高流速强化湿式石灰石烟气脱硫工艺的实验室研究.docx

1、高流速强化湿式石灰石烟气脱硫工艺的实验室研究LaboratoryresearchonhighvelocityenhancedwetlimestoneFGDprocess李仁刚，管一明，孙祥志，周启宏（国家电力公司电力环境保护研究所，江苏南京210031）摘要：建立了湿式石灰石烟气脱硫实验台，并开展高流速强化湿式石灰石烟气脱疏工艺的研究。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，同时就小液气比。关键词：烟气脱硫；湿式石灰石；高流速；强化传质；脱疏效率Abstract：AsetofwethmestoneFGDtestfacilitywasconstructedandresear

2、chonhighvelocityenhancedwetlimestoneFGDprocesswasconductedThetestresultsindicatethatoperationathighfluegasvelocityimproves1hemasstransferettecVvely,ncreasesSQ.removalefficiencysignificantlyanddecreasesgasliquidrateKeywords:FGD：welhmestone：highvelocity；masstransfereffectivenessSO2removalefficiency中图分

3、类号:X7013文献标识码:B文章编号:1009-4032（2001）02-0014-010前言湿式石灰石烟气脱硫工艺的发展历程可分为2个阶段。第I阶段是20世纪70年代开发的第I代湿式石灰石洗涤工艺，设置独立的烟气预冷却洗涤塔、吸收塔，氧化槽等设备,氧化时要添加硫酸；系统复杂，设备投资高，占地面积大，运行可靠性差。80年代开始进入第2代湿式石灰石洗涤工艺阶段，在吸收塔内实现了烟气预冷却、SQ吸收和氧化、结晶的一体化。由于较好地掌握了脱硫化学过程，并通过简化流程、选用合适材料，解决了系统中结垢、堵塞、材料损坏等问题，该工艺成为当今世界上普遍采用的成熟的烟气脱硫工艺，已被证明是一种高脱硫率、高可

4、靠性、高性能价格比的先进脱硫技术。虽然随着系统的不断简化和改进，其投资费用已有较大幅度的降低，但目前投资和运行费用仍较高，降低费用始终是世界各国最为关注的研究热点。20世纪90年代开始，美国、日本等国均致力于进一步降低湿法工艺的投资和运用费用的研究，在保持第2代湿法工艺较高的脱硫率和吸收剂利用率等优点的同时，通过工艺改进，如提高空塔烟气流速，增强喷雾效果等，强化脱硫传质反应，使其成为高效率、低费用的新一代湿式石灰石烟气脱硫系统。我国电力系统已投入运行和在建的湿式石灰石烟气脱硫系统I目前均采用较为成熟的第2代湿式石灰石工艺。本研究在吸收国外最新研究成果的基础上，通过改进工艺，强化脱硫传质反应，优

5、化工艺条件，在保持较高的脱硫率和吸收剂利用率的前提下，降低脱硫系统的投资和运行费用，以适应和满足我国脱硫市场的需求'1高流速吸收塔的研究应用现状常规的逆流空塔型吸收塔的流速一般是按3.03.6m/s设计和运行。90年代，美国开始进行高流速吸收塔的中间试验研究，并建立示范工程,将烟气空塔流速提高到4.0m/s以上，甚至高达6.0m/sc提高流速的显著优点是缩小吸收塔尺寸，降低工程建设投资；同时还可降低循环泵的能耗C近年来.美国电力研究院（EPR1）以及ABB公司和Babcock&Wilcox公司等积极开展高流速吸收塔的开发研究。主要内容：（1）通过中间试验研究高流速对脱硫率、除雾

6、器性能、吸收塔压降、喷嘴布置等关键因素的影响：（2）通过现场试验或示范工程验证中间试验结果，确定设备的放大规律；（3）建立计算机流体动力学模型，对比中间试验和示范工程的试验数据，并加以修正，为进一步的设计提供参数；（4）对现有常规脱硫塔进行改造，如将处理1台炉烟气量的脱硫塔改造成可处理2台炉烟气量，使空塔流速提高1倍。ABB公司开发的LS-2工艺系统，已在俄亥俄州的EdisonNiles电厂建成处理容量为108MW的工业性示范装置。初步试验结果表明，燃煤含硫量3.5%,空塔烟气流速提高至5m/St用粒度为85%99%通过325目（44呻）的石灰石精，脱硫率可达90%-95%,石膏纯度达97%9

