（机械电子工程专业论文）玻璃熔窑烟气脱硫技术及其系统性能研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 玻璃工业作为国民经济的基础产业 既是耗能大户 又是污染严重的行业之 一 据统计2 0 0 5 年我国s o z 排放总量近2 0 0 0 万吨 其中平板玻璃窑炉排放占 1 0 左右 玻璃池窑废气处理应该引起我们国家重视 这也是环境保护和可持续 发展的需要 烟气脱硫是目前世晃上唯一大规模商业化应用的脱硫技术 其中半 干法具有工艺简单 产物易于处理 无废水产生 投资低等优点 本文重点研究 了半干法中喷雾干燥烟气脱硫工艺 建立了s 0 2 脱除过程的数学模型 推导出了 脱硫效率与工艺操作参数之间的函数关系式 并进行了数值计算 在喷雾干燥烟气脱硫工艺过程中 由于各种运行参数对烟气脱硫效率有极大 的影响 所以在这方面的理论研究和实验工作也一直都在进行 但是 由于喷雾 干燥过程中汽液两相之间同时发生质量传递 动量传递 热量传递现象 所以迄 今为止尚无通用的计算方法和计算公式来反映运行参数和脱硫效率之间的关系 总的来说 我国玻璃熔窑烟气脱硫工程尚处于起步阶段 理论研究还很不深入 如烟气脱硫系统中各工艺参数与脱硫率之间的关系研究还不是很完善 因此对玻 璃熔窑烟气脱硫的理论研究还很有必要 本文通过建立数学模型及数值计算对影响脱硫效率的各种运行参数进行了 研究 结果表明 雾滴初始粒径 烟气入口温度 烟气入口速度和鼢入口浓度等 是影响玻璃熔窑烟气脱效率的重要因素 将本文的计算结果和前人的理论研究和实验数据相比较 在一定程度上是吻 合的 这表明 本文的研究方法还是可行的 关键词 烟气脱硫 喷雾干燥 玻璃熔窑 模型 数值计算 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eg l a s si n d u s t r yi st h ef o u n d a t i o ni n d u s t r yo fn a t i o n a le c o n o m y i t so n eo f i n d u s t r yn o to n l yc o n s u b i c se n e r g yal o t b u ta l s op o l l u t e d s e v e r e l y a c c o r d i n gt o s t a t i s t i c s i n2 0 0 5 t h et o t a ld i s c h a r g es 0 2o fo u rc o u n t r ya l m o s tr e a c h2 0 m i l l i o nt o n s a m o n gw h i c hs h e e tg l a s ss t o v ed i s c h a r g ea c c o u n t e df o ra p p r o x i m a t e l y1 0 p e r c e n t t h e d i s c h a r g ed e a l i n gs h o u l dc o m m a n dt h e a r e n f i o no fo u tc o u n t r y i t sa l s ot h e s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fb o t he n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na n dt h em a n k i n d t h ef u e l g a sd e s u l p h u r i a t i o ni st h eo n l yt e c h n o l o g yu s e di nl a r g e s c a l ec o m m e r c i a l i z e db yf a r i nt h ew o r l d a n dt h es e m i d r yp r o c e s sh a ss o m eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha s s i m p l et e c h n o l o g y p r o d u c t i o ne a s i l yh a n d l e d n ow a s t c w a t e ra n dl o wi n v e s t m e n t t h ep a p e ra t t e n t i o ni sp a i dt ot h et e c h n o l o g yo ff l u eg a sd e s u l p h u r i z a t i o nw i t hs p r a y d r y i n g s e tu pam a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h es 0 2t a k e so f fp r o c e s sa n dd e d u c i n gt h e r u n i o nb e t w e e nt h ee f f i c i e n c yo fs 0 2t a k i n