（热能工程专业论文）循环流化床脱硫塔气固两相流场优化的数值模拟研究.pdf

东南大学硕上学位论文 摘要 循环流化床烟气脱硫是以循环流化床原理为基础，通过固体吸收剂在反应塔内多次的再循环， 使烟气中s 0 2 与吸收剂充分接触从而大大地提高吸收剂的利用率。 根据拟建的循环流化床脱硫塔实际结构和运行参数，通过建立数值模拟平台对循环流化床脱硫 塔内气固两相流场进行数值模拟试验。对塔内气、固两相流动分别采j 【= | j 欧拉方法和拉格朗同方法进 行处理，即用欧拉方法模拟连续的气相，用拉格朗日方法跟踪计算离散颗粒相。将气相场看作粘性 流体紊流流动，对连续气相采用基于n - s 方程的湍流k e 模型，对离散颗粒相采用直接模拟蒙特卡 诺( d s m c ) 方法求解。由于脱硫塔内颗粒的体积浓度相对较稀，采用单相耦合方法，即仅考虑连续 气相对离散颗粒相的作用而忽略离散颗粒相对连续气相的反作用。 对目前厂家所采取的初始方案，脱硫塔内进气口对面一侧的流速大于进气口侧的流速，塔体内 在进气口一侧存在显著的回流。塔内气固两相流场存在显著的不对称性。为将塔内流场调节均匀， 在所建立的数值模拟平台上对大量设想的调节方案进行了尝试、比较和筛选。模拟结果表明：采用 调整文丘里管直径、加装直导流板或加装弯曲导流板均能够使塔内气固两相流场达到理想对称状态， 使得塔内流场明显改善：其中，加装弯曲导流板调节方案所得流场最好，改变文丘里管直径和加装 直导流板方案t 程施工容易，但改变文丘里管直径调节方案加工困难，加装宣导流板所造成的阻力 损失相对较大，全面考虑则加装弯曲导流板调节方案效果晟佳。 在此基础j 二，针对循环流化床回料喷口的个数和位置对塔内流场产生的影响进行了比较和探讨。 结果表明：针对四种不同的方案在设计工况条件下，安装三个脱硫剂喷口时塔体颗粒分布不够均匀， 增加到四个喷口以后颗粒分布明显均匀，增加到六个甚至八个喷口虽然可以得到更好的调节效果， 但是安装难度和成本也都要相应变大，因此可认为四个脱硫剂喷口对置最合适。 上述对脱硫塔结构调节方案的研究以及对同料喷1 3 个数和位置的研究，都是为了能增加摄终循 环流化床的脱硫效率。从脱硫反应的数值模拟结果可以看出，经过调整流场后各方案的脱硫效率均 要高于流场调整前的脱硫效率，这主要是由于流场分布均匀，增加了气崮两相接触所造成。不同调 节方案的脱硫效果略有差异，管径调节方案的脱硫效率最高，加装直导流板调节方案次之，而加装 弯曲导流板调节方案增加的最少，但与初始方案相比均能显著的提高脱硫效率。 关键词：循环流化床；烟气脱硫；数值模拟；流场优化；喷口优化；脱硫反应 东南太学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e df o rf l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n ( c f b - f g d ) i sb a s e do nt h et h e o r yo ft h e c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d t h r o u g hr e p e t i t i o u sr e c i r c u l a t i o no fa b s o r b e n t si nt h er e a c t i o nt o w e r , t h ef l u e g a s e s ，s u c ha ss u l p h u rd i o x i d e ( s 0 2 ) ，m a k ef u l lc o n t a c tw i t ha b s o r b e n t s t h e r e f o r e ，t h eu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c y o f t h ea b s o r b e n t si sl a r g e l yi m p r o v e d n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sa d o p t e dt os t u d yt h eg a s - s o l i dt w o - p h a s ef l o w si nad e s u l f u r i z a t i o nt o w e r , a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i z ea n do p e r a t i n gp a r a m e t e r s t h ee u l e rm e t h o da n dl a g r a n g em e t h o dw e r eu s e d t od e a lw i t ht h eg a s - s o l i dt w op h a s ef l o wi nt h et o w e r , u s i n gt h el a g r a n g em e t h o dt os i m u l a t et h e c o n t i n