（环境工程专业论文）逆流喷淋塔石灰石石膏烟气脱硫试验研究及数学模拟.pdf

摘要 摘要 石灰石，石膏湿法烟气脱硫在众多的脱硫工艺中占主导地位，该工艺具有脱硫效率高， 吸收剂利用率高，对煤种适应性好，运行可靠性高等优势。本文进行了石灰石，石膏脱硫不 同工况下的热态试验，试验研究了不同入口s 0 2 浓度、烟气温度、烟气速度、浆液p h 值、 液气比、喷淋层组合等几个重要参数以及有无强制氧化对脱硫效率的影响，并分析其原因。 试验结果表明：在其他参数一定的条件下，脱硫效率随着浆液p h 值、液气比的增大而增 大，随着入口s 0 2 浓度、烟气温度、烟气速度的增大而减小。 在双膜理论的基础上，建立了逆流喷淋塔石灰石石膏烟气脱硫效率的数学模型，对模 型计算值与实验值进行了比较分析，比较结果表明：在其它工艺条件一定的情况下，模型 计算值略高于理论值，但它基本上能反映脱硫效率随s 0 2 浓度、烟气温度、烟气速度、浆 液p h 值、液气比等几个重要参数变化的规律；同时通过对某电厂2 0 0 m w 燃煤机组的湿 法烟气脱硫两种实际运行工况的脱硫效率和模型计算结果的比较，验证所建立的脱硫模型 能够放大计算。 本文还结合某电厂2 0 0 m w 燃煤机组的湿法脱硫工程设计，对烟气系统设备的选型、 布置方式等优化设计提出了一些建议，同时建立了烟气系统中主要设备的数学模型，通过 对1 0 0 、5 0 负荷下的模型计算和现场实测值的比较，从而得出模型计算能够很好地反 映该工况运行时各参数的量，并可以预测其他工况下的运行特性。 关键词：湿法烟气脱硫，喷淋塔，脱硫效率，数学模型。 东南大学硕士学位论文 e x p e r i m e n t sr e s e a r c ha n dm a t h i m a t i c ss i m u l a t i o n o fw e tf l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n a b s t r a c t l i m e s t o n e g y p s u mw f g dp r o c e s si s ad o m i n a n tt e c h n o l o g ya m o n ga l lf g 6p r o c e s s e sb e c a u s eo fi t s h i g hs 0 2r e m o v a le f f i c i e n c y ，s o r b e n tu t i l i z a t i o n ，s u i t a b i l i t yf u rd i f f e r e n ts u l f u r - c o n t e n tc o a la n do p e r a t i o n r e l i a b i l i t y m a n yd i f f e r e n tl i m e s t o n e g y p s u mw f g de x p e r i m e n t si ns p r a ys c m b b e rw e l gc a r r i e do u ti nt h e e x p e r i m e n t s t h ee x p e r i m e n t ss m d i e dt h ei n f l u e n c e st od e s u l p h u r i z a t i o ne f f i c i e n c yo ft h em a i np a r a n t e r s ， s u c ha ss 0 2i n l e tc o n c e n t r a t i o n ，f l u eg a st e m p e r a t u r e ，f l u eg a sv e l o c i t y ，p hv a l u eo fa b s o r p t i o ns l u r r y ，l i q u i dt o g a sr a t i oa n ds p r a yf l o o rc o m b i n a t i o n a n dt h er e s u l ta n a l y s e sw e r ed e t a i l e d l yp r o p o s e d t h er e s u l t si n d i c a t e d t 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 yg r o w e dw i ht h ep hv a l u eo fa b s o r p t i o ns l u r r ya n df i q u i dt og a sr a t i o i tf a l l s d o w nw i t ht h e8 0 2i n l e tc o n c e n t r a t i o n ，f l u eg a st e m p e r a t u r ea n df l u eg a sv e l o c i t y b a s e do ut h et