go f fa n dt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r m e a n w h i l ed o i n gt h en u m e r i c a lc o m p u t a t i o n i nt h ep r o c e s so fs p r a yd r y i n g a so p e r a t i n gp a r a m e t e rh a v e m l n 髓l s ei n f l u e n c e o ni t s ot h et h e o r ys t u d ya n de x p e r i m e n to ni ts t i l ln e e dt od oa l o t b u ti nt h ep r o c e s s o fd r y i n g t h em a s st r a n s f e r m o m e n t u mt r a n s f e ra n dh e a tt r a n s f e ra r eh a p p e n e di n t h es a m et i m eb e t w e e nv a p o u ra n df l u i d a n dn oa n yc o m p u t a t i o nm e t h o da n df o r m u l a a b o u tt h a tu n t i ln o w i t ss t i l lt h eb e g i n n i n go ft h ep r o c e s si no u rc o r i n t h t h a tw es t i l l c a l lf o rd e e p e rt h e o r ys t u d y s u c ha st h ef u n c t i o nb e t w e e nt h ee f f i c i e n c yo fs 0 2 t a k i n go f f a n dt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e ri ss t i l li m p e r f e c t i t sn e c e s s a r yt os t u d yt h e t h e o r y t h ep a p e rt h r o u g hs e tu pam a t h e m a t i c a lm o d e la n dn u m e r i c a lc o m p u t a t i o n s t u d yt h ea f f e c t i n gf a c t o r sa b o u te f f i c i e n c yo fs 0 2t a k i n go f f t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a t t h ef o l l o w i n gf a c t o ra r ei m p o r t a n t t h ed i a m e t e ro fi n i t i a lf o g d r o p t h et e m p e r a t u r eo f s m o k ea i r t h es p e e do f t h es m o k ea i ra n dt h ed e n s i t yo f t h es m o k ea i r s o m es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h et h e o r e t i cc a l c u l a t i o na n dt h e e x p e r i m e n t a ld a t a a n dt h e ya r es h o w sag o o dc o n s i s t e n c y n em e t h o do ft h e d e s u l p h u r i z a t i o np r o c e s si sf i g h t k e yw o r d s f l u eg a sd e s u l p h u r i z a f i o n s p r a yd r y i n g g l a s sm e l tk i l n m a t h e m a t i c a l m o d e l n u m e r i c a lc o m p u t a t i o n 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 大气是人类赖以生存的最基本的环境要素 但是 随着工业和经济的发展 大量未经治理的含硫烟气被排放到大气中造成严重的大气污染 这些烟气还能与 雨水一起形成酸雨 酸雨腐蚀各种设备 建筑物给人类及其他生物带来极大危害 大气环境质量日趋恶化 大气污染控制已经到了刻不容缓的地步 在我国烟气脱 硫技术已经已经运用在国内外的许多行业 如冶金 燃煤电力 燃煤锅炉 垃圾 焚烧等 但是却很少见到针对玻璃厂烟气脱硫的文献 所以还有必要研究烟气脱 硫问题 1 1 我国烟气脱硫技术研究及应用现状 1 2 1 3 