超重力技术在锅炉脱硫除尘方面的应用研究

毕业论文超重力技术在锅炉脱硫除尘方面的应用研究

目录第1章超重力技术及其发展状况 31.1超重力技术的基本概念 51.2超重力技术发展概况 61.3超重力脱硫除尘技术与传统脱硫除尘技术的比较 71.3.1国内烟气脱硫现况 71.3.2国内烟气脱硫研发及主要应用技术 81.3.3国内除尘技术现状 121.4目前脱硫除尘技术及设备存在的问题 181.4.1脱硫效率相对较低的问题 181.4.2磨损、腐蚀、结垢问题 181.4.3排烟温度问题 181.4.4脱硫产物分离问题 191.5超重技术在脱硫除尘中的应用 191.6本研究的主要内容 20第2章试验装置及测试方案 222.1试验装置与试验方案 222.1.1试验装置 222.1.2试验方案简介 232.2试验参数设计 232.3超重机流体力学参数控制 242.2实验仪器 242.2.1主要仪器 242.2.2碟片式超重机构造简介 25第3章超重场的水力学试验及数学模型 303.1填料内喷水操作流体力学特性 303.1.1干、湿床实验 303.1.2设备调整后的水力学试验 323.2建立简单的数学模型 343.2.1液体在碟片内流动情况 343.2.2条件简化 353.2.2模型建立 363.2模型研究内容 39第4章操作工艺参数与SO2脱除率的关系研究 404.1概述 404.2操作工艺参数与SO2脱除率关系的研究和分析 404.2.1超重床转速与SO2脱除率关系 404.2.2石灰水流量与SO2脱除率的关系 424.2.3pH值与SO2脱除率关系 434.2.4烟气流量与SO2脱除率关系 434.2.5布水器布置形式与SO2脱除率关系 444.3小结 46第5章操作工艺参数与烟尘去除率的关系研究 475.1概述 475.2超重机结构对灰尘去除率的影响 485.2.1液气比对灰尘脱除率的影响 485.2.2超重机转速的影响 495.4影响超重机除尘效果的因素 525.4.1液气比（操作液量）的影响 525.4.2转速的影响 53第6章结论 56第7章不足之处与几点建议 587.1不足之处 587.2几点建议 58参考文献： 62

摘要超重场技术是20世纪八十年代发展起来的一种利用离心力强化传质与微观混合的新型化工设备。气液在高度湍流下接触，通过强化传质过程，提高传质效率。在以往的工作中，当处理的气量很大时，会使设备的造价非常高。而采用超重场技术就可以达到减小设备体积、降低设备造价的目的。本试验采用一种垂直式超重机处理8万m3/h的锅炉烟气，转子直径仅为1100mm，反应区高度为800mm。本文首先对超重机的进行了水力学试验实验测定。同时，通过理论分析和合理简化提出了流体在床内流动的数学模型。在此基础上，结合实验数据，本文得出了超重机转速、烟气流量、操作液量及pH值与脱硫除尘效率的关系，并对布水器的放置形式与SO2脱除率的关系进行了初步研究。实验结果表明：超重场能够有效强化碱水常压下对燃煤锅炉烟道气中低浓度SO2的化学吸收。通过对反应器的结构及操作参数的调整得出了最佳的反应器结构参数，并对现在的超重机提出了修改意见。关键词：超重场技术超重机气液传质脱硫除尘

ABSTRACT High-gravitymachine,whichusescentrifugalforcetointensifytransferandmixingrelatedprocesses,isanewtypeofhighefficiencymultiphasecontactor.Gas-liquidisforcedtocontactbyhighlyturbulentflow.Themass-transferefficiencyisimprovedintheprocessofintensifyingmass-transfer.Inthepastwoksthecostofequipmentwasveryhighwhenthehugeairflowistreated.Howeverthesizeofequipmentandthecostcanbereducedbyadoptedthehigh-gravitymachine.Anewverticalhigh-gravitymachineisadoptedinthisexperimentationwhichcantreat8×105m3/hfluegas.Theprimarysizeofthisequipmentis1100mmrotordiameterand800mmaxiallength.Thehydraulicsexperimentisfirstlytestedinthisresearch.Atthesametime,amathmodeloftheliquidflowinbedisgivenbytheoryanalysisandlogicalsimplification.Therelationshipofrotatespeed,fluegasflux,waterflowandpHvaluewiththeefficiencyofdesulfurizationanddedustingisgiveninthispaper.Thedisposalofthewaterwipeisalsoaffecttheefficiencyofdesulfurization.Therelationshipbetweenthemisalsogivenbyprimaryresearch.ExperimentalresultsshowthatthehighgravitymachinecanefficientlyenforcethealkaliwaterchemicalabsorbabilitytolowconcentrationSO2influegasonnormalpressure.Thismachinealsohasahighefficiencyondedusting.Theoptimaloperatingparameterisgottenbychangethemachineconfigurationandoperatingmode.Thegoalofenergysaving,consumptionreductionandemissionreductioncanbeattainedbyadoptthismachine.Atlastthemodificationmethodaboutthishighgravitymachineisgiveninthispaper.Keywords:High-gravitytechnologyHigh-gravitymachineGas-liquidmass-transferDesulfurizationanddedusting

