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石灰石-石膏湿法烟气脱硫系统中的一些关键参数对SO2吸收速率影响的研究

2021-03-15 来源:客趣旅游网
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第19卷第2期 广东电力 Vo1.19 NO.2 2006年2月 CUANGDONG ELECIRIC POWER Feb.2006 文章编号;1007-290X(2006)02-0022-O5 石灰石一石膏湿法烟气脱硫系统中的一些关键 参数对SO2吸收速率影响的研究 任爽,徐坚强 (中国计量学院现代教育技术中心,杭州3IO0I8) 摘要:利用实验系统和双膜理论模型,分析和研究了烟气脱硫系统的一些关键参数时SO!吸收速率的影响 实验和理论模型的计算结果对脱硫系统的设计和运行具有一定的指导意义。 关键词:双膜理论;关键参数;吸收速率 中图分类号:X701 文献标识码:A Effects of some premier parameters on sulfur dioxide absorption rate in limestone—gypsum wet flue gas desulfurizati0n system REN Shuang,XU J ian-qiang (Modern Education Techn(flogical Center,China Jiliang Univ.·Hangzhou 31O018,China) Abstract:Based on experimcntal system and two-film theory model-this paper analyzes the influence of some key parameters on absorption rate of sulfur dioxide(S02)in wet fIue gas desulfurization(WFGD)system,which will be useful for the design and operation of FGD system. Key words:two-film theory;premier parameter;absorption rate;fIue gas desulfurization(FGD) 在我国,8()%以上的煤是以直接燃烧的方 转 f)技术比较成熟,运行可靠。 化为其他形式的能源,煤燃烧所产生的硫氧化物是 凶此, 灰石一石膏湿法烟气脱硫技术是目前 大气污染的主要来源。烟气脱硫(flue gas 世界上燃煤电厂烟气脱硫应用最广泛的方法…。但 desulfurizati0n,FGD)是控制S02污染的行之有效 是,湿法FGD系统是一个相 复杂的装置,其设 的方法。石灰石一石膏湿法烟气脱硫足利川石灰石 计和运行要受到燃煤特性、场地条件等诸多因素的 浆液来吸收炯气中的S02,反应后生成CaSO (石 影响。本文将从实验和数学模型计算结果等方面对 膏),净化后的烟气nr以达到排放标准。该法有女¨ 影响脱硫效率的一些关键参数进行分析,以期能为 下优点: FGD系统的没计和运行提供一定的理论依据。 a)脱硫效率高,可达95%以上; b)吸收剂利用率高,钙硫摩尔比/2Ca/r/ 一般 1 双膜理论的吸收速率计算模型 为1+()5~1.10; 双膜理论是用J 描述气液嘣相问物质传递过程 c)对煤种适应性好,尤其适用于高硫煤; 的理论模型。双膜理论认为,气体吸收过程可以看 d)自然界巾存在大量石灰石,吸收剂原料易 作是吸收质通过气液膜的稳定扩散,从气相主体传 得、价廉,运行费用低; 递到气液界面的吸收质的通茸等于从界面传递到液 e)副产物石膏可以用于制造石膏板或者作为 相主体的吸收质的通量,l在界面上无吸收质的积累 水泥添力Il剂等,即使抛弃也容易处理; 和亏损 。 吸收塔内SO 的吸收过程是溶质从气相向液相 收稿Et期:20()5-1 1.29 的物质传递过程。这一过程可以应用双膜理沦来解 维普资讯 http://www.cqvip.com