u o u sg a sp h a s ea n dt h ee u l e rm e t h o dt ot r a c et h ed i s p e r s ep a r t i c l ep h a s et h eg a sp h a s ef i e l dw a s a s s u m e dt ob ev i s c o u st u r b u l e n tf l o w , t h ek 一m o d e lb a s e do nt h en se q u a t i o n sw a su s e df o rc o n t i n u o u s g a sp h a s e ，a n dt h ed i r e c ts i m u l a t i o nm o n t ec a r l om e t h o dw a se m p l o y e dt os i m u l a t et h ed i s p e r s ep a r t i c l e f i e l d b e c a u s et h ev o l u m ec o n c e n t r a t i o no fp a r t i c l e si nt h ed e s u l f u r i z a f i o nt o w e ri sr e l a t i v e l ys m a l l t h e s i n g l ep h a s ec o u p l i n gm e t h o dw h i c ho n l yc o n s i d e r sa c t i o n so ft h ec o n t i n u o u sg a sp h a s et ot h ed i s p e r s e p a r t i c l ep h a s ea n dn e g l e c t sr e a c t i o n sb e t w e e nt h e mc a nb ea d o p t e d i nt h eo r i g i n a lc a s et h ef a c t o r yg a v e ，t h ef l o wv e l o c i t yo ft h eo p p o s i t es i d eo ft h eg a si n l e tw a sm o r e t h a nt h a to ft h eg a si n l e ts i d e ，o b v i o u sc i r c u m f l u e n c ee x i s t e dn e a rt h eg a si n l e ts i d e ，a n dt h eg a s r s o l i dt w o p h a s ef l o wf i e l dh a dr e m a r k a b l ed i s s y m m e t r y i no r d e rt or e g u l a t et h ef l o wf i l e di nt o w e ru n i f o r m ， n u m e r o u sm e t h o d sw e r e 乜i e da n dc o m p a r e do nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o np l a t f o r m t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o w st h a tr e g u l a t i n gt h ed i a m e t e ro ft h ev e n t u r it u b e sa n da d d i n gs t r a i g h to rb e n d e db o a r d st og u i d ef l o w a r ea b l et om a k et h eg a s s o l i dt w op h a s ef l o wi nt o w e rr e a c hi d e a ls y m m e t r yc o n d i t i o n s a m o n gt h e m e t h o d s ，i n s t a l l i n gb e n d e db o a r d sc a no b t a i nt h eb e s tf l o wf i e l d ，c h a n g i n gt h ed i a m e t e ro f t h ev e n t u r it u b e s b r i n g sd i f f i c u l t i e si nt h em a n u f a c t u r ep r o c e s s ，a d d i n gs t r a i g h tb o a r dc a u s e sm u c hb i g g e rf l o wr e s i s t a n c e ， b u tt h el a g e rt w om e t h o d sa r eb o t he a s i e rt