我国早在2 0 世纪7 0 年代就开始了工业锅炉和电厂锅炉f g d 技术的研究工 作 先后有6 0 多个高校 科研和生产单位 对多种脱硫工艺进行了实验研究 与发达国家相比 我国的研究虽起步较早 但进展缓慢 目前国内火电厂烟气脱硫工程绝大多数是引进国外设备 国内只负责土建和 安装 正在生产或打算生产烟气脱硫设备的公司主要有西南电力设计院烟气脱硫 工程公司 凯迪电力公司 九龙电力公司 清华同方公司 福建龙净公司等 其 中西南电力设计院烟气脱硫工程公司于1 9 9 1 年完成了四川白马发电厂千法烟气 脱硫装置 该装置应用于3 0 0 m w 以下的机组 福建龙净环保股份有限公司引进 湿法脱硫项目 建成后可与2 x 3 0 0m w 发电机组配套 进行湿法烟气脱硫 由于 认识上的滞后和缺乏资金投入 烟气脱硫应用还处于起步阶段 烟气脱硫问题迄 今没能得到较好的解决 近几年 一些院校和制造厂合作 研制了一批中 小型 烟气脱硫设备 用于工业炉窑和小机组上 规模小 应用范围小 没解决根本性 问题 由国外引进的烟气脱硫装置 设备投资和运行费用高而且都存在因产物无 出路 不得不作为固体废弃物抛弃的问题 建不起 用不起 还有越来越多的包 袱背起 是国内许多企业应用脱硫技术的障碍 因此 实现烟气脱硫技术设备国 产化 是推进我国烟气脱硫行业蓬勃发展的必然举措 也是我国社会和经济可持 续发展的迫切要求 玻璃工业作为国民经济的基础产业 既是耗能大户 又是污染严重的行业之 一 我国玻璃熔窑主要是浮法平板窑 器皿玻璃窑 玻璃纤维窑和特种玻璃窑 其中浮法池窑日产3 0 0 t 以上的近1 0 0 座 器皿玻璃窑也有上千座 年产万吨级 玻璃纤维池窑约2 5 座 特种玻璃窑炉也很多 这些窑炉的主要燃料是重油 天 武汉理工大学硕士学位论文 然气和煤 它们燃烧的主要污染物是c 0 2 s 0 2 n o x 据统计2 0 0 5 年我国s 0 2 排放总量近2 0 0 0 万吨 其中平板玻璃窑炉排放占1 0 左右 有些窑炉废气采用 大量的新鲜空气稀释后由高烟囱排放而不进行废气处理 而且有的玻璃池窑还处 在利用煤为主要燃料的情况 它的排放s o z 和粉尘也远远高于重油和天然气 众 所周知s 0 2 是大气重要污染物之一 是酸雨形成的主要原因 s 0 2 的控制十分重 要 大量资料显示国外大多数玻璃熔窑未经废气处理的现在都已被禁止或停产 在玻璃熔窑的烟气治理中 只有美国 日本及欧洲的发达国家有成功的应用 从 9 0 年代起我国就开始湿法石灰脱硫设备的开发研究工作 目前在玻璃纤维池窑 上使用率已有9 0 技术上已经比较成熟 但是其他玻璃窑炉上应用较少 仅在 江西和福建有四 五座玻璃窑采用干法和半干法废气处理 而我国大多数玻璃窑 均未对窑炉废气进行处理 所以我国玻璃窑炉的环保工作任重道远 在喷雾干燥烟气脱硫工艺过程中 由于雾化器的雾化性能和各种运行参数对 烟气脱硫效率有极大的影响 所以在这方面的理论研究和实验工作也一直都在进 行 但是 由于喷雾干燥过程中汽液两相之间同时发生质量传递 动量传递 热 量传递现象 所以迄今为止尚无通用的计算方法和计算公式来反映运行参数和脱 硫效率之间的关系 因此如何建立合理的数学模型 通过数学计算来分析研究影 响脱硫效率的主要因素是本文的目的 其次与西方发达国家相比 我国玻璃熔窑 烟气脱硫工程尚处于起步阶段 建成的脱硫工程较少 在已建成的浮法玻璃熔窑 烟气处理工艺选择上也多采用湿法工艺 因此用半干法工艺对玻璃熔窑烟气脱硫 的研究也很有必要 1 2s 0 2 控制技术概述b 1 4 从技术上看 s 0 2 的控制途径有三个 燃烧前脱硫 燃烧中脱硫 和燃烧后 脱硫 目前燃烧后脱硫几烟气脱硫 f l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n f g d 是控制排放最 有效和应用最广的技术 世界各国研究开发的烟气脱硫技术达2 0 0 多种 但商业 应用的不超过2 0 种 按脱硫过程是否加水和脱硫产物的干湿形态 烟气脱硫又 可分为湿法 干法 和半干法三类工艺 1 2 1 湿法烟气脱硫技术 w f g d 液体或浆状体吸收剂在湿状态下脱硫和处理脱硫产物 该法具有脱硫反应速 度快 操作稳定 脱硫效率高 钙的利用率高 技术成熟等优点 是目前世界上 最主要的烟气脱硫技术 约占脱硫总装机容量的8 5 但这种方法顾存在系统 复杂 一次性投资大 约占燃煤电厂总投资的1 5 2 0 而且占地面积也较大 2 武汉理工大学硕士学位论文 维护费用高 脱硫后产物处理较难 易形成二次污染以及启停不便 普遍出现腐 蚀等问题 已商业化或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 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 石灰石 石灰 一石膏法是目前世界上应用最广泛的烟气脱硫工艺 在这种 工艺中 烟气中的固体颗粒和s 0 2 经过两级洗气塔中循环石灰浆的洗涤而除去 石灰或石灰石在加入储罐之前预先被水化并加入添加剂以提高脱硫剂的脱硫效 果 脱硫产物石膏可以直接抛弃 也可以综合利用 这种方法脱硫率受到p h 值 温度 二氧化硫浓度 脱硫剂颗粒大小和类型和吸附剂的种类等参数的影响 目 前的f g d 系统大多采用了大处理量吸收塔 3 0 0 m w 机组的烟气可用一个塔处 理 