙硫比计算时，要考虑到 以下几点： ( 1 ) 煤中的硫不能全部为可燃硫，因此在计算钙硫比及石灰石加入量时 应考虑到这部分硫份。 ( 2 ) 煤是一种矿物质，在形成过程中混入各种矿物杂质，如二氧化硅， 氧化钙，氧化铁等，它们对脱硫都有影响。即使不向炉内加入c a o ，煤中的c a o 等碱性物质也参与脱硫反应，在确定脱硫剂加入量时，应考虑到煤的自固硫作 用，自固硫率 d s r = 0 1 5 5 + 0 2 8 2 c a s( 2 3 ) 其中：c a s 为煤中固有的比例。c “s 每增加l ，固硫率将增加2 8 i “】。 由于自固硫作用的存在，使计算脱硫剂用量及钙硫比比实际值偏高。 由上述脱硫原理可知，实际上并不是全部c a o 都能参加反应，因此在 c a s = i 时，实际的效率并不高。在最佳的脱硫反应温度8 5 0 、c a s = i 时， 理论上的脱硫效率约为6 0 。这就要求加入大量的石灰石，以提高效率，不 仅增加运行费用，而且c a c o ，的热分解吸热会降低锅炉的出力；灰渣量的增 1 2 山东大学硕士学位论文 大不仅增加物理热损失及受热面的磨损，还增加了灰渣处理系统的投资1 。因 此，要研究燃烧过程中影响脱硫效率的因素，以便最大限度的提高脱硫的钙利 用率。 2 3 燃烧后脱硫【8 1 燃烧后脱硫即烟气脱硫( f l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n ，f g d ) ，烟气脱硫技术分 为三类：干法、湿法和半干法。f g d 法不影响炉内燃烧和换热，是目前世界 上唯一大规模商业化应用的脱硫技术，也是控制二氧化硫最有效的方法，当前 主要应用的是以钙为吸收剂的钙法。 2 3 1 干法脱硫 干法脱硫指反应过程和脱硫产物是干态的，优点是流程短，工艺简单，不 产生污水，不易腐蚀、结垢及堵塞，但其脱硫效率低，难以满足环保要求。目 前主要的干式脱硫方法有以下几种： ( 1 ) 氧化铜法 以氧化铜为吸收剂的烟气脱硫分为两种：一种是固定床，吸收剂在反应器 内里固定床状态；另一种是流化床，吸收剂在反应器内呈流化床状态。其中后 后者被认为是很有发展前途的脱硫技术。反应在流化床反应器内进行，烟气通 过时硫氧化物与吸收剂颗粒中的氧化铜反应生成硫酸铜，达到脱硫的目的。 ( 2 ) 电子束照射法 该法主要是用电子射线处理烟气，反应原理如下：由电子加速器出来的大 量高能电子，与烟气中的气体成分分子发生碰撞生成氧化性活性离子，氧化烟 气中的s o ：和n o 。成硫酸和硝酸，再加入氨生成硫酸氨和硝酸氨。但该方法 耗电大，有辐射损害，并且可能生成其他污染源如氨、硫酸等。脉冲电晕放电 l3 法是从该法发展来的，机理基本相同，但后者更有效，已成为研究的热点。 ( 3 ) 活性炭吸附法 1 6 3 该法是利用活性炭吸附s o ：并将其氧化为硫酸而使烟气得以净化的工艺， 可回收硫资源，是一种防治污染与资源回收利用相结合的技术，有很强的吸引 力。湖北松木坪电厂活性炭脱硫已经开始工业性试验。 ( 4 ) 催化氧化和还原法 在催化剂作用下，可将s o ：氧化为s o ，或还原为h ：s 进行净化。其中催化 氧化可在催化剂接触表面进行，也可在液相中进行，副产品均为硫酸，常用的 催化剂为v ：o ，；催化还原法则将s o ：还原为h ：s ，再回收硫磺。 