燃煤锅炉尾部烟道碱液喷雾脱硫数值计算.pdf

第 2 9卷第 3 期 2 ∞ 1 年 3月 同井大学学报 J O U R N A L0 FT O N C d I 1 ． 1NI V E I I T Y Vo ]2 9 №3 M 丑 r ．2 0 0 1 燃煤锅炉尾部烟道碱液喷雾脱硫数值计算 刘永平 ， 陈德珍 ， 张鹤声 同井大学 热能工翟系． 上海2 0 0 0 9 2 擒薹分析了液滴在烟气流中的运动和蒸发过程， 井以“ 双膜理论” 为基础建立了描述单颗碱性液滴嗳收二氧化 硫的瞻力以及液径按对敷 一正态分布的分布密度函数来计算喷雾脱硫教率的数学模型． 通过数值计算， 对影响 脱硫教率的关髓因素进行了讨论． 与在燃煤锅炉尾部烟道中所进行的碱液喷雾脱硫试验结果相比较 ． 脱硫效率 的计算值与实涮值之间的相对误差为5 ％左右． 美量词 传质； 边界层；碱性液滴；脱硫效率 中圈分类号 x 7 0 1 ． 3 文献标识码 A 文章螭号 0 2 5 3 3 7 4 X 2 0 0 1 0 3 0 3 4 20 5 Nu mer i c al Ca l c u l a t i on o f Des u l f u r i z a t i on Pr o c e s s by Al k a Sol u t i o n Spr a y i n t o F l u e Du c t in fl Co al f i r ed Boi l er LI U Yo n g - p i n g，C HEN De - z h e n，Z HANG He - s h e n g D e p l l z l l l lc t o f T h e r t r Bl g iI 准 l l g ． T o , i l U n i v e r s it y ， g Ⅱ i 2 0 0 3 9 2 ． C la i m A b s t r a c t 1 _ h e p r o 跚o f mo v e me n t a n d v a p o r i z a t i o n o f a s i n g l e Na OH s o l u t i o n d r o p l e t i n fl u e g a s a r e a n 8 l y z e d - a n d t h e d i s t r i b u t i on o f d r o p l e t s ’ d ia me t e r i s a s s u me d t o a c c o r d wi t h a l o g n o r ma l d i s t r i b u t i o n ． S u b s e q u e n t [ y ， a ma t h e ma t i e a l mo d e l _ b a s e d O i l d u a l f i l m r m s s扛a 1 1 s f e r t h e o r y a n d b o u n d a r y l a y e r t h eory ， i s p r o p o s ed to c a l c u l a t e the s oz a b s o r p ti o n c a p a b i l i t y o f a s i ng l e a l k a l i d r o p l e t a n d t o p r e d i c t t h e d e s u l f u r i z a t i o n df i c i e n e y b y s p r a y i n g Na OH s o l u t i o n i n to d o wn s t r e a m fl u e d u c t i n ∞a l - fi r e d b o i l e r s ． Th r o u g h n u r n e r i c a 1 c a l c u l a t i o n ， l 【 e y f a c t o r s th a t a f f e c t d e s u l f u r i z a t i o n e ff i c i e n c y a r e d i s c u s s e d C o p a r e d wi t h th e t e s t e d r e s u l t s o f a p i b t e x p e r i me n t ， t h e d e v i a t i o n b e t w e e n mo d e l p r e d i c t i o n 0 f s o 2 m o v a l [ a t e a n d p j l o t e x p e r i me n t al d a t a i s a r o u n d 5 ％ ． e r e s u I t so ft h i spap e r c a n a l s o b e a p p l i e d to o t h e r a l k a l i sol u t io n． K e y wo r d s r m t r a n e a ；b o u n d a r y l a y e a “ ；alk a l i d r o p l e t ；d e s u l h J r i z a t i o n e f fi c i e n c y 燃煤工业锅炉尾气中的二氧化硫污染大气环境． 