（环境工程专业论文）半干半湿法烟气脱硫技术及其数值模拟研究.pdf

摘要 摘要 本文对3 5 t h 燃煤锅炉半干半湿法烟气脱硫技术及其数值模拟进行了研 究。在分析影响脱硫效率稳定性因素的基础上，模拟脱硫塔内部流场和压 力场，对烟气分布器进行优化设计，并对脱硫反应效率进行预测，研究的 成果为半干法，干法烟气脱硫技术提供了理论基础。 烟气的出塔烟温、c a s 摩尔比、烟气含湿量和脱硫灰循环量是影响烟 气脱硫技术的主要因素。本文通过对这些因素的影响条件分析，较详细地 讨论了这些因素对脱硫反应影响的程度和机理，以及脱硫剂在水蒸汽输送 过程中物理结构和化学性质的变化，并研究了水蒸汽输送脱硫剂的参数和条件， 认为水蒸汽在改变脱硫剂的表面结构的同时，脱硫剂的化学组分也发生了变化。 保持一定的湿度、控制烟气在适当的脱硫温度范围内对提高脱硫效率很重 要。通过喷雾系统对烟气进行降温、增湿，在脱硫剂颗粒表面形成水膜，使脱硫 反应在气- 液固三相条件下进行，从而提高反应的速度和反应率。雾滴在脱硫塔 内部既有蒸发，又有附着在石灰和飞灰颗粒表面上向颗粒内部传质传热，同时还 有与烟气中s 0 2 的物理化学作用，是一个极其复杂的物理、化学反应过程。为研 究问题的方便，本文通过简化计算，确定雾粒子群中的大液滴的蒸发干燥时间为 喷雾干燥时问；采用计算流体力学( c f d ) 的方法，分析雾羽在脱硫塔内的最大 扩散角度。在以上研究的前提下，确定喷嘴在脱硫塔内部的分布。 烟气在脱硫塔内分布的均匀程度是影响s 0 2 与脱硫剂的碰撞几率、脱硫效率 和脱硫设备工业放大的一个重要因素。提高脱硫塔内烟气分布的均匀程度，可增 加8 0 2 与脱硫剂的碰撞几率，从而提高脱硫反应效率。烟气分布器的作用是改变 烟气在脱硫塔内部流速和压力分布，本文设计并分析了几种不同类型的烟气分布 器，并通过建立的k - t 双方程模型，采用c f d 方法分别分析了烟气流经这几种烟 气分布器后流场及压力场分布，以确定烟气分布器的最佳参数。 建立了半干半湿法烟气脱硫动力学模型。采用颗粒群轨道模型分析s 0 2 与脱 硫剂在脱硫塔内浓度的变化，分析脱硫反应的规律。烟气脱硫反应过程比较复杂， 本文通过气固两相流动数值模拟的方法，对气相湍流采用k - e 模型，对颗粒相采 用颗粒群轨道模型，分析s 0 2 、脱硫剂颗粒在脱硫塔内反应前后浓度的分布，用 北京工业大学工学博士学位论文 来预测脱硫效率。研究结果显示数值模拟的结果和实测的结果差别较小，表明该 两相流模型理论和分析方法适用于对半干半湿法脱硫技术的研究。通过采用两相 流模拟的方法，分析反应源相模型中s 0 2 浓度、脱硫剂颗粒的浓度和反应时间可 计算s 0 2 的脱除率，确定脱硫塔体的最优化设计。 本研究结果首次利用c f d 方法分析脱硫塔体内部喷嘴出口雾羽扩散角度， 烟气分布器后烟气的速度流场和压力场分布，来指导喷嘴在脱硫塔内分布和烟气 分布器设计。通过气固两相流模型和颗粒群轨道模型分析烟气中s c h 的去除率， 为优化塔体提供了理论基础，研究成果为脱硫技术的国产化和国内技术大型化提 供了技术依据。 关键词( 3 - 5 个) ： 半干半湿法，烟气脱硫，脱硫，脱硫塔流场 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so na n a l y s i so fan e wa p p r o a c ho fs e m i d r yd e s u l p h u r i z a t i o n t e c h n o l o g y ，t h ed e m o n s t r a t i n gp r o j e c to fw h i c hh a sb e e nc o n s t r u c t e do na3 5 t hc o a lf i r e d b o i l e r b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h em e c h a n i s mo fs 0 2r e m o v a lp r o c e s s ，t h ef l o wp a t t e m a n dp r e s s u r ef i e l di n s i d et h es 0 2r e m o v a lr e a c t o rh a v eb e e ns i m u l a t e da n da n a l y z e d ；i n a d d i t i o n ，t h e i n n e rs t r u c t u r eo ft h e s 0 2a b s o r b e r h a sb e e n o p t i m i z e da n d t h e d e s u l p r h u r i z a t i o ne f f i c i e n c yh a sb e e np r e d i c t e d t h ea n a l y s i sr e s u l t sp r o v i d et h e o r e t i c a l a n dt e c h n o l o g i c a ls u p p o r t sf o rs e