从而节省了投资和运行费用 f g d 系统的运行可靠性达9 9 0 6 以上 脱硫效 率高达9 0 我国重庆珞璜电厂从日本引进了两套石灰石 石膏法脱硫装置 分 别匹配两台容量3 6 0 m w 的发电机组 1 0 0 烟气处理 脱硫效率大于9 5 系 统有效利用率达锅炉运行时间的9 9 以上 石膏纯度 9 0 年副产石膏约3 3 万 吨 石灰 石膏法的主要优点是 适用范围广 脱硫效率 吸收剂利用率 设备 运转率 工作可靠性等都很高 脱硫剂石灰石来源丰富且价廉 其缺点是初期投 资费用和运行费用高 占地面积大 系统管理操作复杂 磨损腐蚀比较严重 副 产物石膏和产生的废水很难处理 基本上等于把有害物资从气相转到液相 并且 脱硫后烟气温度较低 不利于烟囱排放扩散 设备易结垢 腐蚀 堵塞等问题 简易石灰石 石灰 石膏法针对传统工艺投资大 运行费用高的问题 开 发了简易石灰石 磊膏工艺 该工艺原理与传统工艺相同 但省去烟气热交换系 统以及采用部分未脱硫烟气与脱硫烟气混合等措施 以中等脱硫效率 7 0 0 0 8 0 为目标 大大降低了设备投资和运行费用 我国在太原热电厂引进的简易湿法工 艺 处理3 0 0 m v 机组的2 3 烟气量 以石灰石为吸收剂 脱硫率达8 0 9 0 此外 在山东潍坊化工厂 重庆长寿化工厂和南宁化工集团公司都引进了3 5 t h 锅炉的简易石灰石 石灰 石膏法工艺及设备 近年来 国内一些高校和科研 单位研究和开发了形式不同的简易湿法脱硫设备及工艺 已在国内中小型锅炉上 应用 脱硫效率中等 投资和运行费用较低 但工艺有待完善 系统运行的可靠 性有待提高 钠碱法主要包括亚钠循环吸收法和亚硫酸钠法两种 亚钠循环吸收法是用 n a 2 s 0 3 吸收生成n a r i s 0 3 吸收液加热分解出高浓度s 0 2 进一步加工为液态 s 0 2 硫磺或硫酸 和n a 2 s 0 3 用于循环吸收 亚硫酸钠法则是用n a 2 c 0 3 吸收 武汉理工大学硕士学位论文 n a z s 0 3 并将n a 2 s 0 3 制成副产品 我国一些中小型化工厂和冶炼厂常用该法处 理硫酸尾气中的s 0 2 因n a 2 s 0 3 的销路有限 限制了该法的发展 氨吸收法的典型工艺是氨 酸法 它实质上是用州h 4 hs 0 3 吸收s 0 2 生成 n h 4 hs 0 3 循环槽中用补充的氨使n h 4 hs 0 3 再生为 n h 4 hs 0 3 循环脱硫 部分 吸收液用硫酸 或硝酸 磷酸 分解得到高浓度s 0 2 和硫铵 或硝铵 磷铵 化 肥 我国一些较大的化工厂用该法处理硫酸尾气中的s 0 2 华东理工大学已完成 2 5 万k w 机组烟气氨 酸法脱硫的工业实验 也有不用酸分解吸收s 0 2 的溶液 而将吸收液直接加工为亚硫酸铵副产品 这种方法成为铵 亚硫酸铵法 磷铵复合肥 队f p 法是利用天然磷矿石和铵为原料 在烟气脱硫过程中副产 磷铵复合肥料 工艺流程主要包括四个过程 活性炭吸附一级脱硫并用水解吸得 稀硫酸 稀硫酸萃取磷矿得稀硫酸溶液 磷酸和氨的中和液 n h 4 2h p 0 4 级脱 硫 料液浓缩干燥制得磷铵复合肥 七五 期问 在四川斗坝电厂完成了5 0 0 0 m 3 h 烟气量的中试 一级吸跗脱硫率7 0 8 0 二级吸收脱硫率大于8 4 总脱硫 率大于9 5 副产品磷铵复肥含水量小于4 肥料品位f n p 2 0 5 大于3 5 海水通常呈弱碱性 p h 值为7 5 8 3 自然碱度约为1 2 2 5 m m o l l 因而海 水具有天然的酸碱缓冲能力及吸收s 0 2 的能力 国外一些脱硫公司利用海水的这 种特性 成功地开发出海水脱硫工艺 实际应用中还要往海水中加入石灰或石灰 与石灰石的混合物 以提高海水的脱硫效果 减少海水用量 海水中的含镁物质 f m g c l 2 和m g s 0 4 与加入的碱性物质反应生成m g o h 2 m g o i i 2 可与烟气中 的s 0 2 很快反应生成 此产物可以再生利用 海水脱硫工艺主要有工艺简单 系 统可靠 脱硫率高 一般可达8 5 以上 也有9 6 以上的报道 等优点 但其 必须用在沿海区域 因而严重受地理位置限制 我国深圳西部电力公司2 号 3 0 0 m w 机组引进a b b 公司海水脱硫技术 1 9 9 8 年7 月建成投运 氧化镁法是用氧化镁的浆液m g o h 2 吸收烟气中s 0 2 得到含结晶水的亚硫 酸镁和硫酸镁的固体吸收产物 经脱水 干燥和煅烧还原后 再生出氧化镁 循 环脱硫 同时副产高浓度s 0 2 气体 该技术在美国有大规模工业装置运行 我国 未见应用实例 1 2 2 干法烟气脱硫技术 d f g d 1 6 1 q l 干法烟气脱硫技术 d f g d 是采用粉状脱硫剂在于态下与燃煤产生的s 0 2 反 应 去除烟气中s c h 的 由于反应无液相介入 产物为干粉状 因此不产生废水 腐蚀等问题 但干粉状的钙基吸着剂对s 0 2 的吸收 吸附速度慢 钙基吸着剂利 用率低 干法主要有炉膛干粉喷射脱硫法 高能电子活化氧化法 荷电干粉喷射 脱硫法 c d s i 等 4 武汉理工大学硕士学位论文 炉膛干粉喷射脱硫法是把钙基吸收剂如石灰石 白云石等喷到炉膛燃烧室上 部温度低于1 2 0 0 c 的区域 随后石灰石瞬时煅烧生成c a o 新生成的c a o 与s 0 2 进行硫酸盐化反应生成 并随飞灰在除尘器中收集 