第2期 任爽等: 灰百一石膏湿法炯气脱硫系统巾的一 戈键参数对s 吸收速率影响的研究 释 根据该理论,脱硫效j夏取决于SO 通过气液界 面处的气膜和液膜的扩散速率的影响。S 的吸收 包括以F Z.-个过程¨ _: a)SO:从气相通过气膜向气液界面传递、 扩散; b)SO。在液膜表面溶解; c)SO 从气液界面透过液膜向液相传递并随 即 钙基吸收剂发生反应。 根据双膜理论,吸收塔内SO 的吸收速率可以 表示为 Nso, KoA(P p o,). (1) 式中:Nsn—SO2的吸收速率,mol/s; 气液传质总面积,m ; Kcj一——以气相分压差表示吸收推动力的 总传质系数,mol/(m .s’Pa); P ——气相主体中的SO 分压,Pa; p —— 液相主体rfl SO 的浓度相平衡的 分 ,Pa; 又可以用气膜传质系数k ;和液膜传质系数 k 来表示,即 上:l1+—L r,、 KG k(j。 ̄/kI’ 、‘。 式巾: _-- 亨利常数; k。一 以分 差表示吸收推动力的气相传质 分系数,kmol/(m -S-Pa); k ——以摩尔分数羞表示吸收推动力的液相 传质分系数,kmol/(m -S·Pa); 气体吸收增强因子,表征吸收过程中 因发生化学反应而使液相传质系数增 大的倍数,与液相的组成及其碱度 有关。 李仁刚等研究者认为 I,在以CaCO. ̄为吸收 剂的脱硫反应中,由于S0。被吸收进入液相后,立 即发生水合、离解,并被液相中的碱性物质巾和, 与P 相比,p 的大小可以忽略不计,这样,式 (1)可以简化为 Ns KG Pso(3) 2实验装置及方法 本实验系统包括装置本体、风系统、浆液系统 和石膏沉降系统,系统图如图1所示。 图1 喷淋式湿法脱硫系统示意图 1 风机;2一s 钢片瓦;3减 ;4 阀;5一流量 汁;6一混合室;7预热室;8喷嘴;【J一娴气分析仪; lI)吸收摩;I1 除湿板;l2 门;13添加7 灰 ; 14循环水泵;l5排污口;1^循环水池;l 7送入空 气;1 石膏浆液泵;I9 膏沉降池 本实验吸收塔本体采用 柱彤结构。塔内【 部 分2层,各}殳置1个离心武喷嘴(陔喷嘴在喷淋量 1 5~2()m /h时喷淋效果最好),喷门向下。上部 喷嘴上面有2层除 板,用于除去气体中夹带的 液滴。 实验巾,采用在空气中加入So 充分混合并预 热到一定温度后作为模拟烟气,空气流量及SO 流 量均通过玻璃砖子流量计来控制。实验中模拟烟气 中的SO2的质量浓度控制在1 429 ̄4 571 mg/m 。 在装置本体内完成脱硫反应的模拟烟气中的SO2浓 度,通过MSI一2000型炯气分析仪进行测量。循环 浆液中CaCO ̄的质量分数为1()%,其pH值通过 PHS一2F型数字pH计测定。当测得吸收塔}}{口温 度和SO。浓度达到恒定时,启动循环水泵进行实 验,用MS!一200()型电脑烟气分析仪现场测量并打 印进m口处SO 浓度。整个实验过程为间歇式 操作。 CaCO,的转化率可以通过吸收塔进出口的So 的浓度曲线求得,即 ,Ms(f):—zCaCX33√f】o2 f ( 1一P’ s()一  .。 /P 。s()’ 、 )df.(4) 式中: (t)——在时间t内被吸收的SO 的物质 维普资讯 http://www.cqvip.com