在锅炉的尾部烟道， 用压力式雾化喷嘴将碱性溶液喷 人锅炉尾气可降低二氧化硫的排放． 为了探索碱液喷雾吸收二氧化硫的规律和影响脱硫效率的因素 ， 本文 建立了碱液喷雾的脱硫数学模型， 并将理论计算值与在一台1 O t ． h - 1 蒸发量的燃煤工业锅炉尾部烟道中 进行的烟气脱硫效率测试结果作了比较 ． 1 碱性液滴在锅炉尾气中的运动和蒸发 碱液由压力式雾化喷嘴喷入锅炉尾部烟道． 假设雾化液滴为球形， 并且烟气和液滴沿烟道轴心线为一 维流动， 液滴半径和液滴中的水 蒸发速率随时间的变化规律可由以下方程组来描述 对于液雾 中半径为 的液滴在烟气流中的运动方程为 { “ r d t C D r 一 1 收瞢日期 O 0 o 一 0 3 2 4 作者筒舟 剜永平 1 9 7 2 一 ， 男， 湖北鄂州人． 工学硕士 维普资讯 第 3 期 刘隶平， 等 燃蠛慨炉尼帮{ 羁 遭碱藏喷雾脱矗数值计算 式中 口 g ， 分别为烟气和液滴的流速 ； P 】 为液滴的密度 ； C D为阻力系数 由质量守恒方程， 液滴在烟气流中的蒸发速率 。 G k g s I 1 为 。 一 4 r 警 式为 2 运用“ 折算薄膜” 理论 ， 由能量守恒方程可得液滴在强迫对流加热条件下的水分蒸发速率 G的表达 一 h 【 1 】 r 式 中 N u T N u - I“ l H 2 ] Q o ／ v c J 3 4 其中 N “ 为不计水分蒸发的传热努塞尔准则， Nlt { 2 O ． 6 R e 0 ．5 P r 0 ”． 蒸发液滴中水分所需的热量 Q ． S - I 为 个 Q 0 号 r ． I v o L 5 液 滴 表 面 处 的 传 热 边 界 条 件 为 Q o r ； g 其 中 ．v |p ， ．1分 别 为 水 蒸 气 和 水 的 比 热 容 ； 为 烟气 的导热系数 ； L为水的燕发潜热 ； T 为液滴温度， 由组分守恒方程 ， 水分蒸发速率 G也可 由下式表示 r V v 1 口 G 2 n r iN u T P D I n J 1 『 6 ‘ ‘ ， w 式中 咀 p ， 分别为液滴表面处及烟气流 中的水蒸气质量分数； P 为水蒸气密度 ； D 为水蒸气 的 分子扩散系数， m 2 s ～． 由 C 1 a u s i u 8 _ a印e l 方程， 液滴表面处的水蒸气质量分数 y⋯可由下式表示 yv | p ． 1 ／ 1 1 [ 1 ／ e x p L ／ R 1 ／ T 一 1 ／ T 一1 】 Mg ／ d v | p { 7 式中 丁 为水燕气饱和温度； R为通用气体常数； Ma ， M～分别为烟气和水蒸气的分子量 在给定烟气初始温度 T 液滴初始温度 T I， 0 、 半径 r 0 和相对速度 l 一“U p 1 0 值条件下， 由上述方程 可得液滴半径 r l 、 相对速度 l 一口 p l 及水分蒸发速率 。 G 随时间的变化规律． 图 1 和图 2 表明提高 烟气温度 ， 将使液清蒸发加速． 图 3表明当相对速度 I d 降为零时 ， 液滴达到终端速度 ， 液滴与烟气之问的 热、 质交换强度也随之降低 ． 而图 4说明， 对于给定的初始半径液滴 ， 烟气温度对相对速度的影响可忽略不 计， 并且， 相对速度降为零所需的时间远小于使液滴所含水分完全蒸发所需的时间． 2 0 0 l 60 1 2 0 8 0 4 0 0 o4 2 3K． TI ．0 2 9 3K． ， o 8 5Ⅲ’ s 。 田 1 液蔫半径吐肘问的变化 ．1 l d l m 0 f 由0 p l e t s t i me 0 2 0 0 ． ．。 2 9 3 K， w l,O B． 5 m， 3 一 田2 不同烟气沮度下液滴半色随时闻的变化 № ， 2 Ra d I 璐 o f 呷I 如 t h in 硼l d e r棚f r 恤 t mp 蕾 t Ⅲ 维普资讯 同济大学学报 第2 9卷 TI ． ；42 3 K， Tt 0 2 9 3 K， d ．0 8． 5 m 3 一 围3 液滴相对速度随时何的变化 啦 ． 