撞击流吸收燃煤烟气湿法脱硫研究.pdf

武汉化工学院 硕士学位论文 撞击流吸收燃煤烟气湿法脱硫研究 姓名李芳 申请学位级别硕士 专业化学工程 指导教师伍沅 20050401 摘要 摘要 二氧化硫的大量排放造成的酸雨污染是我国大气环境污染的主要问 题。针对中国国情，目前迫切需要开发一种投资少，占地小，工艺简单， 具有较好效果的脱硫技术，改善我国的大气污染严重的状况。基于撞击 流优良的传质性能，本研究采用新型的撞击流气液反应器为主体设备进 行湿法脱硫。 首先设计了新型撞击流气液反应器，基本尺寸为吸收室直径D o 7 0 0 m m ，皿- - 9 5 0 r a m ，加速管直径d o - - 8 0 r a m ，撞击距离可调范围为4 ．0 ≤S ／d o ≤6 ．0 。 试验第一阶段，对旋涡压力喷嘴的雾化性能进行了研究，用S a u t e r 平均直径衡量喷嘴的雾化效果，试验证明当喷雾压力为0 ．8 1 ．0 M P a 左右 时可达到较好的雾化效果；试验第二阶段，对撞击流气液反应器的阻力 进行了测定，试验测定值最大不超过5 0 0 P a ；第三阶段为脱硫试验，进行 ／ 了以C a O H 2 一水悬浮体系为吸收剂脱除模拟烟气中的S 0 2 理论和试验研 究。考察了液气比、二氧化硫浓度、钙硫比、撞击距离等对脱硫效率的 影响，当液气比列盱O ．8 4L ／m a ，撞击速度u o 7 ．0m ／s ，S 0 2 进口浓度 C s ，i ． 3 2 0 0m g ／m 3 ，稳态操作下反应器的脱硫效率为9 2 ．5 ％。以平均雾滴 直径为基础计算得到的传质系数妃，在所给定的试验条件下，体系的容 积传质系数可达0 ．5 1S ～，比一般的反应器的传质系数要高，进一步证 明了撞击流反应器优良的传质性能。 关键词烟气脱硫撞击流结构设计传质 T A b s l r a c t A b s t r a c t T h em a jo rp r o b l e mt ot h ea t m o s p h e r ee n v i r o n m e n ti sa c i d - r a i np o l l u t i o n c a u s e db yd i s c h a r g eo fS 0 2i nq u e n t i t y ．S o ，i ti sn e e d e du r g e n t l yt od e v e l o pa n e wt e c h n o l o g yf o rf l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n ，w h i c hs a v e sc o s t , o c c u p i e s s m a l l e ra r e a , h a ss i m p l e r p r o c e s s a n dw e l lp e r f o r m a n c et o i m p r o v e a t m o s p h e r ep o l l u t i o n c o n t r 0 1 ．I nt h ep r e s e n ts t u d yt h ei m p i n g i n gs t r e a m g a s l i q u i dr e a c t o rn e w l yd e v e l o p e d i su s e df o rf l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n F G D T h ed i m e n s i o n so ft h er e a c t o rd e s i g n e df o re x p e r i m e n t sa r e D i a m e t e ro f t h ea b s o r p t i o nc h a m b e r 反 7 0 0m m ，H e i g h to f t h em i d d l ec y l i n d e r 鼠 9 5 0 i n n l ，D i a m e t e ro fg a sc o n d u i t sd o 8 0r a i n ，I m p i n g i n gd i s t a n c ea d j u s t a b l ei n t h er a n g eo f 4 ．