m i d r yd e s u l p h u r i z a t i o np r o c e s s r e a c t i n gf l u eg a st e m p e r a t u r e , c a o s 0 2m o l a rr a t i o ，w a t e rc o n t e n t ( o rh u m i d i t y ) a n dt h e r a t i oo f r e c y c l e o f f l ya s h t o c a oa r e t h e k e y o p e r a t i n g f a c t o r s ，w h i c hr e l a t e t h ed e s u l p h u r i z a t i o n e f f i c i e n c yg r e a t l y r e g a r d i n gt h e s ef a c t o r s ，t h em e c h a n i s ma n dt r a n s f o r m a t i o no fs 0 2s o r b e n t s d u r i n gt h es t e a mc o n v e y a n c eh a sb e e nd i s c n s s a d , m a s st n m s f e ra n de x p e r i m e n t a lc o n d i t i o nd u r i n g t h et r a n s p o r t a t i o nh a v ea l s ob e e ns t u d i e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w 廿l 砒t h es u r f a c es t r u c t u r eo f s 0 2s o r b e n t sh a sb e e nc h a n g e d i ti si m p o r t a n tt oa d j n s th u m i d i t ya n dt e m p e r a t u r et ot h em o s ts u i t a b l ef o rs 0 2r e m o v a l p r o c e s s t h u sc a ni m p r o v et h ef l u eg a sd e s u l p h m i z a t i o ne f f i c i e n c y b ys p r a y i n gw 撕i n t ef l u eg a s , w a t e rf i l mi sf o r m e d0 1 1t h es u r f a c ea n di n n e rp o r e so f t h es 0 2s o r b e n t s ，a n df i n a l l y ，m o s tw a t e r d r o p l e t s a r ee v a p o r a t e d , a n dt h ef l u eg a st e m p e r a t u r ei st h e nd e c r e a s e da n di t sh u m i d i t yi s i n c r e a s e d t h i sc 觚h e l pt os w i t c h 旭t i i 培p r o c e s sf r o mg a s - s o l i dt og a s - l i q u i d - s o l i d , w h i c h q u i c k e nt h ep r o c e a d m ge n di n c r e a s et h er e a c t i n ge f f i c i e n c ya p p a r e n t l y d u d n l n gt h es p r a yp r o c e s s , m o s tw a t e rd r o p l e t se v a p o r a t ea n dt h er e s to d e sm e e tt h ep a r t i c l e so fs 0 2s o f b e n t s m a s s 订a n s f b f a n dh c a tt r a n s f e ro c c l 】ro l lt h es u r f a c ea n di n n e rp o r e so ft h es o r b e n t ，a n df i n a l l ye v a p o r a t i o n a p p e a rw i t h i nt h ed u s u l p h u r i z a t i o nr e a c t o r t h es 0 2r e m o v a lp r o c e e d i n gi sac o m p l i c a t e dp r o c e s s ， i n v o l v i n gm a s st r a n s f e r , h e a tt r a n s f