湿法烟气脱硫过程建模与优化

摘要

随着我国的经济发展，对电力方面的需求日益增长。目前，新能源电厂的普及率较低，火力发电厂在发电市场仍然占据主导地位。发电负荷的增加将导致电厂所排放的烟气量急剧增加。而烟气中所含的SO2容易形成酸雨，加快建筑物的腐蚀，酸化土壤，影响植被生长，空气中的SO2也将导致慢性呼吸道疾病的突发，降低人体免疫力，直接影响人类健康。为解决负荷需求不断增长与大气环境保护之间的矛盾，多数发电厂配备了脱硫系统，对电厂所排放的烟气进行脱硫处理。因此，如何使电厂脱硫系统高效、稳定、经济的运行已成为能源及环保领域的研究热点。本文为解决湿法烟气脱硫的两大问题提供思路及理论指导，问题一为对复杂脱硫系统进行建模及理论分析，问题二为协调改善脱硫效率与经济运行成本之间的矛盾，实现脱硫系统在环保达标等条件下的稳定、经济、可持续运行。
　　本文以典型石灰石湿法烟气脱硫为研究对象，基于其脱硫工艺与脱硫原理展开讨论与分析，其研究内容可以大致分为以下几个部分:
　　1.介绍石灰石湿法脱硫系统的结构与组成，阐述该种脱硫技术的脱硫工艺与脱硫原理，并对组成脱硫系统的五个主要子系统，烟气换热器系统、二氧化硫吸收系统、石灰石制备系统、石膏脱水系统、废水处理系统进行相关的介绍与说明，为后续的理论分析提供研究基础。
　　2.针对石灰石湿法烟气脱硫中影响脱硫效率的系统运行参数展开讨论，分析单因素变化条件下脱硫率随钙硫比、液气比、pH值、入口烟气SO2浓度对脱硫率的影响。基于响应曲面法设计多因素影响试验，利用Box-Behnken Designs中心组合设计模型得到脱硫效率影响因素与脱硫率响应值之间的脱硫效率模型。研究运行系统参数间的交互作用对脱硫效率的影响，并进行各影响因素的方差分析。结果表明液气比对脱硫率的影响最大，其与钙硫比的交互作用对脱硫率也有较大的影响。
　　3.基于所得的脱硫效率模型，考虑系统运行能耗、物耗及收益等建立脱硫系统的脱硫经济模型，采用时变权重粒子群优化算法对模型进行求解该多约束条件下的极值问题，结果表明该模型能在满足脱硫率达到环境要求及设备可持续运行的情况下，实现系统运行成本最低，按照所得到的最佳可调参数的优化组合指导实际系统运行。
　　4.以吸收塔为研究对象，采用分布式参数模型方法对吸收系统进行建模及数值模拟，研究吸收塔内所进行的主要化学反应及其参与的组分，并将吸收塔细分为吸收区与浆液槽两部分，基于反应与传质过程建立吸收塔分布式气液固三相传质与反应耦合模型，求解得到各组分在吸收塔中的分布及随时间的动态变化情况，本文所建吸收塔分布式气液固三相传质与反应耦合模型能较准确地描述吸收塔内部脱硫状况，为动态模拟优化提供数学模型基础。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 本文研究的主要内容

第二章 湿法烟气脱硫系统介绍

2．1 湿法烟气脱硫技术

2．2 烟气换热系统

2．3 二氧化硫吸收系统

2．4 石灰石浆液制备系统

2．5 石膏脱水系统

2．6 废水处理系统

2．7 本章小结

第三章 脱硫系统的脱硫效果影响因素分析

3．1 单因素脱硫效果分析

3．1．1 pH值对脱硫效果的影响

3．1．2 钙硫比对脱硫效果的影响

3．1．3 液气比对脱硫效果的影响

3．1．4 入口SO2浓度对脱硫效果的影响

3．2 基于响应曲面法的脱硫效果分析

3．2．1 响应曲面法原理及介绍

3．2．2 响应曲面法实验设计

3．2．3 响应曲面法试验数据来源与获取

3．2．4 响应曲面法试验结果分析与总结

3．3 本章小结

第四章 石灰石湿法烟气脱硫经济运行优化

4．1 基本模型建立

4．1．1 循环浆液泵模型

4．1．2 增压风机模型

4．1．3 氧化风机模型

4．1．4 石膏产量模型

4．1．5 石灰石消耗模型

4．2 经济运行模型建立与求解

4．2．1 粒子群优化算法

4．2．2 经济优化模型优化结果及分析

4．3 本章小结

第五章 吸收塔动态数学模型研究

5．1 吸收塔系统简述

5．2 吸收塔分布式气液固三相传质与反应耦合模型

5．2．1 典型CSTR模型

5．2．2 吸收区气液固三相传质与反应耦合模型

5．2．3 氧化槽气液固三相传质与反应耦合模型

5．3 模型案例及模型参数设计

5．4 模型求解结果及分析

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 课题完成的主要内容

6．2 课题展望

参考文献

攻读硕士学位期间主要的研究成果