O ≤- g 盔≤6 ．0 ． F i r s t l y , s p r a yp e r f o r m a n c eo ft h ee d g yp r e s s u r en o z z l ei se x a m i n e d , w i t h S a u t e rm e a nd i a m e t e ro fs p r a yd r o p l e t sa st h ec r i t e r i o n ．T h er a n g eo f a t o m i z i n gp r e s s u r eo f0 ．8 - 1 ．0M P a i sf u n dt og i v ew e l ls p r a y s 、析Ⅱlp r o p e r d i s p e r s i o no fa b s o r b e n t ．T h e n , e x p e r i m e n t sa r em a d e t ot e s tt h e p r e s s u r ed r o p o v e rt h er e a c t o ru n d e rd i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s ．T h er e s u l t ss h o wi t b e i n gu n d e r5 0 0P a ．A n d ，i nt h et h i r ds t a g eo fi n v e s t i g a t i o n ，E x p e r i m e n t sa r e m a d eo nd e s u l f u r i z a t i o no fp s e u d of l u eg a sc o n s i s t i n go fS 0 2a n da i r , w i t I l C a O I - 1 r i n - w a t e ru s p e n s i o na st h ea b s o r b e n t ．T h ei n f l u e n c e so fl i q u i dt og a s 武汉化工学院硕士学位论文 f l o wr a t er a t i o 吲％，S 0 2c o n c e n t r a t i o ni nf e e d i n gg a s ，C s j n ，C a ／Sm o lr a t i o ， a n di m p i n g i n gd i s t a n c eo nt h ee f f i c i e n c yo fs u l f u r - r e m o v a l ．S t a b l eo p e r a t i o n o ft h es y s t e mu n d e rt h ec o n d i t i o n so fv d v o o ．8 4L ／m 3 ，i m p i n g i n gv e l o c i t y 妒7 ．0m ／s ，a n dS 0 2c o n c e n t r a t i o nC s ，i n 3 2 0 0m g ／m 3y i e l d sa ne f f i c i e n c yo f S 0 2 一r e m o v a lo f9 2 ．5 ％．