烟气循环流化床脱硫塔物料内循环特性研究

摘要

增强脱硫塔内循环，提高塔内颗粒浓度，是循环流化床半干法烟气脱硫工艺提高脱硫效率、提高钙利用率、降低造价的重要手段。不同位置发生的内循环对脱硫反应的贡献不同，因此提高脱硫塔内循环，并对内循环的有效性进行阐述，组织合理的内循环是需要研究的重要课题。 目前循环流化床脱硫工艺主要依靠在塔顶部布置分离器，分离灰在塔内回落来增强内循环。本文首先对脱硫塔顶部物料回流过程进行了冷态试验，分析了物料回流并返混入主流的过程，回流颗粒在下落的过程中被主气流逐渐剥离向塔内扩散，返混沿径向可以分为三个区域：回流区、返混加速区和主流区。在一定的颗粒回流量下，相对最大回落长度与主气流速度基本呈指数型的递减分布；物料在塔内形成了浓度上部高，下部低的分布趋势，有效物料浓度进较低，可以采用外循环灰管的方式将分离物料在塔底送入，以提高利用率。 提出了脱硫塔底部采用切向旋流和直流复合流化的方式，在冷态PDA试验台上对研究了表观气速、入口颗粒浓度以及切向旋流风率变化时塔内气固流动以及颗粒内循环特性。表观气速降低到0.68m/s，颗粒沉降作用明显，呈现环核流动特性。在塔底部，形成类似喷动床的流态，最高浓度为最低浓度的80倍，平均浓度比1.34m/s增加了220％。随着表观气速的降低，塔内颗粒逐渐集中于脱硫塔的主反应区域，物料的有效率提高。随着旋流流量的增加，在脱硫塔底部壁面附近区域出现回流区，这增强了气流扰动和气固混合，有利于增强物料的内循环。脱硫塔内高浓度区域集中于0.7R-1.0R之间。当旋流流量为30％时，壁面浓度与中心区域浓度比增加到180。随着旋流流量的增加，边壁高浓度区域也逐渐增大；物料浓度的有效率也逐渐增加，旋流的加入使塔内颗粒逐渐集中于塔的中下部。脱硫塔平均颗粒浓度随入口颗粒浓度的增加逐渐增加，且增加的幅度要大于入口颗粒浓度增加的幅度，塔内颗粒浓度的增加有利于颗粒的团聚，有利于颗粒在离心力作用下被分离而回落，明显增强了脱硫塔的内循环。颗粒粒径的径向分布中心高，壁面低，在0.8R－1.0R之间出现局部高峰。因此沿高度方向颗粒平均粒径逐渐减小，大颗粒的分离和回落现象主要集中于脱硫塔的中下部。提出了强化内循环脱硫塔的结构，底部采用夹层结构实现塔内壁面的旋转流动。研究了脱硫塔的阻力特性，旋流结构的流量分配以及塔内颗粒浓度分布特性。脱硫塔的阻力主要集中于喉口旋流段，占塔总阻力的60-80％，随表观空塔气速和入口颗粒浓度的增加旋流段阻力不断增加。旋流结构同时具有流量调节以及提高负荷适应性的作用，随着旋流入口的关闭，旋流流量逐渐减小，中心直流流量增大，塔内颗粒浓度逐渐降低。当表观空塔气速降低时，旋流流量降低，但颗粒沉降作用明显，塔内平均颗粒浓度得到明显的提高，可关闭部分旋流以满足塔内流态化的要求。 将强化内循环脱硫塔应用于140MW机组，增加旋流结构后在塔内下部壁面区域形成了旋转流场，脱硫塔直管段内烟气流速呈现对称分布，脱硫塔内均匀性得到明显的提高。脱硫塔阻力主要集中于脱硫塔入口段，占总阻力的70-80％，增加旋流后阻力增加90－120Pa，占脱硫塔总阻力的20-25％。脱硫塔具有明显的内循环现象：相对于入口灰浓度，机组负荷为120MW，脱硫没投运时时脱硫塔底部壁面处的灰浓度增加了43％；机组负荷将为75MW时，在重力沉降和离心分离的作用下，脱硫塔底部距离壁面50mm和1050mm处灰浓度分别增加了122％和58％。脱硫投运后，颗粒粒径变大，增强了颗粒沉降和离心分离效应，塔内物料浓度得到极大的提高：塔底部距离壁面50mm处颗粒浓度提高了247倍，距离壁面300mm处浓度增加了337％。壁面有明显的物料回流存在，增加了反应的表面积提高了脱硫效率，壁面大量物料的回流和分离不断冲刷壁面，有效壁面了结垢现象。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号表