第1章超重力技术及其发展状况1.1超重力技术的基本概念所谓超重力是指比在地球重力加速度（9.8m/s2）大的多的环境下，物质所受到的力（包括引力和排斥力）。研究超重力环境下的物理和化学变化过程的科学称之为超重力科学。由超重力科学原理而诞生的应用技术称为超重力技术。超重力技术作为一种高新技术，在工业上有着重大的应用前景。在超重力环境下，不同大小分子之间的分子扩散和相间传质过程比常规重力场下要快的多，气－液、液－液、液－固两相间在比地球重力场大数百倍至千倍的超重力环境下的多孔介质和孔道中产生流动接触，巨大的剪切力将液体撕裂成微米甚至纳米级的液膜、液丝和液滴，产生巨大的和快速更新的相界面，使相间传质速率比传统塔设备提高1～3个数量级，微观混合和传质过程得到极大强化。同时，在超重力条件下，不仅是整个反应过程的加快，气体的线速度也得到大幅度提高，这使单位设备体积的生产效率得到1～2个数量级的提高[1][2]。在地球上，旋转是实现超重力环境的最简便方法。这种特殊设计的旋转设备统称为超重力设备，简称超重机（HIGEE），在化工设备中又被称之为旋转填充床（RPB）。利用超重力环境下的高强度传质过程和微观混合特性，我们可以将高达几十米的巨大反应塔等化工设备用高不及两米的超重机进行代替[3]。因此，超重力工程技术被认为是强化传递和多相反应过程的一项突破性技术，被誉为跨世纪的技术，超重机也被誉为“化学工业的晶体管”。总体而言，超重机具有如下特点：极大的缩小了设备尺寸减轻了重量；极大的强化了物质相间的传递过程；物料在设备内的停留时间极短（100ms～1s）；易于操作，易于开停车，维护和检修方便；可垂直、水平或任意方向安装，不怕颠簸，可安装于运动物体；快速而均匀的微观混合等等。而超重力技术在上述超重机的特点上可广泛应用于以下特殊过程：由于停留时间短可用于热敏性物料的处理；由于机内残留量少可应用于昂贵物料或有毒物料的处理；其快速而均匀的微观混合特性又可以用来生产高质量的纳米材料；另外还可以进行选择性吸收分离及聚合物脱除单体等等生产中。超重机是具有广阔的工业应用前景的设备[4]。1.2超重力技术发展概况超重力技术开发研究始于20世纪70年代末1976年，美国太空署（NASA）征求微重力场实验项目，英国ICI公司（帝国化学公司）Ramshow教授等做了化工分离单元操作—蒸馏、吸收等过程中微重力场和超重力场影响效应的研究。在他们的研究中，发现微重力场使控制多相流体动力学行为的浮力因子Δρg接近于零，使相间的相对运动降低，非但对传质没有任何好处，反而极大地削弱了传质过程。在微重力或重力接近于零时，液体的表面张力将起主导作用，液体聚集在一起，组分基本上得不到分离。同时也发现超重力使液体表面张力的作用相对变得微不足道，液体在巨大的剪切力作用下被拉伸成微小的液膜、液丝和液滴，产生出巨大的相间接触面积，因此极大地提高了传递速率系数，而且还使气液逆流操作的泛点速率提高，大大增加了设备生产能力，这些都对分离过程有利。这一研究成果促成了超重力分离技术的诞生。随后引起了美、英、中、俄等国大规模的工业化应用技术研究和开发热潮[6]。沿着这一思路，ICI着手进行这方面的研究，设计出可产生200～1000g超重力场的旋转填充床。大约两年后，第一套示范装置开始运转。1979年6月27日，公开了超重机方面的第一个专利。后来几年里，又陆续公开了一些专利，从而形成了现代超重机的基本结构和操作方式。1985年第一套超重机售出，该机用于脱除被污染的地下水中的有机挥发物。国外从事超重力技术研究的公司和科研机构包括DuPont公司、DOW化学公司、Glitsch公司、Norton公司、Flour公司、ICI公司、Newcatstle大学、CaseWesternReserve大学、Washington大学、TaxasAustin州立大学等；重点研究的技术有超重力精馏分离技术(甲醇/乙醇的分离等)、超重力吸收分离技术(天然气脱硫、分离CO2等)、超重力解吸分离技术(水脱氧、聚合物脱单体、地下污水脱苯/甲苯等)等。近几年在几个化工、能源过程中实现了工业化运行，如1999年美国DOW化学公司成功地将超重力技术应用于次氯酸的工业生产，展现出广阔的应用前景和重大的经济效益[7]。国内，1988年，北京化工大学与美国CaseWesternReserve大学合作，由Glitsch公司提供超重机主机，在北京化工大学建立了一套实验装置，开始进行超重力技术的基础研究以及用于油田注水脱氧、酵母发酵等应用技术研究。自1989年起，国内超重力技术的研究，连续得到国家有关部委的重点支持，被列为国家“八五”、“九五”、“十五”计划的重点科技研究项目。1990年在北京化工大学建立我国第一个超重力工程技术研究中心，2001年升级为教育部超重力工程研究中心，开展了一系列的创新性研究工作。1998年，国际上首先将超重力水脱氧技术实现商业化应用，将海水处理能力为250t/h的超重机安装于山东胜利埕岛二号平台上，投入了工业化生产[6]；1999年，和美国DOW公司合作，成功的将超重力技术应用于氯碱工业中的气液分离过程；2000年和2001年，先后在广东和山西建立了世界上首条年产3000t和万吨级超重力纳米碳酸钙工业生产线。至此，我国对于超重力技术的开发与工业化应用进入了一个新的阶段，在某些领域走到了世界的前列。1.3超重力脱硫除尘技术与传统脱硫除尘技术的比较1.3.1国内烟气脱硫现况烟气脱硫是当今燃煤火电厂控制SO2排放的主要措施。国务院在《国务院关于酸雨控制区和SO2污染控制区有关问题的批复》（国函【1998】5号文）中规定：新建、改建燃煤含硫量大于1％的火电厂，必须配套建设脱硫设施；现有燃煤含量大于1％的火电厂，必须在2010年前分期分批建成脱硫设施或采取其它降低SO2排放量的措施。该批复附件中还明确：长江以南、四川与云南以东的14个省、市和自治区总面积为109万平方公里（占国土面积的11.4％）的区域规划为酸雨和SO2两控区，在此两控区内，将对工业污染源SO2排放实行分阶段控制。在火电厂烟气脱硫建设初期，国内产业化发展相对滞后。由于技术方面的原因，当时国内烟气脱硫工程所用的设备绝大多数从国外进口，国内负责土建和安装，平均造价高达1000～2000元人民币/千瓦，严重影响了烟气脱硫工程建设的发展，而且已建成的采用国外进口设备工程在运行中备品备件都需要从国外进口，这样不但增加运行成本，而且备件不能及时更换而影响设备的正常运行。为降低烟气脱硫成本，技术和设备国产化十分必要。2000年2月国家经贸委在《关于印发<火电厂烟气脱硫关键技术与设备国产化要点>的通知》（国经贸资源【2000】156号文）中指出：“烟气脱硫关键技术与设备国产化是降低工程造价、加快火电厂SO2治理速度，提高机电制造企业竞争能力，培育新的经济增长点的需要。”