M a s st r a n s f e rt o e 伍c i e n t sa r ec a l c u l a t e db a s e do nt h e s a u t e rm e a nd i a m e t e ro fs p r a yd r o p l e t s ，a n dt h ev a l u e sf o rt h ev o l u m e t r i co n e ， 咖，o b t a i n e da r er a n g e df r o m0 ．5 t o1 ．0S - 1f o rt h eo p e r a t i o n su n d e rt h e c o n d i t i o n st e s t e d ，s h o w i n gw e l lt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo ft h er e a c t o ru s e d ． K e y w o r d sF l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n , I m p i n g i n gs t r e a m s ，S t r u c t u r ed e s i g n ， M a s st r a n s f e r l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除义中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均L 在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名红 协产炉77 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解我院有关保留、使用学位论文的规定， 即我院有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅。本人授权武汉] 雾t 大学研究生处可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学化沦文。 ， 保密∥，在 兰年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密O 。 请在以上方框内打“4 ’’ 学位论文作者签名协 指导教师签名 嵋年炉1 7 日 弋以b k 广．弋月‘c ＼日 第1 章文献综述 第1 章文献综述 1 ．1 本课题的背景及实际意义 二氧化硫的大量排放造成的酸雨污染是我国大气环境污染的主要问 题，每年的经济损失高达上百亿元【1 ．3 】，是制约我国经济发展的重要因 素。大气中S 0 2 的来源主要是煤炭燃烧，其排放量占总排放量的9 0 ％ 以上。由此引起我国酸雨面积不断扩大，从8 0 年代初的西南局部地区 扩展到西南、华中、华南和华东的大部分地区。目前平均降水P H 值低 于5 ．6 的地区已占全国面积的4 0 ％左右。可见酸雨引起的大气污染问题 非常严峻。随着世界一体化的进程，人民对环境求的要求的提高，我国 必须加强对二氧化硫排放控制。但我国经济基础薄弱，生长技术落后， 经济承受能力有限而我国少数采用了脱硫技术的大电厂几乎都是从国 外引进的昂贵的脱硫设备。要想让所有的中小型电厂的燃煤锅炉也和大 电厂一样，显然与实际不符。因此，迫切需要开发一种投资少，占地小， 工艺简单，具有较好效果的脱硫技术，改善我国的大气污染严重的状况。 基于以上原因，本课题的确定有充分的理论和实践依据 1 国内目前急需先进又适合我国国情的烟气脱硫技术。 2 湿法脱硫技术是当今烟气脱硫 F l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n ，F G D 领域 的主导技术。 