湿法烟气脱硫系统数学建模与仿真分析.pdf

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1、湿法烟气脱硫系统数学建模与仿真分析 重庆大学 硕士学位论文 湿法烟气脱硫系统数学建模与仿真分析 姓名：吴记保 申请学位级别：硕士 专业：动力工程及工程热物理 指导教师：唐胜利 2 0 0 6 0 40 1 f i l e : / / / H | / 湿法烟气脱硫系统数学建模与仿真分析-PD F/ Pa p e r / p d f / f m . h t m 2 0 10 -4-5 11: 57 : 34 学位论文 目 录 文摘 英文文摘 1 绪论 2 石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术以及仿真对象简介 3 SO 2 在石灰石浆液中吸收特性的理论分析 4 系统数学模型的建立 5 模型求解及仿真结果分析

2、 6 结论及展望 致 谢 参 考 文 献 附 录 作者在攻读硕士期间发表的论文情况 重庆大学 硕士学位论文 湿法烟气脱硫系统数学建模与仿 真分析 姓名：吴记保 申请学位级别：硕士 专业：动力工程及工程热物 理 指导教师：唐胜利 2 0 0 6 0 40 1 f i l e : / / / H | / 湿法烟气脱硫系统数学建模与仿真分析-PD F/ Pa p e r / p d f / i n d e x . h t m 2 0 10 -4-5 11: 57 : 34 学位论文湿法烟气脱硫系统数学建模与仿真分析 馆藏号：D 0 197 56 论 文 题 目：湿法烟气脱硫系统数学建模与仿真分析 学

3、位授予单位：重庆大学 作 者：吴记保 申请学位级别：硕士 学 科 名 称：动力工程及工程热物理 指 导 教 师：唐胜利 出 版 时 间：2 0 0 6 0 40 1 摘 要： 石灰石石膏湿法烟气脱硫工艺作为一种技术相对成熟、运行稳定可靠、吸收剂资源丰富、副产物 易于综合利用、脱硫效率高的脱硫方法，在大型火力发电厂中得到了广泛的应用。但是由于其初投资 和运行成本高，在小型电厂和工业锅炉中很难接受。因此，如何降低初投资和运行成本，并保持高的 脱硫效率成为了全面推广该技术的关键。本文以此为目的，就石灰石浆液对SO 2 的吸收特性作了理论分 析，并以某电厂36 0 M W 机组的石灰石石膏湿法烟气脱硫

4、系统格栅填料塔为仿真对象，进行了数学建 模和仿真分析。 通过气、液、固三相的平衡理论，分析了石灰石浆液对SO 2 的吸收能力，烟气中CO 2 、SO 2 浓度对 SO 2 吸收容量的影响，烟气温度对SO 2 吸收容量的影响，浆液中SO 42 -离子对SO 2 吸收容量的影响，以及 脱硫过程中所需的最低液气比。为对脱硫系统的建模分析提供理论参考。 采用模块化思想和小室模型相结合的处理方法，建立了石灰石-石膏湿法烟气脱硫（W FG D ）系统脱 硫塔的通用模型。该模型包括了吸收塔和氧化槽的反应器模型、氧化空气模型、脱硫剂模型以及净化 烟气中SO 2 、CO 2 浓度模型等，能够描述工艺的主要物理化

5、学过程：SO 2 、CO 2 的吸收，石灰石的溶 解，CO 2 的水解，亚硫酸氢根的氧化以及石膏结晶等。根据模型可求得任意时刻吸收塔中各处以及氧 化槽中浆液各组分的浓度、p H 值和烟气中SO 2 的浓度以及脱硫效率等参数。 以格栅填料塔为对象，对模型进行了静态验证，计算结果与试验数据符合良好。通过改变烟气流 量、流速、烟气中SO 2 浓度、循环浆液流量、吸收浆液p H 值等参数，对系统进行了仿真实验，分析了 它们对系统脱硫效率的影响。 利用本文模型以及所得结论，可以对湿法烟气脱硫系统进行性能分析与系统改进。 分 类 号：X7 0 1. 3 关 键 词：烟气脱硫; 格栅填料吸收塔; 脱硫塔;