随着产业的发展，目前大部分相关设备已可以国内制造，但关键设备仍需要进口。为促进产业更快发展，2005年5月，国家发展改革委提出了加快火电厂烟气脱硫产业发展的主要任务，即通过三年努力，建立健全火电厂烟气脱硫产业化市场监管体系，完善火电厂烟气脱硫技术标准体系和主流工艺设计、制造、安装、调试、运行、检修、后评估等技术标准、规范；主流烟气脱硫设备的本地化率达到95％以上，烟气脱硫设备的可用率达到95％以上；建立有效地中介服务体系和行业自律体系。2006年2月正式发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》对环境保护领域的科学研究和技术开发给予高度重视。国家“十一五规划”也强调加大环境保护力度，防治大气污染。关于环境治理重点工程，将燃煤电厂烟气脱硫放在重要位置，强调加快现有燃煤电厂脱硫设施建设，增加现有燃煤电厂脱硫能力，新建燃煤电厂必须根据排放标准安装脱硫装置，使90％的现有电厂达标排放。1.3.2国内烟气脱硫研发及主要应用技术我国烟气脱硫控制技术的研究开发始于60年代初，对燃煤电厂、燃煤工业锅炉和冶金废气开展了烟气脱硫工艺研究、设备研制，取得了实验室小试和现场中试结果。80年代以来，开展了一系列研究、开发和产业化工作。原国家科委组织了“七五”和“八五”公关项目，对国际上现有脱硫技术主要方法进行了研究和实用性工程装置实验；国家自然科学基金委员会设立课题支持脱硫技术的基础研究，取得了很多成绩。国家科技部在“九五”期间，组织“中小锅炉实用脱硫防尘技术与装备研究及产业化”攻关课题，其中包括针对燃煤电厂烟气脱硫技术，采用脉冲电晕等离子体烟气脱硫新技术研究；与此同时，引进了脱硫技术项目，进行示范规模实验和工厂化运行应用。“十五”期间，国家对烟气脱硫提出严格要求，企业大规模引进脱硫技术，烟气脱硫产业快速发展。二氧化硫烟气脱硫技术按工艺特点可分为湿法、半干法和干法两种。湿法脱硫工艺湿法脱硫目前采用的方法比较多，如石灰石-石膏法、柠檬酸法、硫化碱法等。（1）石灰石—石膏法[8]石灰石—石膏法是利用石灰石—石膏作为吸收剂与烟气中二氧化硫发生反应，工艺如图1.1，反应机理[4]如下：图1.1石灰石－石膏法流程图SO2(g)＋H2OSO2(l)＋H2OSO2(l)＋H2OH+＋HSO3－2H+＋SO32－CaCO3Ca2+＋CO32－CaO+H2OCa(OH)2Ca2++2OH－Ca2＋+SO32－CaSO3CaSO3+2H2O+1/2O2CaSO4·2H2O从化学反应过程来看，增加烟气中SO2与浆液的接触时间、提高浆液的循环量、合理控制浆液的pH值，有利于烟气的吸收；从吸收过程来看，浆液的pH值对吸收率的影响比较大，所以控制浆液合适的pH值非常重要。从各方面经验数据看，浆液的pH值一般控制在6.9～8.9，如果低于6时，吸收速度减慢，低于4时，浆液几乎不吸收二氧化硫；根据吸收过程的汽液平衡可知，低温有利于SO2的吸收。此法在研究和环保上取得了一些成果，但是存在以下几方面问题：工艺流程复杂，投资大，运行费用偏高；当烟气中SO2波动比较大时，石灰石量难以控制，浆液的pH值很难处于最佳状态，生成的CaSO3和CaSO4容易堵塞管道和设备。所以，此方法比较适合于大型企业进行烟气脱硫。（2）柠檬吸收法[9]柠檬吸收法是一种吸收低浓度SO2烟气的一种脱硫方法。当含有SO2的烟气通过柠檬酸盐液体时，烟气中SO2与水发生反应，生成HSO3-，其机理如下：SO2＋H2OHSO3－＋H＋H＋+Ci3－HCi2－H＋+HCi2－H2Ci－H＋+H2Ci－H3Ci柠檬酸溶液具有较好的缓冲性能，使溶于水的SO2与H＋形成络合物，所以保持溶液最佳pH值是吸收SO2的一个重要条件，根据实验数据表明，pH值大于5的情况下，SO2吸收率在99%以上，在脱析过程中，利用蒸汽加热即可，脱析比较完全。金堆城钼业公司钼炉料部成功应用柠檬酸法进行SO2的烟气治理，主要产品有：液态SO2等。但是这种方法仅适于低浓度SO2烟气，而不适于高浓度SO2气体吸收，应用范围比较窄。半干法烟气脱硫工艺半干法烟气脱硫工艺主要是是指喷雾干燥脱硫方法，其是利用机械或气流的力量将吸收剂分散成极细小的雾状液滴，雾状液滴与烟气形成比较大的接触表面积，在气液两相之间发生的一种热量交换、质量传递和化学反应的一种脱硫方法，工艺如图1.2。一般用的吸收剂是碱液、石灰乳、石灰石浆液等，目前绝大多数装置都使用石灰乳作为吸收剂。一般情况下，这种方法的脱硫率65%～85%。其优点是脱硫在气、液、固三相状态下进行，工艺设备简单，生成物为固态的CaSO3、CaSO4易处理，没有严重的设备腐蚀和堵塞情况，耗水也比较少。其缺点是自动化要求比较高，吸收剂的用量难以控制，吸收效率不是很高。所以，选择开发合理的吸收剂是解决此方法面临的新难题。图1.2喷雾干燥法脱硫工艺流程干法烟气脱硫工艺（1）活性炭脱硫法活性炭脱硫是因为单元气体或混合气体的某些成分具有选择吸收性能，利用活性炭多孔的性质吸附烟气中的SO2并将其氧化成硫酸而储存在活性炭孔隙内的烟气净化技术。改性活性炭优点：吸附容量大，吸附过程和催化转换的动力学过程快，对氧的反应慢，可再生等。最终结果可获得硫酸，液态SO2和单质硫产品，既可以有效地控制SO2的排放，又可以回收硫资源，是一种前景较好的脱硫工艺。早期，活性炭吸附法被德国Lurgi公司和日本的日立公司联合开发而成，由于当时的运行成本高，没有推广，后经西安交通大学对活性炭进行了改进，开发出成本低、选择吸附性能强的ZL30、ZL40，进一步完善了活性炭的工艺，使烟气中二氧化硫吸附率达到95.8%，达到国家排放标准[10]。但是，这套工艺设备复杂，需多次切换阀门，操作很复杂。总体来说，此方法只适合于小规模、低浓度SO2烟气处理，而且由于水洗会造成水资源的大量消耗，而且造成二次污染，对于我国这样水资源匮乏、环境污染严重的国家不适合推广使用。另外，高昂的活性炭价格也在一定程度上限制了这套工艺的推广应用。（2）金属氧化物脱硫法由于二氧化硫是一种比较活泼的气体，而且科研人员研究许多金属氧化物如：氧化锰、氧化锌、氧化铁、氧化铜等氧化物对二氧化硫具有较强的吸附性，在常温或低温下，金属氧化物对二氧化硫起吸附作用，高温情况下，金属氧化物与二氧化硫发生化学反应，生成金属盐。然后对吸附物和金属盐通过热分解法、洗涤法等使氧化物再生。这是一种干法脱硫方法，虽然没有污水、废酸，不造成污染，但是此方法也没有得到推广，主要是因为脱硫效率比较低，设备庞大，投资比较大，操作要求较高，成本高。所以开发新的吸附剂是我们需解决的新课题。另外，还有炉内喷钙尾部增湿烟气脱硫工艺、烟气循环流化床脱硫工艺、海水脱硫工艺、电子束法脱硫工艺、氨水洗涤法脱硫工艺等等。以上几种二氧化硫烟气治理技术目前应用比较广泛的，虽然脱硫率比较高，但是工艺复杂，运行费用高，防污不彻底，造成二次污染等不足，与我国实现经济和环境和谐发展的大方针不相适应，故有必要对新的脱硫技术进行探索和研究。