底饲进料循环喷动床烟气脱硫试验研究与数值模拟

摘要

干法循环流化床烟气脱硫技术具有工艺简单、操作简便、脱硫产物易于处理、无二次污染等特点，已经成为我国优先推广使用的烟气脱硫技术之一。但是，该技术在实际应用中普遍存在脱硫剂利用率较低、脱硫塔负荷适应性不强等问题。因此，如何进一步提高脱硫效率和钙利用率是需要进行研究的重要课题。
　　 常规循环流化床烟气脱硫工艺由于采用面饲进料，容易出现流场偏斜和流动不均匀等问题，影响了物料浓度和温度分布的均匀性并使横截面上脱硫反应不均，导致系统脱硫效率下降。为了优化流场特性、提高物料分布的均匀性从而改善塔内传质，底饲进料循环喷动床采用底饲方式将新鲜脱硫剂从脱硫塔底部送入密相床层，在塔底形成高湍动度、高颗粒浓度的气固混合。激烈的湍流混合不仅能使回料脱除产物层不断露出新鲜表面继续反应，从而提高脱硫剂利用效率，而且能避免颗粒结团，提高运行的稳定性；同时，由于新鲜脱硫剂从密相层底部进入，增加了脱硫剂在密相层的停留时间。这对提高脱硫效率和脱硫剂钙利用率具有十分重要的意义。
　　 本文首先探讨了改善反应塔流场均匀性的措施与方法，设计底饲进料循环喷动床烟气脱硫中试试验装置；通过数值计算研究不同结构对塔内气体流场的影响，以此作为底饲进料循环喷动床结构设计和优化运行的参考依据。其次，为研究操作参数对塔内流场分布及混合特性的影响效果，对底饲进料循环喷动床进行了一系列的冷态试验研究：
　　 应用热球风速仪测量不同高度上的轴向表观气速，并与模拟结果相比较，结果表明两者相符较好，证明了回料风对流场对称性的不利影响以及底饲方式优化塔内流场的作用；通过等速取样得到不同高度上的颗粒通量分布，结果表明应用底饲进料方式能明显改善颗粒分布在截面上的对称性；应用频谱分析和SHANNON信息熵对压力信号进行处理，分析了不同操作参数对反应塔内气固两相流的影响；为了进一步研究塔内颗粒的混合规律，利用流化性能相近，溶解度差异较大的石英砂和消石灰颗粒分别通过底饲进料和回料系统加入，通过颗粒取样、溶解过滤的方法得到不同高度上的颗粒分布，并应用混合熵计算得到的混合指数评价颗粒混合质量，结果表明该指数能够很好地反映进料与回料混合质量沿高度的变化，而且对操作参数的改变也比较敏感。
　　 根据底饲进料循环喷动床冷态试验的研究结果，表观速度对塔内流场特性具有最为显著的影响，随着表观速度升高，塔内颗粒分布、混合效果明显得到改善；底饲喷射速度能够优化反应塔底部流场，从而提高塔内颗粒分布的均匀性和混合质量；回料量的增加能够提高塔内平均颗粒浓度，故对流场也有明显的改善作用。
　　 热态试验结果表明：在相同工况下，采用底饲进料时系统脱硫效率比面饲进料高出1～4个百分点。在烟气量为1830Nm3/h、烟气温度为140℃、Ca/S摩尔比为1．3、SO2入口浓度773ppm、总喷水量为52kg/h(采用分层喷水)时，底饲进料循环喷动床反应塔主体脱硫效率可达到83．6％左右。随着Ca/S摩尔比和喷水量的增加，系统脱硫效率显著增加；烟气进口温度、SO2入口浓度和底饲喷射速度也有一定影响；采用分层喷水能够明显降低反应塔内的平均反应温度，脱硫效率也有较大的提高；分层喷水时，适量增加底部喷水量有利于提高脱硫效率。
　　 为预测系统脱硫效率随操作参数的变化规律，通过微元分析建立了底饲进料循环喷动床烟气脱硫的稳态数学模型，全面考虑了脱硫塔内恒速干燥阶段、降速干燥阶段的脱硫反应过程，结合液滴蒸发模型、收缩核模型及双膜理论吸收模型并考虑了物料循环、多层喷水等因素，通过计算得到塔内温度、液滴质量、SO2浓度等物理参数的轴向变化趋势，并对运行参数影响系统脱硫效率的作用进行预测和分析。将模型计算值与试验测量值进行了比较，结果表明两者吻合较好，对于钙基喷水增湿干法烟气脱硫系统设计运行与优化操作具有重要的参考意义。
　　 以CFD软件为平台，在组分输运模型的基础上，导入化学反应动力学模块，建立了钙基脱硫剂喷水增湿干法烟气脱硫三维数值计算模型。模型考虑了湍流、传热、蒸发、反应等过程，简化的化学反应模型包括液滴蒸发、SO2吸收等反应，模拟了进料方式、喷水方式和操作参数对烟气脱硫过程的影响，得到了底饲进料循环喷动床内气体组分浓度、湍流强度、增湿水以及化学反应速率的截面分布状况。模拟结果能够较好反映实际脱硫过程的物理化学规律。

