（环境工程专业论文）工业固体废料用作烟气脱硫剂的研究.pdf

摘要 固体废物资源化的研究已越来越受到国内外的重视，目前大量产生的高炉渣 粉煤狄已对大气、水体、土地等造成了污染，本文针对这两种工业固体废物的成 分特性，在调查研究与模拟试验研究的基础上，论证了高炉渣作为一种新型脱硫 剂的可行性，以及加入粉煤灰这种添加剂可有效提高脱硫率。试验采用了商业软 件对工程实际问题进行数值应用一计算机模拟技术，本文采用了f l u e n t 6 1 模拟 软件模拟高炉渣作脱硫剂的脱硫过程，概述了其脱硫反应机理及温度、时间等对 脱硫过程的影响。 模拟试验研究结果表明，直接将高炉渣用作脱硫剂喷入燃烧炉内用于烟气脱 硫试验时，平均脱硫率为3 2 o ，最高仅达4 8 8 ：而在高炉渣中配入少量的粉煤 灰，充分混合后使粉煤灰裹覆于高炉渣颗粒的表面，制成混合型的钙质高炉渣脱 硫剂，其平均脱硫率较纯高炉渣有很大提高，最高可达9 4 6 。试验表明脱硫率与 高炉渣粉煤灰的配合比有关，即存在一个粉煤灰的较佳配量，本文高炉渣粉煤灰 的配合比为1 0 ：1 ，5 ：1 时脱硫效果较好。所以当脱硫率要求不太高时，可考虑使 用高炉渣一粉煤灰混合脱硫剂，以部分或全部取代石灰石脱硫，可大大降低脱硫 剂成本。 本研究为高炉渣粉煤灰的资源化利用提供了又一途径，同时实现了以废治废 为高炉渣用作脱硫剂提供了初步的技术方案，对保障我国固体废物资源化利用 与环境的可持续发展具有重大意义。资料显示：目前尚未见到国内外采用 f l u e n t 6 1 模拟软件模拟以高炉渣作脱硫剂的脱硫试验的研究报导，本文进行的 初步探讨为高炉渣粉煤灰资源化的利用提供了基础技术指标。 关键词：固体废物，高炉渣， 粉煤灰，脱硫剂 a b s t r a c t r e s e a r c hi nr e c y c l e ds o l i dw a s t eh a sb e e np a i dm o r ea t t e n t i o ni nt h e w o r l d n o ws m e l t i n gi r o ns l a ga n df l ya s hp r o d u c e db yf a c t o r i e sh a s p o l l u t e da i rw a t e ra n ds o i l _ t h ep a p e ra i m st os t u d yt h ef e a s i b i l i t y o ft w os o l i dw a s t ea sd e s u l f u r i z a t i o na b s o r b e n t sa n da d d i t i v e so nt h e b a s i so f s u r v ya n ds i m u l a t e de x p e r i m e n t t h ea r t i c l e u s e sc o m m e r c i a l s o f t w a r et od e a lw i t hp r a c t i c a li s s u ei ne n g i n e e r i n g ，s i m u l a t e st h ec o u r s e o fg a sd e s u l f u r i z a t i o na n da n a l y s e st h ep r o c e s sm e c h a n i s m s m e l t i n gi r o ns l a ga n ds m e l t i n gi r o ns l a gb l e n d e dw i t hf l ya s ha sa n a b s o r b e n t a v e r a g ed e s u l f u r i z a t i o nr a t ew a s3 2 w h e np u r es m e l t i n gi r o n w a sd i r e c t l ye j e c t e di n t ob u r n e r w h i l es m e l t i n gi r o nb l e n d e dw i t hf l ya s h o b v i o u s l yi m p r o v e dd e s u l f u r a t i o nr a t e i tw i l lb eg o o dt h a ts m e l t i n gi r o n s l a gb l e n d e dw i t hf l ya s hr e p l a c e sl i m s t o n ea sa b s o r b e n t sf o ri tc a n r e d u c e o p e r a t i o nc o s t t h er e s e a r c hp r o v i d e sa n o t h e rw a yf o rr e c y c l e ds m e l t i n gi r o ns l a ga n d f l ya s h ，r e a s o n a b l et e c h