1.3.3国内除尘技术现状煤作为锅炉使用的主要燃料，送入锅炉内燃烧后，除产生大量的热能外，同时还会产生大量的烟气。烟气是气相物质与固相物质的混合物，如C02、S02、CO、H20、N2、O2和氮氧化物等及烟尘的混合物。为此，我国制定了《大气环境质量标准》（GB3095－82）、《工业企业设计卫生标准》（TJ36－79）、《锅炉大气污染排放标准》（GwPB3－1999）、《燃煤电厂大气污染物排放标准》（GB13223－91）。在不同燃烧方式下，锅炉的排尘浓度约为：链条炉2～5g/Nm3，煤粉炉10～30g/Nm3，沸腾炉20～60g/Nm3。烟气中S02的体积份额如下：链条炉0.7～0.8%，煤粉炉0.85～0.9%，沸腾炉0.8～0.85%，大型火电厂0.2～0.3%。为了减少有害气体及烟尘之排放量，除了采用新炉型改进燃烧方式外，安装有效的排烟除尘设备是十分有效和重要的措施。锅炉上使用的除尘器有四大类：机械类除尘器（包括重力式、惯性式）、洗涤类除尘器、过滤式除尘器、电除尘器。品种超过27种之多。选用除尘器的原则应根据尘粒的性质及变化（其中包括尘粒分散度、含尘浓度、磨损性等）、烟气的性质（如烟气量、烟温等）、除尘装置的工作特性及适用范围，再结合设备投资、场地情况和当地环保主管部门意见决定。由于国家对大气环境质量要求的提高，为减少二次污染及增加烟尘的利用价值，新建大中型电站锅炉除尘装置多采用电除尘器，烟气脱硫方式也多种多样。常用的除尘器有以下几种。脉冲清灰袋式除尘器[12]1、概述脉冲清灰袋式除尘器由于过滤风速高、阻力低、结构紧凑，以及钢耗、能耗、投资均少等优点，在国外己占袋滤器市场的主导地位。国内近年来由于炼钢电炉日趋大型化，脉冲清灰袋式除尘器同样向大型化方向发展。我国传统的几种脉冲除尘器都是在线脉冲清灰，喷吹装置阻力高，导致喷吹效果削弱，喷吹气流受到限制，滤袋长度都超不过3m，难以处理大风量烟气。在引进、消化和吸收国外先进技术的基础上，有关单位研究开发出大型长袋脉冲除尘系列产品。“离线脉冲清灰”技术是目前我国炼钢大电炉除尘系统中采用最多的一种袋式除尘技术.如杭州某钢铁公司80t电炉除尘系统，采用低压脉冲清灰的大型长袋脉冲除尘器，过滤面积11,280m2，处理风量1,130,000m3/h；新疆某钢铁公司70t电炉采用高压脉冲清灰的大型长袋脉冲除尘器，过滤面积11,000m2，处理风量1,100,000m3/h；上海某钢铁有限公司不锈钢电炉除尘系统采用低压脉冲清灰的大型长袋脉冲除尘器，过滤面积15,800m2，处理风量1,200,000m3/h；其过滤风速根据不同的要求，一般在1.3m/min～1.6m/min之间。随着该技术的成熟和完善，大型长袋脉冲除尘器在今后电炉除尘系统中的应用将更为普遍。2、大型长袋脉冲除尘器的主要特点（1）采用低压、低耗的直通式从膜片脉冲阀，替代传统的直角结构。直通式脉冲阀启闭快捷，有利于滤袋内迅速增压，提高袋底的压力峰值，增加清灰能力，降低消耗。（2）采用“三状态”离线脉冲喷吹技术，克服了粉尘“再吸附”现象。在线（不停风）脉冲清灰，再吸附的粉尘量约占被清除粉量的60%左右，过滤风速越高，此种现象越突出，只能靠增加喷吹次数，缩短清灰周期来克服：而离线脉冲喷吹技术，有效地克服了“再吸附”现象，可大大延长清灰周期，其压缩空气的耗量也只占“在线”的1/2～1/3左右，并且过滤风速＞l.5m/min时，各指标和运行参数都符合规定要求。（3）由于清灰次数降低0.5～1个数量级，所以可成倍地延长滤袋和电磁脉冲阀的使用寿命，完全可以达到滤袋使用寿命2年以上的指标。（4）提高自动化控制技术，优化清灰制度，使除尘器阻力保持在一定的范围内，发挥附在滤袋表面粉尘层的过滤效果，从而有效提高总除尘效率，排放浓度可控制在30mg/m3以下。（5）除尘器采用分室结构离线检修技术，可使系统在正常工作的情况下实现检修和换袋。（6）除尘器整机结构的优化和采用先进的检测技术，使整机漏风率小，不但有利于保证除尘系统设计风量及节约能源，还有助于设备的稳定运行，减少因漏风引起结露而造成故障，延长使用寿命，使除尘器整体漏风率＜2%。陶瓷多管除尘器[13]陶瓷多管除尘器是由若干个并联的小旋风体组成，当烟气由进气管进入进气室几乎同时均匀地进入小旋风体，使气体旋转，由于重力作用，粉尘被分离进入集尘斗，而烟气被净化，由排气口排出。小旋固体的工作原理与一般旋风除尘器工作原理相似。当烟气由导向器轴向进入旋风体时，气流由直线运动变为圆周运动，旋转的气体沿旋风体内壁呈螺旋状向下朝锥体流动，俗称外旋气流。烟气在旋转过程中产生离心力，将尘粒甩向四壁并下落，旋转下降的烟气外旋气流达到锥体某一位置时，即以相同的旋转方向从旋风体中向由下转而上，俗称内旋气流，内排气管排放排放气室。陶瓷多管除尘器虽然有很多优点，但如果设计、安装和运输不合理，也会产生一些问题。从多年对除尘器的监测结果分析，主要存在以下问题：（1）多管除尘器的旋风体的组合不当，容易造成各旋风体烟气气流分配不均，造成每个旋风体工作量不一。（2）旋风体在安装固定时，密封工序、密封材质差，运转一段后造成泄漏，影响除尘效率。（3）由于设计上的不合理造成除尘器烟气流动阻力增加，流速减慢也是造成除尘器除尘效率下降的主要原因。陶瓷多管除尘器在设计和制造过程中，严格遵循旋风体、导向器、排气管三轴同心，组装时必须采用高压石棉密封固，以保证它的工作性能。否则会随着漏风率的提高而使除尘效率下降，严重时除尘效率为零。湿式麻石除尘器[11]湿式麻石除尘器按结构可分为：①麻石水膜除尘器；②文丘里管麻石水膜除尘器；③湿式脱硫除尘喷雾旋流塔；④前置塔及主塔、副塔除尘器；⑤喷淋冲击式麻石除尘器；⑥水浴式麻石除尘器；⑦双筒喷淋式麻石水膜除尘器；⑧双筒凝聚湿式旋风除尘脱硫器；⑨两级文丘里管中间沉降室麻石水膜除尘器。还有在麻石水膜除尘器主筒干段加装旋流板以脱除水雾的等等。（1）麻石水膜结构特点：该型除尘装置为早期的水膜除尘器，由主筒、附筒及联结烟道三部分组成。烟气由主筒切向烟气进口进入，进口流速18～22m/s；筒体内上升流速3.5～4.5m/s；除尘器效率η＞90%；除尘器内烟气温降50℃左右；除尘器阻力490Pa（50mmH2O）。这种除尘器是利用旋风式除尘的原理，除尘效率90%～95%，但对于粒径不大于5μm左右的尘粒难以捕集。如果烟气进口温度为160～180℃，除尘器温降50℃左右，即出口烟温110～130℃，加之O2气体乃是混合于烟气中，即使离心力作用烟气流向壁面也并非能全部与水膜接触，所以可以认为不存在脱除S02气体的能力。如果在水中加入脱硫剂，其脱硫能力仅有30%左右。该种湿式除尘器多应用于燃用低硫煤种的链条炉和往复炉。尘粒分离作用主要在烟气流入口段。