燃煤锅炉灰水喷雾脱硫特性的数值研究.pdf

露季支学 硕士学位论文 学校代码1 0 2 5 5 学号2 0 3 2 7 8 燃煤锅炉灰水喷雾脱硫特性的数值研究 AN U M E R I C A LS T U D YO NF G D ’C H A R A C T E R I S T I CB Y S P R A Y I N GT H EA S HW A S T E W A T E RF R O M C O A L F I R E DB O I L E R 专业名称供热、供燃气、通风及空调工程 姓名金玲荣 导师刁永发副教授 完成日期2 0 0 6 年0 1 月 东华大学硕士学位论文 燃煤锅炉灰水喷雾脱硫特性的数值研究 摘要 环境污染已严重制约着国民经济的可持续发展。燃煤排放的S O z 是主要大气污染物之一，而冲灰水是燃煤锅炉废水排放的主要来源， 利用燃煤锅炉灰水进行烟气脱硫具有以废治废，节约能耗，降低运行 成本的特点。 本文主要对烟道内雾化的燃煤锅炉灰水滴脱除烟道气中S 0 2 进 行数值计算，重点考察了燃煤烟气与雾滴两相流动模型及烟气与雾滴 之间的传热传质规律。 首先，探讨烟气与雾滴气液两相流动模型，涉及到烟气连续相和 雾滴离散相的两相流动，文中分别以标准k 一占湍流模型和随机轨道模 型作为数值计算模型的依据。 其次，分别对雾化液滴蒸发模型和S O 吸收模型进行了分析。推 导了雾化液滴在烟气中蒸发的传质方程及S 0 2 在碱性溶液中的化学吸 收反应总传质速率方程。 然后，利用标准k 一占湍流模型和随机轨道模型理论，对燃煤锅炉 灰水喷雾反应段内的传热传质规律建立了数学模型，采用最新版本的 商用F l u e n t 软件进行模拟计算，得到了燃煤灰水的喷雾特性 包括雾 滴初始粒径、雾滴初始速度 和液气比等，对烟道出口平均温度和速 度的影响规律以及雾滴的运动轨迹。基于喷雾反应段雾化液滴和烟气 间的传热传质规律的数学模型，推导了雾滴初始粒径、雾滴初始速度、 T 中文摘要 S 0 2 入口浓度、入口烟气温度、喷雾反应段长度、液气比、C a ／S 摩尔 比、等各项参数的控制微分方程，采用变步长四、五阶 R u n g e K u t t a - F e l h b e r g 求解。研究了雾滴初始粒径、雾滴初始速度、S 0 2 入口浓度、入口烟气温度、喷雾反应段长度、液气比、燃煤锅炉灰水 中C “s 摩尔比、C a O H 2 颗粒平均粒径劫等参数，对燃煤灰水烟气脱 硫效率的影响规律。研究结果表明雾滴初始粒径、S 0 2 入口浓度、 喷雾反应段长度、液气比、C a ／S 摩尔比、C a O h 2 颗粒平均粒径如是 影响S 0 2 吸收效率的主要参数。 最后，本文以燃煤灰水喷雾脱硫实验和石灰液喷雾脱硫实验从烟 气入口浓度和C a ／S 进行实验验证，验证了计算结果的可靠性。并对燃 煤灰水喷雾脱硫特性的技术经济性作了评价。工程应用实践证明，燃煤灰 水喷雾脱硫技术经济有效，尤其适合于中小锅炉和现有旧项目的改造 工程。 本文理论与实验应用研究结果，为燃煤锅炉灰水喷雾烟气脱硫技 术的工程设计，提供了有参考价值的数据。 关键词烟气脱硫，燃煤锅炉灰水，喷雾，脱硫效率，数值模拟 Ⅱ 东华大学硕士学位论文 AN U 吼皿RI C A LS T U D YO NF G D ’SC H A R A C T E R I S T I CB Y S P RA Y I N GT H EA S HW A S T E W A T E RF R o M C O A L F Ⅱt E DB O I L E R A B S T R A C T T h ee n v i r o n m e n t p o l l u t i o n g r e a t l y r e s t r i c t st h ec o n t i n u e d e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n m y ．