6、氧化槽 PD F正文 f i l e : / / / H | / 湿法烟气脱硫系统数学建模与仿真分析-PD F/ Pa p e r / p d f / m l . h t m 2 0 10 -4-5 11: 57 : 34 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 I 摘 要 石灰石石膏湿法烟气脱硫工艺作为一种技术相对成熟运行稳定可靠吸 收剂资源丰富副产物易于综合利用脱硫效率高的脱硫方法在大型火力发电 厂中得到了广泛的应用但是由于其初投资和运行成本高在小型电厂和工业锅 炉中很难接受因此如何降低初投资和运行成本并保持高的脱硫效率成为了 全面推广该技术的关键本文以此为目的就石灰石浆液对 SO2的吸收特性作了

7、 理论分析 并以某电厂 360MW 机组的石灰石石膏湿法烟气脱硫系统格栅填料塔 为仿真对象进行了数学建模和仿真分析 通过气液固三相的平衡理论分析了石灰石浆液对 SO2的吸收能力烟 气中 CO2SO2浓度对 SO2吸收容量的影响烟气温度对 SO2吸收容量的影响浆 液中 SO42-离子对 SO2吸收容量的影响以及脱硫过程中所需的最低液气比为对 脱硫系统的建模分析提供理论参考 采用模块化思想和小室模型相结合的处理方法建立了石灰石-石膏湿法烟气 脱硫WFGD系统脱硫塔的通用模型该模型包括了吸收塔和氧化槽的反应器 模型氧化空气模型脱硫剂模型以及净化烟气中 SO2CO2浓度模型等能够描 述工艺的主要物理化

8、学过程SO2CO2的吸收石灰石的溶解CO2的水解亚 硫酸氢根的氧化以及石膏结晶等根据模型可求得任意时刻吸收塔中各处以及氧 化槽中浆液各组分的浓度pH 值和烟气中 SO2的浓度以及脱硫效率等参数 以格栅填料塔为对象对模型进行了静态验证计算结果与试验数据符合良 好通过改变烟气流量流速烟气中 SO2浓度循环浆液流量吸收浆液 pH 值 等参数对系统进行了仿真实验分析了它们对系统脱硫效率的影响 利用本文模型以及所得结论可以对湿法烟气脱硫系统进行性能分析与系统 改进 关键词烟气脱硫格栅填料吸收塔数学模型仿真 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 II Abstract Limestone-gypsum wet

9、flue gas desulfurization (WFGD) technology with mature technology, steady and credible operation and high desulfurization efficiency is being applied widely for coal-fired plant all over the world. But the capital cost and operation cost are too expensive to be accepted by our consumer. In the thesi

10、s detailed researches on WFGD are carried out in order to decrease its capital cost and operation cost. SO2 absorption properties in limestone slurry are studied based on gas-liquid-solid equilibrium theory. The effects of SO2 and CO2 in the flue gas and ion SO42- in the slurry on SO2 absorption cap

11、acity are analyzed based on the theory. And the minimum L/G ratio is obtained, which provides the analysis of desulfurization system with theoretical reference. A universal model of wet flue gas desulfurization has been developed using the idea of module and the method of piecewise processing. The m

12、odel includes mainly two parts: the module of chemical process and the module of reactor. All important rate-determining steps are considered, such as absorption of SO2 and CO2, dissolution of limestone, hydrolysis of CO2, oxidation of sulfite, and crystallization of gypsum. The model can be used fo

13、r predicting the SO2 removal efficiency for process parameters, e.g., height of the absorption section, flux of gas and liquid, initial concentration of SO2, solid content of the slurry, liquid concentration, and liquid pH profiles. The simulation experiments based on the grid packed tower have been

14、 done, and the simulation results are in agreement with data from the power plant. The effects of gas fluxvelocity of gas flow, initial concentration of SO2, L/G ratio and liquid pH profiles are analyzed. Performance analysis and system improving can be done by use of the model and results in the th

15、esis. Keywords: flue gas desulfurizationgrid packed towermathematical model simulation 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 绪论 1 . 1 SO2的危害及其排放现状 1 . 1 . 1 SO2的危害 环境是人类赖以生存的基础随着世界经济的飞速发展特别是工业的快速 进展使能源的消耗日益增加导致大气污染也越来越严重根据经济合作与发 展组织统计1每年向大气排放的 SO2约为 140150Mt 1988 年世界卫生组织和 联合国环境规划署公布的调查报告指出2根据 15 年来 60 多个国家监测获得的 统计资料显