oc o n s l r u c t f o rc o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o n ，t h em e t h o do f a d d i n gb e n d e db o a r di st h eb e s tr e g u l a t i n gm e t h o d b a s e d0 1 1t h i s t h ea u t h o ra i m e da tt h ee f f e c t so ft h en u m b e ra n dp o s i t i o n so ff e e ds p o u t so ft h e c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e do nt h ef l o wf i e l di nt h et o w e r u n d e rd e s i g nc o n d i t i o n s 。i ti sf o u n d e dt h a tw h e n t h r e es p o u t sa l ei n s t a l l e dt h ep a r t i c l ed i s t r i b u t i o ni nt h et o w e ri sn o tu n i f o r me n o u g h ，w h e nf o u rs p o u t sa l e i n s t a l l e dt h ep a r t i c l ed i s t r i b u t i o ni sd i s t i n c tu n i f o r m i t y , w h i l et h en u m b e ro ft h es p o u t si sa d d e dt os i xo r e v e ne i g h tt h eb e r e rr e g u l a t i n ge f f e c ti so b t a i n e d b u tt h ei n s t a l l a t i o nj sm o r ed i f f i c u l ta n dt h ec o s ti sm o r e e x p e n s i v e t h e r e f o r e ，t h ed i s t r i b u t i o no f f o u rs p o u t so p p o s i t et oe a c ho t h e ri st h em o s ta p p r o p r i a t e s t u d i e so nt h ed e s u l f u r i z a t i n ns t r u c t u r er e g u l a t i o nm e t h o da n dt h en u m b e ra n dp o s i t i o no f t h es p o u t s ， a r ea l ia i mt oi n c r e a s et h ef i n a ld e s u l f u r i z a t i o ne f f i c i e n c yo fc f b f r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t so f d e s u l f u r i z a t i o nr e a c t i o n s i ti so b v i o u st h a tt h ed e s u l f u r i z a t i o ne f f i c i e n c yi sh i g h e ra f t e ru s i n ge a c h r e g u l a t i o nm e t h o dt h a nb e f o r e ，a n dt h er e a s o ni st h a tt h eu n i f o r mf l o wf i e l da f t e rr e g u l a t i n gi n c r e a s e st h e c o n n e c tb e t w e e nt h eg a sp h a s ea n dt h es o l i dp h a s e i ti sa l s of o u n dt h a td e s u l f u r i z a t i o ne f f i c i e n c yo f d i f f e r e n tr e g u l a t i o nm e t h o d sh a ss l i g h td i s c r e p a n c y , t h et u b ed i a m e t e rr e g u l a t i o nm e t h o db r i n g st h eh i g h e s t e f f i c i e n c y , a d d i n gs t r a i g h tb o a r dp r o d u c e sl e s se f f i