T h eS 0 2a n dt h ea s hw a s t e w a t e r e m i n e db yb u r n i n gc o a li st h em a i np o l l u t i o nr e s o u r c eo fa i ra n dw a t e r ． D e s u l f u r i z a t i o no ff l u eg a sb yu s i n ga s hw a s t e w a t e rh a ss o m ea d v a n t a g e s s u c ha su s i n gr u b b i s ht oh a t T t e s sm b b i s h m , s a v i n ge n e r g y , l o wo p e r a t i o n f e e ． N u m e r i c a ls t u d yo nF G Db yS p r a y i n gt h eA s hW a s t e w a t e ri nt h e f l u eW a sm a d ei nt h i st h e s i s ．W el a i das t r o n ge m p h a s i s0 1 1t h eh e a t t r a n s f e rb e t w e e nS 0 2i nt h ef l u eg a sa n ds p r a y i n gd r o p l e t si nt h ef l u eg a s c h a n n e l ． 1 ．T h et w op h a s ef l o wm o d e lo ff l u eg a sa n dd r o p l e tW a sf i r s t l y d i s c u s s e d , i nw h i c ht h ef l o wo fc o n t i n u o u sp h a s ea n dd i s p e r s ep h a s ew a s i n v o l v e d ．F i n a l l yt h es t a n d a r dk - 占m o d e la n ds t o c h a s t i ct r a j e c t o r y m o d e lw a sa d o p t e dt oc o m p u t et h ef l o wo fc o n t i n u o u sp h a s ea n dd i s p e r s e p h a s e ． 2 ．T l l ed r o p l e t se v a p o r a t i o nm o d e la n dS 0 2a b s o r p t i o nm o d e lw e r e s t u d i e dr e s p e c t i v e l y ．F n i a l l yt h eh e a ta n dm a s st r a n s f e re q u a t i o nf o r c o m p u t i n gd r o p l e t se v a p o r a t i o na n dm a s st r a n s f e rr a t ee q u a t i o nf o rS 0 2 c h e m i ca b s o r p t i o ni nt h ea l k a l e s c e n c el i q u o rw e r ep r e s e n t ． 3 ．U s i n gt h et h e o r y o fs t a n d a r dk - sm o d e la n ds t o c h a s t i c t r a j e c t o r ym o d e lt oe s t a b l i s hn u m e r i c a lm o d e li nt h es p r a y i n gr e a c t i o n s e g m e n t ，a n du s eH u e n tt os i m u l a t ei t ．F i n a l l y , w eg e tt h ee f f e c to f s p r a y i n gc h a r a c t e r s i n c l u d i n gi n i t i a l d i a m e t e ra n dv e l o c i t yo fs p r a y d r o p l e t se t c ． a n dt h ev o l u m er a t i oo fl i q u i dt og a so nt h eo u t l e ta v e r a g e t e m p e r a t u r ea n dv e l o c i t y , a n dt h ed r o p l e tp h a s e ’Sm o t i o nt r a c 七．