16、示SO2的年排放量超过了烟尘等悬浮粒子成为了大气环境的第一 大污染物 SO2给人类带来最严重的问题是酸雨它对人类生存的生态环境造成严重影 响 其潜在的危害主要表明在以下 4 个方面3 1对水生系统的危害 丧失鱼类和其它生物群落改变营养物和有毒物的循环使有毒金属溶解于 水中并进入食物链使物种减少和生产力下降据报道千湖之国瑞典因酸 雨从 20 世纪 70 年代初到 80 年代中有 118 万个湖泊酸化国内报道重庆南 山等地水体酸化pH 值小于 4.7鱼类不能生存农户多次养鱼均无收获 2对陆地生态系统的危害 重点表现在土壤和植物 对土壤的影响 包括抑制有机物的分解和氮的固定 淋洗钙镁钾等营养元素使土

17、壤贫瘠化酸雨损害新生的植物叶芽影响其 生长发育导致森林生态系统的退化报道欧洲每年有 6500 万 hm2森林受害 其中意大利有 9000hm2森林因酸雨而死亡我国重庆南山 1800hm2松林因酸雨 已死亡过半 3对人体的影响 主要是通过呼吸道系统进入人体作用于呼吸器官在呼吸道黏膜上形成亚 硫酸和硫酸刺激人体组织引起分泌物增加发生炎症引起或加重器官的疾 病 在大气相对湿度较大且有粉尘颗粒和存在时 会发生催化反应使 SO2生成SO3 和硫酸酸雾其毒性要比 SO2大 10 倍以上 4对建筑物机械和市政设施的腐蚀 SO2及其在大气环境中转化成的硫酸雾可被吸附在建筑物材料的表面会使 金属设备建筑物等遭受

18、腐蚀大大降低其使用寿命据报道仅美国因酸雨对 建筑物和材料的腐蚀损失每年达 20 亿美元据估算我国仅川黔和两广 4 省 1998 年因酸雨造成森林死亡农作物减产金属受腐蚀的经济损失总计在 140 亿 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 2 元 在历史上曾经发生了一些与 SO2有关的震惊世界的公害事件如 1930 年 12 月的比利时马斯河谷烟雾事件 1948 年 10 月美国多诺拉事件 1952 年 12 月英国 伦敦烟雾事件等 比利时马斯河谷烟雾事件 1930 年 12 月 1 日至 5 日在比利时的马斯河谷工业区电厂炼焦厂炼 钢厂 硫酸厂和化肥厂等许多工厂排放出的有害气体 在逆温的条件下大量积累

19、 使 60 多人中毒死亡几千人患呼吸道疾病许多家禽死亡 美国多诺拉烟雾事件 1948 年 10 月 26 日至 31 日美国宾夕法尼亚州匹兹堡市南面的多诺拉镇 因地处河谷工厂林立大气受反气旋和逆温的控制持续有雾大气污染物在 近地层积累4 天内使得 5911 人患病死亡 400 人 英国伦敦烟雾事件 1952 年 12 月 5 日至 9 日发生在英国伦敦市大气中的污染物不断积蓄不 能扩散许多人都感到呼吸困难眼睛刺痛流泪不止仅仅 4 天时间死亡人 数达4000多人 就连当时举办的一场盛大的得奖牛展览中的350头牛也惨遭劫难 一头牛当场死亡52 头严重中毒其中 14 头奄奄待毙2 个月后又有 800

20、0 多 人陆续丧生 1 . 1 . 2 我国 SO2排放现状 我国的能源结构是以煤为主煤炭在中国能源结构中的比重高于 70%而且 中高硫煤也较多4 我国 SO2排放量与煤炭消耗量有密切的关系1995 年我国 SO2排放量达到 2370 万 t成为世界上第一排放大国且连续三年超过 2000 万 t虽然之后几年 回落到 2000 万 t 以下但 2003 年又超过了 根据中国 2004 年环境状况公报 5 2004 年我国 SO2排放量为 2254.9 万吨其中工业排放量为 1891.4 万吨生活排放量为 363.5 万吨 如图 1.1 和图 1.2 所示与上年相比2004 年出现酸雨的城市比例增

21、加了 2.1 个百分点降水年均 pH 值5.6 的城市比例上升了 4 个百分点其中 pH 值小于 4.5 的城市比例增加了 2 个百分点 酸雨频率超过 80%的城市比例上升了 1.6 个百 分点降水年均 pH 值低酸雨频率高的城市比例均比上年增加表明本年度酸 雨污染较上年加重 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 3 图 1.1 不同降水酸度城市比例 Fig.1.1 The proportion of city of different precipitation acidity 图 1.2 不同酸雨频率城市比例 Fig.1.2 The proportion of city of different