7、8%。2强化湿式烟气脱硫模拟实验台为开展强化湿式石灰石脱硫技术的工艺参数和关键设备的优化研究，在电力环境保护研究所建成了姓理烟气量1000-25OOni3/h的湿法脱硫实验台c其工艺流程见图1,主要设计参数见表1。实验装置由模拟烟气配制系统、石灰石制浆计量系统、吸收氧化系统和排浆系统组成。各系统和主要设备：（1）模拟烟气配制系统由液态so2钢瓶、流量计、引风机等组成。通过调节引风机的风量和SO2的加入，配制成一定so?浓度的模拟烟气,从底部进入吸收塔,脱硫后烟气经2级除雾后排放c（2）石灰石制浆计量系统由石灰石浆槽、计量泵组成。将购量的一定细度的石灰石粉加水制成一定含固量的石灰石浆，通过计量泵

8、打入循环氧化槽内,作为补充的新鲜石灰石浆液。工艺水石灰石粉矣流分布板/IIX0牌样11I口磁*循环泵电流L目X*赢二氧化疏钢瓶"图1湿法脱疏实验台流程表1实验台主要设计参数注：本文烟气量均为标准状态值。参数范a处理烟气量10002500空塔流速/nr.-】36人口SOz休积分fe/xlO-61000-4000氧化槽停留时间Fnnn4-6液气比（L/mb12-20哽淋层数/层16除雾器/级2石灰石粉细度（通过250目）/%90氧化空气摩尔比1-2气流分布板开孔率/%40-100（3）吸收氧化系统是实验台的核心部分，为逆流空塔型设计。上部为吸收塔，塔径0.4m,高度可调节，用透明的有机玻

9、璃制成，塔上预设6个喷淋层开口。下部为循环氧化槽，碳钢制成，内涂防腐涂料。吸收塔最高达7.7mc氧化槽顶部安装1台搅拌器,氧化空气经搅拌器轴向进气至浆叶下部，并被浆叶打成细小的碎泡。设1台衬胶渣浆泵作为循环泵,其出口管道即喷淋母管分6个接口，分别与塔上的6个接口相对应，可根据需要选用若干喷琳层,每个喷淋层均布3个喷嘴。塔内设1个气流分布板。（4）排浆系统由排浆泵和排浆槽组成。当系统检修或改变工况时，可将循环氧化槽内的浆液打至排浆槽暂时存放。进行试验时再打回氧化槽内，以便较快达到稳定的试验工况。3吸收塔内传质过程分析在吸收塔内,SO2的吸收可用双膜理论解释，主要经历3个步骤：（1）沦从气相主体穿

10、过气膜向气液交界面传递：（2）泠在液膜表面溶解;（3）SO2从气液交界面穿过液膜向液相主体传递并发生化学反应。（D、3J为氾吸收的控制步骤。忽略液相S0?平衡浓度，吸收塔内传质过程可用下式表示：式中：NTU为传质单元数，无因次iS&s为进口S02摩尔分数SO?,心为出口S02摩尔分数；K为以气相浓度差为推动力的总气相传质系数,kg/g-m2;A为总传质面积、G为总气体质量流量,kg/so从（1）式可知.给定烟气质量流量G，脱硫率将随.4和3的增大而增高c在喷淋塔中，A是指全部喷淋雾滴的总表面积，而在填料塔中则是填料的润湿表面。可见，A是由吸收塔的结构设计所决定的.其值通过增加喷淋塔的液

11、相喷淋量或提高填料塔的填料高度而增大。K可用气膜传质分系数如和液膜传质分系数表示：式中：H为享利常数；中为液膜增强因子，无因次。（2）式中，kg和知与S02的扩散系数、液滴大小、气液2相相对速度等影响膜厚度的因素有关，伊则与液相组成及其碱度有关。所以，可通过改善气、液2相的接触状况（如提高湍动降低膜厚度）或提高液相碱度等提高K值。020406080100脱斑率图2脱魂率与所需传质单元数g的关系曲线由（1）式可得出脱硫率与所需传质单元数NTU的关系曲线，见图2c由图可知，获得90%的脱硫效率约需2.3个传质单元数G在喷淋塔中，提高流速可提高气、液2相的湍动,降低烟气与液滴之间的膜厚度，从而提高总