上部干段高度应不小于1.5m，烟速在4.5m/s左右。如果速度高于5m/s，则有可能撕破溢流水膜，而使烟气带水，另外水封高度亦应留有足够富余量，保证适应烟气条件的变化。（2）文丘里管麻石水膜除尘器结构特点：该除尘装置由文丘里管、主筒、附筒、联结烟道四部分组成。主筒烟气进口为切向布置。这种除尘器为二级除尘器，除尘效率可达95%～98%。由于一级除尘器采用了文丘里管，其喉部气流速度高达60m/S以上，气流运动是一种强湍流运动，将喷入的水滴雾化并促使烟尘微粒强烈运动，与水雾激烈地碰撞、凝聚，这样可以捕集5μm以下微粒并且可以使烟气温度下降至饱和温度，从而烟气增湿。这也就是一个传热传质的过程。关于冷却效果，以转炉煤气试验为例，煤气温度由470℃可以很快冷却到54℃，说明是非常强烈的。由于文丘里管具有这些特点，所以50年代便广泛地应用于冶金、化工等工业中。在锅炉排烟中，烟气温度一般为150～180℃，如果烟气温度下降幅度100℃以上，则S02气体有可能被脱除极小部分，但是损失了烟气由烟囱排出时的抬升高度，增加了水耗。因此没有必要大幅降低烟温，必须采用脱硫剂。如果在文丘里管喉部喷入加脱硫剂的水，由于雾状水滴表面积很大，和烟气的湍流运动十分强烈，混合充分，在尘粒凝聚、碰撞作用激烈进行的同时，S02气体分子易于扩散至液滴中并实现化学吸收，这个过程是不可逆的，因此文丘里管是一种好的除尘、脱硫与冷却增湿设备，其脱硫率大于80%。二级水膜除尘器主要用于分离已形成的含有尘粒及硫化物的水滴及尘粒，特别是水膜中含有脱硫剂，可进一步吸收S02气体，在重力作用下，经排污口排出。文丘里管除尘对负荷适应能力强，多与煤粉炉、沸腾炉、循环流化床炉配套使用，当然也可用于链条炉及其他炉型。（3）湿式脱硫除尘器喷雾旋流塔结构特点：该型除尘装置由主筒、附筒、联结烟道以及安装于主筒中精制麻石板砌成的多层旋流板装置构成。这种除尘器70年代便应用于化工工业。它采用旋流板结构来进行除尘和除雾。旋流板结构是气体通过旋流板螺旋上升，将喷入的水分散成液滴，液滴与尘粒同时被旋流所产生的离心力甩向塔壁，因重力作用，水与粘附上的尘粒沿塔壁下流到下一级，烟气中未被粘附的尘粒继续被用同样的方法粘附，最后经排污口排走。通常旋流板式结构为多级配置。旋流板用于除尘时，使用内向板；而作为除雾作用时采用外向板。对于含尘量大的烟气的适应能力如何不清楚。采用脱硫剂后，可以脱除部分S02。该型除尘器的构造复杂，制作费用较高，耗水量及耗电量比其他除尘器如文丘里管式除尘器大。（4）前置塔及主塔、副塔除尘器结构特点：该型除尘器装置由前置塔、主筒、附筒、联结烟道组成，在前置塔内安装多排喷头。这种除尘器利用复喷与复挡的原理。所谓复喷就是利用多排喷射，增加气相中液固相的撞击机会。使液滴与尘粒多次撞击，充分利用雾化液滴的速度来造成很高的气液相对速度，促使尘液两相微粒凝聚。在复喷除尘时，气流速度为20～30m/S，水的喷射速度为20～30m/s。复挡安装于复喷后，进行烟气除沫，当然在该除尘器中己不采用旋风器这种形式，而是采用使烟气流经过曲折的通道的方式。如在水中掺入脱硫剂，在除尘的同时也可以脱除SO2气体。在锅炉除尘系统中，这种结构应用较少，曾用于沸腾炉除尘。电除尘器[14]电除尘器的类型有干式、湿式、立式、卧式、管式、板式、单区式和双区式。以板式为例，电除尘器的工作原理是在两个曲率半径相差很大的金属极上（即沉淀极和电晕极）通以高压直流电，则在两极间形成强度分布不均匀的电场，离电晕极越远，电场强度越强；继续升高两极间电压，电场强度也随之增大，当电晕线附近的一个很小区域内（一般为2～3mm）电场强度大至某一值时，金属线附近的游离子在电场作用下被加速至很高速度，并在运动中与中性气体相碰撞，使中性气体分子转变为正离子和电子，此时用肉眼可以观察到金属线的表面有蓝色的火点，且从金属电极发出哩喳声和嚼啪的爆炸声，这种现象称之为电晕现象，而此金属线被称之为电晕线。在金属附近的气体电离区称为电晕区，电晕区的离子数可在107离子/cm3以上。发生电晕时的电压称为临界电压，若继续增加两极的电压，电晕区也随之增大；电收尘就是籍助于电极发生电晕极电时，在电晕一极产生的离子沿着电力线方向向另一电极运动，在电极间通过的含尘气体中粉尘粒子被运动着的离子吸附，使粉尘带电，并沿电力线运行，向另一电极沉积。极板主要起沉积粉尘作用。工作过程可分为四个阶段：①电晕极附近的气体电离，产生电子、正离子、负离子；②使含尘气体中的悬浮尘粒带电；③大多数粉尘向沉淀极运动；④经振打将粉尘收集于灰斗中。除尘器的外壳采用钢板焊接而成，含尘气体从进口喇叭处被吹入，即进入电场，粉尘带电后，向极板沉积，然后经阴阳极振打锤击打落入灰斗之中。电除尘器还需附属设备，如保温箱、电机、减速机等。保温箱内设有加热器和温度控制器，若出现电晕极框架的支撑绝缘套管周围的温度过低的情况，则其表面会产生冷凝水汽。在电除尘器工作时，冷凝水汽沿绝缘套管表面产生放电，致使电压不能上升，以至无法正常供电。保温箱的设置则可以保证电除尘器的正常工作温度，而对于户外式的电除尘器来说尤为重要。电机、蜗轮减速机则用于振打装置。1.4目前脱硫除尘技术及设备存在的问题1.4.1脱硫效率相对较低的问题通过对上述一些湿式脱硫除尘设备机理的简述可以发现：吸附烟气尘粒和吸收烟气中二氧化硫的气液接触面积是相同的，液滴的表面张力、重力、惯性力对烟气尘料的捕集吸附非常有效，而对脱硫几乎不起作用，只能增大气液接触面积，烟气中的主流气距离液滴较远，二氧化硫难以靠扩散作用到达液面，而且烟气中__的SO2浓度很低，除尘器很难做到脱硫除尘同步高效，所以在保证烟尘排放达标的同时提高脱硫效率是技术发展的关键。1.4.2磨损、腐蚀、结垢问题利用湿法同时去除烟尘和二氧化硫，不可避免地同时存在磨损、腐蚀、结垢问题，特别是磨损、腐蚀相互促进，使解决问题的难度加大。烟气中存在大量尘粒，必然会对烟道、除尘器甚至风机造成磨损；而湿法脱硫除尘设备中洗涤液呈酸性或呈碱性，如果除雾器(脱水器)配置不当，酸性蒸气流又必然会腐蚀烟道、除尘器或风机；钙质脱硫剂过量，洗涤液的PH值过高，促进了烟气中CO2吸收，生成了过多的碳酸钙、硫酸钙等沉淀物质，结垢于烟道、除尘器、风机叶片上，同样会破坏除尘器工作工况，使阻力增大、风机带水、恶化处理效果，所以必须引起足够的重视。1.4.3排烟温度问题烟气排放要求高于露点温度（约60℃左右）10℃～20℃，同时要求烟囱出口排烟速度在2.5m/s～3m/s，以免冷空气倒灌，温度较高时，烟气比重小得多，风机容易将其排出烟囱。而目前利用湿法除尘脱硫，排烟温度很难达到露点温度，使得烟道内壁、风机结露，造成腐蚀。同时也增大了风机负荷，降低了烟道及风机寿命，影响其经济运行性。因此，一些成熟的湿法脱硫技术都配置有烟气再加热器。