目录

文摘

英文文摘

主要符号表

第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.1.1 我国二氧化硫污染现状及危害

1.1.2 二氧化硫排放控制的标准和政策法规

1.1.3 二氧化硫排放控制的方法

1.2 国外研究概述及应用状况

1.2.1 丹麦FLS.miljo公司的GSA系统

1.2.2 德国鲁奇公司的循环流化床烟气脱硫技术

1.2.3 新型一体化脱硫工艺

1.3 国内研究概述及技术进展

1.4 钙基喷水增湿干法烟气脱硫动力学模型

1.5 本文研究目的和研究内容

1.5.1 研究目的

1.5.2 研究内容

1.6 本章小结

参考文献

第二章 底饲进料循环喷动床试验装置

2.1 引言

2.2 脱硫反应塔均匀性分析

2.2.1 均匀性对脱硫效率的影响

2.2.2 提高均匀性的常见方法

2.2.3 底饲进料提高均匀性的原理

2.3 底饲进料循环喷动床试验装置设计与计算

2.3.1 试验装置

2.3.2 烟气发生系统

2.3.3 反应塔主体

2.3.4 烟气进口与布风

2.3.5 气固分离装置

2.3.6 回料系统

2.3.7 底饲进料系统

2.3.8 水雾化喷嘴

2.3.9 测量仪器

2.4 机理分析和技术特点

2.4.1 机理分析

2.4.2 技术特点

2.5 本章小结

参考文献

第三章 底饲进料循环喷动床流场特性冷态模拟

3.1 数学模型

3.2.1 模拟对象

3.2.2 数值计算模型

3.2.3 边界条件

3.2 回料对流场的影响

3.2.1 回料风量

3.2.2 回料管位置

3.2.3 回料管角度

3.3 底饲进料对流场的影响

3.3.1 喷嘴结构

3.3.2 喷嘴位置

3.3.3 喷嘴角度

3.4 底饲进料气固两相流数值模拟

3.4.1 进料方式的影响

3.4.2 表观速度的影响

3.4.3 底饲喷射速度的影响

3.4.4 循环倍率的影响

3.4.5 颗粒直径的影响

3.5 本章小结

参考文献

第四章 底饲进料循环喷动床试验结果及分析

4.1 底饲进料循环喷动床气体流场研究

4.1.1 试验分析方法

4.1.2 试验结果与分析

4.1.3 小结

4.2 底饲进料循环喷动床颗粒分布特性研究

4.2.1 试验分析方法

4.2.2 试验结果与分析

4.2.3 小结

4.3 底饲进料循环喷动床压力脉动信号研究

4.3.1 试验分析方法

4.3.2 试验结果与分析

4.3.3 小结

4.4 进料与回料混合特性研究

4.4.1 试验分析方法

4.4.2 试验结果与分析

4.4.3 小结

4.5 底饲进料循环喷动床烟气脱硫试验与结果分析

4.5.1 试验概述

4.5.2 试验步骤

4.5.3 脱硫效率计算

4.5.4 试验结果与分析

4.5.5 小结

4.6 本章小结

参考文献

第五章 底饲进料循环喷动床烟气脱硫数学模型与预测研究

5.1 模型的建立

5.1.1 收缩核模型

5.1.2 液滴干燥模型

5.1.3 SO2吸收模型

5.1.4 物料循环和分层喷水模型

5.2 模型中参数的确定

5.3 模型的计算

5.4 模型计算结果

5.4.1 SO2初始浓度对脱硫过程的影响

5.4.2 钙硫比对脱硫过程的影响

5.4.3 喷水量对脱硫过程的影响

5.4.4 入口烟气温度对脱硫过程的影响

5.4.5 多层喷水对脱硫过程的影响

5.4.6 喷水分配对脱硫过程的影响

5.5 本章小结

参考文献

第六章 底饲进料循环喷动床烟气脱硫热态模拟

6.1 研究现状

6.2 脱硫反应简化模型

6.3 流动和传热模型

6.3.1 连续性方程

6.3.2 组分输运方程

6.3.3 动量方程

6.3.4.能量方程

6.4 湍流方程

6.5 化学反应模型

6.5.1 液滴蒸发反应模型

6.5.2 脱硫反应模型

6.5.3 其他反应模型

6.6 UDF功能应用

6.7 网格划分及边界条件

6.7.1 网格划分

6.7.2 边界条件

6.8 模拟结果

6.8.1 进料方式对脱硫效率的影响

6.8.2 底饲喷射速度对脱硫效率的影响

6.8.3 喷水量对脱硫效率的影响

6.8.4 分层喷水对脱硫效率的影响

6.8.5 循环倍率对脱硫效率的影响

6.8.6 脱硫反应塔放大模拟

6.9 本章小结

参考文献

第七章 全文总结与展望

7.1 全文总结

7.2 创新之处

7.3 论文不足之处及今后需要开展的工作

攻读博士学位期间研究成果

致谢