h e o r yo fg a s i i q u i dp h a s er e a c t i o nm a s st r a n s f e ro nt w of i l m s ，am a t h e m a t i c a lm o d e li s e s t a b l i s h e df o rs p m ys c r u b b e ro ff l u eg a s d e s u l p h u r i z a t i o nw i t hl i m e s t o n e t h ev a l u e so ft h em o d e l c a l c u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t a t i o n sw e 圮c o m p a r e da n da n a l y z e d w h i c hi n d i c a t e dt h em o d e lc a l c u l a t i o n sv a l u e s w e r el a r g e rt h a nt h ee x p e r i m e n t a lv a l u e s b u tt h em o d e lc a l c u l a t i o n sc o u l do nt h ew h o l cr e f l e c tt h el a wh o w d e s u l p h u r i z a t i o ne f f i c i e n c yc h a n g e sw h e nt h em a i np a r a n l e t e r sv a r i e t i e s ，s u c ha ss 0 2i n l e tc o n c e n t r a t i o n ，f l u e g a st e m p e r a t u r e ，f l u eg a sv e l o c i t y , p hv a l u eo fa b s o r p t i o ns l u r r ya n dl i q u i dt og a sr a t i od u r i n gt h e d e s u l p b u r i z a t i o nc o u l s e a tt h es a n ed m e ，t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h e t w or e a lm n n i n gc o n d i t i o n so f w f g d i na2 0 0 m wc o n l - b a s e dp l a n tp r o v e dt h a tt h ed e s u l p h u r i z a t i o nm o d e le s t a b l i s h e dc a nb ec a l c u l a t e db y a m p l i f i c a t i o n t h i sp a p e ra l s oe s t a b l i s h e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lf o rm a i ne q u i p m e n t so ff l u eg a ss y s t e mc o m b i n e d w i t h2 0 0 m wp o w e rp l a n t t h ev a l u e so ft h em o d e lc a l c u l a t i o n sc a nr e f l e c te v e r yp a r a m e t e ro ft h ew o r k t h r o u g hc o m p a r e dt h em o d e lc a l c u l a t i o n sa n dp r a c t i c en u m b e ra t1 0 0 ，5 0 l o a d s ot h i sm a t h e m a t i c a lm o d e l c a nf u r e c a s tr u n n i n gc h a r a c t e r i s t i co f o t h e rw o a s k e y w o r d s ：w e tf l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n ，s p r a ys c r u b b e r ，d e s u l f u r i z a t i o ne f f i c i e n c y ，m a t h e m a t i c a lm o d e l 东南大学硕士学位论文 传质系数 扩散系数 液膜厚度 符号表 m 2 s m 2 ，s m 流体单元在液相表面的暴露时间s 气膜吸收系数l o n o l ( m 2 5 k p a ) 气相主体中溶质a 分压k p a 