该方法的优点是投资省 占 地面积小 易于在老锅炉上改造 不足之处是脱硫效率低 钙利用率低 针对此 问题 芬兰i v o 公司和t a m p e l l a 公司联合开发出炉内喷钙增湿活化法 l i f a c 它是在锅炉的空气预热器与除尘器之问加装一个活化反应器 在该反应器内喷水 增湿 促进脱硫反应的进行 使最终的脱硫效率达到7 0 7 5 高能电子活化氧化法主要利用高能电子使烟气中s 0 2 n o x h e o 0 2 等分 子被激活 电离甚至列解 产生大量离子和自由基等活性物质 由于自由基的强 氧化性使被s 0 2 n o 氧化 在注入氨的情况下 生成硫铵和硝铵化肥 根据高 能电子的来源 可分为电子束照射法 e b a 和脉冲电晕等离子体法 p p c p 1 9 9 7 年 在日本的援助下 成都电厂9 0 m w 机组建成了e b a 法脱硫装置 中科院高 能物理研究所与大连理工大学合作建成了p p c p 法的中试装置 我国鞍山静电技 术研究所利用脉冲活化技术将s o n o x 和c 仍分解为s c 0 2 n z 的研究小 试已获得成功 荷电干粉喷射脱硫法 c d s d 是美国a l a n c o 环境公司开发的专利技术 第 一套装置在美国亚利桑那州运行 其核心是吸收剂石灰干粉以高速通过高压静电 电晕充电区 使干粉荷上相同的负电荷后被喷射到烟气流中 荷电干粉同性相斥 不会聚结 在烟气中形成了均匀的悬浊状态 粒子表面充分暴露 增加了与的反 应机会 同时荷电粒子增强了活性 缩短了反应所需停留时间 提高了脱硫效率 在c a s i 5 时 效率达6 0 7 0 此外 活性炭或粉煤灰吸附法 流化床氧化铜法等在欧 美 日本也都有工 业装置运行 1 2 3 半干法烟气脱硫技术 s d f g d 1 9 i l o 半干法是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s 0 2 的反应生成亚硫酸钙等 并使最终产物为干粉状 早期的干法脱硫工 艺费用高 稳定性低 而且烟气处理的副产品都作为垃圾被弃掉 随着人们对价 廉高效脱硫工艺的追求和研究 人们开发了半干式烟气脱硫技术 它包括循环流 化床烟气脱硫 c f b f g d 喷雾干燥脱硫 干吸收剂喷入等方法 这些工艺 因具有结构简单 运行费用低等特点而倍受国内外研究者青睐 烟气循环流化床烟气脱硫技术 c f b f g d 是2 0 世纪8 0 年代德国鲁奇公 司开发的一种新的脱硫工艺 它以循环流化床原理为基础 通过吸收剂的多次再 循环 延长了吸收剂与烟气的接触时间 大大提高了吸收剂的利用率和脱硫效率 武汉理工大学硕士学位论文 能在较底的钙硫比 c a s 1 1 1 2 下 接近或达到湿法工艺的脱硫效率 这种脱 硫工艺结构紧凑 占地面积小 设备使用少 且没有动设备 投资和能耗都比较 低 但是设备放大还存在很多困难 操作弹性低 增湿灰循环脱硫技术 n i d 是a b b 公司开发的新技术 它借鉴了喷雾干燥法 的原理 又克服了此种工艺使用制浆系统和喷浆产生的种种弊端 如粘壁 结垢 等 使开发出来的n i d 技术既有干法的简单 价廉等优点 又有湿法的高效率 该技术是将消石灰粉与除尘器收集的循环灰在混合增湿器内混合 并加水增湿至 5 的含水量 然后导入烟道反应器内进行脱硫反应 含5 水分的循环灰有较好 的流动性 省去了复杂的制浆系统 克服了喷雾过程的粘壁问题 喷雾干燥法 s d a 是一种较新的f g d 技术 于2 0 世初7 0 年代初至中期在 美国和欧洲发展起来 1 9 8 0 年开始在美国燃煤电站上得到商业应用 目前 喷雾干燥法商业应用市场占用量位于湿法之后居第二位 自s d a 技术开发以来j 由于它比传统的湿法脱硫技术操作简易 可靠性高和运行费用低而很快被工业接 受 喷雾干燥器加布袋除尘工艺 脱硫率可达到9 0 以上 允许煤的含硫量可达 3 喷雾干燥法与湿法相比具有工艺流程简单 占地面积小 经济合理无废水 排放 处理烟气不需要加热等优点 但该技术运行成本较高 固态物易在吸收塔 壁上沉积 雾化喷嘴易堵塞磨损 浆池 料箱和管道易结垢 废料和再循环设备 维修复杂 1 3 喷雾干燥技术 喷雾干燥是利用雾化器将原料分散为雾滴 并利用热空气干燥雾滴而获得产 品的一种干燥方法 迸料可以是溶液 乳浊液 悬浮液 或熔融液 膏湖液 原 料以喷雾的形式与高温气体接触 湿份蒸发后产生干燥的产品粒子 此技术最显著的特征是将液体雾化成非常微小的雾滴 2 0 1 t m 6 0 因而具有 很大的表面积 增大了水份的蒸发面积 缩短了干燥时间 另外 还具有操作条 件易改变 工艺流程简单等优点 但也有溶剂给热系数低 对气固分离要求高等 缺点 1 3 1 喷雾干燥烟气脱硫工艺流程b 2 1 1 3 1 1 4 l 喷雾干燥烟气脱硫是利用喷雾干燥的原理 在吸收剂喷入吸收塔后 一方面 吸收剂与烟气中的s 0 2 发生化学反应 生成固体产物 另一方面烟气将热量传 递给吸收剂 使之不断干燥 在塔内脱硫反应后形成的产物为干粉 其部分在塔 内分离 由锥体出口排出 另一部分随脱硫后烟气进入袋式除尘器收集 其工艺 6 武汉理工大学硕士学位论文 流程如图1 1 所示 图1 1 喷雾干燥烟气脱硫工艺流程简图 1 石灰浆储罐2 高压泵3 热交换器4 干燥塔5 布袋除尘设备6 引风机7 烟囱 喷雾于燥烟气脱硫工艺流程包括 1 吸收剂制备 2 