基于響應(yīng)曲面法噴淋塔的脫硫效率

基于噴淋塔內(nèi)脫硫過程中的流體力學(xué)數(shù)學(xué)模型,描述了濕式石灰石/石膏煙氣脫硫法的脫硫效率與入口煙氣so2濃度、噴淋漿液中so2濃度、煙氣量、循環(huán)漿液量、鈣硫摩爾比以及脫硫塔結(jié)構(gòu)(截面積、吸收區(qū)高度等)的定量關(guān)系,重點(diǎn)分析了噴淋塔內(nèi)液氣比、煙氣流速、吸收液的流量、噴嘴霧化性能、漿液ph值和煙氣溫度等參數(shù),并闡述了這些因素對脫硫效率的影響。

石灰石/石膏濕法煙氣脫硫是控制so2排放最常用的方法,目前國內(nèi)新建的600mw及以上機(jī)組幾乎全部運(yùn)用石灰石/石膏濕法脫硫,而且濕法脫硫中的吸收塔基本采用噴淋塔和鼓泡塔2種塔型。該文主要對噴淋塔和鼓泡塔在工藝和結(jié)構(gòu)上進(jìn)行比較,介紹了2種塔的實(shí)際應(yīng)用,并分析2種塔的優(yōu)缺點(diǎn)。

利用fluent軟件對脫硫噴淋塔的流場和阻力特性進(jìn)行了數(shù)值模擬,重點(diǎn)研究不同噴淋層數(shù)和運(yùn)行負(fù)荷時(shí)噴淋塔阻力特性。模擬結(jié)果表明:隨著噴淋層數(shù)和運(yùn)行負(fù)荷的增加,噴淋塔的阻力呈線性增大。

石灰石/石膏濕法煙氣脫硫噴淋塔中塔壁液膜區(qū)的形成不可避免,因此需要對其脫硫機(jī)理進(jìn)行研究。將塔壁液膜的流動(dòng)分為層流和波動(dòng)層流2種狀態(tài),并分別考慮在這2種狀態(tài)下液膜對so2的吸收,建立了塔壁液膜脫硫過程的數(shù)學(xué)模型。模型中涵蓋了so2的吸收、石灰石的溶解、亞硫酸根的氧化和石膏的結(jié)晶4個(gè)主要的脫硫反應(yīng)控制步驟,模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。

在篩板式噴淋塔實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行了模擬煙氣脫硫?qū)嶒?yàn),考察了篩板開孔率、篩板孔徑、篩板厚度、篩板安裝位置等篩板設(shè)計(jì)參數(shù)對脫硫效率的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)篩板孔徑為15mm時(shí),開孔率在28%～36%范圍內(nèi)脫硫效率較高;當(dāng)篩板開孔率為36%時(shí),篩板孔徑為12mm時(shí)脫硫效率最高;合理的篩板厚度可以使脫硫效率提高1%～2%;篩板安裝位置對脫硫效果也有一定影響,篩板安裝高度為0.16m時(shí)脫硫效果較好。合理布置篩板可以提高噴淋塔的脫硫效率。

以計(jì)算流體力學(xué)為基礎(chǔ),在三維坐標(biāo)系下采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型求解動(dòng)量、能量和組分方程,結(jié)合漿滴蒸發(fā)模型及簡化的漿滴脫硫反應(yīng)模型,以euler-lagrange方法建立了噴淋塔內(nèi)煙氣脫硫的數(shù)值計(jì)算模型,模型計(jì)算結(jié)果與孔華的試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好。模型計(jì)算結(jié)果表明,對于粒徑小的噴淋液滴,其煙氣脫硫反應(yīng)和液滴蒸發(fā)主要發(fā)生在煙氣進(jìn)口附近,而隨著液滴粒徑的增大,液滴在塔內(nèi)蒸發(fā)和脫硫反應(yīng)的過程延長。同時(shí),增加煙氣溫度、降低煙氣中so2的入口質(zhì)量濃度以及增加液氣比均有利于提高脫硫效率。文中模型相對于一維柱塞流模型,能夠直觀地顯示出噴淋塔內(nèi)的流場、溫度場和組分質(zhì)量濃度場的空間分布。

提出一個(gè)噴淋塔設(shè)計(jì)參數(shù)———平均容積吸收率,其可作為噴淋塔本體設(shè)計(jì)的控制指標(biāo),并據(jù)以確定塔的吸收區(qū)高度。運(yùn)行和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)表明,一般噴淋塔的容積吸收率為(5.5～6.5)kg/(m3·h)。文中還討論了容積吸收率、so2吸收量、吸收區(qū)高度等之間的關(guān)系。