广东电 第19卷 的量,mol; M 一——单位时问内通入SO!的物质的最, mol/s; c o 加入CaCO {物质的量,mol; ,)s 一一脱硫后炯气中S0 的质帚浓度, mg/m ; 1)1__I.——脱硫前炯气-f·S0 的质量浓度, mg/m 。 SO 的吸收速率可以用CaCO 的硫盐化速率米 表示: (5) 3计算结果及分析 3.1 烟气流速对SO 吸收速率的影响 罔2是烟气流速分别为2.5 m/s和4 m/s时 SO 的吸收速率随时问的变化曲线(其中,循环浆 液pH值5.6~6.0,入口SO2的质量浓度2 857 mg/m ,浆液喷淋量30 m /h)。从罔2中可以看 ,在其他参数不变的条件下,随着塔内烟气流速 增大,S 吸收速率增大。这是囚为,在其他参数 恒定的情况下,提高烟气流速可以增强气液两卡H的 湍动,减薄烟气与吸收浆液之问的膜厚度,增强气 液传质。另外,增人烟气流速将使喷淋液滴的下降 速度相对降低,使单位体积内持液量增人,增大了 吸收段的传质面积,从而增大了传质单了己数,提高 了脱硫速率。从图2可以看 ,随着反应时问的延 长,二者吸收速率之间的差别逐渐减小, 停留时 问超过1 5 min后,二者的反应速率基本相同。这 是冈为,在反应初期,SO 与CaCO 的反应属于气 芒 -d’ l ≤ 蚓 受’ Etj,-lh3/min 图2 烟气流速对SO2吸收速率的影响 液离子反应,反应速率主要受CaCO 溶解速率和 HS0 ,S0i一,Ca 等 液相中的扩散速率控制; 随着反应的进行,浆液lf1大部分石灰 已被消耗, 石灰石的溶解不足以补允反应过程中的消耗量,浆 液的pH值降低,再加I 生成的CaSO3结晶并覆盖 住CaCO 颗粒的表向,堵塞r口及收剂颗粒表面的 孔隙,抑制_r SO 和石灰石的溶解、离子的扩散和 反应,大大增加了传质阻 J,从而使SO 吸收速率 卜降。 表1给出了烟气流速对SO 吸收速率影响的计 算和实验结粜。表1的计算参数选取:S0 质最浓 度2 857 mg/m ,CaCO 转化率X=0.1,烟气入 F-I温度1 05℃,钙硫摩尔比 ( / s=1.05。 表1 烟气流速对SO2吸收速率的影响 s( 吸收速率/(1I) mol s ) 娴 e流速 (m‘s’)一 计。并值 奠验值 7 74 9.52 1 l()2 l2.32 l3 7‘) r#I表1几r以看 ,提高 f气流速,S0 吸收速 率也将随之增人但增大的幅度逐渐减小:当烟气流 速从2 m/s提高到2.5 m/s时,SO 吸收速率提高 r 22.6%;当炯气流速从3.5 m/s提高到4 m/s 时,SO!吸收速率只提高-j ¨.7%。 实际 程应 中,炯气流速的增加可以减小吸收塔的横截面 积,降低其体积,从而降低 厂程造价,还吖以降低 循王1:泵的能耗。但是,烟气流速的增大也可能增力I1 除雾器的负担。此外,炯气流速的选择还必须考虑 吸收塔的型式等 素。对于FGD系统中所采用的 主流塔刑逆流喷淋塔来说,通常采用的炯气流速为 3~5 m/s[ 3.2入口浓度对SO2吸收速率的影响 图3给 了吸收塔入口炯气巾SO 的质量浓度 对其吸收速率的影响的计算和实验结果。计算参数 选取为:州气流速3 m/s,CaCO,转化率X=0.1, 炯气入口温度1()5℃,钙硫摩尔比nc./ =1.05, 循环浆液pH值5.6~6一),浆液喷淋龟3()m /h。 维普资讯 http://www.cqvip.com