c i e n c y , a n da d d i n gb e n d e db o a r dc a u s e st h el e a s t i n c r e a s eo ft h ee f f i c i e n c y , b u tw h e nc o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a lc a s et h e ya l lc a ni n c r e a s et h e d e s u l f u r i z a f i o ne f f i e i e n c yr e m a r k a b l y k e yw o r d s ：c i r c u l a t i n gf i u i d i z e db e d ，d e s u l f u r i z a t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， f l o wf i e l do p t i m i z a t i o n ，s p o u to p t i m i z a t i o n ，d e s u l f u r i z a t i o nr e a c t i o n i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南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伺贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名_ 鸯! 趔日期：型 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：裙厘导师签名劾肄 日期：翌兰：! ：牛 东南大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 能源工业是国民经济的基础。随着工业化进程的持续发展和人民生活水平的不断提高，社会剥 能源的需求量越米越大，能源利用过程中的环境污染问题也日益严重，其中大气污染是一个较为突 出的方而n 根据对主要大气污染物的分类统计分析，其来源可概括为三大方面：( 1 ) 燃料燃烧；( 2 ) t 业生产 过程；( 3 ) 交通运输。在我国，这三种来源产生的大气污染物所占的比例分别约为7 0 、2 0 n1 0 t ”。 在直接燃烧的燃料中，燃煤排放的大气污染物数量约占燃料燃烧排放总量的9 6 ，大气中9 0 s 0 2 ， 7 1 的c o ，8 5 的c 0 2 ，7 0 的n o x 以及7 0 的粉尘均来自煤炭的直接燃烧【= j j 。叫见，煤的直接燃 烧是我国大气污染物的主要来源。 我国是世界最大的煤炭生产国和消费国，1 9 9 2 年我国原煤产量已达1 1 2 亿吨，在一次能源中占 7 4 9 。它提供了7 6 的发电能源、7 5 的工业燃料和动力、8 0 的民用能源、6 0 的化工原料。国 家科委中固科技促进发展研究中心1 9 9 0 年对我国的能源结构作了预测，具体数据见表1 - 1 【4j 。从表 中可以看出，到本世纪五十年代，煤炭仍将是我国主要的一次能源，而且随着煤层开采深度的增加， 煤中的含硫量将逐年增大，加上煤炭产量的逐年提高，总的s 0 2 年排放量也将逐年增大。我国s o ： 排放量与煤炭消耗量有着密切关系，1 9 8 3 1 9 9 5 年两者的相关系数达到o 9 6 t ”。1 9 9 0 年我国煤炭消耗 量为l o5 2 亿吨，s 0 2 的排放量是1 4 9 5 万吨，1 9 9 5 年我国煤炭消耗量为1 2 8 亿吨，s 0 2 排放量达2 3 7 0 万吨，已经超过美国成为世界s 0 2 排放第一大国。如果再不采取有效措施，到2 0 2 0 年我国s 0 2 排放 总量将达到4 5 0 0 万吨，给环境造成巨大危害。燃煤s 0 2 污染控制是我国目前人气污染控制领域最紧 迫的任务，是国民经济发展过程中必须解决的重火问题【l j j j 。 表1 _ 1 我国一次能源构成比例( ) 年份煤炭石油天然气水能核能新能源 2 0 0 0- 7 01 9 546 02 2 0 5 0- 6 0 7 05561 0 2 05 表卜2 我国电力和能漩生产总量预测 年份 项日名称 1 9 9 0 2 0 0 02 0 2 0 2 0 3 0 总装机容量煤电装机容 量，m w 1 2 5 0 0 0 9 0 0 0 02 9 0 0 0 0 2 2 6 0 0 07 0 0 0 0 0 4 9 0 0 0 01 0 4 0 0 0 0 年发电量，1 0 8 k w h 6 3 0 01 5 1 0 03 6 4 0 05 4 1 0 0 每k w h 发电煤耗( 标煤) ， 4 0 03 5 03 0 02 8 0 g 一次能源年总需求量( 标 煤) ，1 0 8 t 1 0 o1 462 4 93 0 7 电能占一次能源比重， 2 63 64 44 6 电力生产年均增长率， 9 14 54 0 4 0 能源生产年均增k 率， 4 _ 32 7232 o 煤电所占比重， j 7 07 87 06 0 在我国，电力用煤占有很大的比重，表1 2 列出了我国电力和能源生产总量及今后若干年的预 测结果n1 9 9 5 年，电力工业的火力发电厂的s 0 2 排放量为8 3 0 万吨，占全国s 0 2 排放总量的3 5 。 