吸收剂浆液雾化 3 雾滴与烟气的接触混合 4 液滴蒸发与吸收 5 灰渣排出 6 灰渣再 循环 其中 2 4 在喷雾干燥吸收塔内进行 1 4 喷雾干燥烟气脱硫设备 在喷雾干燥烟气脱硫工艺中主要设备有干燥塔 雾化器 灰渣收集排出装置 等 1 4 1 雾化器哪6 雾化器是喷雾干燥烟气脱硫吸收装置的关键部件 目前常用的雾化器有以下 三种 气流式喷嘴采用压缩空气或蒸汽以很高的速度 3 0 0 m s 或更高 从喷嘴 喷出 靠气液两相间速度差所产生的摩擦力使浆液分裂为雾滴 压力式喷嘴采用高压泵使高压吸收浆液通过喷嘴时 将静压能转交为动能 而高速喷出并分散为雾滴 旋转式雾化器吸收浆液从中央通道输入到高速转盘 圆周速度9 0 1 5 0 m s 中 受离心力作用从盘的边缘甩出而雾化 液体的雾化机理基本上可划分为三种类型 即滴状分裂 丝状分裂和膜状分 裂 目前 喷雾干燥烟气脱硫中 采用较多的雾化器有气液式喷嘴雾化器和旋转 式雾化器两种 1 4 1 1 旋转式雾化器 7 武汉理工大学硕士学位论文 当吸收浆液被送到高速旋转的盘上时 由于离心力的作用 吸收浆液在放置 面上伸展为薄膜 并以不断增长的速度向盘的边缘运动 离开边缘时 被分散为 雾滴 在盘旋转时 也带动周围的空气循环 应尽量减少进入盘内的循环空气 以防物料在盘内干燥后粘附 引起盘不平衡而发生振动 旋转式雾化器产生雾滴大小与喷雾的均匀性 主要取决于盘的圆周速度和液 膜厚度 而液膜厚度取决于进料量 盘的润湿周边和盘的转速 当盘的圆周速度 小于5 0 m s 时 得到的雾滴很不均匀 当盘的圆周速度为6 0 m s 时 就不会出现 上述的不均匀现象 因此 此值作为设计的最小值 通常操作时 盘的圆周速度 为9 0 1 5 0 m s 当进料速率一定时 要得到均匀的雾滴 以下几点十分重要 1 雾化轮转 动时无振动 2 雾化轮的转速要高 般为7 5 0 0 2 5 0 0 0 r m i n 3 液体通道 表面要加工得很平滑 4 料液在各个通道上均匀分布 进料速度要均匀 平均滴径的计算 由光滑盘雾化器产生的液滴的大小随各种操作条件下雾化机理的不同而变 化 低速旋转时 雾化机理是直接形成雾滴 平均滴径可用下式计算1 1 6 j r 矿 1 1 3 d a 户l 4 3 x l o i 茄l ip a 一刀一l 式中 d a v 为平均滴径 l a i n v 为流量 m 3 h n i n 札为粘度 c p p l 为密度 k m 3 d 为盘径 m n 为转速 r m 1 4 1 2 压力式喷嘴n 7 j 压力式喷嘴 主要由液体切向入口 液体旋转室 喷嘴孔等组成 利用高压 泵使液体获得很高的压力 2 2 0 m p a 从切向入口进入喷嘴旋转室 液体在旋 转室获得旋转运动 根据旋转动量矩守恒定律 旋转速度与旋转半径成反比 愈 靠近轴心 旋转速度愈大 其静压力也愈小 结果在喷嘴中央形成一股压力等于 大气压的空气旋流 而液体则形成绕空气心旋转的环形薄膜 液体静压能在喷嘴 孔处转变为向前运动的旋转的液体动能 从喷嘴喷出 液膜伸长变薄 最后分裂 为小雾滴 压力式喷嘴在结构上的共同特点是使液体获得旋转运动 即液体获得离心惯 性力 然后由喷嘴孔高速旋转喷出 所以 人们把压力式喷嘴统称为离心压力喷 嘴 由于液体获得旋转运动的结构不同 离心压力喷嘴可租略地分为旋转型和离 心型 1 旋转型压力喷嘴 液体经过旋转室喷出的喷嘴称为旋转型压力喷嘴 旋转型压力喷嘴有两个特 点 一是有一个液体旋转室 再就是有一个液体进入旋转室的切线入口 考虑溶 8 武汉理工大学硕士学位论文 液的磨损问题 可采用镶嵌人造宝石的喷嘴孔 也可采用碳化钨材料制造 2 离心型压力喷嘴 具有使液体旋转的内插头喷嘴 称为离心型压力喷嘴 此型的结构特点是在 喷嘴内安装一插头 旋转型压力喷嘴和离心型压力喷嘴在雾化机理方面没有差 别 3 平均滴径的计算 控制雾滴直径的因素非常复杂 目前只能靠实验方法建立关联式 下面介绍 常用的关联式 i s j d 眄 1 1 6 0 a o4 0 0 0 4 3 2 一坐 o 0 3 0 8 御l l 0j 式中 为体积一面积平均直径 p r o d 为喷嘴孔直径 1 1 1 为液体从喷嘴 鍪 r 蹴远铲志一 r o 黼吼粉 m c 般气畔 压力式雾化器具有雾化动力消耗小 产量可调 操作可靠 设备结构简单 可改变喷嘴形状来适应干燥的不同要求等优点 但由于喷孔小 易堵塞 对于干 燥雾化物料要预先很好地过滤 防止杂质或大颗粒物料混入 物料粘度要低且喷 头的喷孔易磨损需经常更换 高压泵制造维修复杂 高压操作隐患多 1 4 1 3 气流式雾化器n 气流式雾化器也称气流式喷嘴现以二流体咬嘴为例说明操作原理 如图i 2 所示 中心管 即液体喷嘴 走料液 压缩空气走环隙 即气体通道或气体喷嘴 当气液二相在端面接触时 由于从环隙喷出的气体速度很高q 2 0 0 3 4 0 耐s 在 两流体之间存在着很大的对速度 液体速度不超过2 m s 辩蒗 空气 即具有两个流体通道的喷嘴 图1 2 二流体喷嘴 三流式喷嘴具有三个流体通道 一个液体通道和两个气体通道 液体在 两股气体中间被雾化 雾化效果比二流式喷嘴要好 此外还有四流式雾化喷嘴等 2 平均滴径的计算 二流式喷嘴分为外混合喷嘴和内混合喷嘴 前者指气液二相在喷嘴出口外部 9 武汉理工大学硕士学位论文 接触 雾化 后者指气液在喷嘴内部的混合室雾化 对于气流式喷嘴雾滴直径的 求取 