第2期 任爽等:石灰石一石膏湿法炯气脱硫系统巾的一些关键参数埘s 吸收速率影响的研究 一 。l一、、 _0∽ 一l 7l4 2 286 2 857 3 429 4 000 入I I处SO 质帚浓度/(mg·m ) 图3 入口处SO2的质量浓度对SO2吸收速率的影响 从图3可以看 ,SO2吸收速率随着其入口浓 质量度的增大而增人。根据式(1),存其他参数 变的条件‘r,增大入口处So 的质量浓度,相当于 增大了气相主体中的SO 的分压,从而增大r气液 传质的推动力,增强了传质效果,提高_『吸收速 率。但是提高的程度随SO 质量浓度的增大而逐渐 减小:当人L]处SO2的质量浓度从1 714 mg/m 增 大到2 286 mg/m 时,SO2吸收速率增大了 31.6%;而当人口处SO2质量浓度从3 429 mg/m 增大到4 000 mg/m 时,SO!吸收速率只增大了 15.8%。这是 为,SO 分压的增力ll使气液吸收反 应的增强 于减小,导致反应的总传质系数减小, 从而使得SO2吸收速率的提高幅度减/J、。 3.3入口烟气温度对SO2吸收速率的影响 图4给 了入r丁娴气温度对So:吸收速率的影 响的汁算和实验结果。其中计算参数选取:人15 sO1的质量浓度2 857 mg/m ,CaCO3转化率X= 0.1,钙硫比nc //7, =1.05,娴气流速3 m/s,循 环浆液pH值5.6~6.0,浆液喷淋量3()m /h。 85 95 lO5 ll5 125 入I I处烟气温度/℃ 图4 入口烟气温度对SO2吸收速率的影响 由图4可见,吸收速率随着入15烟气温度的升 高而降低。这是因为,根据SO:吸收的气液平衡可 知,进人吸收塔的烟气温度越低,越有利于S 溶 于浆液,形成HSO;。所以在实际的湿法FGD装 置中,高温的原烟气先经过GGH降温后再进入吸 收塔有利于SO2的吸收。fLl是,烟气温度过低也会 降低SO2吸收速率。凶此,在FGD系统的设计和 运行实践巾应当党分考虑各方面的影响。 3.4 液气比 / G对SO2吸收速率的影响 液气比是 J流经吸收塔的单位体积的炯气量相 对应的浆液喷淋量。液气比对SO 吸收速率有着重 要的影响。这是【大j为,在吸收塔的设汁巾,循环浆 液量的大小决定了So 吸收表向积的大小。图5反 映了液气比对SO 吸收速率的影响。图巾计算参数 选取:入口SO2的质鼍浓度2 857 mg/m ,CaCOj 转化率X=0.1,入15烟气温度1()5℃,钙硫比 n /n s=1.05,循环浆液pH值5.6~6.0,浆液 一 ∞.1。I_)\瓣 喷淋量3O m /h。 6 2 8 从图5中可以看出,在保持浆液喷淋量不变的 条件 ,随着液气比的增人,SO 吸收速率减小。 这是因为,喷淋量不变,液气比增大,相当于降低 了烟气流速,从而增大了喷淋液滴下降的速度,使 得单位体积的炯气持液量减小。此外,炯气流速的 降低也削弱了气液两相『白】的湍动程度,降低了传质 效果,从而使so 吸收速率减小。 l 5 20 25 3O 35 液 C比/(1·m ) 图5 液气比对S02吸收速率的影响 3.5 CaCO3转化率对SO2吸收速率的影响 图6给m了CaCO ̄转化率对SO 吸收速率的影 响情况的计算和实验结果。计算参数选取为:人15 SO2的质量浓度2 857 mg/m ,烟气流速3 m/s, 炯气入口温度105℃,钙硫摩尔比n(h/I'IS 1..)5, 循环浆液pH值5.6~6 0,浆液喷淋量30 IT/ /h。 由图6可以看 ,随着CaCO3转化率的升高, SO 吸收速率逐渐降低。这是冈为,随着反应的进 -0∞ 4 O 维普资讯 http://www.cqvip.com