12、传质系数K;另一方面，喷淋液滴的下降速度减小，持液量增大，使得吸收段的传质面积A也增大°但烟气流速受除雾器性能的制约不可过高，否则会加剧烟气的雾沫夹带。4化学模拟实验研究通过化学模拟实验，开展高质速吸收塔内的传质，吸收特性的研究,并与常规流速相比较c本实验系统地研究了烟气空塔流速、液气比、气流分布板、烟气入口S02浓度等因素与脱硫效率的关系，为下一步的中间试验提供了工艺设计参数J43提高流速对脱硫率的影响采用2层逆流接触喷淋方式，液气比（L/盘J为14.入口S02体积分数为1600x1。-。，设气流分布板时,提高吸收塔空塔流速，脱硫实验结果见图30由图可见：（1）在相同的吸收段高度条

13、件下，提高流速可强化传质，减小传质单元高度,从而增大传质单元数,可显著提高脱硫率c当流速从3.0m/s提高到4.5m/s时，传质单元数增加了67%,脱硫率可提高22.5%;若将流速提高到50m/s,则脱硫率可提高27,1%。若在相同的液气比条件下要求达到相同的脱硫效率时，气速5.0m/s时所需的吸收塔有效塔高仅为3m/s时的1/2左右；（2）当流速从4.0m/s提高到4.5m/s时，脱硫率上升幅度较大，进一步提高流速时，脱硫率的提高趋于平缓。00190BO70601111111122.53.03.54.04.55.05.5烟气流速/m/图3脱硫率与流速的关系4.2液气比对脱硫率的影响当流速为3

14、.0m/s和4.5m/s时，不同液气比对脱硫效率的影响见图4c实验条件：2层逆流喷淋,设气流分布板，入口SO.体积分数为1600x10-6。由图4可见,在相同的处理烟气量条件下，提高液气比相当于增大了塔内的洗涤液喷淋密度，提高了吸收段的传质面积；同时，也增大了可用于吸收so2的总减度即增强因子甲增大，故脱硫率也随之提高C£种流速下当液气比(L/m，)从12提高到16时，脱硫率平均增大16%c此外.从图4可明显看出.若获得相同的脱硫率，高流速所需的液气比较小，换言之，提高流速可降低所需的液气比。例如，流速为3m/s,液气比(L/m)为16时的脱硫率为76%,而当烟气流速提高至4.5m/

15、s.达到相同的脱硫率时所需的液气比(L/mf<12。4.3气流分布板对脱硫率的影响图5气流分布板对脱琉效率的影响实验条件：流速为4.5m/s,2层逆流喷淋，液气比(L/m，)为12、14、16,装设气流分布板和无气流分布板。实验结果见图5。气流分布板具有均布气流和提供气、液2相接触面积的双重效果。一方面，它使气流分布趋于均匀，提高了脱硫率；另一方面，气流分布板上持液层的形成，为传质过程提供了新的接触面积力液气比(L/m')为14,设气流分布板时,增加f0.74个传质单元数。在相同液气比和相同流速下，装设气流分布板时的脱硫效率要比不装设时高12%16%。空塔流速相同时，气流分布板对

16、脱硫率的影响与开孔率、液气比等因素有关°4.4入口SQ浓度对脱硫率的影响实验条件:流速为4.5m/s,液气比(L/m，)为14,2层逆流喷淋，设气流分布板。实验结果见表2。由表2可见,在较低的浓度范围内，入口S02浓度对脱硫率影响下大但随着S0浓度的进一步提高，由于受液相吸收能力的限制，脱疏率将下降。表2入口泠体积分数对脱硫率的影响人口S01体积分数/X106)00016002000脱硫率85.987.8S3.35结论(1) 随着烟气流速的提高，喷淋液滴的下降速度减小，塔内持液量增大，传质面积增大；且随着烟气流速的增大，传质系数也同时增大。因此，提高流速可降低传质单元高度，显著地提高

17、脱硫率。(2) 气流分布板具有均布气流和提供气、液2相接触面积的双重效果。一方面，它使气流分布趋于均匀有利于总传质效率的提高；另一方面，气流分布板上持液层的形成，为脱硫过程提供了气、液2相的接触面积C(3) 提高液气比，相当于增大塔内洗涤液的喷淋密度，提高了吸收段的传质面积，因而脱硫率也随之提高'在相同的脱硫率下，流速提高可降低所需的液气比。(4) 吸收塔入口S02浓度在较低范围内变化时对脱硫率影响不大。参考文献：1)管一明.李仁刚.湿式石灰石烟气脱硫工艺现状和发履】,电力环境保护,1996,15(2):53-58.2WilliamsPJ.Wetflue砂desulfunzabonpilotplanttestingofhigjt