O nt h e m 英文摘要 b a s i so fe l e m e n ta n a l y s i s ，t h ec o n t r o le q u a t i o n sf o rt h ei n t e r a c t i v ee f f c c t s b e t w e e n s p r a y i n gm i s ta n df l u eg a sa r ee s t a b l i s h e d ．耽ec h a n g et e n d e n c y o fd i f f e r e n tp a r a m e t e r so ft h el i q u i da n dg a s e o u sp h a s ea l o n gt h ef l u ei s a n a l y z e db yn u m e r i c a lm o d e l i n g ．T h ed e s u l f u r i z a t i o ne f f i c i e n c yi s c a l c u l a t e da n da n a l y z e da saf u n c t i o no f d r o p l e t v e l o c i t y , d r o p l e td i a m e t e r , g a sv e l o c i t y , g a si n l e tt e m p e r a t u r e ，S 0 2i n l e tc o n c e n t r a t i o n , t h ev o l u m e r a t i oo fl i q u i dt og a s ，t h el e n g t ho fs p r a y i n gr e a c t i o ns e g m e n t , C a ／S ， C a O r 现p a r t i c l ed i a m e t e r ．T h er e s u l ts h o w st h a td r o p l e td i a m e t e r , g a s v e l o c i t y , S 0 2i n l e tc o n c e n t r a t i o n ，t h ev o l u m er a t i oo fl i q u i dt og a s ，t h e l e n g t ho f s p r a y i n gr e a c t i o ns e g m e n t ，C a ／Sa n dC “O 田2p a r t i c l ed i a m e t e r a r ek e yp a r a m e t e r st h a ta f f e c td e s u l f u r i z a t i o ne f f i c i e n c ym o s ta n dg a s e o u s d i f f u s i o ni si m p o r t a n tt Ot h ed e s u l f u r i z a t i o np r o c e s s ． 4 ．I nt h es t u d yo fe x p e r i m e n t a la n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ，w eh a v e c a r r i e do u tt w oe x p e r i m e n t sa n dh a v eat e c h n i c a la n de c o n o m i c a la n a l y s i s o ft h et e c h n o l o g yf o rF G D ．A f t e raf u l la n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n t a ld a t a , t h ea d v a n t a g e so f t h i sn e wt e c h n o l o g ya r ec o n c l u d e d ．