22、 acid rain frequency 图 1.3 2004 年全国降水酸度分布 Fig.1.3 The precipitation acidity distributing in our country in 2004 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 4 我国 SO2排放具有明显的地域性如图 1.3 所示2004 降水年均 pH 值小于 5.6酸雨的城市主要分布在华中西南华东和华南地区华中酸雨区污染最 为严重降水年均 pH 值5.6为酸雨的城市占 58.3%酸雨频率大于 80%的城 市比例达 21.4%湖南和江西是华中酸雨区酸雨污染最严重的区域华南酸雨区 主要分布在广东以珠江三角洲为中心的

23、东南部和广西东部西南酸雨区以四川的 宜宾南充贵州的遵义和重庆为中心降水年均 pH 值小于 5.6 的城市比例为 49.0%与上年相比酸雨污染有所缓和华东酸雨区分布范围较广覆盖江苏 省南部浙江全省福建沿海地区和上海高酸雨频率80%和高酸度降水 pH?4.5的城市比例仅次于华中酸雨区分别为 21.0%和 14.6%北方城市中 的北京天津河北的秦皇岛和承德山西的侯马辽宁的大连丹东锦州 阜新铁岭葫芦岛吉林的图们陕西的渭南和商洛甘肃的金昌降水年均 pH 值小于 5.6 我国目前每年因酸雨和SO2污染对生态环境损害和人体健康影响造成的经济 损失在 1100 亿元左右今后这种污染损失还将持续不断地增加6研究

24、表明我 国基本消除酸雨污染所允许的最大 SO2排放量为 1200 万吨至 1400 万吨按照我 国目前经济发展模式和污染控制方式力度预计 2020 年全国 SO2排放量将达 到 2800 万吨左右超过大气环境容量 1600 万吨将对生态环境和人体健康造成 严重影响因此制定严格的大气污染物排放标准采取有效脱硫方式来控制二氧 化硫的排放成为了当务之急 1 . 2 SO2控制技术概述 SO2控制技术的研究从上世纪初至今已有 90 多年历史自 20 世纪 60 年代 起一些工业化国家相继制定了严格的法规和标准限制煤炭燃烧过程中 SO2等 污染物的排放这一措施极大地促进了 SO2控制技术的发展进入 70

25、 年代以后 SO2控制技术逐渐由实验室阶段转向应用性阶段进入 90 年代后烟气脱硫技术 的发展进入了一个新的时期各种有发展前景的新工艺不断出现据美国环保署 EPA)1984 年统计世界各国开发研制使用的 SO2控制技术己达 184 种而 目前的数量已超过 200 种这些技术概括起来可分为三大类燃烧前脱硫燃烧 中脱硫及燃烧后脱硫烟气脱硫 7, 8, 9 1 . 2 . 1 燃烧前脱硫技术 主要有洗选技术和动力配煤 1) 煤炭洗选技术主要内容是采用物理化学或生物方式对锅炉使用的原煤进行 清洗将煤中的硫分除掉使煤得以净化目前我国煤炭入选率不到 17%而美 国为 42%英国为 94.9%法国为 88.

26、7%日本为 98.2% 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 5 2) 动力配煤指将不同牌号不同品质的煤经过筛选破碎按比例配合等过 程在动力配煤过程加添加剂如石灰石可脱除燃烧过程中产生的 SO2减少 污染物排放 1 . 2 . 2 燃烧中脱硫技术 主要有煤粉炉直接喷钙脱硫技术流化床燃烧脱硫技术型煤水煤浆技术 等 燃烧中脱硫技术主要是指当煤在炉内燃烧的同时向炉内喷入脱硫剂常用 的有石灰石白云石等脱硫剂一般利用炉内较高温度进行自身锻烧煅烧产物 主要有 CaOMgO 等与煤燃烧过程中产生的 SO2SO3反应生成硫酸盐和 亚硫酸盐以灰的形式排出炉外减少 SO2SO3向大气的排放达到脱硫的目 的 1 . 2