2 3 2 湿法脱硫 湿法脱硫在烟道的末端，采用液体吸收剂洗涤烟气，脱硫剂和脱硫产物均 为湿态，因在溶液中故反应快，钙利用率高，钙硫比小，脱硫效率高，是目前 国外大型锅炉首选的脱硫工艺，但其投资大，运行费用高废水难处理，需装 设除雾器或专门的再热装置。湿法脱硫工艺主要有： ( 1 ) 石灰石，石灰石膏法 用石灰或石灰石的乳浊液吸收烟气中的s o ，生成半水亚硫酸钙或石膏。 石灰石石灰抛弃法在我国研究起步比较早，相对比较成熟，应用也最广泛。 国内已应用的适用于中小型燃煤设备烟气净化装置大多采用这种技术。该技术 脱硫除尘一体同时完成，脱硫产物随同烟尘一起沉淀，系统简单，净化效果好。 但其投资大，运行费用高，易结垢、腐蚀、废水难处理，需装设除雾器或专门 的再热装置。石灰石( 石灰) 石膏湿法脱硫是目前世界上技术最为成熟、应用最 多的脱硫工艺，特别在美国、德国和日本，应用该工艺的机组容量约占电站脱 硫装机总容量的8 0 以上，应用的单机容量己达1 0 0 万千瓦。 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 双碱法 该法是为了克服石灰石，石灰法易结垢的缺陷而提出的。它先用碱金属盐 溶液吸收s o ：，然后用石灰或石灰石将反应溶液再生，达到循环利用的目的。 同时s o ，转化为石膏。但该法需要大量的碱，也没根除湿法脱硫的缺陷。 ( 3 ) 磷铵肥法 该法是我国自主开发的一种烟气脱硫技术，其特点是利用天然磷矿石和氨 为原料，在烟气脱硫过程中副产磷铵复合肥料，其工艺由四部分组成：活性炭 一级脱硫制稀硫酸；稀硫酸萃取磷矿制磷酸：磷酸和氨的中和液二级脱硫；料 浆浓缩干燥制磷铵复肥。经过“七五”攻关，已完成5 0 0 0 m 3 h 中试，目前， 在该技术基础上，已建成1 0 0 0 0 0 m 3 h 装簧，建在四川豆坝电厂磷铵复合肥料 脱硫装置上。 ( 4 ) 海水烟气脱硫 海水的p h 值为8 o 一8 3 ，呈碱性，它含有过量的溶解碳酸钙和碳酸钠， 具有很强的吸收和中和二氧化硫之类酸性气体的能力；并且二氧化硫被吸收在 海水中后的最终产物将是溶解硫酸盐，而溶解硫酸盐就是海水的主要成分之 一。该法无化学品和陆地处理废弃物的费用，需要的淡水量极少，与较复杂的 烟气脱硫技术相比，本系统的运行和维修费用低，脱硫效率高，但受地域限制， 只能应用于沿海地区。 ( 5 ) 氧化镁法 氧化镁法或称镁乳吸收法，是利用氧化镁浆液作吸收剂，吸收烟气中的s o ， 生成亚硫酸镁和硫酸镁，将这些硫酸盐脱水和干燥，然后再煅烧使之分解。为 了还原硫酸镁，需要向煅烧炉内添加少量焦炭，这样炉内的硫酸盐和亚硫酸盐 就分解成高浓度的s o ：气体和氧化镁。氧化镁水合后又成为氢氧化镁，可继续 作为吸收剂循环利用。高浓度的s o ，气体又以用于制造硫磺或硫酸。但该法费 山东大学硕士学位论文 用高，国内外应用较少。 ( 6 ) 氨法 该法采用氨作为吸收剂出去烟气中的s o ：，氨的碱性强于钙基吸收剂，同 时，该反应是气液或气气反应，反应快，效率高，脱硫副产品可利用为化肥。 但成本高，易腐蚀，容易形成二次污染。 2 3 3 半干法脱硫 半干法脱硫工艺采用液体吸收剂，喷入脱硫反应器后的吸收剂一方面吸收 s o ，另一方面被热烟气干燥成固体颗粒，随飞灰一起收集。该工艺脱硫效率