随着火电装机容量的增长，燃煤电厂2 0 0 0 年s 0 2 排放量将达到全国总排放量的5 0 ，预计到2 0 1 0 东商大学硕士学位论文 年燃煤电厂排放的s o ：将增加到占全国总排放量的6 5 t “1 。显然，电力工业将成为削减s 0 2 排放量 的重点t 业。 1 2 脱硫技术综述睁”1 燃煤s 0 2 控制的方法有许多，概括起来通常可以分为三类，即燃烧前脱硫、燃烧中脱硫和燃烧 后脱硫( 烟气脱硫) l l “j 。 燃烧前脱硫包括洗煤、煤气化、液化以及机械、电磁等物理脱硫技术。世界主要国家中，美国 的洗煤量约占火电厂锅炉耗煤量的3 0 ，德国的大部分燃煤都经过清洗。燃烧前的物理方法脱硫只 能脱去煤中的一部分硫( 主要是无机硫) ，不能从根本上解决问题。曾经引起广泛重视并开展研究的 牛物脱硫技术，由于占地太大、无法实现大批量机械化连续生产，因而无实用价值。 燃烧中脱硫主要包括炉内喷钙、流化床掺烧石灰石等。流化床掺烧技术近年来发展很快并己实 现工业化。炉内喷钙工艺早在六十年代就已经开始研究，但由于脱硫效率不高，一直未能得到广泛 应用。进入八十年代以斤，在炉内喷钙工艺基础 j ，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 公司开发成功丁l i f a c 工艺，这些技术现在都已得到了推广应用。 烟气脱硫( f l u e g a s d e s u l f u r i z a t i o n ，简称f g d ) 是目前控制燃煤电厂s 0 2 气体排放最有效和应 用最广的技术。六十年代后期以米，烟气脱硫技术发展迅速，根据美国e p r i ( 电力研究院) 的统计， 大约有3 0 0 种不同流程的f g d 工艺进行了小试或j 二业性试验，但是最终被证实在技术上可行、经济 上合理并且是可承担的，目前在燃煤电厂得到采用的成熟技术仅有十多种”“。 表卜3 三类烟气脱硫技术的主要特点 工艺种类脱硫剂脱硫副产品主要特点 湿法( w f g d l 石灰石，石灰石c a c 0 1石膏 膏工艺c 酊o h h c a s 0 3 ，c a s 0 4 c a o 脱硫反应速度快；脱硫吸收与产物 钠基 n a 2 c o t n a 2 s 0 3 生成均在中低温状态下进行；脱硫 n a 0 h 效率高。但设各较为复杂，并普遍 一海水海水回到海水中 存在腐蚀严重，运行维护费用高及 海水+ c a ( o h ) 2 同到海水中 造成二次污染等问题。 氨基n h l ( n t - h ) 2 s 0 4 镁基m g om g s 0 3 m g s 0 4 一双碱 n a 2 s 0 3 + c a c o j 石膏， 或c a oc a s 0 3 c a s 0 4 半干法( s d f g d ) 脱硫剂一般在湿态下脱硫、干态下 喷雾干燥 c a ( o h ) 2 c a s o d c a s 0 4 处理或再生：也有在干忐下脱硫、 湿态下处理脱硫产物的半干法工 艺。半干法工艺兼有湿法和干法工 艺的某些特点。 干法( d f g d l 固体吸收吸附剂在干态下与s 0 2 一炉内喷钙 c a c 0 3 ，c a ( o h hc a s o g c a s 0 4 反应，并在干态下处理或再生脱硫 烟道喷射 c a o ，c a ( o h ) 2 c a s 0 3 c a s 0 4 剂；烟气在脱硫过程中无明显降 炉内喷钙加炉后增 c a c 0 3 ，c a ( o h ) 2c a s 0 3 ( 2 a s 0 4 温，利于排放后扩散；无废液二次 湿活化 污染。但反应速度慢，脱硫效率及 循环流化床烟气脱 c o h ) 2 c a s 0 f f c a s 0 4 脱硫剂利崩率低。 硫 2 东南大学硕士学位论文 烟气脱硫技术按脱硫剂以及脱硫反应产物的状态可分为湿法、干法及半干法三大类，三种类别 的特点及代表性工艺列丁表1 - 3 中“，”j 。 这i 类烟气脱硫技术在发达国家已发展多年，目前在火电厂大、中容晕机组上得到广泛应用并 继续发展的主流上艺有4 种，它们是：石灰石，石狄一石膏湿法工岂，喷雾干燥脱硫工艺，炉内喷钙 炉后增湿活化脱硫工艺( l i m e s t o n e i n j e c t i o n i n t o t h e f u r n a c ea n d a c t i v a t i o no f c a l c i u m ，简称l i f a c ) 和循环流化床烟气脱硫t 艺( c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e df l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n ，简称c f b f g d ) 【l j 。 这些工艺的共同特点是，脱硫率和系统可利用率很高、工艺流程简单、系统电耗低、投资和运行费 用低。