人们也有了许多关联式 需要时可从相关文献中查驭 气流式雾化喷嘴结构简单 磨损小 适用范围广 操作压力低 雾滴较细 操作弹性大 但是 与压力式和旋转式雾化器相比 动力消耗比较大 1 4 1 4 雾化器的比较和选择 除了上面讨论的多种雾化器 还有声波雾化器等 它们各有优缺点 选择什 么类型的雾化器主要由待处理液体的属性以及对干燥产品的要求来确定 现有类 型的雾化器在能量供应增大的条件下都能提供更加细小的雾滴 雾化程度还取决 于液体进料的流动特性 在同样的能量供应条件下 粘度大 表面张力大的液体 得到的雾滴尺寸会更大些 如果离心式和喷嘴式雾化器都能满足雾化粒子的尺寸 要求 一般选择离心式雾化器 这是因为这种雾化器有更高的灵活性 离心式雾 化器可以产生尺寸中等的雾滴 平均直径为2 0 1 5 0 j u m 也可以产生更大的雾滴 但工业生产中 大的雾滴直径一般要求大直径的干燥器 一个最理想的雾化器应 具有下列特征 1 结构简单 检修容易 有足够的物料处理能力 2 能产生大 小滴径的雾滴 且调节容易 3 可采用标准抽吸设备 重力进料或虹吸进料系统 1 4 2 喷雾干燥吸收塔 干燥塔是整个工艺的主体设备 为了完成干燥任务 必须保证雾滴在干燥塔 内有足够的停留时间 也就是说 在一定的操作任务下 塔体必须要有适宜的主 体尺寸 即塔高和塔径 吸收塔的尺寸由许多因素决定 如雾化器类型 雾化器 出口液滴速度 烟气量 浓度 趋近绝热饱和温度值 烟气停留时间 吸收剂特 性等 为了达到一定的脱硫效率和完成产物干燥的工艺要求 就必须有足够的停 留时间 而停留时间决定于塔高和塔径 即吸收塔容积 在喷雾干燥吸收塔内 烟气 雾滴及颗粒的运动非常复杂 它与烟气分布器的结构与配置 雾化器的结 构 配置与操作 雾滴的干燥特性 烟气进出塔的温度及塔内的温度分布等因素 有关 目前设计方法主要有干燥强度 单位体积单位时间内水分蒸发量 法 图解 积分法和粒子运动轨迹法 但是 由于在喷雾干燥塔内空气与液滴之间的相对运 动异常复杂 塔体的设计和放大依然存在很多问题 因此还没有一种精确的计算 方法能够直接算出塔高和塔径 干燥器的设计仍然是喷雾干燥领域中一个比较活 跃的研究课题 1 4 3 灰渣排出装置 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 喷雾干燥烟气脱硫的副产物是亚硫酸钙 硫酸钙 飞灰和未反应的氧化钙等 的混合物 为粉末状固体物质 其中大部分粗粉落到吸收塔底部而排出 剩余的 细粉随烟气排出吸收塔 被随后设置的除尘设备和袋式除尘器或电除尘器收集 烟气脱硫产生的灰渣在吸收塔的底部有几种不同的收集和排出方式 1 烟气和全部干粉一同排出 在吸收塔外通过除尘装置分离 该方法在工 业应用中不采用 2 粗干粉从干燥室锥底通过星形阀排出 夹带着细粉的烟气用导管引到除 尘器中收集分离 为了防止粉尘附于锥体壁上 装有振动器 该方式是喷雾干 燥吸收塔最常见的布置 当锥角太大或室底是平面时 就安装旋转转刮粉器以 便粉料排出 必要时 也可以引风吹扫四壁以便干粉沿室壁落下而被排出 1 5 脱硫产物的回收利用 喷雾干燥脱硫工艺产生的灰渣主要是由飞灰和钙硫反应产物组成 灰渣和钙 硫产物互相混合 而且有一部分产物覆盖在飞灰表面 灰渣的处置方法大体上可 分为抛弃法和综合利用法 抛弃法主要有 堆状回填 山边回填 峡谷回填 联 合式回填 矿坑回填 v 形矿槽回填和覆盖层矿回填等 可大力开发喷雾干燥灰 渣用途的研究包括 建筑材料 替代水泥 稳定路基 制砖等 还可以用于生产 水泥 混凝土块 稳定土壤等 1 6 本文主要研究内容 根据国内外烟气治理技术的研究现状 本文的研究重点为 1 喷雾干燥烟气脱硫装置用于玻璃熔窑的工艺设计 我国玻璃熔窑烟气脱硫工程尚处于起步阶段 理论研究还很不深入 如烟气 脱硫系统中各工艺参数与脱硫率之间的关系研究还不是很完善 因此对玻璃熔窑 烟气脱硫的理论研究还很有必要 2 喷雾干燥过程的传质 传热理论 喷雾干燥过程是一个很复杂的过程 有些参数还很难预测 必须通过实验得 到 还须对喷雾干燥的理论进行进一步的研究 3 运行参数对喷雾干燥烟气脱硫效率的影响 喷雾干燥法烟气脱硫具有自己的优越性 但工艺参数与脱硫率之间的关系研 究还不是很完善 本文对此进行了研究 武汉理工大学硕士学位论文 第二章喷雾干燥脱硫过程机理 以石灰水为脱硫剂的喷雾干燥法脱硫工艺过程是 石灰水 浆 经雾化器雾化 成雾滴 在干燥室内与含硫热空气混合接触 同时发生热量和质量的传递 s 0 2 与c a o h 发生强烈的化学反应 生成亚硫酸钙和硫酸钙 烟气中的热量将雾滴 水分逐渐蒸发 最终得到亚硫酸钙和硫酸钙干粉 其中大部分经脱硫塔下部排出 随气流排出干燥器的小部分细粉经高效除尘器收集 该工艺主要有浆液制备系 统 s 0 2 吸收系统 除尘净化系统和控制系统组成 钙基吸收剂因其资源丰富 来源广泛 价格便宜 使用最多 约占脱硫吸收剂的9 5 左右 反应方程式如下 生石灰制浆 c a o h 2 0 c a o h 2 s c h 被液滴吸收 s 0 2 h 2 0 h 2 s 0 3 吸收剂与s 0 2 的反应 c a o h h bs 0 3 c a s 0 3 2 h 2 0 液滴中c a s 0 3 过饱和沉淀析出 c a s 0 3 a q c as 0 3 s 部分被溶于液滴中的氧气所氧化生成硫酸钙 c a s 0 3 a q l 2 0 2 c