e r , c h e m i c a l 他a 她d y n a m i c s0 1 1 0 , a n dt h u ss i m p l i f i c a t i o ni s f u l f i l l e d t oa s s u m et h a t t h ed u r a t i o no f e v a p o r a t i o no f t h eb i g g e rd r o p l e t se q u a l st h et i m eo f s p r a y d r y n e s s , a n dt h ee f f e c t i v ed e s u l p h u r i z a t i o nh e i g h t i st h u s d e d u c e d b yu s i n go fc f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) a n a l y s i s ，t h ea n g l eo ff l u m es p r a y e do u tf r o mn o z z l eh a sb e e n s h n u l a t e d , a n dn o z z l ea r r a n g e m e n th a sb e e no b t e i n e db a s e du p o nt h ea n a l y s i sr e s u l t s t h eu n i f o n n i t yo ff l u eg a sd i s t r i b u t i o nr e l a t e s $ 0 2r e m o v a le f f i c i e n c yc l o s e l y , w h i c h c o n n e c t st h e n t a c tr a t eb e t w e e nm o l e c u l a ro fs 0 2a n dc a ( o h h , i ti sak e yf a c t o rf o r 剐m l e u p e n l a r g e m e n ta n di n d u s t r ye m p l o y m e n t i n c r e a s i n gu n i f o r m i t yo ff l u eg a sd i s t r i b u t i o ni n s i d et h e s 0 2r e m o v a l “组c t o rc a i lg r e a t l yi n c r e a s ec o n t a c tr a t eb e t w e e ns 0 2a n dd e s u l p h u r i z a f i o na g e n t s , t h u si m p r o v es 0 2a b s o r b i n ge f f i c i e n c y w i t h i nt h es t u d y , 3t y p e so f f l u eg a sd i s t r i b u t o r sh a v eb e e n m 北京工业大学工学博士掌位论文 c o n s i d e r e da n dd e s i g n e df o rs 0 2r e m o v a la p p l i c a t i o n b ym p a n so f c f da n a l y s i s ，k - s - 2 一e q u a t i o n m o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e df o rf l u eg a sv e l o c i t yf i e l de n dp r e s s u r ef i e l da n a l y s i sf o rt e s t i n g f l o wp a t t e r n se n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o nw i t ht h e s ef l u eg a sd i s t r i b u t o r s ，a n dt h u st h e e q u i p m e n th a sb e e no p t i m i z e db yn u m e r i c a la n a l y s i s t h es t u d ys h o w st h a tc f dn u m e r i c a l s i m u l a t i o ni st h ef e a s i b l ew a yt og u i d em a i ne q u i p m e n to p t i m i z i n ga n dd e s i g n i n gf o rf g d r e a c t o r ad e s u l p h u r i z a t i o nr e a c t i n gm o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e