I t sp r o v e dt h a ti ti s e c o n o m i c a l ，e f f e c t i v ea n dp a r t i c u l a r l ys u i t a b l ef o r t h el o w - t o m e d i u m c a p a c i t ya n d r e c o n s t r u c t i o no f b o i l e r ’sd e s u l f u r i z a t i o ns y s t e m ． T h es t u d yi nt h i st h e s i so f f e r su s e f u lr e f e r e n c e sa n dg u i d a n c ef o rt h e e n g i n e e r i n gd e s i g na n dp r a c t i c a lo p e r a t i o no ft h eF G Db ys p r a y i n gt h e a s hw a s t e w a t e ri nt h ef l u e ． J i nL i n g r o n g H V A C S u p e r v i s e db y D i a oY o n g f a K E YW O R D S F G D ，A s hw a s t e w a t e r , s p r a y i n g ，d e s u l f u r i z a t i o n e f f i c i e n c y , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n I V 附件一 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明我恪守学术道德，崇尚严谨学风．所呈交的学位论文，是本人在导师的 指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名叫岔石耋蒙 日期伽名年；月p 日 附件二 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权彖毕大学可 以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编本学位论文． 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密0 ‘ 学位论文作者签名 仓磋辕 日期弘挣；月调 指导教师繇刁导矽、 日期移6 年扫阳 东华大学硕士学位论文 1 ．1 研究背景及意义 第一章绪论 我国1 9 9 5 年二氧化硫排放量为2 3 4 1 万t ，超过美国当时的2 1 0 0 ] i t 1 9 9 8 年 二氧化硫排放量为2 0 9 0 万t ；2 0 0 0 年二氧化硫排放总量为1 9 9 5 万t ，已成为世界二 氧化硫排放第一大国【”。致使酸雨和二氧化硫污染日趋严重。1 9 9 9 年，全国6 6 ％的 城市环境空气二氧化硫平均浓度超过二级标准；占全国面积3 0 ％左右的地区，因 二氧化硫的大量排放而出现了酸雨现象。下图为中国九十年代末酸雨分布图。 图1 一l 我国九十年代末酸雨分布图 大量的二氧化硫排放，不仅加剧了城市大气污染，而且造成酸雨面积扩大， 因此二氧化硫污染及由此而引起的酸雨问题已成为制约我国经济和社会发展的 重要因素。以1 9 9 5 年为例，我国由于二氧化硫和酸雨污染造成的农作物、森林、 人体健康等方面的经济损失约为11 0 0 亿元，已接近我国当年国民生产总值的2 ％。 可见控制二氧化硫排放量势在必行，这也是社会和经济发展以及环境保护的迫切 要求。 工业锅炉是我国二氧化硫排放的主要来源之一。我国现有工业锅炉5 0 万台， 1 0 0 万蒸吨，并以大约每年5 ％的速率递增。其燃煤量占全国年燃煤量的1 ／3 ，二氧 化硫的年排放量占全国二氧化硫年排放量的1 1 3 以上。在今后相当长时期内，我 第一章绪论 国工业锅炉的燃煤比重仍将在I ／3 以上．根据我国以煤为主的能源结构，要对占 能源消耗达7 5 ％的煤作大规模削减是不可能的，也是不现实的。