27、. 3 燃烧后脱硫烟气脱硫技术 烟气脱硫技术主要是利用吸收剂或吸附剂去除烟气中的 SO2并使其转化为 稳定的硫化合物或硫按脱硫的方式和产物的处理形式一般可分为干法半干法 和湿法三大类 1) 湿法烟气脱硫技术WFGD 技术 湿法脱硫工艺应用最多占总的脱硫能力的比例是日本约占 98%美 国约占 92%和德国约占 90%等湿法工艺具有技术成熟钙利用率高 脱硫反应速度快脱硫效率高等优点但普遍存在腐蚀严重初投资和运行维护 费用高以及易造成二次污染等问题 主要包括石灰/石灰石石膏法双碱法氨吸收法氧化镁法或称镁乳吸 收法稀硫酸法等 2) 干法烟气脱硫技术DFGD 技术 干法的工艺特点是反应在无液相介入的完全

28、干燥的状态下进行反应产物 亦为千粉状不存在腐蚀结露等问题具有代表性的有荷电千式喷射脱硫法 (CDSI 法)等离子体法等等 3) 半干法烟气脱硫技术SDFGD 技术 半干法的工艺特点是反应在气液固三相中进行利用烟气显热蒸发吸 收液中的水分使最终产物为千粉状主要包括旋转喷雾干燥法SDA 法 炉内喷钙增湿活化法CLIFAC 法 1 . 3 国内外烟气脱硫技术的应用现状 1 . 3 . 1 国内应用状况 我国烟气脱硫起步较早始于上世纪 50 年代但是发展相当缓慢而且仅 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 6 限于有色冶金废气和硫酸尾气的净化10, 11燃煤发电厂烟气脱硫试验始于 70 年 代初先后有上海杨

29、浦电厂上海闸北电厂四川白马电厂及豆坝电厂湖南 30 厂及松木坪电厂进行了六种不同方法的烟气脱硫试验研究12, 13目前我国燃 煤工业锅炉烟气脱硫技术大约有四十多种其中有十几种运行较为稳定脱硫效 率能达到国家允许标准由于燃煤发电厂的烟气脱硫技术刚起步远远不能满足 我国电力工业大气二氧化硫污染控制的要求应加大燃煤发电厂烟气脱硫研究及 开发力度加快研究及开发适合我国国情的投资少见效快简便易行的烟气脱 硫技术 表 1.1 给出了国内开发的烟气脱硫技术的发展及应用现状 我国除了自行研制以外还加大了对烟气脱硫技术的引进工作力度表 1.2 列出了我国早期引进的烟气脱硫装置的应用情况 表 1.1 国内开发的烟

30、气脱硫技术的发展及应用 Table 1.1 The development and appliance of wet flue gas desulfurization developed at home 开发时间 脱硫技术 地点 运行状况 19741976 年 湿式石灰石石膏烟 气流量 2500Nm3/h 上海闸北 电厂 因结垢 腐蚀等问题试运行后即 停运 19741976 年 铁离子液相催化脱硫回 收 法烟 气 流 量 2500Nm3/h 上海南市 电厂 因动力消耗大 体积大和腐蚀严 重等问题而停运 19741976 年 亚钠循环法烟气流量 10000Nm3/h 湖南 300 电 厂 因动力

31、消耗大 运行费用高和腐 蚀严重等问题而停运 19761981 年 水洗再生活性炭脱硫法 烟气流量5000Nm3/h) 湖 北 松 木 坪电厂 因设备庞大 电耗大 操作复杂 和腐蚀严重等问题而停运 19841990 年 旋转喷雾干燥烟气脱硫 工艺烟气流量 5000 70000Nm3/h 四川白马 电厂 目前已试运行钙硫比为 1.4 1.7 时脱硫效率为 80 80 年代 磷铵肥法烟气流量 5000Nm3/h 四川豆坝 电厂 中试脱硫效率达 95 90 年代 湿式除尘脱硫技术湍 流塔旋流板塔等 全国各地 脱硫效率 7585 90 年代 新型液柱湿法 脱硫效率 9099 90 年代 新型半干法 脱硫

32、效率 8090 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 7 表 1.2 国外烟气脱硫技术在国内的应用现状 Table 1.2 The development and appliance in china of wet flue gas desulfurization developed overseas 烟气脱硫技术 用户 投运时间 烟气量 Nm3/h 脱硫效率 制造公司 氨硫铵法 胜利油田化工厂 1979 年 2100000 90 日本东洋公司 碱式硫酸铝法 南京钢铁厂 1981 年 51800 95 日本同和公司 重庆华能珞璜电 厂1992 年 1087200 92 日本三菱重工 石灰石石膏湿 法