n o l o g i c a lp l a n f o rs m e l t i n gi r o ns l a gu s e d d e s u l f u r i z a t i o na n dh a sg r e a ts i g n i f i c a n c et or e c y c l e ds o l i dw a s t ea n d p r e s e r v et h es u s t a i n a b l ed e v e l o p e n to fi n d u s t r i a le c o n o m ya n de n v i r o n e n t a c c o r d i n g t o t h ed o c u m e n t sa n d 1 i t e r a t u r e s ，s i m u l a t i n gg a s d e s u l f u r i z a t i o nb yf l u e n ts o f t w a r ei s n tf o u n da th o m e & a b r o a ds of a r ，s o t h ea r t i c l ec a nb er e f e r r e df o rf u r t h e rs t u d yo fr e c y c l e ds m e l t i n gi r o n s l a ga n df l ya s h k e yw o r d ：s o l i dw a s t e s m e l t i n gi r o ns l a gf l ya s h a b s o r b e n t i i 第一章绪论 1 1 选题背景及研究意义 固体废物资源化的研究越来越受到世界各国的重视是因为随着经济的不断 增长，人口的不断增加和资源的疯狂利用，无论是发展中国家、还是发达国家都 不可避免地受到固体废物的严重困扰，并为此付出了高昂的代价。目前世界各国 的固体废物以高出其经济增长近3 倍的速度增加。就我国而言，历年积存固体废 物已达7 2xl o ”吨以上，占地多达6x1 05 公顷以上，经济损失超过8x1 0 9 元每年，并仍以8 l o 每年的速度递增，全国仅工业固废排放2 8 6x1 0 8 吨每年，己明显超过发达国家3 5 的年平均增长速度“1 。从全球来看，世 界每年产生废钢铁多于3x 1 08 吨；废塑料3x 1 07 吨：工业废渣、粉煤灰及 碎玻璃数亿吨；废旧生活用品、废旧纸张和包装物等数亿吨嘲。年年都有重大有 害固体废物污染事件，可见固体废物的产生量与危害性之大。 而且随着社会的发展，世界各国都意识到固体废物是目前世界上唯一不断增 长的潜在资源和财富，如加以充分利用，可以有效地缓解资源和能源的短缺，同 时又是治理环境污染最有效且对环境负效应最小的途径之一。以北京市为例，在 垃圾构成份中，金属、玻璃、纸类、塑料等可直接回收利用的物质不低于3 3 ， 回收利用的直接经济效益在1 1 2x 1 09 元每年以上脚。就废纸来说，在我国 居民将生活废纸当垃圾扔掉的同时，国内造纸业每年却要花大量外汇进口造纸原 料及废纸，据海关统计，1 9 9 9 年仅广州口岸就进口7 8 9x 1 0j 吨废纸，2 0 0 0 年第一季度进v l1 9 3x1 0 ；吨，而回收每吨废纸可节约2 3 立方米木材、4 0 0 公斤煤、4 0 0 度电及3 0 0 吨水“1 。我国城市固体废物每年可创造2 5x1 0 “元人 民币的财富，相当于建一个三峡工程的费用，可见固体废物资源化同时又可带来 极高的经济效益。 固体废物资源化的研究目前已和多学科相结合，渗透到多项科学研究领域。 因为用于控制大气中s 0 。污染的烟气脱硫剂费用大多较高为得到性优价廉的脱 硫剂，利用某些工业废弃物做脱硫剂已被人们关注鉴于我国高炉渣碱性物含量 高，对环境已造成污染的情况，本文通过对高炉渣与粉煤灰两种工业固体废物的 详细研究，提出用它们来脱硫的研究方向，不仅可降低燃煤烟气中s 0 。对环境的破 坏，节约大量脱硫剂成本，降低脱硫过程的运转成本，而且使工业废物得到了综合 利用，达到以废制废的目的，并实现了经济、生态、社会三大效益相结合的原则。 对保护环境，综合治理污染，保持经济可持续发展具有重要意义，是一项十分迫切 的任务，也是能源与环境科学技术发展所必须解决的问题。 1 2 国内外研究现状 固体废物资源化是一项“三r ”产业，即由循环( r e c y l e ) 、再生( r e u s e ) 、 减量( r e d u c e ) 构成的规模完善的产业体系，它受到许多国家的重视，并在一些 国家形成了规模，且在技术和手段上有了新的进展。具体来说，一要有资源化技 术和经济的支持，即技术上的可行性和经济上的有效性，技术是固体废物资源化 的基础，经济是固体废物资源化的保证。二要有社会需求性，没有需求、无人利 用它就是废物。三要有保证度，固体废物资源化一旦运作，就需要一系列政策、 法规、价格等制度的完善性与保证。 本着此三项原则，工业固体废物资源化已有了多条发展途径。