这也是今后烟气脱硫技术的发展方向。 1 3 循环流化床烟气脱硫技术的研究概况 1 3 1 国内外循环流化床烟气脱硫发展现状 循环流化床烟气脱硫工艺最早是由德国的鲁奇( l u 唱i ) 公司研究开发的，近年来，随着世界脱 硫市场的不断扩大，这种工艺已经引起了人们越来越多的关注，德国的w u l f f 公司、丹麦的f l s 公 司、瑞典的a b b 公司以及日本的日立公司都进行了循环流化床烟气脱硫的应用开发研究。目前己达 到上业化应用的有3 种流程，它们是：l u r g i b i s c h o f f 公司的烟气脱硫技术；w u l f f 公司的r c f b 技 术：f l s 公司的g s a 技术【1 1 。 八十年代中后期，l u 唱i 公司在原来用于炼铝尾气处理的技术基础上开发了一种新的适用于锅炉 和其它燃烧设备的干法烟气脱硫工艺。即循环流化床烟气脱硫工艺。这种工艺以循环流化床原理为 基础，通过脱硫剂的多次再循环，使脱硫剂与烟气接触时间增加，一般可达3 0 分钟以上，从而大大 提高了脱硫剂的利用效率。德国的s i e r s d o r f 电厂两台2 7 5 f f h 锅炉1 9 8 8 年安装了l u 画公司的循环流 化床烟气脱硫装置，燃煤含硫量平均为o 7 ，脱硫效率达到9 3 ，处理后的烟气满足德国排放标准 f 1 3 】。 w u l f f 公司在l u 唱i 技术的基础上继续研究开发了第二代回流式循环流化床烟气脱硫装置 ( r c f b ) ，见图l i 。与l u r g i 公司的工艺相比，r c f b 工艺主要在吸收塔的流场设计利塔顶结构上 作了较大改进。烟气和脱硫剂颗粒在吸收塔中向上运动，同时有一部分颗粒从塔顶向下吲流 ( r e f l u x ) 。这股崮体回流与烟气的方向相反，而且它是一股很强的内部湍流，增加了烟气与脱硫剂 的接触时间，实际上这是一种与外部循环相似的山部再循环，在内外再循环的作州下，脱硫性能得 到优化。内循环还大大降低了吸收塔山口的含尘浓度，内部回流的固体物料量约为外部再循环的 3 0 5 0 ，出口含尘浓度可降低1 5 - 3 0 。由于吸收塔出口含尘浓度的降低，取消了l u r g i 工艺中的机 械预除尘器，这不但简化了工艺，节省了投资，而且由于外部再循环灰量的减少而减少了运行费用 1 0 , i 。 图卜1 回流式循环流化床干法脱硫工艺示意图 3 东南大学硕上_ 学位论文 1 9 9 3 年。德国d e u e c h es o n a y w e r k eg m b h 的自备热电厂2 2 0 u h 燃煤锅炉上回流式循环流化庆 脱硫工艺得以应用。在c “s 比为1 2 5 时，脱硫效率最大达到9 7 ，1 0 0 0 0 小时运行系统可用率达到 9 8 。目前a b b 公司已经购买了w u l f f 公司r c f b 技术使用许可证，止咀自身优势在世界范围内寻 求用户峨 煳气 压缩机石灰消化 图卜2f l s 气体悬浮吸收工艺流程图 f l s 公司是丹麦最大的工业企业，在水泥工业及散装物料输送机械制造方面享有很高的声誉， 它竹j 独立开发的气体悬浮吸收( g s a ) 烟气脱硫技术在_ t 作原理上和l u r g i 工艺十分类似( 见图1 - 2 ) ， 不同之处在于，g s a 工艺的脱硫剂不是干消化石灰，而是石灰浆。新鲜石灰浆经双流体喷嘴雾化从 吸收塔底部喷八，并在吸收塔中保持悬浮涨动状态，边干燥边反应，干燥示的脱硫剂颗粒经旋风除 尘器除下后返回吸收塔循环利用。该工艺已在一些垃圾焚烧设备和中小动力锅炉的烟气处理装置上 得到了应用。在美国的1 0 m w e 示范试验表明，该t 艺在c a s 比为1 2 - 1 4 的情况下，脱硫效率可达 9 0 p ae 【6 l a 循环流化床烟气脱硫技术目前在我国还没有应用实例，但一些从事能源与环境研究的机构止在 积极开展这一方面的研究和开发。清华大学热能工程系煤清洁燃烧国家重点实验室进行了小型循环 流化床烟气脱硫的试验研究，试验装置为直径2 8 0 m m 、高6 0 0 0 m m 的竖直筒体，顶端采用了端头结 构以增强内循环，采用电加热空气作为模拟烟气，脱硫剂为石灰浆，在c “s = i 4 ，床内温度接近露 点温度的情况下，脱硫效率可以达到9 6 p a 上m ”j 。 中国环境科学研究院大气所设计了一种冷端烟气脱硫反应器( 实际上是一小型石英循环流化 床) ，提升管的下部设有脱硫剂的送料器，中部设有水喷嘴，上部设有旋风分离器，采用熟石灰粉作 为脱硫剂。结果显示：水在循环流化床冷端烟气脱硫中起着重要作用；烟气中的水含量对烟气脱硫 有影响：c m s 比高有利丁脱硫：常规操作下，t = l s ，c a s - 1 5 时，脱硫效率为8 4 8 ；烟气温度高 不利丁脱硫：循环i j f c 化床脱硫反应器可提高脱硫剂的利用率i l t ”j 。 国内一些环保公司正在积极推广这项技术。中国绿色环境保护公司为无锡化工集团一台6 5 t h 燃 煤锅炉设计了循环流化床烟气脱硫装置，烟气处理量为1 1 0 0 0 0 n m 5 h ，采用该厂废电石渣作为脱硫 荆，设计脱硫效率为8 5 ，目前该装置正处于安装建设阶段【j 。 