3 以前湿法脱硫技术存在的问题是主体设备即吸收装置不理想，处理 费用高。 武汉化工学院硕士学位论文 3 已证明降1o 】撞击流技术是强化气膜控制进行相间传递最有效的方 法之一。 1 ．2 主要脱硫工艺简介 烟气脱硫是指对燃烧过程中排放的烟气进行脱硫，简称F G D 。F G D 技术按工艺特点分为湿法、半干法和干法3 大类。按副产品是否回收分 为抛弃法和回收法I n - 1 3 】。半干法工艺的特点是反应在气、固、液三相 中进行，利用烟气显热蒸发吸收液体中的水分，使最终产物为干粉状。 该法具有工艺简单、投资费用低、占地面积小等优点；不足之处是脱硫 效率低、吸收剂利用率低。主要脱硫工艺有旋转喷雾干燥法 S D A ‘1 4 1 、 烟气循环流化床脱硫 C F B 法 ‘1 7 ，1 8 1 和增湿灰循环脱硫 ⅫD ㈣。干法脱硫 工艺的特点反应在无液相介入的完全干燥的状态下进行，反应产物亦 为干粉状态。不存在腐蚀、结露等问题；但脱硫效率低，反映速度较慢，设 备也比较庞大。具体方法有荷电干式喷射脱硫法 C D S I 法 、等离子体法 【1 6 】熊 寸。 另外一种是湿法脱硫工艺。湿法脱硫工艺是世界上应用最多的，占脱 硫总装机容量的8 3 ．0 2 ％。其特点是脱硫过程在溶液中进行，脱硫剂和 脱硫生成物均为湿态。脱硫原理是采用碱性浆液或溶液作为吸收剂，使 二氧化硫与之反应生成亚硫酸盐和硫酸盐。该过程优点是反应为气液反 应，反应速度快、脱硫效率高、钙利用率高；缺点是初投资大、工艺流 程较复杂、系统容易结垢。常用的湿法工艺有石灰石／石灰一石膏法、 2 第1 章文献综述 双碱法、氨酸法、钠盐循环法、碱式硫酸铝法、氧化镁法以及海水脱硫 矗盘 专于O 1 ．2 ．1 石灰 石灰石 一石膏法口1 2 7 】 石灰石 石灰 一石膏法又称钙法是目前世界上应用最广泛，技术 最成熟的脱硫技术。该法以石灰石或石灰为吸收剂，通过向吸收塔内喷 入吸收剂浆液使之与烟气充分混合接触并对烟气进行洗涤使得烟气中 的S 0 2 与浆液中的碳酸钙或氢氧化钙反应生成亚硫酸钙和硫酸钙，从而 达到脱除S 0 2 的目的。该工艺具有脱硫效率高、运行可靠性高、吸收剂 利用率高、钙硫比低、吸收剂价廉易得的优点。副产品石膏可以回收利 用，也可抛弃。 1 ．2 ．2 海水烟气脱硫技术 海水烟气脱硫技术的基本原理为 1 利用海水的碱度将烟气中的S 0 2 充分吸收并转化为亚硫酸盐。其主 要反应式为 S 0 2 H 2 0 2 I - I S 0 3 2 ‘ 2 利用海水中的溶解氧将亚硫酸盐转化为硫酸盐。主要反应式为 2 S O B 2 - 0 2 2 S 0 4 2 一 3 利用海水中的H C 0 3 一与C 0 3 2 “ 的碱度将吸收S 0 2 时所产生的矿中 和，使海水水质得以恢复。主要反应式为 C 0 3 2 ’ H C O i 武汉化工学院硕士学位论文 H C 0 3 一 W C 0 2 f H 2 0 典型的海水脱硫工艺有B e c h t e l 工艺。该工艺的优点是脱硫效率高， 可达9 5 ％，S 0 2 的排放浓度可降到0 ．0 0 5 ％且不易结垢；缺点是受海水 质量、p H 值、含盐量和碱性的影响及地域的限制且用电量大。 1 ．2 ．3 双碱法烟气脱硫技术[ 1 9 , 2 0 ] 双碱法是美国通用汽车公司开发的一种方法，在美国应用广泛。其 原理是用N a O H 、N a 2 C 0 3 等碱溶液吸收S 0 2 后再与石灰或石灰石反应 再生，再生后的吸收液再循环使用。最终产物为亚硫酸钙或硫酸钙。双 碱法的优点是生成固体的反应不在吸收塔中进行，提高了运行的可靠 性，降低了操作费用。缺点是多一道工序，增加了投资。 1 ．2 ．4 氨法烟气脱硫工艺 氨法烟气脱硫工艺主要由吸收过程和结晶过程组成的。