3 R e l a t i v e v e l o c i t y o f c h a l e t s Y e t i 眦 r o 2 Om， TI ．0 2 9 3 K， w 3 ．0 8 ． 5 m s 围4 不同熠气温度下液滴相对逮度随时间的变化 啦 ． 4 N e l a 0 v eo c i t yo f 血 Ⅱ u n d e r g a s t e mp e r a t u r e s 在液漓喷人 烟气的初始 阶段 ， 由于液滴的初 始温度为 2 0 ℃， 烟气中的水蒸气将凝结在液滴表面． 因此 图 5中的液 滴蒸发速率为负值 ． 随着液滴受热后升温， 水分开始蒸发 ， 液 滴蒸发速率 G很快提高到最大值． 然后 由于烟气温度的降 低和相对速度的减小， 烟气与液滴之 间的热 、 质交换强度降 低， 口 G即开始下降 ． 2 单颗碱性液滴吸收 s o 2 气体的数学模型 单颗 N a 0 H溶液液滴在锅炉尾气中吸收S 气体的过 T | ．o 4 2 3 K ， T 1 ．0 2 9 3 K ， 。 8 5 m s 程为 ①烟气中的S 气体通过液滴表面处的气体边界层 田5 不同 韧始直径的液j膏 蒸 发逮 辜随 时何的变化 以分子扩散方式扩散到液滴表面； ②S O 2 气体 在气液相界面f l g 5 w咖r 日 I p I 蚰r a t e o f 处溶人 液 滴； ③ 溶人 液 滴 中的 S 被 离 解成 HS O -及 衄 圳 d r o p l e t s 岫 s o ] 一 ； ④H s 0 及s o ] 一与碱性液漓中的N a 反应形成N H S C h及N S O 3 ． 按“ 双膜理论” 可将瞬时半径为 的液滴沿半径方 向划分为如图 6所示的区域 1 在 r n 区域中， S 的质量浓度为烟气流中S 的质量浓度 p r a g m- 3 ， 其中 r 1 ． 2 ≤r ≤n为气相浓度边界层． 3 在 f ≤r ≤ 区域内， H S O 3- ， s o ] 一朝反应前沿 方向扩散． 4 在 2 ≤r ≤r f 区域内， N a 朝反应前沿 r i 方向扩散． 5 r ≤r 2 的区域为液滴的核心区域． 在核心区域中， 液滴含有的 N a OH质量浓度即为喷人烟气流的初始 Na O H质量浓度 ． ． 图6中 P m , m 为液滴表面 n处 的 S 0 2质量浓度 ； p 为液相 中的 HS O - 或s o ] 一质量浓度； p 为液漓中的 N a 质量浓度； 为气相边界层厚度， m； r { 为反应前沿位置． 假设 ①液漓内的流体投有宏观流动， 且不计液漓 内的浓度梯度 ； ②忽略 S 气体的溶解热及化学反应热 ； ③离子反应 速率 远大于离子的扩散速率 ； ④在气液相界 面处 ， 气液两相达到相平衡 ， S 气 体在液相中的溶解度服从亨利定律． 采用准稳态分析方法， 由上述假设可列 出下列方程 对 H 或 S O l一 挚 0 对 2 t Oa Na 。 p pN” K ， ， 一．一 一 一 田 6 8 6 9 橱液j 膏 半径方向的各成分 质量浓度 分布 岫l ∞ Ⅲ 瞄 锄d n0 睡 袖口 由n d 臼 i b 血I t h e 面 嘶 士唧 H 忡 0 x x x x x O O O O O 0 O 1 8 6 4 2 2 4 一 ．_ E 、 维普资讯 第3 期 荆永平． 等 燃煤锅炉尾部烟道碱藏喷雾脱硫数值计算 边界条件为 在 r r f 处 在 ， 2 处 在 r r ， 处 p 。 ， f O ， p r f ， 0 p “ N r 2 ， f №． D P 一P ． d r ⋯。 ⋯ 一 1 0 1 1 1 2 式中 h 为对流质交换系数， m s - 。 ． 对流质交换准则方程⋯ 1 为 岛 20 ． 7 5 Re S c o 一 3 3 1 3 式中 2 h ／ 1 9 ； S c t , ／ D； R e 2 v - d r l ／ “ ． 其中 D为s O 2 气体的分子扩散系数； u 为气体的运动粘 性系数， I n z s ～． 由亨利定律 ， 在气液相界面处溶人液滴 的S O 2 质量为 ． R-- ． O I p 1 4 P -m ，m L l 耳 ， 式中 H为亨利系数， P a ； M 为液滴的分子量， 取为水的分子量； T 的烟气的绝对温度； P l 取为水的密 度； R为通用气体常数． 在反应前沿处的污染物和吸收剂的质量流量 疬 及 疬 为 对I--L -或s o t 对 N a l 一 l 南 l 一 渺 1 1 5 t 6 式中 D 为I--I -或s o l 一在溶液中的离子扩散系数； D 为 h 在溶液中的离子扩散系数[ ． 