1.4.4脱硫产物分离问题湿法脱硫除尘必然存在污液问题，为做到没有二次污染及节约用水，洗涤液必须循环使用，要在洗涤液循环系统的合适位置加入适量的脱硫剂、固硫剂，才能真正做到脱硫。如不及时加入脱硫剂，必然会使循环洗涤液的酸度逐渐上升，降低脱硫效率，同时设备腐蚀加剧。要分离脱硫产物还需增加很多的工艺流程，成本也很高，中小型燃煤锅炉难以推广使用。以上对目前湿法烟气脱硫除尘设备应用中存在的问题做了简要阐述，国际上至今始终没有出现非常经济而有效的脱硫方案，其根本原因在于实现快速、高效的传质反应很难，消除二次污染的成本太高，真正完备的脱硫技术到目前为止仍然是复杂、庞大和非常昂贵的。1.5超重技术在脱硫除尘中的应用虽然超重机不是针对空气污染控制而提出的，但从理论和实践上都表明超重机具有较好的粒子捕集性能及高效传质性能。超重机与传统的脱硫除尘装置相比较有以下几个方面的显著优点：（1）超重机的体积都要小的多，故而占地面积大为减少实验中所应用的超重机除尘系统（包括进出口管线和分析系统）的总占地面积不超过二平方米。其外形小，因而造价低，设备投资小，由于其体积小决定了其可以使用一些贵重的耐磨耐腐蚀材料。同时可以应用于不同场合。在现代的发电厂或矿山里，粉尘处理装置都占据了相当大的空间。而在一些高度和大小受到限制的地方，搭建一个大型的填料塔或静电除尘器都比较困难，而且大型装置不论在制造还是运输方面都存在许多问题，而超重机可以很好的解决这些问题。（2）超重机的处理气量大，适应范围广作为一种离心分离设备，超重机的液泛点很高，使得超重机可以应用于高气量的场合。目前，许多工厂要求的气体处理量都在每小时几千至几万个立方米。如果应用填料塔，设备庞大不说，所需的液体喷入量也相当可观。由于湿式除尘器不可避免的要带来二次污染，所以减小液体用量不仅使污水净化的负担减轻，也使循环液体的能耗降低。另外，超重机对除尘粒子没有特殊要求，而且可以应用于高浓度的场合。超重机中的液体由填料以几十至几百个重力加速度向外抛出，对填料层进行冲刷、洗涤，因而填料不易堵塞。而对于普通的纤维除尘器，其流通气速不能太高，否则压降过大；进口气体的含尘浓度不能太大，否则纤维层会迅速地堵塞而不能继续使用。静电除尘器则要求粉尘的粒子有合适的比电阻。（3）超重机能适应于高温、高湿和有腐蚀性的场合在实际的工业应用中，含尘气体的温度往往较高，而超重机内的高温气体遇到饱和的液体蒸汽后，蒸汽会以细小的粉尘粒子为核心凝结成直径较大的液滴，从而易于被捕集下来。对于极细小的粉尘颗粒来说，这种粒子增大的机制对粉尘的脱除装置就更具有现实意义。另外，超重机本身的体积小，对于处理具有腐蚀性的气体时，有利于使用价格较高的抗腐蚀材料。（4）超重机的设备压降比较低从前人的工作可以看出，超重机的压降比文丘理洗涤器的压降小得多，比冲击式洗涤器的压降也要低。因此，应用超重机可以利用工厂流程自身的压力而不必再另外加入能量。（5）超重机启动后达到稳定态的时间短，对运行参数的变化适应性强超重机启动后能迅速达到稳定，在操作过程中，如果气量、粉尘浓度、气体温度等发生变化时，超重机的操作性能变化不大，有利于进行自动控制。（6）超重机也可以进行液沫和雾滴的捕集由于填料丝网的存在和其高速旋转的操作方式，超重机在捕集固体颗粒的同时也可以捕集细小的液沫和雾滴。但是，超重机和所有的湿式除尘器一样，都需要对捕集粉尘后的污水进行处理，所以，应用超重机除尘必须要有与之配套的污水处理系统。另外，与一般湿式除尘器一样，超重机不适于处理黏性大的粉尘。1.6本研究的主要内容随着旋转床超重力场技术的应用领域的不断开拓，近年申请含有超重力场技术的专利不断增多，现有专利技术中所提供的装置采用水平轴旋转的布置形式，如中国专利95107423.7、95215430.7、99208429.6、03249584.6、03252195.2、200420092277.3、200310103434.6、200620023555.9等，也有采用垂直轴的旋转布置形式，如中国专利91109255.2、91229204.0、01143459.7、02224172.8、200310101838.1、200510049145.1、美国专利US4382900、苏联专利SU127408等。它们多数只能处理小流量的气体。由于电厂的烟气量都比较大，超重机单机处理气体量小、结构复杂等原因，目前利用超重技术进行脱硫除尘的研究工作在国内只是进行了一些实验性质的研究工作。所进行的最大煤气处理量也不超过1万常规的超重力脱硫除尘设备在处理超过5万Nm3/h的气体时，由于要增加旋转体的半径，从而导致旋转填料重量的增加，转动轴的增长。但这些结构将会带来在确定动平衡、制作转动轴时的难度、费用的增加，甚至无法制作。另外，在进行脱硫除尘时，由于进气中存在大量灰尘及酸性气体，旋转碟片或丝网常因高速磨擦及腐蚀而变得各部分重量不一，这样就会破坏高速旋转时的稳定性，使装置在加工时过分关注的动平衡失去意义。本研究针对这些装置在实际生产中应用的缺点后，自行研发旋转轴、行星支撑、旋转碟片及离合启动等装置，以使得这项技术能得以在实际生产中应用，在为国家的脱硫除尘市场引入一种新处理方式的同时，又使用户的投资及运行费用得以降低，另外还达到节能降耗减排的目的。

第2章试验装置及测试方案锅炉的烟气必须经过脱硫除尘工艺处理达标后才能排放。现有的各种脱硫除尘器都有自身的缺点，因此，开发高效、节能的新型的除尘设备成为了人们日益关注的焦点。前人已经在试验室对超重力在除尘及除SO2方面的逆流操作进行了一些实验性质的研究工作，为了进一步考察超重力设备在实际生产中的脱硫除尘性能，本研究在综合考虑前人专利设计不足之处的基础上设计了一种垂直轴超重力设备及实验方法，从各个方面对超重力脱硫除尘设备进行试验，包括：除尘效率、脱硫效率、操作液量的影响、超重机转速的影响、并流和逆流操作的对比等。2.1试验装置与试验方案2.1.1试验装置试验装置如图2-1所示。图2-1碟片式超重机脱硫除尘试验流程示意图2.1.2试验方案简介启动超重机，打开进水水泵，稳定运行15分钟后，打开进气管道风门，控制进水流量，同时调整进水的pH值。超重机采用变频控制，转速从0至700转/min可调。布水水管分两组进行试验，一组在旋转碟片外部，一组在旋转碟片内部。旋转碟片是由一组间距为10mm的304不锈钢碟片组成，碟片具有导向装置。碟片采用24根钢柱固定在厚度为40mm，直径1100mm的钢板上，以调速电机为动力，经传动装置高速旋转形成超重场。布水水管上开有小孔，液体从小孔喷出，形成水雾或水膜；与SO2及烟尘发生反应。检测设备采用德国产Testo335烟气分析仪，检测进、出口粉尘及SO2浓度反应生成物从超重床反应器底部排出至灰水沉淀池。大气腿深入到液面下50cm，形成一定高度的液封，防止漏气。