其主要反应 式为 吸收N H 3 H 2 0 S 0 2 一N H 挪S 0 3 2 N H 3 H 2 0 S 0 2 啼 N H 4 2 S 0 3 氧化 N H 4 2 S 0 3 1 ／2 0 2 “ - 4 “ N H 4 2 S 0 4 氨法工艺主要包括G E 氨法、N K K 氨法、B i s c h o f f 氨法、电子束氨 法【2 8 1 和N A D S 氨．肥法，酸．氨法。氨法工艺的主要优点是没有废水、废 渣，副产品可作为农用肥料。 4 第1 章文献综述 1 ．3 湿法烟气脱硫技术装置中主体设备的研究 湿法烟气脱硫技术作为当今世界最主要的烟气脱硫方法，国内外的研 究者为之进一步完善进行了大量的研究。其主要目标是提高脱硫率和吸 收剂利用率，提高系统运行可靠性，以降低系统投资和运行费用。 吸收器是烟气脱硫的主要和关键设备。目前国内外应用于湿法脱硫 的主要吸收器有板式塔、填料塔、喷淋塔、鼓泡式、液柱式、湍球塔、 超重力旋转床等。前三类为常规的脱硫设备，体积庞大、空间利用率和 设备生产强度低，导致设备投资大、运行费用昂贵。因此国内外很多研 究者主要在简化吸收塔结构、强化气液接触、减少能耗和提高脱硫效率 等方面进行了一些研究；后四类为目前研究比较多的较新颖的吸收器。 1 ．3 ．1 喷射鼓泡反应器 开发较成功的是日本千代公司研制的喷射鼓泡反应器【1 2 1 ，现已工业 化。其主要优点是S 0 2 的吸收、氧化、中和、结晶几步都在同一反应 器内完成，从而减少投资，脱硫效率也较高；缺点是液相内部有较大 的反混，而且反应器系统的阻力也比较大。 南京理工大学的王娟等口9 1 以中试喷射鼓泡反应器 J B R 为基础， 建立了一种基于全混流的J B R 烟气湿法脱硫数学模型，包括二氧化硫 在石灰浆液中的吸收模型和J B R 反应器模型；根据模型方程可求得在 J B R 任一位置各组分浓度 f i 己p H 值与烟气中初始二氧化硫浓度的关系， 并可计算二氧化硫在石灰浆液中的吸收速率、气液相传质系数及气液 5 武汉化工学院硕士学位论文 有效比表面积。 1 ．3 ．2 湍球塔[ 3 0 - 3 2 】 湍球塔是一种较好的湿式烟气脱硫装置。湍球塔内的填料球在流 化状态下运动，气一液界面因填料球的剧烈湍动而迅速更新，使气一 液相间的接触大大增加，气、液两相充分接触，从而气液间的体积传质 系数提高。同时，由于填料球在湍动，塔体具有自净作用，不易被固 体和粘性物料堵塞，特别适用于处理含有固体微粒，传质单元数不多 的不可逆化学吸收过程。浙江大学热能所研制的湍球塔运行稳定、操 作方便，脱硫效率在8 0 ％左右，缺点是操作弹性差。沈阳航空工业学 院的李爱民等【3 2 1 在自行设计的湍球塔上进行烟气脱硫的冷态试验，研 究不同工况下风量、静止床层高度、喷淋量、P H 值和二氧化硫进口 的质量浓度等主要影响因素与脱硫效率间的关系。试验结果表明，在 适当的工况下脱硫效率可达8 9 ．9 ％。 1 ．3 ．3 液柱脱硫塔【3 l 】 液柱塔脱硫过程如下烟气从脱硫反应塔的下部径向进入反应塔， 烟气在上升的过程中与脱硫剂循环液相接触，其中的S 0 2 与脱硫剂发生 反应而除去。脱硫后的烟气经过高效除雾器，除去其中的液滴和细小浆 滴，然后从脱硫反应塔排出进入气气交换器或烟囱。脱硫剂循环液由布 置在烟气入口下面的喷嘴向上喷射，液柱在达到最高点后散开并下落。 由于液柱塔采用了空塔液柱喷射方式，喷头孔径大，不易堵塞，而且系 6 第1 章文献综述 统能够在比较大的范围内调节，因此对控制水平和脱硫剂粒度要求不 高。 1 ．3 ．4 超重力旋转床 超重力技术是2 0 世纪8 0 年代后才出现的一种新技术。利用离心力， 使液膜的流动速度加快，液膜的厚度大大减薄，以此来强化传质过程。 传质单元高度仅l 一3 c m ，极大地缩小了设备尺寸与重量；气体通过设备 的压降与传统设备相近。国内将超重力技术应用在尾气脱硫上，取得了 较好的效果，但是在工业应用上进展缓慢。