1 3 2 循环流化床烟气脱硫工艺流程 无论是l u r g i 工艺、w t d f f 公司的r c f b 工艺还是f l s 公司的g s a 工艺，它们的工艺流程和工 作原理都是类似的，下面以l u r g i 工艺为例介绍循环流亿床烟气脱硫t 艺流程p “。 循环流化床烟气脱硫系统主要包括脱硫剂制备系统、吸收塔主体、雾化增湿系统、除尘器、再 循环系统和仪表控制系统。 循环流化床烟气脱硫下艺一般采用干态消石灰粉末作为脱硫剂，在特殊情况下也可以采用其他 对s o z 气体有反应能力的千粉或浆液作为脱硫剂。现场干消化得到的c a ( o h ) 2 粉的粒度很细，可达 l o 岬以下，因此不需要进行磨细，既节省了购买磨机等大型设备的投资费用，也减少了能耗，使运 4 东南大学硕上学位论文 行费_ 蚺 i 大为降低。同时冈为循环流化床烟气脱硫工艺是一种干法流程，所以不象湿法、半干法那样 需要有许多庞大的存储罐和易磨损的浆液输送泵等组成的复杂的吸收剂制备、输送系统，只要崩一 台干消化器制各消石灰粉，然后崩气力输送系统输送到加料斗即可，从而大大简化了工艺流程。 由锅炉排出的未经处理的烟气从流化床吸收塔底部进入，如果考虑到综合利用的方便，不希望 脱硫副产品与飞灰混在一起，那么必须在吸收塔之前安装一个预除尘器。 烟气进入吸收塔厉，与很细的脱硫剂粉末互相混合、反应，生成亚硫酸钙和硫酸钙，脱硫后带 有大量固体颗粒的烟气由流化床顶部排出进入除尘器经除尘器分离出来的干态固体颗粒经过一个 中间灰仓由再循环系统送回到吸收塔中。由于大部分颗粒都被循环多次，因此固体脱硫剂的停留时 间很长，一般可达3 0 分钟以上。在有水分存在的情况下，吸收塔内发生如f 化学反应： c a ( o h ) 2 + s 0 2 一c a s 0 3 。1 2 h 2 0 + 1 2 h 2 0 ( 1 1 ) c a ( o h ) 2 + s 0 3 c a s 0 4 l 2 h 2 0 + l 2 h 2 0( 1 - 2 ) c a ( o h ) 2 + s 0 2 + i 2 0 2 一c a s 0 4 + h 2 0 ( 1 3 ) c a ( o h ) # 2 h c l 一c a c l 2 + 2 h 2 0( 1 4 ) c a ( o h ) 2 + 2 h f c a f 2 + 2 h 2 0( 1 5 ) 在循环流化床烟气脱硫工艺的流化床吸收塔内，烟气与喷入的c a ( o h ) 2 粉末利增湿水在流化状 态下充分混合，并通过c a ( o h ) 2 粉末的多次再循环，使得床内参加脱硫反麻的c a ( o h ) 2 量远远大于 新投加的c a ( o h ) 2 量。即实际反应的c a j s 比远远人于表观c a s 比，从而使s 0 2 能被较充分地吸收， 实现高效脱硫，而且还能脱除烟气中几乎全部的s 0 3 ，h c i 和h f 等气体成分，这些成分在湿法中很 难被除去。 脱硫剂是以干粉的形式输入流化床吸收塔的，为了提高气固反应速率，还要喷入一定量的水。 为保证脱硫产物是干态，需要对系统喷水量进行严格控制，主要是控制增湿后的烟气温度与烟气绝 热饱和温度的差值t ，t 值应尽可能小，但又不造成流化床湿壁和脱硫产物变湿。为了保证烟气 与c a ( o h ) 2 颗粒的均匀混合、水份的充分干燥以及较完全的反应，要使烟气在流化床内保持足够的 停留时间。 循环流化床烟气脱硫工艺所产生的副产品呈干态，其化学组成与旋转喷雾干燥工艺的副产品相 类似。主要由飞灰、c a s 0 3 、c a s 0 4 及未反应的脱硫剂构成。这种副产品加水后会固化，固化后其屈 服强度可达1 5 1 8 n r a m 2 ，渗透率为3 x 1 0 。1 ，压实密度为1 2 8 9 c m 3 。由此可见该副产品强度与渑凝 土接近，渗透率与黏土类似，因此适合作矿井回填、道路基础等，若进一一步加以开发可能成为良好 的建材工业原料。 1 3 3 循环流化床烟气脱硫机理研究状况 大量的研究表明，在干燥或低湿条件下，低温时钙基脱硫剂与s 0 2 问进行的反应极其缓慢。d a v i s 和k e e n e r f 5 1 在微分式反应器中研究了c a o 和c a ( o h ) 2 的脱硫活性，试验温度为1 2 0 4 0 0 ，模拟烟 气相对湿度为1 0 ，所用样品粒度为2 0 0 m 。结果表明，在试验温度范围的下限，c a o 的转化率极 低，尽管温度升高转化率略有增加，但即使在4 0 0 c 温度下反应1 0 分钟，其转化率也仅为1 0 ：在 温度低于2 9 0 时，c a ( o h ) 2 的测试结果也显示了与c a o 相似的规律。这些都表明，干态钙基脱硫 剂在烟气温度条件下几乎不具有脱硫活性，只有在较高的湿度条件下才可能有较大的反应活性。 k l i n g s p o r 等”首先开展了增湿条件下的反应机理研究。最早他们考察的脱硫剂是石灰石。实验 中颗粒粒度为3 - 1 0 0 p m ，试验温度为4 0 - 8 0 ，s 0 2 浓度为5 0 0 4 0 0 0 p p m ，相对湿度为0 - 9 2 。试验 发现，s 0 2 脱除率高低与相对湿度密切相关，颗粒只有在含有相当于1 分子层吸附量以上的水分时 才有较显著的脱硫作用，低于此最低吸水量时脱硫率几乎为零。