其中当对脱硫 剂有了一定深入的研究后，许多研究人员发现与石灰石的化学成分相近的部分碱 性工业废料可以作比石灰石石灰价格更低廉的脱硫剂，既降低了烟气脱硫的成 本，又达到以废制废的目的，近年此项研究已成为废物利用的热点问题，国内外已 进行了许多这方面的研究。其中涉及到： 一碱渣 是氨减法生产纯碱过程中产生的废渣。中国6 大氨碱厂均地处沿海氨碱废 液废渣主要是靠筑坝堆存，废清液排海的办法处理，排渣工程占用大量土地，耗 资巨大，且给周围地区地上地下造成严重污染。如果用碱渣作为吸收剂进行烟气 脱硫，一方面可减少烟气中s o 。的含量；另一方面脱硫后的排放物为化学稳定的 硫酸钙和亚硫酸钙，可同锅炉炉渣一起堆放，不会影响当前灰渣处理方式。 碱渣是一种孔隙大、颗粒细的固体废料其主要矿构成分为文石( 粒状结晶 不良的c a c o 。) ，通常其粒径仅2 5ui l l ，但文石往往以单个颗粒形式存在，而且 由多个文石颗粒构成集合体，由集合体进一步构成聚集体，形成架空的结构体系， 直径达1 5 2 5ui n 。此碱渣孔隙大，含水量高。经过水洗的碱渣主要化学成分 为：c a c o ：、大于8 0 ，c a c l 。：5 6 ，n a g l ：0 6 7 ，c a o ：5 1 5 。颗粒度小于 2 0um 的碱渣占总量的8 0 以上。由于碱渣的主要成分是c a c o 。，而且其粒径远小 于现行石灰石一石膏法烟气脱硫的石灰石的粒径( 其粒度一般为0 0 7 4 0 0 4 4 u 。1 。因此其物理特性优于石灰石粉。 以碱渣为吸收剂的湿式脱硫法的反应机理为： s 0 2 十h 2 0 = h 2 s 0 3 h 2 s 0 3 = h + + h s 盯 h + + c a c o 。= c a ”+ h c 0 3 一 c a ”+ h s o 。一+ 2h 2 0 = c a s o 。2h 2 0 + h + + h c o ，一= h 2 c 0 3 h 2 c 0 3 = c 0 2 + h 2 0 利用碱渣作为脱硫剂既可降低脱硫成本，又可实现碱渣和烟气s 晓的综合治 理。这种方法脱硫效率高，设备构造简单，处理能力大且在烟气量变化时，脱 硫效率仍能保持稳定。彭铁成等对此进行了研究，在烟气流量为1 4 4 m 3 h 时， 脱硫率在6 9 7 2 9 。 二电石渣 化工生产中会产生大量电石渣，中国目前就有数百万吨电石渣露天堆放，而 且还在逐年增加。仅浙江巨化集团每年就可产生数百万吨，既占用了宝贵的土地 资源，又对土壤和浅层地下水造成污染”3 。以电石渣作为脱硫吸收剂，也可达到 以废治废的目的和举两得的明显环境效益和社会效益。 电石渣的主要化学成分是c a ( o h ) ：。大量的物理、化学分析表明：电石渣具 有c a ( 0 h ) ：含量高、比表面积大、活性好、粒径小等特点，非常适用于烟气脱硫。 利用废电石渣荷电干式脱硫技术( c d s i ) 自9 0 年代进入中困市场以来，该技术 已应用于5 个脱硫工程，并以其低投入、占地面积小、脱硫效率高、运行维护简 易方便等特点深受用户好评8 1 。目前，各化工企业废弃的电石渣只需经过简单的 干燥过程，就可制成优质的脱硫吸收剂。由于装置的投资省、能耗低，其产品成 本仅为商品c a ( o h ) 。的1 3 因此应用电石渣作为脱硫吸收剂，可使c d s z 系统的 脱硫运行费用降低5 0 左右。1 9 9 9 年2 月，山东德州热电厂8 号煤粉炉( 7 5 t h ) 进行了电石渣脱硫的工业试验”3 ，以废电石渣为s o 。吸收及用于c d s i 系统，烟气 脱硫效率达7 2 3 。 三电厂灰 其原理是利用电厂灰中的碱性物质，在湿式除尘设备中同时进行除尘和脱硫 反应。其目的在于以废治废，既减少了s o ：污染，又节约了脱硫剂用量，具有一 定的经济效益：还可以降低冲灰水p h 值，改善冲灰水水质，飞灰脱硫装置与除 尘装置相结合，节约了投资：不用或少用脱硫剂，提高运行可靠性，降低了维修 费用，脱硫后废渣容易处理，节约能耗，降低运行费用：冲灰水可采用闭式循环， 不增加废水排放量；而采用一定的流程处理和操作工艺要求相结合，可以使冲灰 管的结垢问题得到较大程度的缓解“。这种方法对于碱性氧化物含量丰富的电厂 灰尤其适用。 陈亚非“”等对此进行了研究，当飞灰浓度取煤粉炉的飞灰排放浓度，喷水量 为2 0 0 0 k g h 时，脱硫率即可达到2 5 7 。在系统采用电厂灰作脱硫剂时，脱硫 效率与飞灰中碱性物质的含量和含硫量有极大关系。飞灰中碱性氧化物含量越 高，含硫量越低，脱硫效果越好；另外，增加喷水量，也能提高飞灰脱硫效率。 以美国克莱一博斯威尔电厂为例，当碱性物质含量达到1 2 _ 4 时，其脱硫效率可 达6 9 “，因此对于飞灰中碱性氧化物含量较少的电厂，在飞灰中掺入一定量的 碱性物质可以提高脱硫率。 四碱性炉渣 煤在锅炉内燃烧会产生炉渣，其中含有大量的氧化硅、氧化铝、氧化钙等可 熔性碱性物质。炉渣在与水接触和浸泡过程中，可溶性碱性物质会被溶出而进入 水中，使水的p h 值提高。因此可用水直接与炽热的炉渣接触，水渗入炉渣，在 极短的时间内发生汽化造成爆裂，使炉渣粒度减小，促进炉渣内碱性物质的溶出， 使水的p h 值达到8 l l 。研究结果表明，用泵将这种炉渣浸出水直接抽入锅炉 的湿式除尘系统进行烟气的脱硫除尘，脱硫效率可达4 0 6 5 “”。 