其原因在于现有的超重力 旋转填料床均为逆流型旋转填料床，内外环流体通道横截面积相比悬殊， 气速变化过大，气体形体阻力高；气体由旋转床的外环沿径向流向内环， 需克服离心阻力。这两个因素造成气相流阻过大，不适于大流量、低密 度、低浓度、燃煤尾气的处理。华南理工大学的潘朝群等【3 3 1 以双碱法脱 硫工艺对超重力旋转床进行了实验研究，认为此旋转床与传统的塔器相 比有比相界面积大、传质系数高、脱硫效果好、体积小、结构简单的优 点。 1 ．4 撞击流吸收的理论及试验研究 1 ．4 ．1 基本原理 撞击流 I I l l p i n 西n gs t r e a m s ，简记为I S 的概念于二十世纪六十年代初 由前苏联E l p e r i n 教授首先提出并进行了实验和理论研究。二十世纪七十 年代中期以来，以色列B e n ．C u r i o n 大学的T a m i r 教授1 4 2 ] 及其领导的研究 7 武汉化工学院硕士学位论文 组对此进行了深入的研究，并将其应用于固体颗粒的干燥、固一固和气 一气混合、气体的吸收和解吸、气体和煤的燃烧、乳液制备、液一液萃 取、离子交换、粉尘收集和造粒等多种化工单元操作过程。 撞击流作用原理如图1 ．1 所示，两股很靠近的等量气一固两相流沿同 轴相向高速流动，并在中点处撞击。相向流体碰撞的结果产生一个较窄 的高度湍动的撞击区，为强化传递过程提供极好的条件。 ● 撞击面 硌 绵十z 炉z 矿地 图1 ．1 撞击流原理 导致传递过程强化的主要因素是 a 撞击面附近颗粒与流体间达到 极高的相对速度； b 颗粒多次振荡及渗入反向流而延长撞击区中颗粒的 平均停留时间，撞击区持料量增大； C 对于液相为分散相的体系，巨大 的相间相对速度产生的剪切力有利于液体表面更新，增大传质速率； d 射流相互撞击，或减小压力脉冲，或产生强烈的径向和轴向湍流速度分 量，从而在撞击区中造成良好的混合。混合作用还因颗粒在浓度最高的 撞击区中多次往返渗透而得到加强。良好混合的结果是，连续相发生浓 度和温度均化，又进一步强化了传递过程。 8 赢 忽燃 第1 章文献综述 1 ．4 ．2 撞击流吸收理论及试验研究 山东石油大学的李发勇【3 4 1 等利用清水吸收C 0 2 及用氧化性吸收剂吸 收H 2 S ，对撞击流吸收器吸收性能进行了研究，并与具有内循环的喷射式 吸收器、鼓泡式吸收器进行了比较。实验结果表明撞击流吸收器的吸收 率和体积传质系数明显高于后两种吸收器；撞击流吸收器可用于有固体 物生成的吸收过程，此过程中无喷嘴堵塞现象。 T a m i r 和S t e p h a n t 3 5 】采用两撞击射流吸收塔在吸收空气中的丙酮的实 验中，分别采用喷淋式和鼓泡式撞击流吸收器进行吸收过程研究，实验 中两相流体在喷嘴内混合，吸收过程有部分是在喷嘴内进行的。实验结 果表明这种内混合喷嘴的效率要明显优越于外混合喷嘴；在同样气相流 速和液相流速下，喷淋式吸收器传质系数K c , a 在O ．3 1 5 ．4s ．1 之间，鼓泡 式吸收器的传质系数在O ．5 2 ls J 之间，传质性能高于喷淋式；液相流速 几乎并不影响吸收速率，而气相流速对收率和传质系数影响重大。在喷 嘴距离d 与吸收速率N 或传质系数K o a 曲线图中存在两个最大值 喷 嘴间距离较大时对应的最值也较大 ，第一个最大值的出现是由于撞击区 的颗粒二次分散，第二个最大值的出现则是由于撞击区单颗粒振荡行为 增加了颗粒停留时间。 M o r t e z a [ 3 7 1 采用了一长为6 0 c m 内径为9 ．2 c m 的材质为玻璃的带喷嘴的 圆柱型撞击流反应器研究了此反应器在二氧化碳和一乙醇胺气液相反应 中的特性。实验中观察到的现象 1 相界面积随气体流速的增加而增大； 9 武汉化工学院硕士学位论文 2 液体流速增加，一乙醇胺的转化率也增加； 3 两喷嘴间距相对较大或 较小时此撞击流反应器的效率都下降。通过实验作者还建立了用随机模 型来预测反应器的停留时间分布。 