为此，1 9 9 5 年国 家颁布了中华人民共和国大气污染防治法强化燃煤污染的防治，在酸雨控制 区内，必须采取二氧化硫污染的控制措施，同时国务院还制定了‘工业锅炉排尘 排放标准、燃煤电厂排放标准等法规。在经济措施中，我国己在一些城市 和地区开始收取排污费。在技术措施中，一方面开拓清洁生产渠道，控制二氧化 硫的生产量，另一方面，应重视末端处理，对锅炉烟气进行脱硫处理，才能达标 排放。 然而，对技术措施中的第二方面，在我国这样一个人口众多，经济技术相对 落后的能耗大国，锅炉烟气脱硫技术的应用才刚刚起步，并且发展过程步履维艰。 制约我国烟气脱硫技术推广运用的重要原因不外乎以下两方面第一。昂贵的设 备投资，国内火电厂烟气脱硫工程绝大多数是从国外引进进口设备，国内负责安 装，利用国外技术和设备，平均造价高达1 0 0 0 ．1 2 0 0 元 人民币 ，千瓦，如果实 现技术和设备国产化，工程造价可控制在7 0 0 元 人民币 ／千瓦【2 】，但这也是非 常昂贵的。第二，居高不下的运行费用 包括物料、能耗、设备维护、运行管理 成本等 以重庆华能珞磺电厂为例，脱硫工程投资占电厂总造价的近1 2 ％；年运 行费用高达7 0 0 0 万；脱硫增加发电成本0 ．0 3 元 人民币 ，千瓦时t 3 1 。 表1 - 13 5 种粉煤灰化学成分平均值 含量均值含量均值 化学成分 范围 ％ 化学成分 范围 ％ ％ ％ S i 0 2 5 0 ．63 3 ．9 ．5 9 ．7 M g O 1 ．2 O ．7 ．1 ．9 A h 0 3 2 1 ．11 6 ．5 ．3 5 ．5 N a 2 0 0 ．5O ．2 ．1 ．1 F e 2 0 3 7 ．11 ．5 ．1 9 ．7 K 2 0 L 3 O ．6 - 2 ．5 C a O 2 ．8O ．8 ．1 0 ．4 S 0 3 0 ．3 O ．0 ．1 ．1 一般而言，传统的湿法、半于法脱硫技术都具有工艺复杂、占地面积大、 投资高、运行费用昂贵的特点。因此，根据我国燃煤工业锅炉数量多，分布广， 污染治理难度大的特点，开发一种投资小，运行简单，具有中等脱硫效率的烟 气脱硫技术是符合我国国情的。通常来说，各种燃煤锅炉灰水是废水排放的主 要来源，但是由于没有合适的回用或处理途径，不少工厂采取兑酸中和的方法 2 东华大学硕士学位论文 以降低废水的p H 值，采取兑酸中和的方法处理燃煤锅炉灰水无疑给各单位带 来一大笔处理费用。 结合表1 ．1 及文献f 4 】我们可以得到。在粉煤灰中对吸收S 0 2 有效的碱性物 质一般平均占到麟以上。这样可以达到实际意义的脱硫效率。因此利用燃煤 锅炉灰水来实现烟气脱硫是切实可行的，实际上国外也有一些相似类型的工程 例子，例如美国克莱一博斯成尔电厂子1 9 8 0 年初建成4 套飞灰脱琉装置，配 合5 0 0 M W 发电机组运行，其脱硫效率达到6 9 ％t 5 1 。 因此，燃煤锅炉灰水进行烟气脱硫，不仅节约了用于购买脱硫剂的全部费用， 节约了处理灰水的费用，而且脱硫后的废渣容易处理。以此达到了以废治废，节 约能耗，降低运行成本的目的。对我国减少燃煤锅炉的s 0 2 排放量，改善我国的 大气污染和水污染问题都是很有意义的。 1 ．2 国内外的研究现状及发展趋势 1 ．2 ．1 国内外的研究现状 按与燃烧的结合点的区分，脱硫方法分为燃烧前脱硫技术一煤脱硫；燃烧 中脱硫技术一炉内脱硫；燃烧后烟气脱硫技术一烟气脱硫。按脱硫后有没有副产 品回收区分为抛弃法和回收法。 而燃烧后烟气脱硫 f l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n ，缩写F G D 是目前世界上唯一大 规模商业化应用的脱硫技术。世界各国研究开发的烟气脱硫技术多达2 0 0 多种， 但是商业应用的不超过2 0 种。按照脱硫过程是否加水和脱硫产物的干湿形态，烟 气脱硫可分为干法、半干法、湿法三类工艺。 对于F G D 技术的研究，从2 0 世纪初至今己有1 0 0 年的历史。世界上第一台烟 气脱硫设备是在1 9 3 0 年建成的，它被应用在英国伦敦的电厂锅炉上。当时这个设 备采用河水作为脱硫剂。自6 0 年代起，一些工业化国家相继制定了严格的法律法 规，限制燃烧过程中S 0 2 等污染物的排放，这一措施极大地促进了脱硫技术的发 展。