五水处理固体废物 水处理固体废物的传统处理方式化，对土壤资源和地下水将造成长期的污染 和危害。大量废物堆积会毁坏农田和森林，甚至造成坍塌和滑坡。因其成分中含 有7 5 的c a c 吼和7 的m g ( o h ) ：，还含有少量f e ( o h ) 。n a c l 、n h 。c 1 、c a c l 。、a 1 0 f e 。0 、s i o ：、a 1 ( 0 i t ) ：，以及硅酸盐等化合物，在高温条件下可分解出铁、硅、铝的 氧化物，有助于提高其c a o 的利用率和保持较高的脱硫效率。另外当水处理固体 废物被送入炉膛，在炉内高温作用下，易形成多孑l 结构的产物，并可进一步扩大 c a o 在煅烧时的气孔：n a c l 等有爆孔的作用，会增加脱硫剂的孔洞，其脱硫剂的比 表面积大大增加。同时生成一种热稳定化合物，延缓并阻止c a s o 。的分解，使s 0 2 、 0 ：可进入c a s o ；与未反应的c a o 继续作用。从而促进和强化了脱硫反应，使c a o 的利用率增加，提高了脱硫效率。 用脱硫剂控制二氧化硫的方法多种多样，世界各国研究开发的控制技术达 2 0 0 多种，其中有的已投入使用，有的则仍处在研究阶段。这些技术归纳起来可 分为三大类： ( 1 ) 燃烧前脱硫，如洗煤“、微生物脱硫“”等。 ( 2 ) 燃烧中脱硫，如型煤固硫“、炉内喷钙“7 1 等。 ( 3 ) 燃烧后脱硫，即烟气脱硫( f g d ) 。f g d ( f l u eg a sd e s u l p h u r a ti o n ) 法是 世界上唯一大规模商业化的烟气脱硫技术，它是利用吸收剂或吸附剂去除烟气中 的s o 。，并使其转化为较稳定的硫的化合物及硫单质。 脱硫剂烟气脱硫按工艺特点可分为湿法、干法和半干法三大类。湿法脱硫有： 石灰石灰石法“、钠碱双碱法“、钠盐循环法。、碱式硫酸铝一石膏法”等。 湿法烟气脱硫因具有脱硫率高、操作稳定且经验多而成为目前国内外应用最多的 一种方法，其中的石灰石灰石一石膏法又是最常用的方法。湿法的缺点是易造 成二次污染，脱硫后的烟气需再加热，易造成腐蚀和结垢等问题。干法脱硫有： 荷电干式喷射脱硫法。、等离子体法”等。干法脱硫具有工艺简单、无污水处理 问题、能耗低、净化后烟气可不需再加热以及腐蚀性小等优点，但脱硫效率一般 比湿法低。半干法有：旋转喷雾干燥法”“、烟道内喷入吸收剂法。”等。半干法的 特点是：反应在气、液、固三相中进行，吸收液中的水份被烟气加热蒸发，最终 产物为干粉状，因而具有干法脱硫的某些优点。根据脱硫副产物是否回收利用， 湿法烟气脱硫又分为回收法和抛弃法两大类。 目前国际上研究开发的重点是使f g d 水平更高、综合投资和运行费用更低、 经济效果更好、适应性和针对性更强的技术，并已经取得了突破性进展。这些技 术的开发成功，必将对2 1 世纪上半叶的脱硫市场产生重大的影响，主要是以美 国c c i 一1 l 计划为代表的儿项重要的烟气脱硫技术”，包括：a 烟气循环流化床 脱硫技术( c s a ) ：b 烟气管道喷钙脱硫技术ic 气动f g d 技术( a f g d ) ：d c t 一1 2 1 鼓泡反应器脱硫技术：e n o x s o 同时脱硫脱硝技术：f s n o x ”同时脱硫脱硝技 术：9 s o x n o x r o x b o x ”同时脱硫脱硝除尘技术等。这些新型烟气脱硫技 术的开发成功，也必将对我国烟气脱硫技术的提高产生重大影响。 近十几年来，中国研究开发的烟气脱硫方法多达4 0 余种，但这些烟气脱硫 技术在不同程度上都存在一些缺陷和弊端，其中最主要的是脱硫装置投资大、运 转费用高、占地面积广且工艺复杂，因此不适用于中小型燃煤锅炉。鉴于中国的 经济实力和具体国情，选择投资省、运行费用低、脱硫效果好的技术对于烟气脱 硫才有广阔的应用前景。其中利用工业废弃物作脱硫剂进行烟气脱硫不失为开发 燃煤锅炉烟气脱硫技术的新途径。 对于脱硫剂的研究已有较长的历史，在f g d ( f l u eg a sd e s u l p h u r a t i o n ) 装置的运行费用中，脱硫剂的消耗费用占的比例较大，所以对脱硫剂的选择和研 究是f g d 工艺中的重要问题之一。 碱性氧化铝、氧化铜、氧化锌、铁化合物等都作为固体再生吸收剂，在六十 年代受到格外重视，当时对其进行了大量研究工作 目前国内大型电站的烟气脱硫装置基本上利用石灰石灰石作为脱硫剂。脱硫 反应的原理其实并不复杂，脱硫剂石灰石灰石的主要化学成分为c a c o 。，脱硫反 应基本原理是c a c 0 3 高温分解后生成的c a o 与s o s 气体反应生成c a s o ；( 氧化性气 氛) 或c a s ( 还原性气氛) ；如果温度过高，生成的c a s 0 4 会发生分解反应氧化性气 氛下的脱硫反应及产物分解方程式如下： 煅烧分解反应：c a c 0 3 一c a o + c o 。： 脱硫反应：c a o + s o 。一c a s o ：；： c a o + s 0 2 + 1 2 0 ：一c a s 0 。