db a s e d o na n a l y s i s s l m p l e a l g o r i t h mi se m p l o y e db yu s i n gc o n 缸u o u sp h a s et u r b u l e n tf l o wm o d e la n dd i s c r e t ep h a s ep a r t i c l e t r a j e c t o r ym o d e l , w i f i o d nt h es t u d y , f l u eg a sh a sb e e nc o n s i d e r e da sc o n t i n u o u sp h a s e , w h i l e d e s u l p h o r i z a t i o na g e n ta sd i s c r e t eo n e ；a n dc o n c e n t r a t i o no fs 0 2a n dd e s u l p h u r i z a t i o na g e n th a s b e e na n a l y z e dw i t h i ns 0 2 舢o v a lr e a c t i o n , t h e r e f o r et h ep r o c e e d m gh a st h u sb e e nd e p i c t e db y t a 蚰 1 9a c c o u n to fn u m e r i c a la n a l y s i s s i n c ei t s h a r dt o t a k ee v e r y 呻a a l i n gf a c t o ri n t o c o n s i d e r a t i o n , e n ds i m p l i f i c a t i o nh a sb e e nc o n d u c t e db ye v a l u a t i n gc o n c e n w a f i o no fs 0 2a n d c a ( o h ho n l y b ye n a l y z m gt h em a s sr a t eo fi n l e ta n do u t l e tf o rb o t hr e a c t i n gs o t h t a r e n c 衄g r a t ei st h u sd e d u c e d , a n dd e s u l p h u r i z a t i o ne f f i c i e n c yi st h e r e f o r ep r e d i c t e d i ts h o w st h a tt h e a n a l y z e dr e s u l t sa n dt h em e a s u r e do n e sa r ew e l lf i t t e d , i ti sc o n c l u d e dt h a tt h ec o m p u t a t i o n a l s i m u l a t i o nm e t h o dw i t ht w o - p h a s et h e o r yf o rd e p i c t i n gd e s u l p h o r i z a t i o np r o c e s si sf e a s i b l e b y u s i n gt h e o r yo ft w o - p h a s ef l o w , d e s u l p h u f i z a t i e ne f f i c i e n c yi sc a l c u l a t e dw i t hc o n c e n t r a t i o no f s c h , c o n t e n to fs c hs o r b e n t s ，a n d 慨e n t i o nt i m e ，t h i sw a yc a nh e l pt oo p t i m i z et h es i z e so f d u s u l p h u r i z a f i o nr e a c t o r , a n da l s ot os e l e c td e s u l p h 删e na g e n tw i t hs p e c i f i e dc o n c e n u a t i o n a n da c t i v i t y w i t h i nt h ed i s s e r t a t i o n , t h en u m e r i c a la n a l y s i sb yu s i n gc f di sc a r r i e do u tt os i m u l a t ef l o w p e t t e mo ft h ef l u m es p r a y i n go u tf r o mn o z z l e ，a n dn o z z l ei n s t a l l a t i o ni st h