进入7 0 年代后，F G D 技术的研究开始由实验室阶段转向大规模应用阶段，发 展至今，脱硫工艺很多，大约有2 0 0 多种。 目前，全世界已经有1 7 个国家和地区应用了F G D 装置，电站装机总容量达2 ～ 第一章绪论 2 ．5 亿k w ，每年脱除1 0 0 0 万吨S 0 2 。日本是世界上最早大规模应用F G D 装置的国家， 所用技术以湿式石灰，石灰石．石膏法为主，占7 5 ％以上。由于日本国内资源匮乏， 大多采用回收流程，日本国内所用石膏基本上来自烟气脱硫的回收产物。日本在 6 0 年代末开始大规模应用F G D 装置，使其s 0 2 污染在7 0 年代中后期基本得到控制。 8 0 年代以来，日本对美国、德国及发展中国家大量出E I F G D 技术和设备加强了出 口，中国7 0 ％的进1 3 F G D 装置来自日本。日本在其s 0 2 基本得到控制的基础上， 开展了烟气同时脱硫脱硝的研究和开发，并在工业上应用。 美国的F G D 技术研究较日本略迟，自7 0 年代初开始，特别是1 9 7 8 年重新修改 了环境法规，否决了高烟囱排放，使F G D 技术迅速发展起来。目前，其F G D 装机 总量超过日本，成为世界第一。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。美国新建电厂已基本安装了F G D 装置，而早期建造的1 1 0 0 个燃煤电厂大多没有脱硫设备，为此美国正在研究适合于电厂改造的、占地面积 小的、效率适中、经济性好的脱硫技术。 欧洲的F G D 技术以德国发展最为迅速，其装置装机总容量居世界第三位。在 引进日、美先进技术的同时，立足于本国技术的开发，7 0 年代末在电站锅炉上安 装F G D 装置。1 9 8 3 年颁布了环境法规后，促进了F m 装置的大规模应用。德国主 要采用的工艺也是湿式石灰／石灰石一石膏法，占F GD 装置的9 0 ％以上，其中回 收流程是抛弃流程的2 ．6 倍，国内7 5 ％的工业用石膏来自于脱硫系统。 英国主张燃用低硫燃料和高烟囱稀释排放法，而法国以核电为主，因此两国 的F GD 技术不如德国。北欧各国如丹麦、芬兰等国，对F GD 技术也开展了大规 模研究，开发了许多先进工艺，如丹麦的旋转喷雾干燥法和芬兰的炉内喷钙增湿 活化法等，不仅在本国有许多工业装置运行，在境外也有技术出口。 我国早在2 0 世纪7 0 年代就开始了电站锅炉F G D 技术的研究工作，先后有6 0 多个高校、科研及生产单位，对多种脱硫工艺进行了实验研究。但与发达国家相 比，虽然起步不晚，进展却比较缓慢。随着S 0 2 和酸雨污染的日益严重，S 0 2 控 制技术被提到议事日程。为了促进国内F G D 技术的开发研究，“七五”以来，国家 有目的、有计划的引进了一批国外的先进技术和装置．其中湿法流程全部是日本 的技术，半干法和干法则以欧美技术为主。如引进日本可回收石灰石，石膏湿法 F G D 的重庆华能珞磺电厂引进美国A L A N C O 公司的荷电干吸收射法的山东德 4 东华大学硕士学位论文 州电厂等嘲。引进的示范工程虽然设备先进、运行稳定、自控程度高，但其投资 和运行费用极其昂贵。以目前的国力根本无法推广，因此，如何使其国产化、降 低成本及运行费用以适应我国市场需求，就成为我国科研工作者的一项艰巨任 务。 国内高校和科研单位对一些应用前景好的脱硫技术进行了研究，这些技术主 要有湿法中的双碱法、石灰，石灰石法及同时除尘、脱硫的系统等，限于条件以 实验和小试规模的基础研究为主。随着我国对环境状况的日益重视及S 0 2 排污费 的开始征收，仅靠引进设备解决S 0 2 污染问题不符合我国国情，必须在引进和吸 收国外先进技术的同时，立足于国内现有的科技力量开发投资运行费用低廉的烟 气脱硫技术。 结合我国燃煤锅炉数量多、分布广、污染治理困难的特点，本文提出了利用 碱性的燃煤锅炉灰水脱除二氧化硫这种以废治废的烟气脱硫技术。考虑到燃煤锅 炉灰水中的有效钙、镁含量低于一般的石灰液的石灰，石膏法脱硫系统，为了提 高脱硫效率，本文设想使燃煤锅炉灰水以喷雾形式进入烟道，等待反应完全达到 稳定状态后进入脱水塔脱水。从这个处理过程中看，本文有必要研究在烟道内烟 气与燃煤锅炉灰水水雾之间的传热传质规律，揭示燃煤锅炉灰水水雾气溶胶吸收 二氧化硫的机理，优化各种影响参数，以达到最终优化系统提高脱硫效率的目的。 