2.2试验参数设计为了获得超重机最佳的脱流除尘结果，从考察常规脱硫除尘器的性能入手，主要从以下几个方面进行：（1）进行超重机的进气方式实验，摸索逆流操作超重机所产生的压降及出口烟气含水量试验，为后面的设计及试验提供基础。（2）液量对超重机去除效果的影响比较（3）转速对超重机去除效果的影响比较（4）考察最佳条件下的脱硫除尘的效率。取得上述的试验结果在试验中测定了如下参数：（1）进出口管道内气体的温度与压力（包括取样点的净压及气体温度）：用ST630红外温度测定计和U型管压差计测定。（2）进出口管道内烟气的含尘含硫浓度：采用德国产Testo335烟气分析仪进行测定。（3）设备的总体压降：用U型管压差计测定。（4）液体流量：用转子流量计测定，量程为0～2m3/h。（5）超重机转速：用变频器进行控制（测定之前需要用光电转速测定仪标定转速），转速控制范围300～500转/min。（7）超重机碟片厚度及间距：厚度用直尺测定，由于试验设备比较庞大，拆卸不方便，间距只采用两组数距，先进行间距为5mm的试验，再间距为10mm的试验。2.3超重机流体力学参数控制（1）干床实验部分考察气量对设备总体压降的影响：转速一定，调整气量的大小，记录设备压降数据。气量的水平选取为Q＝2万，4万，6万，8万m3/h。转速调节水平为：n＝0，235，329，376，470rpm。考察转速对设备总体压降的影响：气量一定，调整超重机的转速，记录设备总体压降数据。转速的水平选取为：n＝0，235，329，376，470rpm。气量调节为：Q＝2万，4万，6万，8万m3/h。（2）湿床实验部分在前面干床试验已确定的转速及气量的基础上，考察液量对设备总体压降的影响：气量、转速一定，调整液量的大小，记录设备总体压降数据。气量调整为：Q＝2万，4万，6万，8万m3/h；转速调整水平为：n＝0，235，329，376，470rpm。液量选取水平为：L＝0.4，0.6，1.2m3/h。超重机流体力学部分实验旨在考察实验条件内超重机的操作特性。2.2实验仪器2.2.1主要仪器（1）碟片式超重机脱硫尘器（2）气体质量流量计（3）Testo335烟气分析仪（4）转子流量计；（5）ST630红外温度测定计；（6）U型测压。2.2.2碟片式超重机构造简介（1）碟片式超重机反应器结构示意图如图2－2所示，其主要构造为：侧面设有进气口的桶形直立机壳，机壳中间设有垂直的转动体，机壳下部设有反应生成物排出口，转动体的中间设有导气桶，导气桶的顶端与除雾器相连，转动体的侧壁是旋转填料床，整个转动体与提供动力的变频电机相连接，转动体的上部设有六组支承导轮组成的外接圆，转动体按外接圆限定的位置转动，以支承和引导转动体的转动。在导气桶与旋转填料床之间设有多根穿孔布液管。转动体与传动装置的主轴相连接，转动体与主轴采用锥面的轴与锥面的轴套相配合的形式连接。主轴一直伸到导气桶内，在主轴的上端设有随主轴一起转动的叶片。旋转填料床是由碟片错层、层叠排列形成空隙而成的，碟片是厚度为0.5mm的304不锈钢扇面形。这种垂直式超重机设备与现有技术相比，具有以下优点：1、旋转体采用六组支承导轮支撑，使得旋转体在两端有支承的状态下转动，使旋转体旋转平稳可靠，可以大大减少旋转体在高速运转中的震动与不稳定性，因而能加大旋转体的直径和体积，用于大气量的处理；2、主轴很短，采用锥型轴面套，将主轴及旋转体紧固在一起，加工方便，运行可靠，有效解决动平衡问题；3、采用0.5mm厚的扇面型碟片，加工方便，节省材料；4、旋转体上的碟片错层布置，片间空隙在5～10mm，大大提高了相间反应的效率；5、采用两级除雾装置，一级采用主轴带动的叶片除雾，另一级是常规除雾器，使得除雾效果更好。叶片还具有增加导气桶内气体动能的作用，其对气体起到推升和引导作用，有利于减少系统的风压损失。图2-2碟片式超重机反应器结构示意图1、机架；2、进气口；3、机壳；4、聚四氟乙烯层；5、转动体；6、废液回流出口；7、导气桶；8、吸气口；9、除雾器；10、旋转填料床；11、碟片；12串孔；13、立轴；14、轴套；15、主轴；16、轴承；17、皮带传动装置；18、电动机；19、叶片；20、布液管；21、滚道；22支承导轮。（2）叶片叶片自制，如图2-3所示，叶片外径Φ1150mm、内径Φ1000mm，叶片厚度0.5mm，叶片间距5mm（可调换为10mm）。第3章超重场的水力学试验及数学模型就SO2的排放而言，燃煤电厂（或热电厂）排放的SO2占工业排放总量最大（我国约为25%），而且分布及排放最为集中（一座1000MW热电厂SO2的排放量约为15～16t/h），因此其危害也最大。在SO2污染问题方面，我国已经进行了大量的技术研究及研究工作，但是这些工作一般都是着眼于吸收方法的改进，而对吸收设备的研究不多，设备上的改进也不大，一般均为吸收塔，传统塔设备效率低，处理后气体中SO2含量难于达到环保允许排放标准（低于400mg/L）。因此，新型脱硫技术及设备的研究与开发就成为当前迫切需要加强的环保科研课题之一。前人已经对超重机的流体力学特性进行了很多理论和实验的研究，但是由于超重机自身尺寸的差异以及实验时操作条件的不同，这些因素都会对超重机的运转及处理效果产生较大的影响。许多已经发表的论文只具有一些参考作用，并不具有太多的生产及商业意义。为了更直接的获得我们自行设计的，用来进行脱硫除尘生产试验的这台超重机的流体力学特性，并为后续的生产做准备，作者进行了相关实验。从前人的工作成果来看，在实验室范围内基本上找不到超重机的液泛点，所以作者主要目的是为了获取超重机气量、液量、转速与超重机设备总体压降及处理效率之间的相互关系。根据第二章介绍的试验参数设计和实验方案，经过多次调试与试验，获得了相关的原始数据。本章将着重讨论超重机的流体力学特性，对超重机的流体力学特性进行了部分实验分析。3.1填料内喷水操作的流体力学特性3.1.1干、湿床实验（1）气量对设备总体压降的影响从图3-1我们可以看出，在转速一定时，随着气量的增加，超重机的总体压降也随之增加。在气量增加到6万m3/h时，压降增加有变缓趋势。在转速为零时，随着气量的增加，压降增加也比较大，特别是在增加到8万m3/h时，压降增加到1080pa，说明系统的阻力比较大。图3－1烟气量对压降的影响由于设计时进出口的口径及开也孔率设计偏小，造成了整个超重机系统的压降比较大。（2）转速对压降的影响图3-2转速对压降的影响从图3-2可以看出转速的增加使超重机的设备压降升高。在转速达到376转/min，压降有明显的跳跃，说明在转速达到一定的数值后会出现对压降的明显影响，使压降增加。但在这之后再增加转速，压降增加的并不大，有趋向缓和之势。（3）喷液量对设备总体压降的影响由图3-3可以看出喷液量对超重机压降的影响很小，基本上可以忽略。但由于烟气中的含灰量比较高，在实际生产中还应该取较高的喷液量，若选取较低的喷液量应考虑在设备中设立必要的冲洗设备。