撞击流吸收器燃煤烟气湿法脱硫的实验研究

摘要

煤燃烧产生的SO<,2>等有害物质是酸雨形成的直接根源。据预测，在今后30年内，中国以煤炭为主的能源结构不会发生显著变化。因此，燃煤脱硫技术的开发与研究就成了当前环保的迫切任务。 燃煤脱硫技术可分为燃烧前脱硫、燃烧中脱硫和燃烧后脱硫三种。燃烧后脱硫即指烟气脱硫(Flue Gas Deslalphurization，简记为FGD)。FGD技术按脱硫剂和脱硫产物的干湿形态分为湿法、半干法和干法。由于湿法烟气脱硫效率较高、技术相对比较成熟，因此在世界上得到了广泛应用。然而现有湿法烟气脱硫技术主体设备即吸收装置不理想，投资运行费用较高，我国一般燃煤企业无法承受。因此，简化吸收装置的结构、降低设备投资和运行成本，并在此基础上强化传质、提高脱硫效率对我国大气环境治理具有重要的意义。 撞击流(Impinging Streams，简记为IS)的概念首先由苏联Elperin教授提出并进行实验，此后Elperin和Tamir等学者进行了一系列基础和应用研究，证实了撞击流能大大强化过程的热质传递，促进化学反应，提高化学装置的生产能力。 本文正是针对目前我国燃煤烟气湿法脱硫存在的问题，基于撞击流优良的传质性能，设计了新型撞击流吸收器，建立了撞击流吸收器燃煤烟气湿法脱硫模型实验装置，并进行了一系列实验研究。 该装置主要尺寸为：吸收室直径D<,c>=700mm，高度H<,c>=950mm，进气管直径d<,0>=80mm，撞击距离在4.0≤S/d<,0>≤6.0范围内可调。装置建立起来之后即对其阻力进行了测定，研究了风量(风速)与阻力的关系，试验结果显示，撞击流吸收器的阻力最大不超过500Pa。 实验研究分为两个部分。首先对撞击流吸收器燃煤烟气湿法脱硫模型实验装置中采用的关键部件——旋涡压力喷嘴的雾化性能进行了实验研究。利用FAM激光测粒仪研究了不同喷片结构尺寸、不同压力下喷嘴的雾化特性，实验证明当喷雾压力为0.8-1.0MPa左右时可达到较好的雾化效果；对旋涡压力喷嘴内的液流速度进行了详细的理论分析，并用Fluent软件对旋涡压力喷嘴流道内的流场进行了数值模拟，得到了旋涡压力喷嘴流道内的速度场，为撞击流燃煤烟气湿法脱硫装置的设计和研究提供了有用的数据。 然后在撞击流吸收器燃煤烟气湿法脱硫模型实验装置中进行了脱硫实验。脱硫实验分两个阶段进行。第一阶段以Ca(OH)<,2>一水悬浮体系为吸收剂进行了脱除模拟烟气中SO<,2>的实验研究，考察了液气比、二氧化硫浓度、钙硫比、撞击距离等对脱硫效率的影响，在液气比V<,I>/V<,G>=0.84 L．m<'-3>，撞击速度u<,0>=7.0 m．s<'-1>，SO<,2>进口浓度C<,S,in>=3200 mg．m<'-3>等中等条件下，反应器的脱硫效率为92.5％。以平均雾滴直径为基础计算得到的传质系数k<,G>，在所给定的试验条件下，体系的容积传质系数可达0.5-1 s<'-1>，比一般的反应器的传质系数要高，进一步证明了撞击流吸收器优良的传质性能。第二阶段采用稀氨水为吸收剂，采用均匀设计法安排实验，考察了液气比、二氧化硫浓度、氨水浓度、烟气流速等因素对脱硫效率的影响。在SO<,2>入口浓度为2800mg．m<'-3>，液气比为0.52 L．m<'-3>、氨水浓度为2％时，系统脱硫效率可以达到96％左右。大量脱硫实验表明该装置对烟气脱硫具有优良的总体性能。显示了撞击流强化传质的作用。 撞击流吸收器内气流速度及其分布以及吸收剂雾滴的分布及停留时间直接影响吸收反应的进行，本文利用通用的计算流体力学软件Fluent对撞击流吸收器内的流场进行了数值模拟。采用两方程k-ε湍流模型，得到了直观的不同撞击速度下无液体喷淋时吸收器内部流场结果图，在此基础上，加入离散相模型和喷雾模型，模拟计算了离散相在吸收器内的分布及其对连续相流场的影响，结果显示离散相广泛地弥散在吸收器内，在撞击区附近浓度较高。连续相受喷雾的影响增大了湍动程度，对传质十分有利。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题研究的背景、目的和意义