對大型脫硫塔進(jìn)行合理的?；秃喕?采用國際流行的商用cfd(computationalfluiddynamics)軟件fluent對濕法脫硫立式噴淋塔空塔進(jìn)行了二維數(shù)值模擬。在計(jì)算中選取k-ε模型作為計(jì)算模型,用simple算法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明,空塔流場氣流速度分布不均。

利用fluent軟件對噴淋塔空塔的流場進(jìn)行三維數(shù)值模擬。在計(jì)算中選擇k-ε模型作為計(jì)算模型,用simple算法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明噴淋塔形狀對流場有很大的影響,此結(jié)果對現(xiàn)場運(yùn)行以及噴淋塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)作用。

提出在煙氣脫硫噴淋塔煙氣進(jìn)口設(shè)置導(dǎo)流板或采用切向進(jìn)口,使煙氣在塔內(nèi)螺旋流動(dòng),以延長停留時(shí)間,加強(qiáng)氣液湍動(dòng)接觸,并可改善系統(tǒng)的負(fù)荷調(diào)節(jié)適應(yīng)能力。對不同進(jìn)口結(jié)構(gòu)的塔內(nèi)流速分布、壓力損失進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,得出了旋流強(qiáng)度、壓力損失等隨導(dǎo)流板角度的變化關(guān)系,并將旋流情況與常規(guī)的直流進(jìn)行了比較。

在介紹噴射鼓泡塔煙氣脫硫(fluegasdesulfurization,fgd)及帶托盤的噴淋塔煙氣脫硫工藝的基礎(chǔ)上,詳細(xì)對比和分析了兩種不同塔型煙氣脫硫技術(shù)的鈣硫比、脫硫效率、水耗及電耗,得出結(jié)論:鼓泡塔的煙氣脫硫率較高,可控性較強(qiáng),但是工藝復(fù)雜,系統(tǒng)阻力比較大,煙氣含塵量大的電廠不適用;帶托盤的噴淋塔煙氣脫硫率稍低,但能滿足環(huán)保要求,工藝簡單,便于檢修,適用性較強(qiáng)。提出以下建議:電廠設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場不同情況和具體的要求,選擇不同的煙氣脫硫技術(shù)。

基于計(jì)算流體力學(xué)(cfd)技術(shù),采用fluent軟件平臺,針對典型300mw機(jī)組脫硫系統(tǒng)噴淋塔采用可視化技術(shù)對噴淋層間距、噴嘴壓降、噴淋角變化時(shí)噴淋層噴淋效果、傳質(zhì)特性和阻力特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明噴淋層間距、噴嘴壓降與噴淋角度變化對覆蓋效果影響很小,噴淋層間距、噴嘴壓降和噴淋角增大均能增強(qiáng)氣液傳質(zhì),同時(shí)噴淋層阻力也隨之增大。提出典型300mw機(jī)組wfgd漿液噴淋系統(tǒng)噴嘴選擇與布置的推薦值。

在氨法煙氣脫硫噴淋塔的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上對影響氨法脫硫效率的幾個(gè)主要因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:提高液氣比和漿液ph值、降低煙氣溫度和煙氣空塔氣速均可以提高脫硫效率。在雙膜理論的基礎(chǔ)上,通過對氨法脫硫過程中so2傳質(zhì)速率方程和螺旋型噴嘴液滴直徑大小關(guān)聯(lián)式的分析,建立了噴淋塔氨法脫硫的數(shù)學(xué)模型。利用該模型對影響氨法脫硫效率的幾個(gè)主要因素進(jìn)行計(jì)算,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模型計(jì)算值基本吻合。

?1994-2010chinaacademicjournalelectronicpublishinghouse.allrightsreserved.http://www.cnki.net 煙氣脫硫噴淋塔的容積負(fù)荷與本體設(shè)計(jì) thevolumeabsorbingloadanddesignofasprayscrubberforwetfgd 李蔭堂,王雙,劉艷華 (西安交通大學(xué)環(huán)境工程系,陜西　西安　710044) 摘要:提出了以噴淋塔的容積負(fù)荷———平均容積吸收率為控制指標(biāo)的本體設(shè)計(jì)路線。在目前已有的設(shè)計(jì)、運(yùn)行經(jīng) 驗(yàn)基礎(chǔ)上,根據(jù)煙氣的so2進(jìn)口濃度、要求的吸收效率等來確定噴淋塔容積。討論了容積吸收率不同角度的定義, 給出了采用容積吸收率進(jìn)行噴淋塔本體設(shè)計(jì)的步驟。 關(guān)鍵詞:濕法煙氣脫硫;吸收塔;噴淋塔;容積