u sd e s i g n e d f l u eg a s v e l o c i t yf i e l d 锄dp r e s s u r ef i e l df i f oa n a l y z e db a s e do nc o n t i n u o u st u r b u l e n tf l o we q u a t i o n , e f f e c t o fd i s t r i b u t o ri st e s t e d e n dt h eo p t i m i z e df l u eg a sd i s t r i b u t o ri st h e na t t a i n e d t op r e d i c ts 0 2 r e m o v a le f f i c i e n c y , p a r t i c l et r a j e c t o r ym o d e lf o rd i s c r e t ep h a s et r a c k 面ga n du n b u l e n t f l o wm o d e l f o rc o n t i n u o u sf l o wa r eu s e d , s t u d ys h o w st h en m e r i c a l l ya n a l y z e dr e s u l tf i tt h em e a s u r e d 伽l e s 。 w h i c hp r o v i d e st h e o r e t i c a ls o l u t i o nf o rs 0 2a b s o r b e rd e s i g n t h ea b o v er e s e m c hr e s u l t sb r i n gn 鲫 i d e a sa b o u td e s u l p h u r i z a f i o nr e a c t o rd e s i g nf o rt h ef i r s tt i m e ，a n da l s oh e l pt os o l v ep r o b l e m sf o r d e s i g n i n gs 0 2r e m o v a lr e a c t o rw h i l es c a l i n gu pf o ri n d u s t r ya p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：s e m i - d r yf l u eg a sd e s u l p h u r i z a t i o n , f l u eg a sd e s u l p h u r i z 蛳o n , s 0 2r e m o v a l ，f l o w p 吐嘲咀 i v 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得北京工业大学或其 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。 签名： 关于论文使用授权的说明 日期：迦 巴1 7 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 期：兰! 蔓：生：士 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究课题的目的和意义 由于我国经济的快速发展，能源需求逐年增长，2 0 0 5 年全国的能源消费量 达到2 2 2 亿吨标准煤，比2 0 0 0 年增长了5 5 2 ，其中煤炭消费2 1 4 亿吨，增长 了近9 亿吨；煤炭消费占到能源消费总量的6 8 9 ，可见能源结构仍然以煤炭为 主。能源结构的组成导致我国的空气污染目前以及今后相当长的一段时间内仍将 以煤烟型污染为主，主要污染物是二氧化硫和烟尘。据统计，2 0 0 5 年全国二氧 化硫排放总量为2 5 4 9 万吨【”，超过国家环境保护“十五”计划总量控制目标7 4 9 万吨，比2 0 0 0 年( 1 9 9 5 万吨) 增加了约2 7 ，其中工业排放量为2 1 6 8 万吨。2 0 0 4 年二氧化硫排放总量2 2 5 4 9 万吨，其中工业排放量1 8 9 1 4 万吨。分别较2 0 0 3 年二氧化硫排放总量和工业排放量增加4 4 和5 6 。2 0 0 0 年至2 0 0 5 年全国s 0 2 捧放量情况见图1 1 。 图1 - 12 0 0 0 年到2 0 0 4 年中国s 0 2 排放景情况【1 1 f i 9 1 - 1 e n m s i o n o f $ 0 2 f r o m l 9 9 8 t 0 2 0 0 2 i n c h i n a 中华人民共和国大气污染防治法规定在全国范围内划定酸雨控制区和二 氧化硫控制区，要求控制燃煤造成的二氧化硫污染，保护生态环境，保障人体健 康。我国的大气污染是世界上最严重的国家之一，按照2 0 0 5 年二氧化硫排放量 推算每平方公里我国的国土面积二氧化硫负荷为3 6 吨年，远远超过了全球陆地 北京i 。业大学1 学博十学位论文 每平方公里平均值1 0 吨年。