a s 0 4 a q c a s 0 4 难溶于水 便会迅速沉淀析出固态c a s 0 4 c a s 0 4 a q c a s 0 4 s 在喷雾干燥工艺中 烟气中的其他酸性气体为s 0 3 h c i 等也会同时与 c a o r 0 2 反应 而且s 0 3 和h c l 的脱除率高达9 5 远大于湿法脱硫工艺中s 0 3 和h c i 的脱除率伽 上述反应过程与雾滴粒子的干燥过程同时进行 因此有必要介绍一下雾滴的 干燥 2 1 雾滴干燥 干燥过程都是质量和能量的传递过程 在此过程中 物料表面的湿分 水分 蒸发到干燥介质中 同时物料内部的湿分 水分 又不断地向物料表面迁移 干燥 速率与这两个过程的速率都有关系 并且还与物料中的湿份状态 干燥介质的性 质有关 2 1 1 湿空气的性质 干燥操作中 通常采用干燥空气作为干燥介质 物料中除去的湿分常为水分 武汉理工大学硕士学位论文 故需了解湿空气 空气与水蒸气的混合物 的各种物理性质及其相互之间的关系 由于干燥过程中湿空气的质量因水蒸气的进入而不断增加 绝干空气的质量却保 持不变 故在干燥计算中 以绝干空气为基准进行表示比较简单1 2 1 j 1 湿度 湿含量 h 湿空气中所含水蒸气的质量与绝千空气的质量之比 称为空气的湿度 或称 为湿含量 可以表示为 坐盟 1 0 0 2 1 m g 玎g 式中 h 一空气的湿度 k g 水瓜g 绝干空气 肘 一绝干空气的分子量 肘 一水蒸气的分子量 疗 一绝干空气的于摩尔数 k m o l 疗 一水蒸气的千摩尔数 k r a o l 常压下湿空气可视为理想气体的混合物 由分压定律可知 理想气体混合物 中各组分的摩尔比等于分压比 故上式可表示为 日 旦 o 6 2 2 一 2 2 2 9 p p p p 式中 p 水蒸气的分压 p a p 一湿空气总压 p a 由上式可知 湿空气的湿度与总压及其中的水蒸气分压有关 总压一定时 湿度仅由水蒸气分压所决定 若空气中水蒸气分压p 等于该空气温度下水的饱和 蒸汽压见 表示该空气处于饱和状态 相应的湿度为饱和湿度z 即 以 而1 8 p 0 6 2 2 南 2 3 2 9 p 一见 p n 一 由于水的饱和蒸汽压与温度和压力有关 因此空气的饱和温度 又叫露点 是 湿空气的总压及温度的函数 2 相对湿度百分比伊 在一定总压下 湿空气中水争气分压尸与同温度下水的饱和蒸汽压见之比 的百分数称为相对湿度百分数 简称相对湿度 以p 表示即 口 卫x 1 0 0 p 2 4 武汉理工大学硕士学位论文 相对湿度可用来衡量湿空气的不饱和程度 它反应出湿空气吸收水汽的能 力 3 比容 单位质量绝干空气所具有的空气及蒸汽的总容积称为湿空气的比容 即 去 h z z 取百2 7 3 t x 半 2 s 式中 一湿空气的比容 m 3 k g 绝干空气 日一湿空气的湿度 k g 水 k g 绝干空气 p 一总压 p a t 一温度 4 比热c t 在常压下l k g 绝干空气和其中的h k g 水蒸气的温度升高l c 所需的总热量 称为空气的比热 即 cu 1 01 1 88h 2 6 式中 1 0 1 一绝干空气的比热 k j k g 千空气 1 8 8 一水蒸气的比热 k d k g x 2 2 1 2 干燥速率 干燥速率速率是指在单位时间内单位面积上湿物料汽化的水分重量 雾滴在 吸收塔内的干燥过程一般分两个阶段进行 第一阶段为恒速干燥阶段 吸收剂浆 液雾滴存在较大的自由液体表面 液滴内部分子处于自由运动状态 水分由液滴 内部很容易移动到液滴表面 补充汽化失去的水分 以保持表面饱和 蒸发速度 仅受热量传递到液体表面的速度控制 单位面积的液滴蒸发速度较大且恒定 随着蒸发继续进行 雾滴表面的自由水分减少 内部粒子问的距离减少 当液 滴表面出现固体时 蒸发受到水分限制 开始第二干燥阶段 即降速干燥阶段 此阶段的特点是蒸发速度降低 液滴温度升高瞄j 2 1 3 雾滴干燥与脱硫反应 喷雾干燥操作中 从雾化器喷出的雾滴粒子在干燥室内与一定温度的烟气接 触 两者之间发生热量和质量的传递 雾滴借热风的能量使所含水分蒸发而成为 脱硫产物 蒸发过程中 雾滴容易发生膨胀 崩溃 破碎或分裂导致产生多孔性 的形状不规则的粒子 雾滴的尺寸分布发生变化 不同的物料显示出不同的蒸发 特性 传热和传质这两个传递过程是同时发生的 水分蒸发时 空气的湿热转化 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 为潜热 被蒸发的水分通过液滴周围的边界层进入空气中 与一般物料的干燥情 况不同 雾滴的干燥速率分为两个阶段 即 恒速干燥段以及降速干燥段 假如 干燥用空气的温度非常高 温度推动力使液滴水分迅速蒸发 一开始就不能保持 表面湿润 液滴很少经历恒速干燥阶段而直接进入降速干燥阶段 此时液滴表面 将瞬间形成干燥固体层 对水分传递呈现出难以克服的阻力 起到了保存液滴内 部水分的作用 同时也阻碍烟气中s 谚向液滴内部扩散的速度 因此 会影响反 应速率 影响传质传热过程的因素很多 特别是影响传热过程中对流传热系数的因 素 包括流体的种类和相变的情况 流体的性质与流动的状态 流动原因和传热 面的形状 大小 位置等很多因素 要建立一个通式来描述过程的传热传质是相 当困难的 根据7 r 定理引入无因次数群 准数 可使过程的计算处理得到简化 1 恒速干燥阶段p j 在恒速干燥阶段 雾滴表面有足够的水