33、脱硫 杭州半山电厂 2000 年 1230000 德国 Steinmuller 公司 沈阳黎明发动机 制造公司 1990 50000 80 丹麦 Niro 公司 旋转喷雾干燥烟 气脱硫法 山东黄岛电厂 1995 年 300000 70 中日合作 太原第一热电厂 1996 年 60000 80 日本日立 山东维坊化工厂 1995 年 10000 82 日本三菱重工 南宁化工集团 1995 年 50000 70 日本千代田 石灰石灰石简 易湿法烟所脱硫 重庆化工厂 1995 年 61000 70 日本川崎重工 电子束烟气脱硫 脱硝 四川成都热电厂 1997 年 300000 80 日本荏原 杭州钢

34、铁集团 1997 年 60000 70 荷电干式喷射脱 硫工艺 山东德州电厂 1995 年 100000 70 美国 Alanco 海水脱硫技术 深圳西部电力公 司1998 年 300 70 挪威 ABB公司 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 8 1 . 3 . 2 国外应用状况 近年来世界各发达国家在烟气脱硫FGD方面均取得了很大的进展14 美国德国日本等发达工业国家计划在 2000 年前完成 200610MW 的 FGD 处理 容量目前国际上已实现工业应用的燃煤电厂烟气脱硫技术主要有 湿法烟气脱硫技术占 85%左右其中石灰石石膏法约为 36.7%其它 湿法脱硫技术约占 48.3% 喷雾干燥脱

35、硫技术约占 8.4% 吸收剂再生脱硫法约占 3.4% 炉内喷射吸收剂/增温活化脱硫约占 1.9% 海水脱硫技术 电子束脱硫技术 脉冲等离子体脱硫技术 烟气循环流化床脱硫技术等 以湿法脱硫为主的国家有 日本(约占98%) 美国(约占92%)和德国(约占90%) 等 1 . 4 本文的工作内容及目的 湿法烟气脱硫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及运行成本高尚不能被我国一些电厂和工业锅炉 所接受因此如何降低投资运行成本并在此基础上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结合实际的湿法烟气脱硫系统开展了湿 法烟气脱硫方面的理论建模和仿真试验分析

36、主要完成以下几方面的工作 1 建立石灰石石膏湿法烟气脱硫系统吸收塔的通用数学模型 模型能描述系统 主要物理现象和化学反应过程SO2CO2的吸收石灰石的溶解CO2的水 解亚硫酸氢根的氧化以及石膏结晶等能够反映入口烟气条件吸收剂特性 等参数对脱硫效率的影响 2根据数学模型编写仿真模型 3利用仿真模型以格栅填料塔为对象进行系统边界的扰动试验 4分析主要影响因素对脱硫效率的影响确定主要运行参数的合理运行值为优 化系统提供理论参考 重庆大学硕士学位论文 2 石灰石- 石膏湿法烟气脱硫技术以及仿真对象简介 9 2 石灰石- 石膏湿法烟气脱硫技术以及仿真对象简介 2 . 1 石灰石- 石膏湿法烟气脱硫技术

37、2 . 1 . 1 技术特点 石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术是最成熟的烟气脱硫技术它是用石灰石乳喷 射到吸收塔与烟气中的 SO2结合成硫酸钙其特点是15, 16 1技术成熟运行可靠性好 2效率高脱硫效率达 90%以上 3对煤种变化的适应性强 4脱硫副产物便于综合利用是良好的建筑材料 5吸收剂资源丰富价格便宜 6占地面积大一次性建设投资相对较大而且大量使用石灰石材料脱硫会 向大气中排放更多的 CO2气体 2 . 1 . 2 基本原理 该工艺的化学原理如下17 烟气中的 SO2在吸收塔内溶解于水中生成亚硫酸并离解成 H+和 3 HSO 离子 吸收剂碳酸钙在一定条件下溶入水中生成 Ca2+ 在氧化池内