1.2国内外燃煤脱硫技术现状及发展趋势

1.2.1燃煤脱硫技术的种类

1.2.2湿法烟气脱硫技术的进展

1.2.3湿法烟气脱硫工艺简介

1.3国内外撞击流技术的研究及应用现状

1.3.1撞击流概念的提出和发展

1.3.2撞击流技术的应用现状

1.3.3撞击流技术开发应用的主要方向

1.4本课题研究的特点、内容、方法和路线

1.4.1本课题研究的特点

1.4.2本课题研究的内容

1.4.3本课题研究的方法和路线

第二章撞击流烟气湿法脱硫实验装置建立

2.1撞击流燃煤烟气湿法脱硫原理

2.1.1撞击流的基本特性

2.1.2撞击流对湿法脱硫的适应性

2.2实验装置的总体设计

2.2.1吸收剂供应系统

2.2.2模拟烟气系统

2.2.3烟气吸收系统

2.2.4采样分析系统

2.3撞击流吸收器结构的改进

2.4本章小结

第三章喷嘴雾化特性实验研究及模拟

3.1引言

3.2喷嘴的结构特点及雾化原理

3.3实验系统

3.3.1 FAM激光颗粒测量仪

3.3.2实验装置

3.4实验结果及分析

3.4.1压力与流量的关系

3.4.2压力及喷嘴结构尺寸对液雾平均尺寸的影响

3.4.3压力对液雾尺寸分布的影响

3.5不同浓度Ca(OH)2吸收剂悬浮液雾滴尺寸

3.6喷嘴出口速度分析

3.7喷嘴流道内流场数值模拟

3.7.1湍流模型

3.7.2喷嘴流道内的三维流场数值模拟

3.7.3模拟结果分析

3.8本章小结

第四章撞击流吸收器阻力特性实验研究

4.1引言

4.2引起阻力的因素及其引起的压降

4.2.1气体流动引起的压降

4.2.2颗粒运动引起的压降

4.2.3两股流体撞击引起的压降

4.2.4撞击流装置的结构引起的压降

4.2.5撞击流装置的总阻力

4.3实验装置和方法

4.3.1实验装置

4.3.2实验方法

4.4实验结果与分析

4.4.1无液体喷淋时吸收器阻力

4.4.2有液体喷淋时吸收器阻力

4.5本章小结

第五章撞击流吸收器湿法脱硫实验研究

5.1引言

5.2脱硫实验装置及操作步骤

5.3采用Ca(OH)2悬浮液为吸收剂的脱硫实验

5.3.1反应机理

5.3.2正交实验指标、因子及水平的选择

5.3.3正交实验结果及分析

5.3.4单因素实验及结果分析

5.3.5撞击流吸收器结构对脱硫效率的影响

5.3.6吸收剂利用率分析

5.3.7传质数学模型

5.3.8传质系数的关联

5.4采用稀氨水为吸收剂的脱硫实验

5.4.1脱硫原理

5.4.2实验设计

5.4.3实验结果及讨论

5.5采用两种吸收剂的对比

5.6本章小结

第六章撞击流吸收器内流场三维数值模拟

6.1引言

6.2 Fluent简介

6.3撞击流吸收器内连续相流场模拟

6.3.1单相撞击流流动的数学模型

6.3.2几何模型的建立及边界条件

6.3.3计算域的离散及网格划分

6.3.3模拟计算及结果分析

6.4两相撞击流数值模拟

6.4.1离散相模型

6.4.2模拟计算及结果分析

6.5本章小结

第七章结论

参考文献

致谢

作者简介

攻读博士学位期间发表的论著