我国每年由于二氧化硫引发的酸雨造成的直接经济 损失约为1 0 0 0 亿元，已接近国民生产总值的l 左右，成为制约我国现阶段经济 和社会发展的重要因素。因此对二氧化硫的污染控制已成为我国亟待解决的环境 问题。 目前控制燃煤s o ：污染技术可分为四类，即煤烧前脱硫、燃烧中脱硫、燃烧 后烟气脱硫以及煤转化过程中脱硫。 煤燃烧前脱硫【2 币1 是通过各种方法对煤进行净化，去除原煤中所含的硫分、 灰分等杂质。选煤技术有物理法、化学法和微生物法三种。目前我国广泛采用的 是物理选煤方法。 燃烧中脱硫是以在煤中加入少量的固硫剂，使煤中的硫在燃烧过程中，通过 化学、物理变化被固定在固硫剂中，从而达到脱硫的目的。在煤燃烧过程中加入 石灰石或白云石粉做脱硫剂，碳酸钙、碳酸镁受热分解所生成氧化钙、氧化镁， 与烟气中s 0 2 反应生成硫酸盐，随灰分排出。 煤炭转化技术脱硫川目前主要为煤炭气化 8 1 和煤气联合循环发电9 。川两种方 法。 烟气脱硫f g d ( f l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n ) 技术是目前世界上唯一大规模商 业化应用的脱硫技术。烟气脱硫是目前控制酸雨和s 0 2 污染最为行之有效的途 径，而控制酸雨和s 0 2 的关键是加快国产脱硫技术和设备的研究、开发、推广和 应用。 1 2 烟气脱硫技术的研究现状 烟气脱硫按照脱硫过程中脱硫剂和脱硫副产物的干湿形态，烟气脱硫可以分 为湿法、半干法和干法三类工艺。按副产物的处置方法又可分为回收法和抛弃法 两大流程。一般情况下，回收法只适用于湿法工艺，回收产物主要是石膏，个别 厂家可以回收硫和稀硫酸为副产品。干法和半干法的脱硫产物为干粉状，处理容 易，工艺较简单，投资一般低于湿法，但用石灰做脱硫剂的干法、半千法的钙硫 比( c a s ) 高，脱硫效率和脱硫剂的利用率低。 1 2 1 湿法烟气脱硫技术 湿法脱硫技术成熟，效率高，c a s 低，运行可靠，操作简单。传统湿法的 第1 章绪论 缺点是工艺比较复杂，占地面积和投资较大，而且脱硫产物的处理比较繁琐，烟 温的降低不利于在大气环境中的扩散。已经商业化或者完成中试的湿法烟气脱硫 工艺包括石灰石( 石灰) - 石膏法、简易石灰石( 石灰) 石膏法、间接石灰石( 石 灰) - 石膏法、海水脱硫、磷铵复合肥法( p a f p 法) 、钠碱法、氨吸收法、氧化 镁法等。湿法脱硫工艺在工业化上的应用最多，而其中占绝对统治地位的石灰， 石灰石石膏法是目前世界上技术成熟、运行状况比较稳定的脱硫工艺，脱硫效 率可以稳定在9 0 以上 6 1 ，已有3 0 多年的运行经验。副产物石膏经脱除结晶水 后可以回收利用，亦可抛弃处理。 值得一提的是日本千代田公司c t _ 1 2 1 法。其核心是j b r 射流沸腾反应器， 烟气以沸腾状通过浆液，发生反应。省略了再循环泵、雾化喷嘴、氧化槽和浓缩 装置等，使投资及运行费用大为降低，运行稳定可靠，为湿法注入了活力。 此外，a b b 1 1 】公司的海水脱硫工艺，除防腐造价高外，因其运行费用较低， 废水直排入海中自净，而在近海地区电厂有一定的实用价值。其它的方法通常根 据原材料来源及副产物销路合理选用。 1 2 2 干法脱硫技术 干法脱硫技术是在无液相介入的完全干燥的状态下进行的，反应产物也为千 粉状，不存在腐蚀、结露等问题。干法主要有荷电干粉喷射脱硫法( c d s i ) 1 2 1 、 等离子体法【1 3 1 、炉膛于粉喷射脱硫法、高能电子活化氧化法等。其中国际上认 为最有前途的f g d 新一代技术是能够同时脱硫脱硝的等离子体法。它主要利用 高能电子使烟气中s 0 2 、n o x 、h 2 0 、0 2 等分子被激活、电离甚至裂解，产生大 量离子及自由基等活性粒子，由于它们的强氧化性，使s 0 2 、n o x 被氧化，在注 入氨的情况下，生产硫铵和硝铵化肥。根据高能电子的来源可分为电子束照射法 1 1 3 1 和脉冲电晕等离子法【1 4 1 。 干法脱硫工艺还有欧洲的活性炭吸附法，日本北海道电力公司的l i l a c 粉 煤灰吸附法等，也都有工业装置运行。 1 2 3 半干法脱硫技术 半干法脱硫技术的特点是：反应在气、固、液三相中进行，利用烟气显热蒸 发石灰浆液中的水分，同时在干燥过程中，石灰与烟气中的s 0 2 反应生成亚硫酸 钙等，并使最终产物为干粉状。若与袋式除尘器配合使用，通常能提高1 0 - 1 5 北京工业大学工学博士学位论文 的脱硫效率【1 5 1 。脱硫废渣一般抛弃处理，但最近德国将此废渣成功用于建材生 产，使半干法的应用前景更为乐观。 1 2 3 1 旋转喷雾干燥法( s d a 法) 旋转喷雾干燥法【1 叼是美国j o a 公司和丹麦n i r o 公司联合研制的新工艺。 过去s d a 法只适合中、低硫煤，现在已研制出适合高硫煤的流程。 s d a 法关键设备是高速旋转喷雾器，通过它将吸收剂浆液雾化成细小雾滴与 烟气进行传质传热反应。其转速可达1 5 0 0 0 2 0 0 0 0 r m i n 。脱硫效率随转速与雾 化效果而变化。目前其脱硫效率可达8 0 8 5 ，虽然较湿法低，但投资和运行费 用也较低，具有较好的经济性。 