图3-3喷液量对压降的影响3.1.2设备调整后的水力学试验从前面的讨论中可以看到，超重机系统的整体压降比较大。由于试验的对象35T锅炉正常工作时炉内负压不能高于－10pa，整体系统的压降不能超过1400pa，因此必须对现有的超重机设备进行改造，才能进行下一步的点炉生产试验。通过对整个超重机系统的分析，发现超重机系统的进出口管道中的风速太高，最高处达48m/s，远远高于设计标准＜15m/s的要求。因此，在不改动整体设计的基础上分别对进出口的管道进行了改造，同时考虑到实际运行时灰尘量比较大，又调整了碟片的间距至14mm，同时减少碟片的长度至6cm。（1）气量对设备总体压降的影响从图3-4我们可以看出，经过调整后，超重力的整体压降有比较明显的降低。但在转速一定时，随着气量的增加，超重机的总体压降还是随之增加，但是没有出现如图3-1在气量增加到6万m3/h时，压降增加有变缓趋势的现象。这可能是由于改装后进出口的管道及局部阻力已经不再是制约压降变化的关键因素的原因。在转速为零时，随着气量的增加，压降增加几乎呈线性上升，而且在增加到8万m3/h时，压降只增加到570pa，说明系统的阻力有了明显的改变。图3－4烟气量对压降的影响（2）转速对压降的影响图3-5转速对压降的影响从图3-5可以看出转速的增加使超重机的设备压降升高。在转速达到376转/min，压降趋向缓和，这与图3-2的变化趋势基本相同，但经过改装后的设备在压降方面有了很大的改观。（3）喷液量对设备总体压降的影响由于喷液量对超重机压降的影响很小，在本次改装后并没有进行类似的试验。3.2建立简单的数学模型3.2.1液体在碟片内流动情况图3－6液体在碟片中的流动情况如如图3－6，这是国外研究者BurnsRamshaw［18］利用高速频闪照相的方法对研究的液体在填料内的流动状态进行的描绘，其转速为300～600rpm，这时的液体在填料中主要以在填料表面的膜与孔隙中的液滴在流动。国内学者张军等［17］也利用高速频闪摄影的方法对旋转床内液体流动的情况进行了实验研究，得到在不同的操作条件下，液体在填料空间呈现出的液滴、液膜和液线的照片，并测得填料主体区液滴的尺寸，并认为转子填料空间与旋转床机壳空腔中液滴表面的传质是整个装置的传质不可忽略的一部分。根据国内外学者对碟片内液体流动情况的描述，以及本设计的具体特点，可以建立以下一个水力学模型，从另一方面来描述超重力技术在传质方面的优越性。3.2.2条件简化为便于建立碟片式超重机脱硫除尘设备在脱硫方面的传质-反应数学模型，根据有关文献研究和冷态物理实验的结果，进行如下假设来简化模型条件。（1）锅炉烟道气在鼓风机与引风机的作用下只能单向连续流动，碟片表面平整光滑。由于碟片的相隔，气体穿过碟片不存在返混现象。碟片快速旋转时，相邻的碟片间气相处于完全混合状态，气体浓度均匀；（2）在强大的离心力作用下，液体仅从碟片内缘沿径向向碟片外缘流动，不存在返混现象。流动过程中，处于相同半径圆周上的液体浓度分布均匀；（3）碟片间气、液两相为逆流接触；（4）气体径向压力近似一致；整个过程不考虑温度变化产生的影响；气体在液相中的溶解度符合亨利定律（C=HP）；（5）从填料内圈喷出的液体喷到碟片上之后，经高速旋转，一部分在碟面形成液膜，另一部分则成丝状或薄膜状分布于碟片间。根据文献[5]、[13]的报导：由于设备结构和液体表面张力等特性的影响，在离心加速度为60g～100g时两碟片间液体将主要以液膜形式存在，在高速旋转的超重力场中，碟片上液膜厚度沿径向由厚变薄，在碟片内圆周液体进口处，膜厚变化速率最大，但沿径向至外圆周膜厚变缓。Munjal，竺洁松等人认为碟面上液膜厚度可以近似表达式为：=（3-1）式中：－液体运动粘度，m2·s-1Qm：单位宽度表面上的液体流量；r=R+x（转子半径）；ω：角速度。在高度旋转雾化状态下，滴径的几率分布较集中，可近似认为滴径均匀，由三维激光多普列测试仪实验测试已证实，其平均滴径为：d95%=2104（3-2）（6）不考虑端效应；（7）不考虑温度效应3.2.2模型建立由文献[15]知，在旋转超重场中，根据物质传递渗透理论模型可得液相传质系数为：（3-3）其中（3-4）at为气液相接触总表面积，包括碟片表面液膜面积，并与碟片表面性质和两碟片间液滴数和液滴直径有关。（3-5）根据文献[17]与[18]记载，在本研究条件中，在转速不高时，液体将主要以液膜的形式存在，液滴的贡献较小，因此液滴的表面积可忽略不计，式（3-5）简化为：（3-6）注：－液体Reynolds准数，（VL/)－液体Schmidt准数，（/）－液体Froude准数，（/g）－液体Grashof准数，（/）－液体Weber准数，（）每两两布水水管间两相邻碟片间的液膜具有相同的状态，可看作一个气液反应器，整个系统可以视作在垂直方向上由数个反应器并联组成；而在水平方向则由数个被布水器分割成的反应器串联组成。由于并联反应器的反应基本相同，这里只考虑水平方向串联的反应器。如图3-7所示，假设布水器根数为m个，因为是圆形布置则有m个反应器。由于气体运动受到引风机的牵引力及碟片的摩擦力的影响，因此在单位气体在进出碟片反应区间的时间内所能经历的反应器个数是由碟片的转速及气流速度所决定的。其出口浓度则应为经过n个串联反应器后的累计结果，每一个反应器的液相入口浓度相同。YY0Y1R1X0X1X0X2Y2R2Yn-1X0XnYnRn图3-7串联反应器示意图SO2被碱液吸收，溶液存在下列反应SO2+OH-HSO3-（3-7）SO2+H2OHSO3-+H+（3-9）HSO3-+OH-SO32-+H2O（3-10）H++OH-H2O（3-11）式（3-9）、（3-10）为瞬间反应，式（3-7）为2级反应，对SO2和OH-均为1级。在本研究中pH>8，反应（3-7）处于优势地位，水化反应（3-8）的影响可以忽略。由于水溶液中SOH-变化很小，故（3-7）式可看作拟1级反应，于是：-（3-12）因不考虑温度效应，并假设液体蒸发量较少或不蒸发，液滴的聚并和破碎几率相同，处于动态平衡状态，因此可认为动态液含率等于静态液含率。任取两碟片间隙作为一个反应器研究对象，在反应器中取一单位体积微元，如图3-8所示建立坐标系。图3-8单位微元体示意图从单个碟片层来看，风通过碟片的时间决定了会有几个反应器可以通过这个单位微元体。从这个意义说就相当于一个碟片层在高速旋转时，就相当于一个多釜串联反应器。在体积为dV的微元中对关键组分SO2作物料衡算，忽略轴向扩散系数，则：气相扩散进入微元液体内的SO2量－随液体微元排出SO2的量＝微元内反应的SO2量（3-13）－=（3-14）其中：（3-15）C2为微元排出SO2的量，C1为进入微元SO2的量液含率fL＝液相主体体积/（气、液混合体积）微元内气相中SO2物料衡算：（3-16）根据假设各釜的有效容积和温度相同，则对式（3－16）、式（3－