： c a s o , 分解反应：c a s o d c a o + s o ：+ 1 20 2 用石灰作脱硫剂，工程上多以生石灰化浆，配成一定浓度的石灰浆液用于烟 气脱硫，因其p h 值较高，液相传质阻力小，吸收速率高，脱硫效率也较高。但 在较高的p h 值下，吸入液相的s o 。主要以so 。的形式存在，s 0 。与c a ”反应生 成c a s o ，1 2 h 。0 在塔内结垢影响系统的正常操作。为防止结垢，常采用降低p h 值的方法，掘统计日本控制p h 值为6 5 8 ，美国控制为6 9 8 9 ，但要把石灰 浆液的p h 值控制在上述范围内还是比较难的。”。由于石灰石的成本比石灰低， 容易将p h 值控制在希望的范围内，而且脱硫效率也较高，因此也广泛用作脱硫 剂。 不同种类的脱硫剂对脱硫效果有着重要的影响。选择什么样的脱硫剂能取得 好的脱硫效果昵? 通过日i 人的研究”：脱硫剂的性能首先取决于脱硫剂的化学成 分含量，主要是钙含量的多少。这主要是通过脱硫反应原理研究分柝得到的。但 是仅将脱硫剂的化学特性作为评价脱硫性能的主要标准，这样建立起来的体系可 以从一定程度上对不同脱硫剂的反应活性做出评估，但具有一定的片面性。 影响脱硫剂脱硫效果的另一重要因素是脱硫剂的微观结构。石灰类脱硫剂脱 硫过程的重要特征是气固表面反应，并伴随有反应面积的变化通常认为c a c 0 。、 c a 0 、c a s 0 。的摩尔体积分别为3 6 9 、1 6 8 和5 2 2 c m 3 m o l ，也就是说，煅烧使脱硫 剂内产生更多的微孔，雨硫化反应导致晶粒膨胀，孔直径减小，甚至某些微孔堵塞 天然石灰石煅烧后内部出现大量孔隙，但在硫化反应中出现的孔闭塞现象使脱硫 剂不能得到完全利用为了探讨微观结构及孔径分布对脱硫性能的影响，研究人 员通过扫描电镜观察，定性分析了多种钙基脱硫剂微观结构的差别，通过压汞分 析，定量测量脱硫剂内的孔径分布，对照它们的脱硫特性，以及为何有些脱硫剂脱 硫效果好的原因，为选择脱硫剂、改善脱硫剂的性能提供依据。通过观察脱硫剂 微观结构及其变化及脱硫剂孔隙分布分析出脱硫剂内小于00 5u1 t i 的小孔，反应 过程中极易被堵塞，钙利用率很低。 对脱硫反应而言，除了孔径大小影响反应气体的扩散过程外，脱硫剂反应表 面积的大小也是影响脱硫性能的非常重要的因素在满足气体扩散的前提下，适 当减小孔径，增加反应表面积，将会提高脱硫反应速率和最终的钙转化率。煅烧后 具有足够大孔径的脱硫剂，允许气体在其内部自由扩散，将具有较好的脱硫性能。 另外反应过程中温度也是一影响因素。温度的提高可以加速化学反应，但同 时也加快了反应产物硫酸钙( c a s 0 a ) 在脱硫剂表面的形成，很容易造成脱硫剂颗 粒孔隙的堵塞，阻碍反应的继续进行。因此选择合适的脱硫湿度对于提高脱硫剂 钙利用率是很必要的。 1 3 研究内容及方法 本文的研究工作是探讨黑色冶金工业固体废物一高炉渣、粉煤灰的一种资源 化利用途径，即用作烟气脱硫剂在燃烧进行中脱硫。研究利用这两种工业废料进 行烟气脱硫的可行性以及脱硫过程中各种影响因素，以此来降低脱硫运行费用， 又可达到“以废制废”的综合环境治理的目的。 为此，开展了以下研究内容： ( 1 ) 通过对高炉渣、粉煤灰的成分分析，结合脱硫剂脱硫原理，探讨高炉 渣用作烟气脱硫剂在理论上的可行性： ( 2 )利用f l u e n t 软件模拟利用纯高炉渣作脱硫剂的燃烧脱硫实验过程， 并对试验结果进行讨论与研究，对脱硫过程进行阐述，探讨脱硫反应 机理及高炉渣作脱硫剂的可行性： ( 3 ) 利用f l u e n t 软件模拟高炉渣与粉煤灰按l ：1 、5 ：1 、1 0 ：1 做成混合脱 硫剂燃烧脱硫实验过程，并对试验结果进行讨论与研究，对脱硫过 程进行阐述，探讨脱硫反应机理及高炉渣与粉煤灰混合作脱硫剂的可 行性： ( 4 )本文首次通过大型商业软件f l u e n t 6 1 研究了高炉渣与粉煤灰混合这 两种工业固体碱性废物混合用作脱硫剂，但对高炉渣这种廉价易得的新 型脱硫剂只是进行了初步探讨，为其工业化应用提供了初步的技术路 线。 第二章f l u e n t 模拟燃烧实验法概述 2 1 采用f l u e n t 模拟燃烧实验的原因 实际实验方法应将工业固体废料处理后加人燃烧炉中，在高温下锻烧后生成 生石灰( c a o ) ，生石灰与燃煤中产生的s o ：，反应生成硫酸钙： c a c 0 3 一c a o + c 吼 c a o + s 0 2 + 0 2 一c a s o d 生成的硫酸钙随炉渣排出，从而降低烟气中的s 0 。含量。 所采用的加入方式主要有3 种。1 ： 第一种是将工业固体废物粉末与煤按一定比例加工成型，再送入炉中燃烧， 称为型煤固硫技术。另外也有采用其他固硫剂为原料制型煤的方法，但大部分都 是利用原料中的c a o 与s 0 。反应原理达到脱硫目的的。 第二种方法为流化床固硫技术。将锅炉改造成沸腾床燃烧，固体废物粉末与 煤在燃烧中充分接触，在用石灰石作脱硫剂时脱硫效率明显提高，可达8 0 以上。 这种方法投资少，脱硫效率高，并能提高锅炉热效率。虽然对老锅炉的改造存在 一定的困难，但对新建的燃煤锅炉不失为一种极好的控制污染的方法。 第三种为炉内直接喷射脱硫法，即将固体废物粉末直接喷射入锅炉内适当位 置，使其与s o 。反应。