1 2 3 2 炉内喷钙增湿活化法( l i f a c 法) l i f a c 法【1 刀由芬兰i v o 公司和t a m p e l l a 公司联合开发，是在炉内喷钙的基 础上发展起来的。传统喷钙工艺的脱硫效率仅为2 0 3 0 ，而l i f a c 法在空气预 热器和除尘器间加装一个活化反应器，并喷水增湿，促进脱硫反应，使最终的脱 硫效率达到7 0 7 5 。此工艺1 9 8 5 年在芬兰建成第一套工业化装置，短短几年， 就占有2 6 的脱硫市场。 l i f a c 法比较适合中、低硫煤，其投资及运行费用具有明显优势，比较具有 竞争力。此外，美国的a d v a c a t e 管道喷射脱硫工艺、丹麦f l s - m i l j i o a s 公司 的f l s - g a s 气体悬浮脱硫工艺等也属于半干法，在欧美均有工业装置运行。 1 2 3 3 半干半湿法脱硫工艺 半干半湿法烟气脱硫技术 1 8 - 2 2 是中国环境科学研究院通过对日本政府赠送 的中日中心公害部脱硫除尘系统进行改进、完善及国产化以后，形成具有国内自 主知识产权的烟气脱硫技术。在2 t h 燃煤锅炉烟气处理系统研究的基础上，成功 地完成了向3 5 t h 烟气脱硫系统的工艺性放大，目前正在进行5 0 m w 以上机组锅 炉的烟气脱硫工程应用开发。 半干半湿法烟气脱硫技术克服旋转喷雾法( s d a ) 喷雾与磨损，对脱硫剂钙 含量要求高，以及炉内喷钙增湿活化法( u f a c ) c a s 比过高的缺点，采用锅炉 废水进行增湿降温，具有整体工艺简单，无废水排放，易于适应多种行业技术规 范要求等特点。系统中的脱硫碱性物质主要来自于两个方面，一个是外加的纯脱 硫剂c a o ，另一个是利用循环的粉煤灰中1 0 左右的碱性物质。c a t ) 经粉碎后 第1 章绪论 由蒸汽输送进入脱硫塔，对设备加工要求较低，水由给水系统和空压机经喷嘴进 入塔内，由于液体中无颗粒物，所以对喷嘴磨损小，虽然有水参与c a o 对s 0 2 的吸附，但吸附后，产物经烟气潜热干燥，避免了湿性反应物附着在反应管路和 除尘器上，因此，不需要解决管道堵塞问题。除尘器不但起除尘作用，同时未脱 除的s 0 2 还可与滤袋捕集的未反应的脱硫剂继续反应，进一步起脱硫作用，整个 系统脱硫效率可以在8 0 - 9 5 之间。脱硫附产物可用于作为生产建材的原料。 1 2 3 4 循环流化床烟气脱硫技术 德国鲁奇公司在2 0 世纪7 0 年代开发了循环流化床烟气脱硫技术渊，其原 理是在循环流化床内加入消石灰，含硫烟气和消石灰在循环流化床内充分混合反 应从而除去s 0 2 ，同时还能除掉h c l 和t t f 等酸性气体。烟气进入循环流化床反 应器和石灰浆反应，石灰浆在这里同时完成蒸发和脱硫的过程，烟气经过分离器 和除尘器后，部分物料循环进入流化床反应塔，其余部分的附产物经收集后集中 处理。通过物料的循环使脱硫剂的停留时间延长，大大提高钙利用率和反应器的 脱硫效率，用此法可处理高、中、低硫煤，适用范围广，具有较高的脱硫率，当 c a s 为1 0 1 5 时，能达到9 0 以上的脱硫效率。目前循环流化床烟气脱硫得 到工业化，德国、瑞士等欧洲国家有多台循环流化床烟气脱硫装置在运行 1 2 3 5 双循环流化床烟气悬浮脱硫技术 该工艺是山东大学能源动力工程学院在7 5 吨电站燃煤锅炉上设计的脱硫 装置，是一种两级分离、内外双重循环的循环流化床烟气脱硫技术，兼顾了湿法 和干法的脱硫优点。脱硫装置主要构成包括：脱硫塔本体、制浆系统、控制系统 和除灰系统等4 大部分。 除此之外，还有在此基础上研究开发的新的技术包括粉末一颗粒喷动床技术 ( p o w d e r p a r t i c l e s s p o u t e d b e d , p p s b ) p 5 1 、鼓泡流化床烟气脱硫技术嘲以及电子束 半干法烟气净化技术p t j 。这些技术一般还在实验室研究中，有的还只是一种设 想，具体应用需要进步研究；一 以上讨论了几种烟气脱硫技术的特点，互为补充。湿法脱硫历史悠久，技术 成熟，脱硫效率高，脱硫产品可回收利用，但一次性投资大，占地面积大，所以 适合于大型发电厂锅炉烟气脱硫，对于工业锅炉不太适用；干法脱硫的特点是简 单、实用。特别是荷电干式喷射脱硫法，在c a s = 1 5 时，脱硫效率为6 0 - 7 0 。 北京工业大学工学博士学位论文 但仍有许多待解决的问题并尚未全年运转，其它干法，均未到工业性试验水平； 半干法脱硫前景看好，在众多半于法脱硫工艺中，旋转喷雾法不但其设备造价较 湿法低而且其运行费亦低，占地小更引起人们的关注，但由于我国石炭纯度低， 杂质量大，使部分关键国产设备如高速旋转喷雾器、给料机、灰浆泵等寿命短， 不能保证长时间稳定运行。炉内喷钙尾部增湿法也是一种占地少，投资低，适合 工业锅炉的好办法，在用于中、低硫煤时，有很大优越性，但c a s 相对较高， 在处理高硫煤时，出现了用钙量大的问题。半干半湿法结合了湿法和干法的优点， 具有占地面积小，运行费用低等特点，工艺中充分体现了“以废治废”的思想，在 与其它干法和半干法同等c a s 前提下，可以获得较高的脱硫效率，经过不断的 完善和提高是一种比较适合我国国情的烟气脱硫技术。 