T a m i r l 3 6 ] 对C 0 2 在N a O H 中的化学吸收进行了实验研究。他把整个撞 击流反应器看作是如图1 ．2 所示五个反应器的串联，其中．1 ，5 模拟喷嘴 内的混合室，2 ，4 模拟从喷嘴出口到撞击区的自由混合区，反应器3 模 拟撞击区。由实验观察得出，撞击区的强度和宽度与喷嘴间的距离L ，气 液流速有关。当气液流速越高时，撞击区强度越大；但当L 2 6 0i r g n 时， 即使在较高的气液流速下，两流体间无撞击效应。从而得出反应器的性 能主要是由气体流速、液体流速和喷嘴间的距离L 三因素决定的结论。 实验还研究了上述三因素对界面积A 的影响 图1 ．2 撞击流反应器各区模拟示意 气体液体流速增加，A 增加；并且在L 8 0 衄，液体流速上限为1 6 0 k g ／h ， 气体流速为任意值时，A 达到最大值。实验最后还验证了同C 0 2 在水中 的物理吸收一样，传质速率与L 的关系图中出现了两个最大值。 B e r m a n 和T a m i r l 3 8 ，3 卿用同轴圆筒撞击流反应器作为新型湿法脱硫吸 l O 第1 章文献综述 收器，用C a O H 2 或N a O H 溶液作为吸收剂，对烟道气中S 0 2 的吸收进 行了试验和模型研究，雾化喷嘴采用外部完全混合型，烟道气与吸收剂 只在从喷嘴射出后才混合。实验得到了反应器中烟道气脱硫最佳操作条 件同心圆筒数为2 ，烟道气喷口流速在1 0 1 5m ／s 范围，C a O H 2 溶 液消耗比在O ．2 5X1 0 。3 m 3 ／m 3 烟道气，C a ／S 比值 含1 0 ％C 0 2 下 为 1 ．8 m o l ／m o l 烟道气，为了雾化C a O H 2 溶液，空气流速与烟道气的总流速 为O ．0 8r n 3 ／m 3 ，单位体积反应器的生产能力为1 ．1X1 0 4m 3 烟道气m ，反应 器水力阻力为1 ．1k P a 不考虑进料管 ，脱硫效率为9 4 9 7 ％，吸收剂 利用率为5 2 “ - - 5 4 ％，实验表明，这种撞击流反应器的脱硫性能明显比其 余脱硫反应器强低吸收剂消耗，低功率消耗，高脱硫率；当钙硫比大于 临界值时，传质过程与吸收剂的浓度无关，因此，吸收剂过量时，可认 为脱硫过程主要由二氧化硫从气相主体的扩散过程决定。 1 ．5 本课题所要达到的目标 ●建立一套处理烟气量为8 0 0 “ - - 1 0 0 0N m 3 ／h 的撞击流吸收器脱硫小型中 间试验装置。 对旋涡压力喷嘴的雾化特性进行试验研究，确定雾化效果较好时所需 的压力。 对新型撞击流气液反应器的阻力进行研究。 ●研究钙硫比、两相流中的液气比、二氧化硫的含量、烟气流速和撞击 距离对吸收过程的影响，确定最优操作条件。 武汉化工学院硕士学位论文 1 ．6 本章小结 先阐述了本课题的背景及意义，然后介绍了脱硫工艺中最为广泛的 湿法脱硫工艺，指出现有设备体积庞大，设备昂贵，运转费用高；其次， 本章还介绍了撞击流的原理及其在吸收上的理论及试验研究；最后，本 章在文献综述的基础上，明确了本论文的研究目标和主要内容i 1 撞 击流吸收器装置设计； 2 撞击流吸收器阻力特性试验研究； 3 撞击 流雾化特性试验研究； 4 撞击流吸收烟气脱硫试验研究及传质系数的 计算方法。 1 2 第2 章脱硫装置设计 2 ．1 工艺条件的确定 1 烟气量 第2 章脱硫装置设计 实验室现有风机一台，试验测得烟气量见表2 ．1 所示 表2 ．1 风机风量测定 N O 阀门开度 烟气流速 m ／s 换算公式换算流量 m 3 ／h 1 4 1 1 06 净至D 2 材 1 2 2 4 25 ／1 01 02 0 4 D 一风机出口管 36 ／1 01 42 8 6 直径 47 门01 83 6 7 58 1 1 02 24 5 0 69 ／1 02 65 3 0 71 0 ／1 03 06 1 2 实验室风机可产生的最大风量为6 1 2m 3 ／h ，为了让试验研究结果在实际中 具有一定的借鉴性，结合现有风机的可生产量，可以选择设计烟气流量为 6 0 0m 3 ／h 。 