从本质来讲，烟气与燃煤锅炉灰水水雾之间的热质传递过程属于气溶胶之 间，以及气溶胶与水蒸气之间的传热传质。气溶胶是是一种悬浮在气体介质中的 微小颗粒，它们的性质与行为，与人类的生存环境质量息息相关。早在上世纪三 十年代，美国、日本、前苏联等国家在有关的研究方面投入了巨大的人力和物力。 与此同时也涌现了一大批气溶胶方面的著名专家、学者，有S ．T w o m e y ， S ．K 衔e d l a n d e r 等。气溶胶的研究正在不断的发展之中，可见W ．C H i n d s 【7 】、 S ．M a s u d a [ 8 1 、J ．M ．C o d h a r d l 9 ] 等的著作。上述研究基本局限于常温常压时气溶胶与 大气之间的缓慢传热传质过程。文献【1 川指出高温条件气溶胶微粒之阅发生的快 速传热传质过程与上述慢速过程在规律上有很大的差别。 有关液滴热质传递过程的研究对水雾气溶胶的传热传质的研究很有帮助的。 W ．E ．R a n z 和W ．R ．M a r s h d l [ 1 1 】早在上个世纪四五十年代就对各种环境下的液滴蒸 发作了非常深入的研究，提出了著名的R a n z - M a r s h d l 公式，该公式现已被广泛 5 第一章绪论 引用，用于计算与气液两相间传热传质相关的努谢尔特数和薛伍德数。 C ．M ．M e g a r i d i s t l 2 】对液滴蒸发过程中液滴内部的温度、速度分布作了深入的研究。 L S i l v e r m a n 和w ．A ．S i r i g n a n a [ 1 3 嘲模拟了喷雾时雾滴密集区液体之间相互作用对 各种参数的影响并给出了影响这些参数的修正系数，从而能更准确的描述不同粒 径的雾滴在高温气流环境中的蒸发和运动过程。 相对于干燥的C a O 和C a O I D 2 吸收剂的脱硫反应而言，用喷雾洗涤的方法， C O H h 水雾颗粒由于水分存在使其反应机制发生了一定的变化。一方面，颗粒 表面的水分通过吸收溶解烟气中的s 0 2 ，反应生成新的成分H S O f ，S 0 3 2 有利于反 应的继续进行；另一方面，水分在颗粒内部的渗透从而在C a 0 功2 颗粒之间形成 液膜，使气体分子在孔隙和产物层内扩散转变为液相中的离子扩散。文献【1 4 】将含 湿吸收剂颗粒的硫化反应过程分为以下5 个步骤反应物S 0 2 从气相主体到液滴表 面的扩散S 0 2 在颗粒表面吸收；S 0 2 溶解成H 2 S 0 3 及H 2 S 0 3 离解成H S 0 3 - , S 0 3 2 。离 子；钙及硫元素在液相中扩散；C “O H 颗粒在液相中溶解。对于上述5 个反应步 骤，很难确定控制步骤，一般认为第二步和第五步比较重要。要建立一个通用的 反应模型，全部予以描述是困难的，只能对于反应的主要控制步骤建立模型进行 研究。早期的研究者们认为控制浆状含湿颗粒硫盐化反应的步骤只有一个，a P s o z 的水合反应。早在1 9 8 4 年，J o ’z c w i e z 和R o c h e l l e 以S 0 2 的外部质量传递速率是s 0 2 吸收速率的控制步骤的假设出发，建立了一维的浆状液滴硫盐化模型，但它仅适 用于吸收剂过量的情况。在以后的研究中，人们逐渐发现，C “O H 2 的溶解扩散 速率也是反应的制约因素。H a n sT ．勋f I s ∞和Ⅺ通酣p o “1 9 8 7 【”1 发展了两个一维 模型，分别成功地模拟了含湿c a o H 2 颗粒在同时考虑S 0 2 和C a o H 2 溶解扩散控 制时的硫盐化反应。1 9 9 0 年G e r a l dH ．N e w t o n 等【1 6 】提出了反应锋面理论，作者基 于C “0 均2 颗粒的溶解速率、扩散速率、及H s 0 3 。，8 0 3 2 的扩散速率是相等的假设 给出了吸收剂溶解速率、H s 0 3 。，S 0 3 2 的扩散速率、C a O H 2 的液相扩散速率。由 此我们可知，含湿C a O H 2 的硫盐化反应中，反应物在液相中的溶解跟传质扩散 过程都是控制整个反应过程的关键步骤。 文献【m 4 1 【1 7 】’[ i l l 等都针对喷雾干燥反应器内的脱硫反应过程提出了各自的脱 硫计算模型，并进行了数值模拟和相关的实验研究。但前两者的计算模型只考虑 了气液界面处的气膜和液膜传质阻力，忽略了液相内部固体颗粒的溶解阻力。