相界面处的溶质a 分压 k p a 液膜吸收系数 k m o l i ( m 2 j 1 0 n o l m 3 1 液相主体中溶质a 浓度k m o l i m 3 相界面处的溶质a 浓度k m o l l m 3 气膜总吸收系数 k m o l ( m 2 j t e a ) 气液吸收达到平衡时所对应的气相主体中的平衡分压 只 液膜总吸收系数 k m o l ( m 2 j k m o l l m 3 1 气液平衡时液相中被吸收组分所对应的气体溶解平衡摩尔浓度 k m o l m 3 喷淋区比气液界表面积m 2 1 m 3 氧化反应区比气液界面积 塔中浆液体积与塔体积比 s 0 2 在液相中的扩散系数 s 0 2 在气相中的扩散系数 吸收剂的扩散系数 活化能 v i m 2 1 m 3 h “ h 丑 舻 舻 胁 醒 巩 晚口 p 所 吒 c q 蚝 吼 厶 巩 b 符号表 y 氏l 、p m v l 、v 2 a l 、a 2 c p 通用气体常数 浆液温度 c a 2 + 在液相中的扩散系数 单位液体中直径为d i 的石灰石颗粒个数 结晶速率常数 石膏的相对饱和度 喷淋区吸收高度 烟气流量 喷淋吸收区横截面积 i 种物质的净体积流量 氧化空气压力 液体牯度 扩散物质的分子体积 风机进出口静压 风机进出口气流速度 风机进、出口的风道面积 定压比热 风机绝热压缩1m 3 气体所消耗的功 风机扬程 摩擦阻力系数 转子转速 漏风率 管道当量直径 通道流通面积 通道流通截面的湿周长度 管道中烟气流速 局部阻力系数 v j ( m o l k ) k m z l s m m 3 5 l n ， m o l m 3 j p a p a s c m i t o o l p a ，竹i j l l r k j “k g 置) k j m 3 k p a o r t m b 船 q s 以 p 摊 童 删 m 舻 m 州 日a r a d ， u “ f 东南大学硕士学位论文 燃煤过程实际烟气量 烟囱出口烟气流速 每台锅炉计算燃料量 烟囱内烟气流量 烟气的定压比热 计算段高度 重力加速度 烟气与大气传热系数 计算段平均直径 环境温度 烟囱内壁温度 全年气温最高月份平均温度的大气密度 烟气密度 烟囱出口直径 烟囱出口流速 烟囱内衬坡度 计算点至烟囱出口处距离 v i i i n m 3 k g m i s 魄f h 妇fs j ( k g 。c ) m g = 9 8 m l s 2 w ( m 2 。c ) m 取2 0 始m 3 幻m 3 ，竹 ，n i j e 岛 g c l 譬 置 以 兀 以 以 ； t 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何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：垂重亟日期：砬厶盟 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。 噼期：率业 第一章绪论 第一章绪论 1 1 我国燃煤电厂脱硫背景 随着经济的快速发展，各个行业对电力的需求不断地增加，使我国电力工业得到了迅猛的发展。2 0 0 6 年上半年，国民经济整体保持平稳快速增长，电力消费保持高速增长，上半年全国新投产发电机组 3 2 4 1 4 6 万千瓦。其中火电2 8 6 8 0 6 万千瓦，占8 8 4 8 。发电量保持快速增长，2 0 0 6 年上半年，全国发 电量1 2 6 8 6 0 9 亿千瓦时，同比增长1 2 o 。其中火电1 0 6 4 6 8 8 亿千瓦时，同比增长1 2 2 ；根据国家 电力公司的规划，到2 0 2 0 年，我国电力装机容量将达到9 5 亿千瓦左右，其中煤电6 0 5 亿千瓦o 】。 众所周知，我国是世界上最大的煤炭生产和消费国家之一，煤炭在中国能源结构中的比例高达 7 6 2 ，且高硫煤较多。我国每年发电用燃煤占总煤耗量的6 0 ，而煤炭燃烧是造成大气污染的主要原 因，燃煤电厂更是二氧化硫排放的主要来源。据统计，我国1 9 9 5 年二氧化硫排放量已占世界第1 位1 3 1 。” 十五”期间，我国商品煤消费五年增长了近l o 亿吨。2 0 0 6 年8 月1 7 日，国家环保总局、国家统计局、国家 发改委联合公布的( 2 0 0 6 年上半年全国主要污染物排放总量公报表明，2 0 0 6 年上半年，我国二氧化硫 排放总量为1 2 7 4 6 万吨，同比增长4 2 。预计到2 0 1 0 年，随着装机容量的增长，中国的煤炭消费量将增 加到2 2 亿吨左右，其中火电厂燃煤量约1 4 亿吨，二氧化硫产生总量将达约3 5 0 0 万吨，其中火电厂二氧化 硫产生量将达2 2 0 0 万吨左右 4 1 ，二氧化硫的大量排放会对环境和人类产生极大的危害，使得大气环境质 量日趋恶化，由二氧化硫引起的污染控制问题亟待解决。 在2 0 0 3 年1 2 月3 0 日，由国家环境保护总局、国家质量监督检验检疫总局发布的关于国家污染物排放 标准火电厂大气污染物排放标准中规定了火电厂二氧化硫的最高排放浓度限值( 表1 1 ) 5 1 ，国 家“十一五”规划纲要要求，到2 0 1 0 年，全国主要污染物排放总量要比”十五”期末减少1 0 ，相应需削减 二氧化硫排放总量1 0 以上。