这种方法只要对锅炉作较小改动即可采用，特别适合于老 厂的改造，脱硫率一般为5 0 左右。据报道，如能在烟道上进一步采用使未反应 的脱硫剂活化的技术，可使脱硫率达到9 0 。 在过去几十年中，燃烧实验主要是基于电厂锅炉运行所积累的经验及一 些小规模试验装置所测得的数据，这些经验和数据会局限燃烧技术的应用。 如本实验采用小规模试验装置，尽管对燃烧过程能提供有价值的信息，但由 于其试验花费昂贵，并且由于在非预混火焰中湍流反应流的复杂本质，所得 结论很难直接运用到实际燃烧系统中去。而如果燃烧各个过程采用合理的 模型，由于其能提供小试验不能提供的燃烧过程信息，并且花费少，所需时 问少，因此，在设计、改进、分析和优化燃烧过程及节能系统中，燃烧模型 越来越受欢迎。 随着电子计算机技术的不断发展，燃烧过程的数值模拟已经成为燃烧理论研 究和燃烧装置设计的重要手段，它把燃烧理论试验和燃烧装置设计有机地结合起 来，能够精确地模拟炉内燃烧所产生的温度场、速度场，压力场以及各种污染物 的产生等。因此，应用燃烧过程数值模拟方法可以进行燃烧装置设计和运行性能 预测，在实际运行中可以优化运行条件，从而提高燃烧过程的安全性和经济性， 并且可以准确地计量污染物的生成。 本文采用美国f l u e n ti n c 的f l u e n t 软件进行模拟燃烧实验，来验证几种固 体废物代替石灰石用作脱硫剂的可行性及脱硫效果 2 2 f l u e n t 软件介绍 f l u e n t 软件基于有限容积法，它包含有结构化及非结构化网格两个版本。在 结构化网格版本中有适体坐标的前处理软件，同时也可以纳入p a t r a n 、a n s y s 、 i d e a s 及i c 酬c f d 等专门生成网格的软件。速度与压力耦合采用同位网格上的 s i m p l e c 算法。对流项差分格式纳入了一阶迎风、中心差分及q u i c e 等格式。代 数方程求解可以采用多重网格及最小残差法( g m r e s ) 。在其非结构网格化网格的 版本( f l u e n t u n s ) 中采用控制容积有限元方法( c v f e m ) ，在该方法中采用了类 似于控制容积方法来离散方程，因而可以保证数值计算结果的守恒性，同时采用 了非结构网格上的多重网格方法求解代数方程。1 9 9 8 年f l u e n t 公司推出了自己 研制的新的前处理网格生成软件g a m b i t ，并将f l u e n t u n s 与r a m p a n t 合并为 f l u e n t 5 0 f l u e n t 软件是大型商业化计算流体力学( c f d ) 软件，在国际数值计算领域 使用十分广泛，对诸如空气动力学、燃烧器、分离器、管内流动、电子器件冷却、 换热器、叶轮中的流动、地球物理研究、肺部中的流动、油膜运动、火箭中的流 动、城市污染预测、飞行器流场等问题均可进行数值模拟。 该软件提供了大量求解计算流体问题的模型和算法。模型方面，例如：层流 与紊流、传热( 传导、对流、辐射) 、燃烧、多相流、旋转机械、可压与不可压流 体、定常与非定常、固体与流体的混合传热等等。算法方面，例如：一阶上风格 式、二阶上风格式、q u i c k 格式等。 网格生成及前处理非常方便。网格可自动生成，且网格形状十分随意，从三 1 0 随着电子计算机技术的不断发展，燃烧过程的数值模拟已经成为燃烧理论研 究和燃烧装置设计的重要手段，它把燃烧理论试验和燃烧装置设计有机地结合起 来，能够精确地模拟炉内燃烧所产生的温度场、速度场，压力场以及各种污染物 的产生等。因此，应用燃烧过程数值模拟力法可以进行燃烧装置设计和运行性能 预测，在实际运行中可以优化运行条件，从而提高燃烧过程的安全性和经济性， 并且可以准确地计量污染物的生成。 本文采用美国f l u e n ti n c 的f l u e n t 软件进行模拟燃烧实验，来验证几种固 体废物代替石获石用作脱硫剂的可行性及脱硫效果 2 2f l u e n t 软件介绍 f l u e n t 软件基于有限容积法，它包含有结构化及非结构化网格两个版本。在 结构化阿培版本中有适体坐标的前处理软件，同时也可以纳入p a t r a n 、a n s y s 、 i d e a s 及i c e m c f i ) 等专门生成网格的软件。速度与压力耦合采用同位网格上的 s i m p l e c 算法。对流项差分格式纳入了一阶迎风、中心差分及q u i c k 等格式。代 数方程求解可以采用多重网格及最小残差法( g m r e s ) 。在其非结构网格化网格的 版本( f l u e n t u n s ) 中采用控制容积有限元方法( c v f e m ) ，在该方法中采用了类 似于控制容积曲法来离散方程，因而可以保证数值计算结果的守恒性，同时采用 了非结构网格上的多重网格方法求解代数方程。1 9 9 8 年f l u e n t 公司推出了自己 研制的新的前处理网格生成软件g a m b i t ，并将f l u e n t u n s 与r a m p a n t 合并为 f l u e n t 5 0 7 l u e n t 软件是大型商业化计算流体力学( c f d ) 软件，在国际数值计算领域 使用十分广泛，对诸如空气动力学、燃烧器、分离器、管内流动、电子器件冷却、 换热器、叶轮中的流动、地球物理研究、肺部中的流动、油膜运动、火箭中的流 动、城市污染预测、飞行器流场等问题均可进行数值模拟。 