从以上分析可知，对于半干半湿法烟气脱硫技术的进一步研究，将有助于克 服国外一般成熟半干法干法脱硫技术的不足，改变目前国内电站锅炉烟气脱硫 由国外技术占主导地位的局面，对予控制燃煤造成的二氧化硫大量排放，遏制酸 沉降污染恶化趋势，防治城市空气污染，具有重要的现实意义。 1 3 数值模拟在烟气脱硫中的应用进展 1 3 1 计算流体力学研究进展 研究流体流动基本规律，传统的方法是理论分析法和实验测量法。 理论分析方法的优点在于所得结果具有普遍性，各种影响因素清晰可见，是 指导实验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。但它往往要求对计算对象进 行抽象和简化才有可能得出理论解，对于非线性情况，只有少数流动才能给出解 析结果网。实验测量方法所得到的实验结果真实可信，它是理论分析和数值方 法的基础。然而，实验往往受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度的限 制，有时可能很难通过试验方法得到结果。 c f d 方法与理论分析方法、实验测量方法组成了研究流体流动问题的完整 体系。图1 2 给出了表征三者之间关系的“三维”流体力学示意图嘲。 第1 章绪论 图i - 2 “三维”流体力学示意图 f i g1 - 2 s c h e n m f i cd i a g r a mo f 3 - d i m e m i o n a ld y n a m i c s 自二十世纪中叶c f d 技术得到飞速发展p o ，其原动力是不断增长的工业需 求，而航空航天工业自始至终是最强大的推动力。进入7 0 年代，随着计算机的 普及以及计算能力的不断提高，加上近似计算方法如有限差分法、有限元法、有 限体积法等的发展，基于数值计算的计算流体动力学( c f d ，c o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ) 方法正在改变着传统的工业过程设计方法【3 l 】。在2 0 世纪8 0 年代， 向量计算机大大改善了c f d 的计算速度，p a r a l l e lc f d 得到迅速发展。当前c f d 问题的规模为：机理研究方面如湍流直接模拟，网格数达到了1 0 9 ( 十亿) 量级， 在工业应用方面，网格数最多达到了1 0 7 ( 千万) 量级。c f d 方法是通过建立各 种条件下的基本守恒方程( 包括质量、动量以及能量等) ，结合一些初始和边界 条件，加上数值计算理论和方法，用数值计算方法直接求解流动主控方程( e u l e r 或n a v i e r - s t o k e s 方程) 以发现各种流动现象规律，从而实现预报真实过程各种 场如流场、温度场、浓度场等的分布，以达到对过程设计与优化、放大及控制的 详细描述。目前计算水力学、计算空气动力学、计算燃烧学、计算传热学、计算 化学反应流动等，甚至数值天气预报都需要c f d 的分析计算。随着计算机技术 的迅猛发展，c f d 也向多相、多反应体系等复杂流体方向发展，综合了计算数 学，计算机科学、流体力学、科学可视化等多种学科【3 2 】。 对于流动机理的细致研究方面的问题，人们试图在很多场合期望放弃假设直 接去求解和探索机理问题。如抛开基于统计理论的湍流简化模型直接模拟( d n s ) 湍流。这在计算能力有限的过去几乎是无法想象的。 1 3 2 两相模拟常用模型的发展 根据所研究的流体状态，有单相流、两相流( 气固、气液等) 和多相流，两 北京t 业大学t 学博士学位论文 相模拟技术在石油、化学、冶金和能源工业中得到广泛的应用。一般来说，两相 流的动力学模型可以分为三大类：第一类是经验关联模型；第二类是两相模型； 第三类是介质模型。 1 3 2 1 经验关联模型 经验关联模型是建立在对实验室或工业数据的分析基础之上，并适当进行一 些基本的质量与动量守恒方程分析。这种模型主要由l i k w a u k 3 3 1 的团聚物 扩散模型和y 酾g 【3 4 】的夹带模型。团聚物扩散模型是根据团聚物与其周围颗粒存 在着浓度梯度，运用扩散理论建立起来的。虽然该模型在工业中得到了较为广泛 的应用，但是模型中还有一些参数需要用实验值进行拟合确定，所以拓展还存在 着一定的困难。夹带模型认为顶部稀相区内颗粒浓度呈现指数衰减，同夹带模型 类似模型中也有衰减系数和底部密相段孔隙率等参数需要用实验值。上面所提到 韵团聚物扩散模型和指数衰减模型均是用来模拟轴向不均匀分布的，而径向不均 匀分布特性则基本上是纯粹的实验数据关联式，如z l m n g & t u n g 3 5 】根据大量实 验数据测量结果拟合到如下的径向孔隙率表达式： 占( ，) = e - o 1 9 l + ( , - 7 4 ) l i 叫棚r( 1 1 ) 当然还有很多文献也报道过轴向和径向的一些经验关联式。由于这些经验关 联式是建立在实验数据基础之上，所以使用起来并不十分方便可靠，也不能很好 地反映两相流的流动结构的本质。 1 3 2 2 两相模型 两相模型是根据实验中所观察到的基本现象对系统进行合理的分解后建立 起来的。在系统被分解成稀、密两相之后，对每一项都进行质量与动量守恒分析， 并寻求一定的系统稳定条件。对与颗粒聚集体的两相流，流体为连续介质，团聚 物