2 0 0 5 年年底，国内有脱硫装置的装机只占我国全部火电装机的1 4 ，2 0 0 6 年5 月，国家环保总局代表国务院分别和六大发电集团签订了责任状，环保部门给六大集团旗下的每台 机组几乎都排出了安装脱硫设施的时间表。可见火电厂烟气脱硫仍是今后我国电力环保行业发展的重 点。 时段第1 时段第2 时段 第3 时段 实施时间2 0 0 5 年1 月12 0 1 0 年1 月12 0 0 5 年1 月12 0 1 0 年1 月12 0 0 4 年1 月1 日日日日日 燃煤锅炉2 1 0 0 t 1 1 2 0 0 ( 12 l o o4 0 04 0 0 ( 1 及燃油锅1 2 0 0 ( 21 2 0 0 _ 【28 0 0 ( 3 炉 1 2 0 0 4 东南大学硕士学位论文 注：( 1 该限值为全厂第1 时段火力发电锅炉平均值。 ( 2 在本标准实施前，环境影响报告书已批复的脱硫机组，以及位于西部非两控区的燃用特 低硫煤( 入炉燃煤收到基硫分小于o 5 ) 的坑口电厂锅炉执行该限值。 ( 3 以煤矸石等为主要燃料( 入炉燃料收到基低位发热量小于等于1 2 5 5 0 k j k g ) 的资源综合 利用火力发电锅炉执行该限值。 ( 4 位于西部非两控区的燃用特低硫煤( 入炉燃煤收到基硫分小于0 5 ) 的坑口电厂锅炉执 行该限值。 1 2 二氧化硫的污染与危害 1 2 1 对人体健康的危害 大气中的s o ：对人体健康的影响具有广泛、长期和慢性等特点，可导致多种疾病，如上呼吸道炎症、 慢性支气管炎、支气管哮喘、肺气肿等，对眼结膜也有强烈的刺激作用。据报导，城市大气中s 0 2 浓度 为o 0 7 - 0 1 l 几时，可导致发病率增长。我国部分城市大气e e s 0 2 浓度超过上述范围，重庆、贵阳年日 平均s 0 2 浓度高达o 1 5 1i l 。 1 2 2 对植物的危害 在高浓度s 0 2 的影响下，对植物产生急性危害，使植物叶片表面产生坏死斑或直接使叶片枯萎脱落； 在低浓度s 0 2 的影响下，植物生理机能受到影响，造成产量下降、品质变坏。此外，s 0 2 还会对植物产 生间接的影响，使植物生长减缓，降低对病虫害的抵抗能力。 1 2 3 对生态的危害 众所周知，s 0 2 是形成酸雨的主要污染物。酸雨对生态系统的影响和破坏主要表现为使土壤酸化和 贫瘠化，农作物及森林生长减慢；河水、湖水酸化，使鱼类等水生动植物生长受到抑制。近年来，四川、 云南及广西每年酸雨危害造成的经济损失高达1 6 0 亿元。目前，我国受到酸雨危害的面积，已占国土总 面积的3 0 。江苏省受到酸雨危害的面积，占全省总面积的8 4 以上 6 1 。 1 2 a 对建筑物和材料的危害 s 0 2 形成的酸雨，对建筑物和材料有腐蚀作用，还可加速其风化的过程。位于重酸雨区的重庆嘉陵 大桥，与南京长江大桥相比，锈蚀程度是5 ：l ，每年高达o 1 6 r a m ，每年钢结构维护费高达2 0 万元。此 外，混凝土建筑物的外层砂浆经过3 4 年酸雨的侵蚀，石子就开始外露。至于s 0 2 污染对古建筑物等历 史文化遗产的损害，则是无法用经济数字来估算的。 随着s 0 2 污染的加重，如何降低二氧化硫的排放量，防治二氧化硫污染，已成为目前及未来相当长时 2 第一章绪论 间内我国主要的环境问题；随着经济的快速发展，脱硫技术的研发和推广成为我国大气环境污染治理的重 中之重。 1 3 燃煤电站主要脱硫技术 目前，脱硫工艺种类己超过2 0 0 种，其中商业上成熟应用的也接近2 0 种。二氧化硫的排放主要从燃烧前、 燃烧中和燃烧后三个方面控制。 1 3 1 燃烧前脱硫【7 】，1 嘲 燃烧前脱硫技术主要包括浮选法、型煤固硫、煤的气化及液化等技术。目前我国煤炭入选率不到1 7 ， 而美国为4 2 ，法国为8 8 7 0 ，日本为9 8 2 。型煤固硫是s 0 2 控制污染一条经济有效的途径，民用蜂窝煤 加石灰固硫率可达5 0 以上，工业锅炉型煤加石灰固硫，对解决高硫煤地区硫污染也有重要意义。煤炭气 化可脱除硫组份，实现煤炭资源燃烧利用前的脱硫，我国目前煤气化炉技术水平较低，煤炭气化率不高。 未来发展为煤炭地下气化技术和煤气化多联产一体化技术。煤炭液化技术可将硫等有害元素以及灰份脱除， 得到洁净的二次能源。 1 3 2 燃烧中脱硫嘲 燃烧中脱硫又称炉内脱硫。在煤粉燃烧的过程中同时投入一定量的脱硫剂将s 0 2 脱除。目前工业发达国 家成熟的、已经商业化运行的有：常压循环流化床锅炉( a m c ) 、加压循环流化床锅炉( p f b c ) 等技术等。流 化床燃烧固硫技术占地少、投资和运行费用较低，比较适合于中小型火电厂的脱硫，目前国内尚处于引进 技术和示范试验阶段嗍；国内锅炉燃烧中脱硫普遍采用循环流化床工艺，煤与脱硫剂在床层内充分混合，脱 硫剂多次循环，烟气与脱硫剂充分接触，脱硫率可达9 晚以上。 