38、O2由氧化风机送入的空气溶解在水中将 3 HSO 氧化成 2 4 SO Ca2+和 2 4 SO发生化学反应生成 4 SCOa当 4 SCOa达到一定过饱和度后结晶形成 石膏OHOa 24 2SC析出 2 . 2 SO2吸收塔及其理论研究 脱硫反应塔是烟气脱硫工艺的核心部分在脱硫反应塔内烟气与循环浆液 接触从而脱去烟气中的 SO2完成 SO2的吸收过程 根据气液的不同接触方式脱硫反应塔可以分为喷淋塔填料塔鼓泡塔和 液柱塔等相对而言喷淋塔是最通用最成熟的塔型它通过喷头产生分布较均 匀的小液滴来进行吸收18填料塔使用液膜进行吸收19鼓泡塔采用小气泡作为 气液接触面20液柱塔则是通过液柱喷射形成高度

39、混合高效传质的双接触脱硫 区来进行吸收21 对反应器的宏观动力学模型的研究往往集中在具有代表性的小区域内的气液 反应里在这种小区域里化学反应过程与液体流动过程以及热量质量传递过 程往往交织在一起具有很充分的代表性 根据气液接触方式的不同研究小区域内化学吸收过程的模型主要有薄膜理 重庆大学硕士学位论文 2 石灰石- 石膏湿法烟气脱硫技术以及仿真对象简介 10 图 2.1 格栅填料反应塔 Fig. 2.1 The grid packed tower 论渗透理论和表面更新理论它们对气液相的传质过程采用了不同的理论描述 方法用这些理论可以对常用的吸收塔作较好的理论描述从化学反应的机理角 度来看脱硫反应

40、塔中脱硫反应实质上是一个气液反应吸收过程在此过程中 针对不同的反应塔吸收阻力为气相扩散阻力和液相扩散阻力之和现有的脱硫 反应塔根据不同的气液接触形式可以分别用不同的理论来描述其传质阻力 薄膜理论较适合于稳定的气液接触界面的建模如填料塔以及喷淋塔中内 循环不显著时的液滴吸收模型渗透理论较适合于接触时间短反应非稳态的吸 收模型如鼓泡脱硫塔表面更新理论适合于液体内循环强烈气液接触流场湍 流强的反应的建模如液柱脱硫塔23 2 . 2 . 1 格栅填料塔与薄膜理论 脱硫工业中的填料塔一般采用 格栅作为填料 见图 1.4 在格栅填 料塔packed tower中液体自塔 顶喷淋在填料表面上并顺填料下 流气

41、体通过各填料的空隙下降与 液体作连续的顺流接触气体中的 二氧化硫不断地被溶解吸收浓度 逐渐降低.碱液的浓度也同时降 低 薄膜理论film theory 很早就 被用于反应器的建模钟秦24和 Kiil20在脱硫模型中就采用了该理 论来模拟格栅填料塔的脱硫过程 气液互相接触时虽然主流区为 湍流但气液相界两侧仍然存在稳定的滞留层气膜和液膜即为填料塔中典 型的传质反应小区域假定穿过界面的传质阻力处于靠近每个相交界面的薄层内 对于所有反应物和产物来讲靠近任一界面的薄膜厚度相同此时传质阻力来 自分子扩散阻力 薄膜理论的基本方程可用下列通式表示 0 2 2 = R dz Ad DA (2.1) 式中 A 脱

42、硫反应中的二氧化硫组分浓度mol/m3 DA 液相中扩散系数m2/s z 液层深度方向 R 反应生成速度或消耗速率, mol/(m3s) 重庆大学硕士学位论文 2 石灰石- 石膏湿法烟气脱硫技术以及仿真对象简介 11 图 2.2 筛板脱硫塔 Fig. 2.2 The bubbling tower 通常以气液界面和薄膜边缘处的条件为边界条件可以解得吸收速率为 () li L A z AA AA D dz Ad DN 0 = = (2.2) 式中 L 液膜厚度m Ai 相界浓度mol/ m3 Al 液相浓度mol/ m3 由此液相传质系数为 L A l D k = (2.3) 薄膜理论仅讨论各相内

43、的传质情况忽略扩散组分在膜中的积累过程认为 气液相间有稳定界面传质阻力主要来自于气液两膜中的分子扩散阻力穿过每 一小块面积的局部通量是恒定的 从薄膜理论的基本分析要加强传质吸收过程需要减小气膜厚度和液膜厚 度以及加大反应总表面积对于具有自由界面的气液系统来说 双膜理论与试 验结果有一定误差因为此时气液相间不可能存在稳定界面和滞留膜同时液 体沿填料表面流过其交接处时会发生混合而使浓度变均匀虽然可以用表面更新 理论予以描述但是其准确性不足另外气膜厚度 G 和液膜厚度 L 也无法从理论 上获得而必须依赖于试验或者根据实际的传质系数进行调整这也造成薄膜 理论描述格栅塔时的困难 2 . 2 . 2 鼓泡