』 东电 J 第19卷 可以用气液传质的双膜理论模型米解释; b)SO!吸收速率随着炯气流速和入几浓度的 I 增大 提高,但提高的幅度逐渐变小; 褂 c)SO:吸收速率随着烟气人口温度、液气比 干¨CaCO 转化牢的增大而下降; 星 d)在实际___ 程应用叶l,要根据实际情况选择 合适的没计和运行参数,既要提高SO 吸收速率, 又要兼顾经济上的可行性。 图6 CaCO 转化率对So2吸收速率的影响 参考文献 行,吸收剂颗粒表面的孔隙逐渐被生成的CaSO [1]朱世勇.环境与丁、I 气体净化技术LM].北康:化学丁业fI{版 所堵塞,减小了离子扩散和离子反席的传质面积; 礼,20()1. 而且南于CaCO 的消耗,浆液中町用)}£吸收so 【2]都占日』J,』二书肖.陆永琪.燃煤二氰化硫污染J『卒制技术手册 的碱性物质的量不断减少,浆液pH值持续降低, LK].北京:化 T业m版社环境科学 I …版中 减小了气液反应的增强因子,使得吸收速率逐渐降 心.2(JI)1. 低。在实际运行的FGD系统中,可以通过向吸收 L3 rl承刚.湿法l}阏气脱硫关键参数分析rJ].围际电力,20/ ̄2,6 (1) 53.55. 浆液中加入添加剂来促进石灰石的溶解以增加浆液 『4]半f■刚,管一I ,用启宏,等.PH值对湿式石灰7 烟气脱硫传 巾碱性物质的量,并且缓冲浆液的pH值来使SO 质反嘘特忡的影响【J].电力环境保{,·,2002,18(4):1().12. 吸收速率保持在一·个较高的数值以捉 每脱硫效率。 [5]Radian International LLC.Electric Utility Engineer’s FGD Manual Volume I—FGD Process Design ̄Mj Austin:Radian 4结论 lntern ltional I I(’,】t)96. a)石灰石 石膏湿法烟气脱硫系统‘t ,SO2 作者简介:任爽(1u )女.安徽宁国人,信息与计算科学助 吸收速率受到多种 素的影响,这些因素的影响 理工程师,工学学士。主要从事电力系统参数分析与控制研究。 2006汉诺威工业博览会(2006年4月24日至28日) 创捌i无襁阳 来臼6O;个国家和地区昀展商卉聚一堂,展示工业鄹i趋势与 展 世界能源高峰会议2006年4月25日至26日首度在汉诺威召开 汉诺威工业博览会推出新主题:管道技术展、工业设施管理与服务展、 工业建筑自动化与清浩展 印度成为2006汉诺威工业博览会的合作伙伴国 2006年4月24同 28 Ej,议诺成工、I 博览会将 次向 展览公司将与柬门商界及收界的 际合作伙伴歌手, 度 所有¨I=业预域的技l术应fL}』者、没计者、丌发者干u决策肯敞 推}【3为期2大(4,q25日 ̄q126卜])的“世界能源对话”高峰 开大f J。汉诺威工、I 博览会足创新技术、工业零部件及解 论坛。 时,众多业内专家将 聚九大系列论坛,共I州探 决方案的阑际展示平 和信息论坛,本届展会的土题足工 讨构织全球能源网的技术、经济、生态方面的发展趋势。 业自动化手¨能源技术。 2006展会将再次推…众多针对A动化}亍、I 专业人士的 2005 ̄,F.汉诺威工业博览会在德 以外的海外观众约占 特别腱示活动。围绕过程自动化、工厂闩动化及工业建筑 观众总数的30%。德国汉诺成展览公司董事会主席海格曼 自动化而展开的上题活动有“过秤自动化论坛”、“L』 博上说: “汉诺威工、I 博览会足参展商 德国本十、欧洲 自动化论坛”。此外,新设立的“机器人人奖”将通过行 以及世界范围内进行商贸活动、建立商业关系的重要平 业号家上持一系列研讨会,向观众介绍机器人 各个I- ̄lk 台。2006年海外观众将大幅增长,包括来自东欧、亚洲等 领域巾的戍fL目前景。在汉|若戚展览中心,观众有机会与现 经济迅速发展的地区。” 场展示的机器人进行亲惭接触,将理沦应川十实践,进而 为了突出能源这一全球关注的蕈要问题,德国汉诺威 了 木来运用上、 【机器人的可行性、成本干Il效益等。 

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