1 3 3 燃烧后脱硫( 烟气脱硫) 燃烧后脱硫即烟气脱硫( h u e g a s d e s u l f u r i z a t i o n ，硒d ) 技术是目前国内外大规模商业化应用的脱硫 方法，是控制s 0 2 排放量最有效和应用最广泛的技术“m 。美、日、德等国已建成数千套烟气脱硫装置，2 0 0 0 年底我国电厂脱硫装机容量是5 0 0 万千瓦，“十五”期间电厂脱硫装机容量计划达到1 5 0 0 万千瓦，2 0 0 4 年脱 硫市场更是高速发展，市场开发量近l 亿千瓦【1 ”。2 0 0 4 年底，全国投入运行的脱硫机组大约1 5 0 0 万千瓦， 而全部已建、在建和已经招标的脱硫机组，已经超过1 3 亿千瓦。2 0 0 5 年全国的脱硫市场与2 0 0 4 年的市场 相当，而老机组的比重将上升到一半左右。根据国家电力规划，未来1 5 年内将有4 7 亿k w 的脱硫市场“2 1 。 烟气脱硫技术按脱硫过程是否加水和脱硫产物的干湿状态，可分为湿法、半干法和干法三类工艺。湿法 脱硫一般有石灰石，石膏法、双碱法、氧化镁法、氨吸收法、海水法、稀硫酸法等；半干法包括旋转喷雾干 3 东南大学硕士学位论文 燥法( s d a ) 、炉内喷钙增湿活化法( l i f a c ) 等：干法包括电子束法，等离子法等。 在各种烟气脱硫方法中，湿法烟气脱硫以其成熟的工艺，较高的脱硫效率和操作的稳定性，处理烟 气量大，对煤种适应性强等优点，在烟气脱硫( f g d ) 中占据主导地位。湿法烟气脱硫技术特别适用于大、 中型工业锅炉烟气的脱硫除尘，并且还具有设备简单、易操作、脱硫效率高等优点。目前，湿法烟气脱 硫技术仍是世界上采用最多的脱硫工艺，约占世界全部脱硫装置总数的9 0 t ”】。以湿法烟气脱硫为主 的国家有日本( 9 8 ) 、美国( 9 2 ) 、德国( 9 0 ) 等。 湿法烟气脱硫技术中的石灰e e 膏法是应用最广泛的烟气脱硫技术。日本是世界上最早大规模 应用f g d 装置的国家，应用技术以湿式石灰e e 膏法为主，占7 5 以上：德国主要采用的工艺也是湿式 石灰石，石膏法，占9 0 以上；美国采用的工艺大约8 0 是湿式石灰，石灰石一石膏法，以抛弃流程为主。 石灰石，石膏湿法脱硫工艺是目前世界上技术最成熟，应用最广泛、运行状况最稳定的湿法脱硫技术， 主要有以下几个特点： ( 1 ) 脱硫效率高达9 5 以上，有利于地区和电厂实行总量控制； ( 2 ) 技术成熟，设备运行可靠性高( 系统可利用率达9 8 以上) ； ( 3 ) 单塔处理烟气量大，s 0 2 脱除量大； ( 4 ) 适用于任何含硫量的煤种的烟气脱硫； ( 5 ) 对锅炉负荷变化的适应性强( 3 0 - - 1 0 0 b m c r ) ； ( 6 ) 设备布置紧凑减少了场地需求； ( 7 ) 处理后的烟气含尘量大大减少； ( 8 ) 吸收剂( 石灰石) 分布广泛、资源丰富，价廉易得； ( 9 ) 脱硫副产物( 石膏) 便于综合利用，主要用于生产建材产品和水泥缓凝剂，可增加电厂效益。 殖净曩气 螺妒曩气 图1 1 石灰石石膏湿法烟气脱硫工艺流程 石灰石石膏法脱硫是利用c a c o ；与s 0 2 作用生成难溶的c a s 0 3 或c a s 0 4 ，来达到脱除s 0 2 的目的。 主要化学反应如下嘲： 4 第一章绪论 s 0 2 + c a c 0 3 + 丢日2 0 - c a s 0 3 丢日2 0 + c 0 2 ( 1 1 ) 1 s d 2 + c a c 0 3 + d 2 + 2 h 2 0 c a s 0 4 2 日2 0 + c q ( 1 2 1 c a s 0 3 + d 2 + 2 h 2 0 - - 4 c a s o , 2 h 2 0 ( 1 3 ) 目前，我国已有石灰石石膏湿法、烟气循环流化床、海水脱硫法、脱硫除尘一体化、半干法、旋 转喷雾干燥法、炉内喷钙尾部烟气增湿活化法、活性焦吸附法、电子束法等十多种烟气脱硫工艺技术。 其中，石灰石，石膏湿法烟气脱硫工艺技术是我国的主流工艺技术1 1 6 1 。 1 4 石灰石石膏法f g d 脱硫塔的类型 在湿法烟气脱硫系统中，吸收塔是其关键设备，它是烟气脱硫系统的核心装置用，脱硫塔的选择对脱 硫工艺的操作和脱硫效率有很大的影响，要求有持液量大，气液相间的相对速度高、气液接触面积大、 内部构件少、压力降小等特点。湿法石灰石，石膏烟气脱硫常用的塔型主要有以下几种。 1 4 1 喷淋塔 在烟气脱硫技术的发展过程中，喷淋塔是最早采用的脱硫反应装置h 7 1 。喷淋塔是在吸收塔内上部 布置几层喷嘴，脱硫剂通过喷嘴喷出，通过液滴与烟气充分接触，来完成传质过程，净化烟气。目前喷 淋塔是石灰石，石膏湿法烟气脱硫工艺中的主导塔型。喷淋塔具有脱硫效率高、阻力小、适应性及可用 率高等特点。 喷淋塔一般采用逆流形式，烟气从吸收塔的下部进入吸收塔，脱硫剂通过上部的喷嘴喷淋成液滴， 烟气逆向与液滴接触，塔内烟气流速一般为2 5 4 o m $ ，可以使大部分液漓保持在悬浮状态，塔液滴 一般停留时间为l l o s ，小液滴在一定条件下处于悬浮状态，在塔底一般布置氧化池，用专门的氧化 风机往里鼓入空气，而除雾器则布置在烟气出口之前的位置， 以除去烟气中携带的雾滴。