提出了以噴淋塔的容積負(fù)荷———平均容積吸收率為控制指標(biāo)的本體設(shè)計(jì)路線。在目前已有的設(shè)計(jì)、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上,根據(jù)煙氣的so2進(jìn)口濃度、要求的吸收效率等來確定噴淋塔容積。討論了容積吸收率不同角度的定義,給出了采用容積吸收率進(jìn)行噴淋塔本體設(shè)計(jì)的步驟。

在建立的試驗(yàn)臺上,以壓力作為間接指標(biāo),采用旋流噴嘴和螺旋噴嘴,對噴淋塔單層噴淋工況下的霧化性能進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)表明,塔斷面壓力、斷面上霧化粒徑及霧滴在噴淋段分散不均勻,對氣流分布的作用不明顯;隨循環(huán)液流量或氣體流量增大,斷面平均靜壓、全壓減小,噴淋段阻力增大,霧化粒徑減小;噴嘴形式對噴淋塔的霧化系統(tǒng)影響較大。相比較而言,螺旋噴嘴單層布置噴淋段霧化較均勻,利于均勻分布?xì)饬鳌?/p>

對濕式煙氣脫硫噴淋塔本體尺寸進(jìn)行了分析,結(jié)合已有的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),給出了確定噴淋塔本體尺寸的具體步驟,并討論了設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的主要問題。

分析了現(xiàn)代大型噴淋塔為提高脫硫與除塵效率在設(shè)計(jì)上所作的改進(jìn)及存在的問題。通過一個(gè)曾經(jīng)設(shè)計(jì)過的噴淋塔實(shí)例,結(jié)合煙氣和吸收液兩相逆向流動(dòng)和兩相間的化工傳質(zhì)過程,剖析了噴淋層覆蓋率的實(shí)質(zhì),提出弱效噴淋覆蓋和多重噴淋覆蓋對噴淋塔脫硫和除塵效率的影響,給出噴淋覆蓋率的選擇、噴淋層和噴嘴布置的設(shè)計(jì)方法,對改善煙氣脫硫和除塵效率均有明顯效果。

根據(jù)煙氣中二氧化硫的腐蝕特點(diǎn)、吸收劑的廉價(jià)性和來源廣泛性,借鑒了脫硫工藝的特性及在國內(nèi)的實(shí)際應(yīng)用,計(jì)算、設(shè)計(jì)了煙氣噴淋塔,實(shí)現(xiàn)石灰石濕法煙氣脫硫。

研究了噴淋空塔內(nèi)煙氣流速、液氣比和吸收區(qū)高度等因素對氣相阻力的影響,并在實(shí)驗(yàn)室研究的基礎(chǔ)上建立了噴淋塔流體力學(xué)數(shù)學(xué)模型,討論了煙氣流速、液滴直徑等工藝參數(shù)對液滴停留時(shí)間、吸收區(qū)阻力和塔內(nèi)傳質(zhì)面積的影響

把煙氣溫法脫硫工程中廣泛應(yīng)用的石灰石/石灰脫硫工藝和噴淋塔吸收設(shè)備相結(jié)合,探討該系統(tǒng)的傳質(zhì)機(jī)理,通過雙膜理論建立了系統(tǒng)的傳質(zhì)模型,對其運(yùn)行參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了定性的分析,闡明了這些因素對系統(tǒng)傳質(zhì)性能的影響。

采用水-空氣作為介質(zhì)對濕法煙氣脫硫(wfgd)篩板式噴淋塔阻力特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究,分析了篩板孔徑、開孔率、厚度、安裝位置以及液相噴淋量等因素對篩板噴淋塔內(nèi)阻力特性的影響.結(jié)果表明:在wfgd系統(tǒng)篩板式噴淋塔中必須保證足夠大的孔徑與塔徑比,以適合高速煙氣條件;在煙氣流速較低條件下,篩板孔徑越小,壓降越大,而煙氣流速較高時(shí)則相反;篩板厚度對于壓降影響較小;提高開孔率和篩板安裝高度以及減少噴淋量均能降低塔內(nèi)阻力.