该软件提供了大量求勰计算流体问题的模型和算法。模型方面，例如：层流 与紊流、传热( 传导、对流、辐射) 、燃烧、多相流、旋转机械、可压与不可压流 体、定常与菲定常、固体与流体的混合传热等等。算法方面，例如：一阶上风格 式、二阶上风格式、q u i c k 格式等。 网格生成及前处理非常方便。网格可自动十成，且网格形状十分随意，从三 网格t 成及前处理非常方便。网格可自动生成，且网格形状十分随意，从三 1 0 面体、六面体到八面体或更复杂的微元体。尤其令人感到方便的是它对任意形状 的物理域均可划分网格，而不要求是规则区域。 后处理功能强大，可以把所关心的任意点、线、面上相关的参数的分布显示 出来，或输出为数据文件。显示的形式也很多，诸如，等值面图、矢量图、流线 图、颗粒轨道示踪等。 2 3 数值模拟原理简介 众所周知，描述流动、传热问题的微分方程常常是一组复杂的非线性偏微分 方程。除对某些简单问题外，很难获得这些偏微分方程的精确解。对于大多数实 际工程流动、传热问题，必须采用实验研究或近似解法。 上世纪六十年代末期以来，随着计算机技术的迅速发展，流动、传热问题的 数值解法很快发展成为解决实际问题的一种重要工具。 数值解法是一种离散近似的计算方法。它所能获得的不是像解析解那样是研 究区域中未知量的连续函数，而只是某些代表性地点( 称为节点) 上的近似值。为 了用计算机解出节点上未知量的近似值，首先需要从给定的微分方程或基本物理 定律出发，建立关于这些节点上未知量近似值问的代数方程，称之为离散方程( 这 一过程称为离散化) ，然后对其进行求解。其总体过程如下。“； 根据数学模型建立控制方程； 所求解区域的离散化，即网格划分； 建立离散方程( 将微分方程转变为代数方程) ； 给定初始条件及边界条件，迭代求解代数方程直至收敛； 计算结果分析。 同一物理问题可能采用不同的数值解法，区别在于数学模型的选取、网格的 划分、离散化方法、求解方法这几个过程上。 1 ) 区域离散化 对流动、传热问题进行数值求解时，首先要把所计算区域划分成许多互不重 迭的子区域( 网格) ，确定节点在子区域中的位置及其所代表的容积( 即控制容 积) ，这一过程称为区域离散化。 离散化的方法因所采取的数值解法而不同，数值解法有多种类型，其中最古 u 老的是有限差分法，另外还有有限容积法、有限元法、边界元法等多种。下面以 有限差分法为例说明区域离散化的过程。 区域离散化可分为内节点法和外节点法，区别在于节点相对于子区域的位 置，从而导致控制容积的不同。对于一个二维区域，如图1 所示，小圆圈表示节 点，阴影面积表示控制容积。 y 笏 h ( a ) 外节点法 ( b ) 内节点法 图2 一l 有限差分时的区域离散化方法 由于所研究的区域常常具有不规则的形状，采用图1 中所示的结构化网格很 难达到理想的效果。 目前国际计算流体力学软件，如f l u e n t 等，增加了非结构化网格的网格划 分及其求解方法，此时，采用的方法为控制容积有限元法( c o n t r o l v o l u m e f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，c v f e m ) ，它的区域离散方法如图2 所示。 图22 三角形单元的控制容积 2 ) 离散方程的建立 建立离散方程的方法有泰勒级数展开法、多项式拟合法、控制容积积分法及 平衡法。 泰勒级数展开法是指把控制方程中的各阶导数用相应的差分表达式来代替 而形成离散方程的方法。 多项式拟合法主要用来处理边界条件。 前两种方法属于有限差分法，控制容积积分法属于有限容积法，在传热问题 的数值计算中广为采用。前两种方法偏重于数学角度进行推导，把控制方程中的 各阶导数用相应的差分表达式来代替，控制容积积分法及平衡法则侧重于从物理 现象来分析，每一个离散方程都是有限大小容积上某种物理量守恒的表示式。 以下是一个三维问题的离散化过程，及最终所得到的代数方程的形式。 彳 ，z v y p 矿 f 。 ， ， 图2 - 3 控制体示意图 e 对任意指定的网格节点p ，它在东、西、南、北、上、下方向的相邻节点为 e 、s 、n 、h 、l ，其控制容积的边界点用相应的小写字母表示。对通用控制方 程在网格点p 所在区域进行离散化处理。 对于边界面上的各通用变量啦，西。，西。，饥，中 ，中f 可采用不同的插值 方法，但不管采用何种方法，都可得到下列形式： 程。 a p m p = a m + 口t l , + a _ v 中+ a s 中s + a h 中片+ a 中工+ b 到此为止，己将偏微分形式的控制方程离散化为可用计算机求解的代数方 1 3 3 ) 流场计算及s i m p l e 算法 可将动量方程写成对流一扩散方程的通用形式如下 去( 胁) + 去( p u l u j ) 毫，一1 蕊r 一 一兰+ 寿c 肛普，+ 袅 p + 一l ，一- - 、ax i 口x f 方x i7 痞最 一 孺一 流场控制方程在数值求解过程中，传统的方法并不是直接解代数方程，因为 这种方法的计算机耗费太大，而是采用分离式的代数解法( 或称顺序求解法) ， 来处理速度与压力的耦合问题阱1 。