喷淋塔优点是塔内部件少，故结垢 可能性小，压力损失也小。逆流运行有利于烟气与吸收液充分 接触，但阻力损失比顺流大。 目前，世界上运行的脱硫装置有相当大的一部分为喷淋 塔，从近1 0 年的实际运行来看，该工艺技术最成熟，定期维 护即能保证装置的运行稳定。世界上许多脱硫公司主要研究开 发的脱硫塔都是喷淋塔，主要有日本川崎重工、a b b 逆流喷 淋吸收塔、g e e s i 逆流喷淋塔、美国b a b c o c k w i l c o x 公司 设计的合金托盘技术等。国内引进的大型电站脱硫装置中也有 图1 2 喷淋塔的基本结构 不少采用喷淋塔1 1 5 1 ，如德国s t e i n m u l l e r 公司在北京第一热电 5 东南大学硕士学位论文 厂，杭州半山电厂和重庆电厂以及日本川崎重工在南宁化工有限公司采用的都是喷淋塔技术；在我国新 建的6 0 0 m w 及以上机组，如扬州第二发电厂、广东沙角c 电厂【”1 等都是采用喷淋脱硫塔脱硫装置。 1 4 2 喷射鼓泡塔 1 9 7 1 年”，日本千代田公司开发研制出第一代烟气脱硫设备：c t - 1 0 1 烟气脱硫工艺系统，1 9 7 6 年， 千代田在c t - 1 0 1 的基础上，开发了第二代烟气脱硫工艺系统：c t 一1 2 1 工艺系统。该工艺的核心部件就 是喷射鼓泡反应器，该工艺将传统的石灰石脱硫反应、通入空气强制氧化和石膏结晶过程集中在一个反 应器中- - j b r 反应器，并且可以同时除去烟尘。该装置比其它各种脱硫塔省略了再循环泵、喷嘴，将氧 化区和脱硫反应区整合在一起，整个设计较为简洁，简化了工艺过程，也降低了能耗，因而使基建投资 和运行费用都有所减少。同时，气相高度分散在液相当中，具有较大的液体持有量和相间接触面，传质 和传热效率高。而且该反应器是在低p h ( 3 5 4 5 ) 下操作，在一定程度上改善了结垢和堵塞问题，石 灰石的溶解度增加，提高它的利用率，还加强亚硫酸钙到硫酸钙的氧化过程。 1 9 7 8 年8 月至1 9 7 9 年6 月，千代田公司在美国电力研究所( e p r i ) 的资助下，在佛罗里达州海湾电力公司 斯考兹电厂建设了一套配2 3 m w 机组的c t - 1 2 1 i 艺的烟气脱硫示范试验装置。1 9 8 8 年8 月，美国r a d i a n 公 司在a b b o t 燃煤电厂采用喷射鼓泡反应器系统，对3 0 m w 机组脱硫，效率达9 0 。1 9 9 2 年，美国乔治亚 州n a w m a n 的乔治亚州电力公司的1 0 0 m w ep l a n ty a t e sl 号机组进行了c t - 1 2 1 f g d 系统改造，1 9 9 4 年初 正常运行，脱硫效率达到9 0 ，石灰石利用率为9 7 。千代田和美国、德国、马来西亚、日本的用户签 订了2 9 v 使用c t - 1 2 1 设备的合同，其中最大的机组容量达7 0 0 m w 。目前，该设备工艺在美国、加拿大、 德国、丹麦等国家得到了广泛的应用1 2 0 - ”l 。 国内对鼓泡塔反应器的研究及其应用起步较晚，目 前清华大学、浙江大学、天津大学、南京理工大学和东 南大学等都在进行这方面的研究，并已取得了一定的研 究成果。1 9 9 5 年7 月重庆市长寿化工总厂也引进了日 本干代田公司的c t - 1 2 1 技术。2 0 0 4 年1 1 月，国华台 山电厂1 号6 0 0 m w 机组的喷射式鼓泡塔烟气脱硫 ( f g d ) 系统通过1 6 8 h 试运行，正式投入运营。该f g d 系统采用了c t 1 2 l 技术，该技术核心为喷射式鼓泡 吸收塔( j b r ) ，台山电厂的f g d 系统是我国首台 6 0 0 1 v i w 燃煤机组湿法烟气脱硫工程，也是喷射鼓泡吸 收塔烟气脱硫技术在国内大型机组上的首次应用嘲。 1 4 3 液柱塔 图1 3 鼓泡塔的基本结构 液柱式脱硫塔一种较新的湿法脱硫装置2 6 1 ，烟气从脱硫反应塔的下部径向进入反应塔，烟气在上升 6 第一章绪论 的过程中与脱硫剂循环液相接触，其中的s 0 2 与脱硫剂发生反应而除去。脱硫后的烟气经过高效除雾器， 除去其中的液滴和细小浆清，然后从脱硫反应塔排出 进入气气交换器或烟囱。脱硫剂循环液由布置在烟气 入口下面的喷嘴向上喷射，液柱在达到最高点后散开 并下落。在浆液喷上落下的过程中，能够形成高效率 的气液接触。 霉毒 液柱式脱硫塔是日本三菱公司技术，清华大学也 - t 雎气 成功地自主开发了液柱塔技术目前已有一些工业应 石蕊耋 用。日本三菱公司在山东潍坊化工厂和重庆珞璜电厂曩靶2 【 二期中采用了液柱塔。而清华同方能源环境公司在 沈阳化肥总厂及南宁冶炼厂也采用了液柱塔，现在此 项技术将在杭州钢铁集团以及齐鲁石化等单位的烟气 脱硫项目中得到进一步的应用。 1 4 4 填料塔【l 刀删 图1 4 液柱塔基本结构 填料吸收塔，采用塑料格栅作填料，是由三菱重i ( m i t s u b i s h ih e a v yi n d u s t r y ) 开发研制的。填料延 长了气液接触的停留时间，从而获得更高的脱硫效率。