声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.2循环流化床烟气脱硫技术现状

1.2.1国内外研究进展

1.2.2循环物料的作用

1.2.3烟气循环流化床物料再循环方式

1.3烟气循环流化床物料内循环现状

1.3.1内循环方式及研究进展

1.3.2脱硫塔内循环研究进展

1.3.3脱硫塔内循环存在的主要问题

1.4本文主要研究内容

第二章烟气循环流化床内循环分析

2.1物料循环对脱硫的贡献分析

2.1.1脱硫反应规律

2.1.2沿脱硫塔高度二氧化硫脱除规律

2.1.3脱硫塔颗粒浓度有效性

2.2增强内循环措施的有效性评价

2.3增强有效内循环的措施

2.3.1降低气流速度

2.3.2脱硫塔底部采用旋流段

2.3.3脱硫塔出口惯性分离装置分离物料回送

2.4快速流态化速度参数

2.4.1快速流态化特点与存在条件

2.4.2几个关键速度

2.5本章小结

第三章循环流化床顶部物料回流的有效性研究

3.1循环流化床顶部回流现象

3.2循环流化床物料回流试验系统

3.2.1试验台设计

3.2.2试验工况

3.3测量系统

3.3.1 PDA测量系统

3.3.2 PDA测量原理

3.3.3 PDA探头布置

3.3.4示踪粒子的选择

3.4循环流化床顶部物料回流特性

3.4.1物料回流过程

4.4.2轴向速度分布

3.4.3径向速度分布

3.4.4颗粒浓度分布

3.4.5回流量和主气流速度对回流长度的影响

3.5物料循环有效性及提高有效性措施

3.6本章小结

第四章循环流化床脱硫塔内循环特性的试验研究

4.1试验系统

4.1.1试验台简介

4.1.2旋流设计

4.1.3给料装置及标定

4.1.4风量的测量

4.1.5阻力的测量

4.2表观气速对内循环的影响

4.2.1脱硫塔内气固流场分布

4.2.2脱硫塔内颗粒浓度分布特性

4.2.3平均颗粒浓度及有效性

4.3旋流对增强内循环的作用

4.3.1脱硫塔内流场分布

4.3.2颗粒浓度分布特性

4.3.3旋流对脱硫塔内循环以及有效物料浓度的影响

4.4入口颗粒浓度的影响

4.4.1颗粒浓度分布规律

4.4.2脱硫塔平均颗粒浓度及有效性

4.5表观气速和旋流的共同影响

4.5.1颗粒浓度分布

4.5.2内循环特性

4.6粒径影响

4.6.1粒径的径向分布

4.6.2粒径的轴向分布

4.7本章小结

第五章强化内循环脱硫塔结构及气固流动特性

5.1旋流结构

5.1.1旋流方式

5.1.2结构设计

5.2流量分配特性

5.3脱硫塔阻力特性

5.4气固流动特性

5.4.1气固两相轴向速度分布

5.4.2气固切向速度分布

5.4.3颗粒径向速度分布

5.5脱硫塔颗粒内循环特性

5.5.1脱硫塔内颗粒浓度分布

5.5.2平均颗粒浓度

5.6脱硫塔的数值计算

5.6.1湍流模型

5.6.2双流体模型

5.6.3关键参数的确定

5.6.4普通循环流化床内气固两相流动模拟

5.6.5旋直复合流化循环流化床内气固两相流动模拟

5.7本章小结

第六章强化内循环脱硫工艺工业试验研究

6.1强化内循环烟气脱硫工程概况

6.1.1工程概况

6.1.2强化内循环烟气脱硫技术简介

6.2脱硫塔内流场结构

6.2.1入口导流板的结构优化

6.2.2脱硫塔内速度分布

6.2.3脱硫塔阻力特性

6.3脱硫塔物料循环特性

6.3.1等速采样装置

6.3.2塔内不同位置物料循环

6.4本章小结

第七章结论与展望

7.1结论与创新点

7.2展望

参考文献

致谢

攻读博士期间发表的论文

英文论文一

英文论文二