下面要介绍的s i m p l e 系列算法就属这种类型。 s i m p l e ( s e m i i m p l i c i tm e t h o df o rp r e s s u r el i n k e de q u a t i o n s ) 算法。”， 字面意思为求解压力耦合方程的半隐式方法。它的基本思想为：在求解n a v i e r - - s t o k e s 方程时采用压力修正算法，先给定一个压力场( 为上一次计算所确定 的) ，在此条件下按次序求解u 和v 的代数方程，由此所得到的速度场未必能满 足质量守恒的要求，因此必须对给定的压力场加以修正。为此，把由动量方程的 离散形式所规定的压力与速度的关系代入连续性方程的离散形式，从而得出压力 修正方程。由压力修正方程得出压力改进值，进而改变速度，以得出本次迭代满 足连续性方程的解。然后用计算所得新速度值去改进动量离散方程的系数，以开 始下一层计算。如此反复，直到获得收敛解。 s i m p l e 算法包括各种改进方案是不可压缩流体的n a v i e r - - s t o k e s 方程数值 求解中应用非常广泛的算法，并且已成功地应用于可压缩流体的数值计算中。 s i m p l e 算法计算步骤如下： ( 1 ) 假定一个速度分布，记为u 。，v o ，以此计算动量离散方程中的系数及常 数项； ( 2 ) 假定一个压力场p + ； ( 3 ) 依次求解两个动量方程，得u + 、v + ： ( 4 ) 求压力修正方程得p7 ： ( 5 ) 计算修正后的速度场； ( 6 ) 求解k 一方程； ( 7 ) 将经过修正的压力p 作为新的压力给定值p + ，返回第一步； ( 8 ) 重复全过程，直至收敛。 1 4 随着数值计算技术的发展，对s i m p l e 算法的改进，又产生了多种方法，如 s i m p l e r 、s i m p l e c 、s i m p l e x 、s i m p l e t 等算法。追求新式算法的目的主要是进 一步提高收敛特性及收敛速度。 4 ) 紊流模型 紊流是一种复杂的非稳态三维流动。在紊流中流体的各种物理参数，如速度、 压力、温度等都随时间与空间发生变化。从物理结构上说，可以把紊流看成是由 各种不同尺度的涡旋叠加而成的流动。不同尺度涡旋不破裂、消失、再生的过程 构成了紊流流动。由于流体内不同尺度涡旋的随机运动，造成了紊流的一个重要 特点一物理量的脉动。 紊流流动的数值计算是计算流体力学( c f d ) 问题中的重要内容，其计算方法 大致分以下三类。”： ( 1 ) 完全模拟 即直接模拟，这是用非稳态的n a v i e r s t o k e s 方程来对紊流进行直接计算的 方法。理论上说，该方法可以得到误差较小的解，但其对计算机的计算速度及内 存空间需求较高，目前应用较少。 ( 2 ) 大涡旋模拟 按照紊流的涡旋学说，紊流的脉动与混合主要是由大尺度的涡旋造成的。大 尺度的涡从主流中获得能量，它们是高度的非各向同性，而且随流动的情形而异。 大尺度的涡通过相互作用把能量传给小尺度的涡。小尺度的涡主要作用是耗散能 量，它们几乎是各向同性的，而且不同流动中的小尺度涡有许多共性。关于涡旋 的上述理论就导致了大尺度涡模拟的数值解法。这种方法旨在用非稳态的 n a v i e r s t o k e s 方程来直接模拟大尺度涡，但不直接计算小尺度涡。小涡对大涡 的影响通过近似的模型来考虑。 商业软件f l u e n t 中已经提供了大涡模拟模型。 ( 3 ) 雷诺( r e y n o l d s ) 时均方程法 该方法将非稳态控制方程对时间作平均，所得方程中包含了脉动量乘积的时 均值等未知量，造成方程数小于未知量的个数，为使方程组封闭，必须做出假设， 即建立模型。该类方法在目前工程紊流计算中应用最广。 该类方法主要分两大类：一种为雷诺应力方程法；另一种为紊流粘性系数法， 其代表性的模型即k - e p s i l o n 双方程模型。这两种模型f l u e n t 软件中都已经提 供。 5 ) 差分格式 对流扩散方程中对流项的离散格式一直是计算流体力学的一个基础研究课 题。研究的目的在于，获得准确性与经济性( 计算时间较省与所需内存较少) 更好 的差分格式。这里准确性是指数值解与实际问题的解的符合程度。虽然对大多数 实际问题，我们并不知道其真正的解，但在研究对流项的离散格式的特性时，我 们总是选择一些存在精确解的问题来考核。准确性是一个综合指标，可以因多种 不同的因素使这一指标变坏，它包括：数值扩散( 也称假扩散或伪扩散) 使计算结 果准确性下降；非守恒性使数值结果的守恒性不能满足；条件稳定的格式所产生 的振荡引起物理上不合理的解；越界现象使计算结果超越物理问题的上、下限及 相误差使数值解中不同频率分量的相速度发生了变化。 对流扩散方程中的扩散项一般均采用具有二阶截差的离散格式，对于大多数 有实际意义的问题，这一格式已完全能满足需要。 对流扩散方程的差分格式有迎风格式、中心差分格式、混合格式、乘方格式、 q u i