44、塔与渗透理论 溢流筛板塔 泡沫脱硫塔以及喷 射鼓泡脱硫塔( JBR)均属于鼓泡塔 bubbling tower在溢流筛板吸收 塔中见图2.2气体与液体是逐级 逆流接触的 气体通过板上小孔逐渐 上升 在每层板上与溶剂以鼓泡形式 接触气体中的 SO2被部分溶解吸 收气体每上升一层二氧化硫浓度 跃迁式地降低 而碱性脱硫剂的浓度 跃迁式地升高 Lancia21采用薄膜理论来描述鼓泡反应器中气液传质 液膜的厚度决定于流动 情况而与反应无关而 Heige 的渗透理论penetration theory与实际的物理过 程较为接近气液接触时间很短不能够达到稳定的状态鼓泡塔中典型的传 重庆大学硕士学位论文 2

45、石灰石- 石膏湿法烟气脱硫技术以及仿真对象简介 12 图 2.3 喷淋反应塔 Fig. 2.3 The spray tower 质反应小区域为气泡气体以气泡的形式在吸收液里面通过气泡到液体的溶质 扩散存在瞬时性即液膜中存在逐渐渗透的情况 假定流体单元与相界固定接触时间为 t0即与气泡紧密接触的液体与单个气泡 的接触时间也就是气泡上升一个气泡直径距离所需要的时间典型的渗透理论 液相传质系数 l k 为 0 2 t D k l l = (2.4) 渗透理论仍然建立在薄膜理论的基础之上但不同之处在于薄膜理论讨论 稳态过程而渗透理论强调了初接触的不稳定阶段在鼓泡塔中通常通过射流 方式或者搅拌鼓泡的方式

46、将气体分散成大量小气泡增加总的反应面积而且气 泡越小速度越大t0越小也就能够获得较大的 l k 2 . 2 . 3 喷淋塔与表面更新理论 喷淋塔 spray tower 工艺是脱硫塔 的传统工艺见图 2.3它可以描述为脱 硫剂浆体在反应塔中被雾化成小液滴与 烟气充分逆流接触喷淋塔中的气液接 触反应以液滴的反应吸收为代表 因此 现有的建模方法也都以下落的单液滴对 SO2气体的吸收作为基本单元25 在浆液液滴下落过程中对传质吸 收影响量主要有液滴的内循环internal circulation固体浓度液滴直径分布 以及相对速度相当多的研究集中于考 虑液滴内部是否有内循环上部分学者认为内循环无需考虑

47、Altwicker26等通常 采用薄膜理论而考虑内循环的学者如 Gerbec27在模型中将液滴分为内核和外 层两部分内核逐层替代外层浆液Amokrane28则采用界面大涡large eddy interfacial模型界面更新由液滴内的大涡完成而更新的速度则由表面的相对 速度来表征 显然喷淋塔中液滴的内循环是客观存在的但根据不同的情况它们的大 小有所区分如果内循环足够显著以致对反应吸收的结果预测产生较大的偏移 那就必须在建模中加以考虑 考虑内循环的学者所采用的方法是建立在Danckwerts 提出的表面更新概念之上即液体表面被不断地由湍流区移来的旋涡所更新在 渗透模型中流体和界面的反复接触取相

48、同的暴露时间而 Danckwerts 则采用一 重庆大学硕士学位论文 2 石灰石- 石膏湿法烟气脱硫技术以及仿真对象简介 13 图 2.4 液柱塔 Fig. 2.4 The double contact liquid-column tower 个较宽的时间范围并对不同的渗透程度加以平均液面单元的年龄 t 可以从零到 无穷大定义暴露渗透的面积的更新率为 s并保持恒定由此式可以推得表面年 龄分布函数表示为 ( ) st setf = (2.5) 对于无化学反应的吸收可以用渗透模型的方法得到整个液面单元的平均传质 通量为 ( )()sDSOSOdttfNN SOliSO SO 22 2 22 0 = (2.6) 由此得到的液相平均传质系数为 sDk SOl 2 = (2.7) 喷淋塔中下落液滴的内循环不显著用薄膜理