脱硫剂通过分配管分配到溢流型喷嘴各个管口， 从管口流出的脱硫剂落到塔内填料上形成液膜，烟气一般顺流( e p 与液流方向一致) 进入吸收塔，在格栅 上气流和浆液充分接触传质，绝大部分传质过程就是通过烟气与湿液膜接触完成的，从而达到脱硫的目 的。填料吸收塔采用高速顺流气流的布置入式，使体积庞大的吸收塔可以设计得更紧凑一些，这样就减 少了占地面积，填料吸收塔是采用溢流型喷嘴，循环泵能耗较低，喷嘴的磨损情况大为缓解。 在目前的应用中，填料中的结垢堵塞问题还 未彻底解决，该系统需要较高的自控能力，保证 整个反应在合适的状态下运行，以尽量降低结垢 的风险。日本三菱公司在重庆珞璜电厂一期的石 灰石一石膏湿法工艺中采用的是顺流格栅填料 塔，从理论上讲，在一定的i 瘦，气比下，控制好 浆液的浓度和n h 值就可以将结垢降低到最小程 度，但设计工况和实际工况不可能完全一致，特 别是当锅炉负荷变化引起烟气量改变时，使得吸 收填料格栅及塔壁结垢增加。格栅结垢不仅减小 了烟气的通流面积，使烟气流速增加，脱硫效率 降低，而且增加了格栅重量，影响设备的安全经 济运行。针对上述系统结垢严重的情况，现广泛 7 图1 5 填料塔的基本结构 理后烟气 东南大学硕士学位论文 采用中空液柱塔，塔内设置了上百个陶瓷喷嘴，喷嘴喷出约6 m 高的液柱，烟气与脱硫浆液逆流接触进 行脱硫。这种结构使塔内结垢大大减轻。 表1 2 是几种烟气脱硫吸收装置的比较。 表1 2 几种烟气脱硫吸收装置的比较 1 5 喷淋塔脱硫试验国内外研究 由于喷淋塔工艺技术比较成熟，定期维护即能保证装置的运行稳定，世界上运行的脱硫装置有相当 大的一部分为喷淋塔，国内引进的大型电站脱硫装置中也有不少采用喷淋塔，故本论文采用喷淋塔进行 石灰石，石青脱硫试验的研究。对喷淋塔的试验研究国内外研究主要有以下内容。 ( 1 ) 喷淋塔内的气体的流动、传质及压降的研究主要有： 李仁刚等进行了烟气脱硫喷淋塔的流体力学特性实验，吸收塔直径0 4 m ，高6 m ，塔内设2 个喷 淋层，每层装3 个喷嘴，喷嘴为旋流型。通过试验研究了喷淋空塔内烟气流速、液气比和吸收区高度等 因素对气相阻力的影响。烟气流速较低时，压降随着流速增加而递增的速度相对比较平缓，当烟气流速 增大，吸收区压降随流速的增加而急剧增大；压降与液气比的关系近似呈线性，压降随液气比( 喷淋密 度) 的增大而增加；吸收区阻力随吸收区高度的增加而增大，且液气比越小，线性越好。 李仁刚、管一明9 ”等在处理烟气量为1 5 0 0 m 3 h 的实验室试验装置上，进行了非稳态闭式循环脱硫 试验，塔径0 4 m ，高6 m ，设2 个喷淋层，每个喷淋层装3 个喷嘴。试验得出当吸收液p h 6 时，传质 阻力主要是气相阻力，p h 值对脱硫率的影响较小；当p h 3 时，传质阻力主要是液相阻力，p h 值对脱 硫率的影响也逐渐增大；p a 值在3 - 6 范围内时，传质阻力为气、液两相的共同作用阻力。 张瑞明”4 采用喷淋塔应用添加剂对烟气脱硫除尘的机理进行了实验研究，喷淋塔塔体由有机玻璃 制成，高1 5 0 0 r a m ，直径1 8 0 m m ，内加多孔托盘。通过实验得出喷淋量是影响系统阻力的重要因素，也 8 第一章绪论 是影响脱硫效率的重要因素，还提出了脱硫剂中添加表面活性剂进行湿法脱硫除尘的新思路。 西安交通大学环境工程系的李荫堂1 等提出在烟气脱硫喷淋塔烟气进口设置导流板或采用切向进 口，塔体圆柱形，内径为2 0 0 m m ，进口管道矩形，对两种不同进口结构的塔内流速分布、压力损失进 行了实验研究，得出了旋流强度、压力损失等随导流板角度的变化关系，导流板的角度应小于4 5 。，并 与常规流动进行了比较。 浙江大学吕同波、孔华【卅采用高效离心式喷嘴的喷淋式湿法脱硫装置，装置本体采用圆筒结构， 进出风道采用方形结构，塔内上部分两层各设置一个离心式喷嘴，喷口向下，上部喷嘴上面有两层除湿 板，用于出去气体中夹带的液滴。在分析塔内降落的液滴的受力情况的基础上，建立喷淋塔流体力学阻 力特性模型，并分析了各个参数对脱硫效率的影响。用物理饱和法测定测s 0 2 在石灰石溶液中的溶解度 和溶解速率，以及不同添加剂( 甲酸、甲酸钠、己二酸) 对s 0 2 吸收的促进作用，得出石灰石浆液的浓 度增加，初始s 0 2 吸收速率和最终吸收容量都增加，其中己二酸的作用最强。 ( 2 ) 对于如何提高脱硫效率及各参数与脱硫效率之问的关系有： 李仁刚1 等在电力环境保护研究所建成了处理烟气量1 0 0 0 - 2 5 0 0 m 3 h 的湿法脱硫实验台，在空塔流 速3 - 6 m s 时开展高流速强化湿式石灰石烟气脱硫工艺的研究。结果表明，提高吸收塔烟气流速可强 化传质过程，显著地提高脱硫率，同时在相同的脱硫率下，流速提高可降低所需液气比。 庄沪丰冈介绍了浙江钱清发电有限责任公司1 3 5 m w 机组湿法烟气脱硫使用的托盘喷淋塔石灰石， 石膏烟气脱硫装置的各项性能指标，并进行综合分析。已运行的托盘喷淋塔在低液气比下，达到较高的 脱硫效率，减少了吸收塔浆液循环量。综合各项经济因素，该系统的p h 值宜控制在5 5 - 5 8 范围内， 液气比保持在1 2 4 l m 3 以上。 