石灰石的初始反应速率随着所用颗 粒粒释的增大而减少，他们认为这是由于b e t 表面积减少造成的结果。他们还试图用简单的动力学 模型，= k c ”( r 为反应速率，m o l k g h r ：k 为反应速率常数，m o l k g - h r ( m o l m 3 ) 一；c 为s 0 2 浓度， m o l m 3 ；n 为反应级数。) 对试验结果进行关联，结果表明。式中的k 和n 并不是常数，它们随着 相对湿度的改变而改变，当相对湿度由2 4 升至9 2 时，k 值由0 0 4 5 增大至11 8 ，而n 由0 增大至 5 东南大学硕士学位论文 0 , 8 。他们推测，这种急剧变化是由于水相存在方式由物理吸附层转变为水溶液引起了过程化学机制 的改变。他们还发现，根据回归的k 和n 值，当颗粒粒度为3 - 5 岫时，其脱硫反应可用未反应收缩 孔模型描述。 之后，他们又考察了c a ( o h ) 2 脱硫剂的增湿反应特性，试验中共使用了5 种样品，c a ( o h ) ：含 量为9 0 - 9 3 7 ，比表面积为1 4 4 - 2 5 5 m 2 g 。根据试验结果得出如下结论：( 1 ) 初始反应速率与气体相 对湿度大小旱指数关系，如果相对湿度低于2 0 ，s 0 2 与c a ( o h ) 2 不发生反应；f 2 ) 温度变化对初始 反应速率的影响不大；( 3 ) 当相对湿度小丁7 0 时，初始反应速率与s 0 2 浓度无关，即呈0 级关系； 当楣列湿度大于7 0 时，s 0 2 浓度的影响增加；当相对湿度达9 2 时，气膜扩散对c a ( o h ) 2 - s 0 2 反 应体系不存在影响。 j o r g e n s e n 等“u j 在实验室砂床反应器上测试了c a ( o i ) 2 脱硫剂在增湿条件下的脱硫活性，试验温 度范围为5 5 - 7 5 。c ，s 0 2 浓度范围为5 0 0 2 0 0 0 p p m ，湿度范围为1 0 8 0 。结果表明，c a ( o h ) 2 转化率 随相对湿度的增加而增加，湿度越大时转化率变化越敏感；而温度升高仅使转化率略有增加，s 0 2 浓度变化对转化率没有影响。估算表明，外扩散阻力不可能成为过程的控制因素，根据山ns 0 2 浓 度变化曲线推测，过程可能为产物层扩散控制，而相剥湿度对灰层扩散有显著影响。 r u i z - a l s o p 和r o c h e l l e l 2 1 1 也在砂床反应器中开展了类似的研究，结果也证实相对湿度对提高，f ；i 灰活性有重要作用。同时他们还得出如下结论：( 1 ) 温度对反应速率的影响作_ ；| j 较弱，反廊表观活化 能约为2 9 k c a l m o l ：( 2 ) 发生在未反应c a ( o h ) 2 颗粒表面的化学反应关于s 0 2 浓度为0 级，产物层扩 散系数d s 和反应速率常数k s 随相对湿度的增加而增加；( 3 ) 在较低相对湿度及s 0 2 浓度条件下，s 0 2 通过产物层的扩散是过程的控制步骤，而在较高的相对湿度和s 0 2 浓度条件下，本征反应是过程的 控制步骤。他们还用未反应收缩孔模型对过程进行了拟合，模型假定反应关于s 0 2 浓度为0 级，并 引入了颗粒形状和表面粗糙度系数( 假定其与转让率呈指数关系) ，改进后的模型与试验值有较好的 拟合度，由模型回归得d s 值为0 7 5 x 1 0 - 9 _ 1 2 0 x 1 0 - 9 c m 2 s ，k s 值为1 0 x 1 0 - 9 8 2 3 x 1 0 一c m s 。 i r a b i e n 等”“试验了在温度5 4 、模拟烟气含水汽体积1 2 条件下的c a ( o h ) 2 脱硫剂的脱硫特性。 测得了3 种砂床装料高度时反应速率随时问的变化曲线，据此进行动力学拟合。动力学表达式采用 未反应收缩孔模型，并考虑了反应表面的吸附特性，模型参数一反应速率常数和吸附参数用 m a r q u a r d t 优化方法求得。h a r t m a n 和t m k a 根据他们在1 7 5 5 8 5 温度范围、模拟烟气含水1 26 条 什下得到的c a ( o h ) 2 脱硫反应动力学测试结果外摊到l r a b i e n 等的试验条件发现外推的反应速率远 小丁i r a b i e n 等的报导值，他们的解释是可能由于后者的试验中相对湿度达8 0 ，水汽大每吸附致使 颗粒表而形成了液体相。 r i c e 和b o n d 2 3 1 研究了较高温度条件下( 1 2 5 2 4 0 c ) 增湿对反应活性的影响。试验在模拟烟道 中进行，钙粉和水蒸汽在烟道入口处同时喷入。由于温度大于1 0 0 时饱和汽乐急剧上升，故在试 验温度下的相对湿度般都不超过1 0 。试验结果发现，在相当的相对湿度条件下，脱硫效率要明 显大于前述低温时的报导值，如果将结果外推到5 0 7 0 的相对湿度，脱硫效率将大于5 0 7 0 。尽 管他们注意到了温度的影响，但他们认为过程的控制因素不是本征反应而是传质过程。 与喷努干燥工艺不同，在循环流化床划气脱硫工艺中，水和脱硫剂颗粒是单独加入反席器的， 其本质足利用由于水