烟气循环流化床脱硫塔内气液固混合特性研究

摘要

大量二氧化硫的排放是我国酸雨产生的主要原因，我国是一个以煤炭为主要能源的国家，火电厂的二氧化硫排放量在全国二氧化硫总排放量中占有相当的比例，因此控制火电厂燃煤导致的二氧化硫的排放，对于改善我国的大气环境有十分重要的意义。与传统的石灰石石膏法脱硫相比，循环流化床脱硫技术具有系统简单，工程投资、维修和运行费用低，占地面积小等特点，适于现有电厂及工业锅炉的改造，但是在实际运行过程中由于循环流化床内烟气、喷水、脱硫剂混合效果差，脱硫效率与设计值相差甚远。本文以循环流化床脱硫技术中遇到的实际问题为出发点，以提高脱硫塔内气液固的混合程度为目标，通过试验和数值模拟来获得提高塔内气、液、固混合程度的方法，以便指导循环流化床脱硫设计和运行。
　　首先，本文以吉林市松花江热电厂烟气脱硫设备为原型，自行设计和搭建了烟气循环流化床脱硫冷态试验台，通过粒子成像测速仪(PIV)研究了不同给料方式下塔内气固混合情况，发现在导流板前给料工况下，对右侧壁面具有较大冲击，单侧给料工况下，对壁面的冲击最大，是颗粒冲壁最危险的工况，在双侧给料工况下，固体颗粒的冲壁能力最小，有利于防止塔内壁的脱硫灰结垢和给料口堵灰。同时双侧给料具有最大的密相区床层高度，颗粒运动整体速度最大，且呈现明显的“环核流动结构”，加速度也较大，既具有高床层又具有较高的颗粒回落内循环，颗粒运动情况最理想。
　　其次，本文通过对不同喷嘴角度布置和不同喷嘴层数布置下，脱硫塔内气、液流动情况进行冷态实验研究。研究发现单喷嘴布置时，喷嘴采取逆流布置时雾化水在塔内停留时间长，有利于增加脱硫反应时间。采用喷嘴直管段与径向成-45度布置时轴向速度相对较小，刷壁不明显，同时成-45度布置时湍流强度和涡量大，有利于混合。扩散段单层布置与双层布置相比较，采用双层布置较优，特别是在扩散段与径向成45度直管段与径向成-45度布置时，向下运动的雾化水和向上运动的雾化水相互扰动造成湍动能和涡量较大，有利于混合，但是在直管段-45布置与双层布置比较，直管段-45度布置在湍流强度和轴向速度较大，直管段-45度布置较好。
　　最后，采用数值模拟的方法并考虑塔内温度的影响，进一步研究了喷嘴布置角度对气液混合情况的影响，并从速度、温度和湍动能三个方面进行了比较，同时建立了脱硫传质模型，研究了喷水量和钙硫比对脱硫效率的影响，研究发现喷嘴在扩散段45度布置时，进入脱硫塔的气体对左侧壁面冲刷较严重，左侧壁面的湍流强度高于右侧壁面，湍流强度变化不规律;喷嘴在直管段-45度布置时，进入脱硫塔的气体有向左侧壁面偏移的趋势，但是对壁面冲刷不是很严重，速度场变化比较平缓，在脱硫塔底湍流强度较高，湍流强度随着塔高的增加有加速上升然后缓慢下降的趋势，这样有助于气液混合;喷嘴为扩散段45度布置时，脱硫塔进出口温差比较大，出口温度比较大;喷嘴在直管段-45度布置时，脱硫塔进出口温差比较理想，出口温度较低且温度分布呈中间高、周围低的趋势，能够很好的保护壁面。利用建立的传质模型计算脱硫塔出口烟气含湿量和钙硫比对脱硫效率的影响，结果表明脱硫系统在典型工况下的的最佳出口烟气含湿量为0.059kg/kg左右，最佳Ca/S为1.3左右，此时的脱硫效率预计能达到85％。该模型可作为电厂脱硫系统的参考。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景

1．1．1 我国SO2污染状况

1．1．2 我国火电厂SO2排放标准

1．2 循环流化床脱硫技术

1．2．1 现有脱硫工艺介绍

1．2．2 循环流化床烟气脱硫技术

1．3 循环流化床烟气脱硫遇到的问题

1．4 国内外循环流化床烟气脱硫研究现状

1．4．1 关于循环流化床烟气脱硫物料循环的研究现状

1．4．2 关于喷嘴布置的研究现状

1．4．3 循环流化床烟气脱硫数学模型研究现状

1．4．4 当前循环流化床烟气脱硫研究的不足

1．5 研究工程背景和研究内容

1．5．1 工程背景

1．5．2 研究内容

第2章 脱硫塔内气固流动试验研究

2．1 实验台的搭建

2．1．1 实验台脱硫系统

2．1．2 实验测量系统

2．2 实验方案

2．3 密相区国体颗粒运动径向速度分析

2．3．1 径向速度大小

2．3．2 径向加速度

2．4 密相区固体颗粒运动轴向速度分析

2．4．1 轴向速度大小

2．4．2 轴向加速度

2．5 密相区固体颗粒运动速度分析

2．5．1 运动速度大小

2．5．2 运动加速度

2．6 密相区固体颗粒运动湍流强度

2．7 密相区固体颗粒运动涡量分布

2．8 密相区固体颗粒运动雷诺应力分布

2．9 本章小结

第3章 脱硫塔内气液流动试验研究

3．1 实验方案

3．1．1 不同喷嘴角度

3．1．2 不同层数

3．2 喷嘴角度对混合的影响

3．2．1 不同角度布置速度矢量分布

3．2．2 不同角度布置时轴向速度分布

3．2．3 不同角度布置时轴向加速度分布

3．2．4 不同角度布置时湍动能分布

3．2．5 不同角度布置涡量分布

3．3 喷嘴层数对混合的影响

3．3．1 不同层数布置喷嘴速度矢量图比较

3．3．2 不同层数布置喷嘴轴向速度比较

3．3．3 不同层数布置喷嘴轴向加速度比较

3．3．4 不同层数布置喷嘴涡量比较

3．3．5 不同层数布置喷嘴湍动能比较

3．4 本章小结

第4章 脱硫塔内气固流动的数值模拟

4．1 气固两相流动数值模拟研究进展

4．2 Euler-Euler双流体模型及其主要方程

4．3 模拟工况和网格划分

4．4 数值计算结果分析

4．4．1 数值计算可行性分析

4．4．2 塔内速度分布

4．4．3 塔内湍流强度

4．4．4 气固相对滑移速度

4．4．5 塔内颗粒浓度分布

4．5 本章小结

第5章 脱硫塔内气液流动和传质的数值模拟

5．1 气液流动模拟工况

5．2 传质模型

5．2．1 模型的假设

5．2．2 传质模型的建立

5．2．3 计算参数

5．3 喷嘴两种角度下数值模拟

5．3．1 数值计算可行性分析

5．3．2 喷嘴角度为扩散段45度模拟结果

5．3．3 喷嘴角度为直管段-45度模拟结果

5．4 不同喷嘴布置角度下的比较

5．4．1 速度比较

5．4．2 温度比较

5．4．3 湍动能比较

5．5 含湿量和钙硫比对脱硫效率的影响

5．5．1 含湿量对脱硫效率的影响

5．5．2 钙硫比对脱硫效率的影响

5．6 本章小结

第6章 结论和展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读博士期间发表的论文及其它成果

攻读博士期间参加的科研工作

致谢

作者简介