、 孔华、施正伦0 7 1 等采用高效离心式喷嘴的喷淋式湿法脱硫装置，该装置采用圆筒结构，进出风道 采用方形结构，塔内上部分2 层各设置1 个离心式喷嘴，喷c i 向下；在风速2 - 4 m s ，喷淋量1 8 3 1 3 4 3 m 3 h 的范围内对该装置的阻力特性和脱硫特性进行了研究。脱硫效率在风速一定时随喷淋量的增加而增大。 在喷淋量一定时，随风速的增加而减小；在喷淋量3 4 3 m 3 h ，塔内风速3 m s ，循环水池内浆液p h 值 5 5 - 6 0 时，脱硫效率可达8 3 4 8 6 o ，吸收段阻力只有2 8 4 2 p a ，是一个较好的工况点。 武汉大学邓永强脚1 首先建立了喷淋塔湿法脱硫装置，通过试验分析确定液气比是提高脱硫效率和 降低成本的关键措施。根据流体力学原理设计、制造了一组喷淋塔中优化液气比的主要构件喷嘴进行了 脱硫特性研究，得出当塔内风速在2 7 m s ，液气比为l o 左右，进i ：1s 0 2 浓度维持在2 1 0 0 m g ，m 3 ，循环 水池内浆液p h 值6 0 左右时，脱硫效率可达到8 8 ，而塔内吸收段阻力只有4 1 0 p a ，是一个较经济的 工况点。 天津大学巩增友”1 对一种新型的喷淋塔的脱硫效率进行了研究。对气液间复杂的传质和化学吸收 反应进行了理论分析，并推导出了其脱硫效率的数学模型，通过实验数据的进一步修正，使实验结果与 理论模型的计算值吻合良好：通过对影响喷淋塔脱硫性能的各个操作因素实验分析，得出影响喷淋塔内 9 东南大学硕l 学位论文 石灰法烟气脱硫效率的主要因素的显著性大小顺序为：喷淋段的烟气流速，液气比、石灰浆液的p h 值； 另外，烟气流速和液气比的交互作用也有显著影响。 刘健吾删以喷淋塔简易脱硫装置为实验平台，以石灰为脱硫剂，实验研究了不同入口烟气s 0 2 浓 度、循环浆液p h 值、液气比、烟气量、石灰浆液浓度等几个重要参数对脱硫效率的影响，并分析其原 因与反应机理，由实验总结出，液气比( i g ) 和p h 值对脱硫效率的影响最为显著，烟气量和s 0 2 也有一 定影响，但不是十分显著；实验还测定了有机酸添加荆己二酸、甲酸对石灰湿法脱硫的影响结果，两者 都能提高脱硫效率，但己二酸的效果要比甲酸显著一些。 ( 3 ) 对喷淋塔内喷嘴的研究主要有： 自跃华、李秀芝”以水为物系，虚拟塔直径为2 a m ，对喷射式分布器进行了冷模试验。考察了分 布器进口压力、喷嘴间距、喷淋高度以及喷嘴排布方式对喷射式分布器性能的影响。喷嘴为美国喷雾系 统公司生产的f u l l j e t 系列喷嘴，型号为1 h h 2 s s 7 ，共7 个。得出的喷射式分布器的适宜操作条件为： 分布器进口压力为0 1 0 一o 1 5 m p a ，喷嘴间距4 7 0 r a m ，喷嘴距收集器高度6 0 0 r m n ，喷射式分布器在6 个喷嘴( 中心喷嘴关闭) 的排布方式下，其液体分布好于7 个喷嘴的排布方式。 李兆东、王世和1 4 2 1 以湿法烟气脱硫工艺中常用的旋流喷嘴为对象，研制了几何相似的系列喷嘴和 仅出口直径变化的系列喷嘴，并选择实心锥喷嘴和螺旋喷嘴作对比，经过大量试验，系统地研究了旋流 喷嘴的喷雾角变化规律，得到了旋流喷嘴喷雾角的特性曲线，旋流喷嘴的喷雾角随压力的变化不明显， 喷雾角在8 0 - 9 0 。之间，旋流喷嘴结构参数的变化对雾化角的影响较小。 另外，h i r o f u m ik i k k a w a 4 3 ) 在喷淋塔内使用粒状石灰石做脱硫剂进行试验研究，塔径2 5 4 m m 、塔高 8 0 0 m m ，浆液：h , 6 l ，试验石灰石从太原第一热电厂获得，平均粒径在l m m 1 0 z m 之间。各种试验表 明，在相同的p a 和i g 下，与常规的粉末状石灰石脱硫剂相比脱硫效率没有差别，具有稳定的脱硫效率。 在各种不同燃煤的2 0 0 0 m 3 hm a t s u u r at h e r m a l 电厂使用粒状石灰石脱硫的运行表明，脱硫剂中a l - l 砷昆台 物和粉末状脱硫剂中相同，且脱硫石膏的质量较高。 1 6 本课题研究的主要内容 湿法烟气脱硫技术中的石灰石，石膏法作为一种相对较成熟、脱硫效率较高的脱硫技术，得到了最广 泛的应用。但是，由于其投资运行成本高，在我国湿法石灰石，石膏脱硫技术发展还不成熟完善且脱硫 技术还没有达到国产化。因此，如何降低投资运行成本，提高湿法烟气脱硫装置的效率已显得非常重要。 本文以此为目的对湿法烟气脱硫方面进行试验和理论研究，本课题主要分为以下三个部分。 ( 1 ) 喷淋塔石灰石湿法脱硫的试验研究 通过建立喷淋塔试验装置，测量不同k t a s 0 2 浓度、烟气温度、烟气速度、浆液p h 值、液气比、喷淋层 组合等几个重要参数以及有无进行强制氧化对脱硫效率的影响，并分析其原因，由试验结果总结出一些 重要的规律和结论，为喷淋塔工程设计提供一定的参考依据。 l o 第一章绪论 ( 2 ) 建立喷淋塔脱硫数学模型并和试验结果比较验证 以喷淋塔试验装置为基础，建立喷淋塔脱硫数学模型，对模型计算值与实验值进行比较分析，验证该模 型在脱硫模拟中的可行性。 ( 3 ) 对f g