碱性液滴在烟气流 中经烟气加热后 ， 它的外径和具有初始 Na 质量浓度 的核心区域半径逐渐减小． 根据质量守恒定律 ， 并 由化学反应方程式 疬 与 疬 之间的关系 ／ 疬 X M ／ M“ ， 核心区域半径 r 2与时 间的关系式为 号 r ； J ． ， 一、 一 一 厨 1 7 式中 x为化学反应比例系数； M 为 s o 3-或s o l 一的摩尔质量； 为 h 的摩尔质量． 式 1 7 的初始条件为 当t 0时， r 2 ． 积分式 1 7 ， 当 r 2 等于零时液滴在烟气中所经历的时间即为液 滴所含N a O H的耗尽时问 。 5 ． 图7 表明△ f 随液滴的初始p H值 增加而增加． 碱液喷雾在锅炉尾部烟道中吸收 s o 2的量除 了与传质强度有关 外， 尚与碱性液滴在尾部烟道中的停匿时闯有关． 以上的计算表明， 碱液喷人烟气流中后 ， 液滴流速很快降至其终端速度丽与烟气一起 向前运动 ， 因此液滴在 烟道中的停 留时间 △ 可近似等于烟道 的长 1 2 1 0 8 6 4 2 0 在计算碱液液滴在烟道内吸收 9 。 2 能力时， 应分别计算不同直 。 2 0 D m g , m“ ； T s 3 6 3 径 的耗尽时间和液滴在 道中的停留时间， 井取两者 A 中较小值． 。 3 碱液喷雾的脱硫效率 台有 Na OH的碱液经压力式雾化喷嘴喷人烟气流后形成液雾 ， 在建立锅炉尾部烟道内碱性液雾吸收 s 。 2 能力表达式前作如下假设 ①烟气流在烟道中为穗态 、 一维流场； ②液漓随烟气 的流动过程 中， 液滴不 破碎、 也不合并； ③藏滴在烟气流中均匀分布； ④认为液滴直径密度分布函数服从对数正态分布形式， 且踱 维普资讯 同济大学学报 第 2 9卷 滴直径密度分布函数为 ． 利用式 1 5 ， 碱性液雾在时间 d t 内所吸收的S O 2 摩尔质量 d Ms o , ri d ， d ～ G N o m d J d t 1 8 式 中 G为单位时间内的喷雾量 ， L． S I 1 ； No 为单位质量液雾 中含有的液滴总数 ． 在 出 时间内烟气 中的 S O2 质量浓度减少量为 一 Qy d p d Ms o , 1 9 式中 Q 为烟气的体积流量． 将式 1 8 代人式 1 9 积分， 令 P 和 P ． 分别表示烟气在锅炉尾部烟道人 口和出口处的 S O 2 质量浓度 ， 则碱性喷雾在尾部熠道内的脱硫效率 为 可 9 。 ， 户 罐 ． 一P ． n 罐 1 0 0 ％ 2 0 4 锅炉尾部烟道 内碱液喷雾的烟气脱硫试验及结果 烟气脱硫试验是在一台蒸汽压力为 1 ． 2 5 MP a 、 额定蒸发量为 1 0 t ． h ． 1 的燃煤链条炉排工业锅炉尾部 烟道 中进行的． S O 2 吸收剂为吉 Na OH的碱性溶液 ， 调制后的碱性溶液 p H值为 1 3 ． 5 ～1 3 ． 7 ． 图 8 a及 8 b 分别为燃煤含硫质量分数 S 1 0 5 ％和 s 0 ． 7 5 ％的脱硫效率试验值及理论计算值 ， 两者的差 别为 5 ％左右 ． 5 结论 口 H a w S 1 0 5 ％ p H b w S 0 7 5 ％ 田8 l 蠹不同t a n位碱液时的烟气脱麓效率 ．8 C o mp a r o f凹 智h 嘲叫 a n ti c a l e u l a t t dI 吼ll f 嘣 翻I i 叩 e C l l e ． h s a c y a tt l l ff a e a t s o l a t l o nta n v a In 目 喷液量对碱液吸收 S O z 的能力有显著影响， 增加喷液量可提高脱硫效率 ， 但过大的喷液量会增加烟 气带水率． 液滴的雾化直径影响液滴的吸收能力， 液雾的平均当量直径宜在 1 5 0 --2 0 0 v ．m， 过细的液滴会 在烟气流中很快蒸干而 出现粉状颗粒 ， 使脱硫效率降低 ． 利用锅炉尾部烟道来进行碱液喷雾脱硫时 ， 碱液 的p H值宜在 1 3 ． 5 左右， 其脱硫效率为 3 5 ％～加％． 本文建立的数学模型亦适用于 K a O H， N a 2 ∞ 3 等其 它碱性溶液． 参考文献 [ 1 ] G e a n k o p l i C J ． Ma s s mm s p o r t p n 。 [ M] ． N e wY o r k H o l t R i n e h a r t a n dB r m s t o n ， I m， 1 9 7 2 [ 2 ] R o b e r t cw嘲 ． C R C h 日 l l d b o o k 。 f c I ． E _喱 t y 帅d s [ M] ． [ 5 ． 1 ． ] C R CP r 哪 ， k ． 1 9 8 9 ． 维普资讯