所 6 东华大学硕士学位论文 有的计算结果都表明，浆滴大小、浆滴寿命、C a ／S 比、入E I S 0 2 浓度等是影响脱 硫效率的敏感参数。 在国内，由于环境问题的日益突出以及我国政府对环境问题的重视，国内的 高校和各科研单位对脱硫技术的探讨和研究是相当活跃的。其中对喷雾干燥法烟 气脱硫技术进行了大量的研究，同时也为烟气和燃煤锅炉灰水水雾之间的热质传 递规律的研究提供了一定的参考价值。 浙江大学的高翔等f 1 9 1 在液相反应溶解和传质理论基础上，通过对含C a O i l 2 颗粒内反应机理的研究分析，提出了含湿C a O n h 的脱硫反应模型。通过分析和 计算可发现，含湿C a O n 2 颗粒由于液相的存在使反应特性与干燥C a O I - l h 颗粒相 比发生明显变化。反应速率随含湿量的提高而增加，含湿颗粒的粒径减少和钙转 化率提高均会使反应速率下降，并且提出了反应温度存在一个临界值的观点，当 温度低于某一临界温度T 盯时，温度升高反应速率增加，当温度超出某临界温度 T 仃时，反应速率随温升而下降。同样是来自浙江大学的吴忠标、谭天恩[ 2 0 l 通过 建立不同粒度下雾滴传热特性传质的理论计算模型，利用模型对不同雾滴初直径 下的传热传质特性进行了理论计算，得到了干燥曲线和吸收曲线。表面烟气在塔 内的停留时间取1 0 秒是较适宜的，另外雾滴初直径的减少，同时加快了传质 吸 收 和传热 干燥 ，由于有利及不利因素的相互抵消，使得总脱硫率略有增加，但 是影响不大。文献【2 1 】以模拟实验为基础，较详细地研究了喷雾脱硫塔内石灰浆滴 的脱硫干燥关系，表明干燥与脱硫密切关系当浆滴干燥成固粒含水量低于临 界值时，脱硫率急剧减小。阐明了脱硫剂表面含有非结合水分是维持脱硫的快速 离子反应的必要条件．其在文献【2 2 J 中的模拟实验研究进一步得证实了以上观点。 但是其研究是基于喷雾干燥塔内的反应工况，与本文要考虑的向烟道以喷雾的形 式喷锅炉燃煤灰水的工况是有很大差别的。周月桂等【2 3 l 运用两相流相似模化方法 建立了烟气脱硫实验台，研究了该脱硫方法中C a O 脱硫剂颗粒与雾化水滴的碰撞 活化效率、脱硫效率以及各种因数对脱硫效率的影响。徐君岭【2 4 】在冷态的墓础上， 就单拐形流道内烟气与水雾闻传热传质过程进行理论及实验研究。理论上考虑了 水雾相的作用，提出了对烟气动量方程的修正模型。对拐形流道内烟气单相传热 与流动，采用k _ ∈湍流模型。两相流动采用两相分离流模型，用L a g r a a g e 方法求解； 在实验中，通过调节多种工况参数，结合理论计算，最终得出了对烟气脱硫及分 7 第一章绪论 离的优化设计。同样的，其在文献【2 5 l 中，在冷态的基础上，对拐形分离器内气水 问热交换及分离问题进行了理论研究与数值计算。在计算中，采用贴体坐标的办 法处理整个流动区域。对分离器内空气单相传热与流动，采用K - e 湍流模型，使 用有限差分方法计算流道内流场分布；两相流动采用两相分离流模型，即气相采 用E u l c r Y 法描述，水滴相采用随机采样分离流模型，L a g r a n g e 方法求解。计算给 出了在多种工况下水滴相的运动轨迹，分离效率以及速度分布等参数。不过以上 两个研究都是采用两维流动模型，简化了流动情况，实际过程中由于纵向烟雾的 相互影响，流动与传热情况将更为复杂。但总体而言，揭示了烟雾相互作用过程 的一般规律。 尹静等【2 6 1 等研究了多种因素对喷雾法烟气脱硫的影响规律，提出了提高脱 硫效率的可行措施，并建立了喷雾法烟气脱硫工艺中恒速干燥期的理论模型。 吕华军、金应培田1 对烟道内喷雾干燥法脱硫技术进行了实验研究，通过实验研 究得出了适宜于提高脱硫效率的反应条件，王世驹、杨天亮【2 8 1 介绍了利用锅炉 排污水烟气脱硫的实验研究，提出高温燃烧下形成的粉煤灰在烟道工况下因喷 淋而被活化，可与二氧化硫发生反应。同时该研究也证实了烟气中的飞灰成分 在水雾的作用下会产生强烈的固硫作用。另外张学才、陈明功【2 鲥、陈子彤、杨 向民0 0 亢燕铭、李世龙【3 1 】等也分别对新型喷雾湿法脱硫技术进行了实验和理论 研究。 1 ．2 ．2 发展趋势 烟气脱硫装置的基本投资和运行费用相当高，即使是工业发达国家也感到难 以承受。降低脱硫装置的基本投资和运行费用是世界各国在烟气脱硫领域中的主 要研究任务。未来烟气脱硫技术的发展趋