2 吸收器内气体平均流速的确定 吸收器内的气速不能过高。过高的气速容易造成雾沫夹带，势必在测量 二氧化硫的浓度时会影响其准确性；同时受液膜阻力的影响，烟气气速也 1 3 武汉化工学院硕士学位论文 不能太慢，应在适中的范围内。结合众多相关技术和本脱硫塔自身的特点， 取O ．5m ／s 左右。 3 操作温度与操作压力 本试验拟做冷态下烟气脱硫研究，故操作温度为常温，操作压力也取常 压。 2 ．2 装置设计 2 ．2 ．1 雾化器 将吸收剂分散成雾状以提供巨大的相界面积，是实施撞击流吸收的必 要条件。本文引言中曾经提到，T a m i r 等采用双筒撞击流吸收器对石灰乳 吸收脱硫研究中采用气流雾化喷嘴。在实际应用中这将会产生一系列问 题 1 气流雾化能耗相当高，在操作费用中占有相当大的比重。 2 雾化 介质需要加压。为此而另外配置雾化压缩空气显然不合理；若分出一部分 烟气压缩后作为雾化介质，气体流程就变得相当复杂。 3 若采用烟气压 缩，为达到良好的雾化，由于喷嘴出口处气体速度需要达到3 0 0m s 1 左右， 烟气必须预先除尘；否则高速气体携带的粉尘将严重磨损喷嘴，导致操作 周期下降，维修、更新费用大大增加。压力喷嘴 国外称离心压力喷嘴， c e n t r i f u g a lp r e s s u r en o z z l e 雾化功耗低，通常仅为气流喷嘴的5 8 ％，显 然更为合理。 1 旋涡压力喷嘴[ 4 0 l 主要工艺尺寸计算 1 4 第2 章脱硫装置设计 以石灰乳为工质，密度取舻l1 0 0k g ／m 3 。已知进液量确 1 5 0 - - 4 0 0k g h - 1 。 喷孔面积计算 m L C D A 2 9 P P L 1 佗 2 - 1 彳．．堕 ⋯2 彳2 C D 2 g p L p L 一 1 1 2 z - x 取喷雾压力P 2 ．0 Ⅷa ；流量系数C b O ．1 雾炬张角 9 0 0 。代入上式， 得到 彳 瓦历 而1 5 0 丽- 4 0 丽0 ／3 丽6 0 0 2 ．1 1 5 ．6 1 1 l l U o 巧m 2 月 一 ● - X『m 0 ．1 2 9 ．8 l x 2 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 “2 。‘ 喷孔直径计算 巩A丢．、f呼2．11～5．61x10e 0 ．0 0 1 ．6 4 0 ．0 0 2 6 7 m 1 ．6 4 - 2 ．6 7 一 制作三种喷嘴，喷孔直径1 ．6 、2 ．2 、2 ．8t u n a 各一个。 实际取 彳 丽覆 丽15 0 忑- 4 而0 0 ／蕊3 6 0 而0 矿 2 ．3 5 - 6 ．2 7 1 0 。m 20 ．1 2 9 ．8 1 1 6 0 0 0 0 0 1 0 0 0 “‘ 、 2 主要结构尺寸 旋涡压力喷嘴结构如图2 ．1 所示，主要结构参数参见图2 ．1 武汉化工学院硕士学位论文 2 ．2 ．2 撞击流吸收器 图2 ．1 旋涡压力喷嘴 F i g u r e2 ．1E d d yp r e s s u r en o z z l e 2 ．2 ．2 ．1 基本结构和工作原理 吸收装置设计追求的主要目标，是在充分发挥撞击流强化相间传递 作用的前提下，设备结构尽可能简单。结构简单可以带来一系列好处 节省投资，减小阻力、降低操作费用。另外，由于反应过程中有固体沉 淀物生成，积垢现象不可避免。内件少、结构简单的吸收装置便于 清洗，减少停车时间。 设计的撞击流吸收器采用水平同轴两流撞击流，装置结构示意见图 2 ．2 。两个旋涡压力喷嘴对称地同轴安装在加速管内。模拟烟气的含硫气体 分成两股，以基本相同的流量通过加速管，加速由喷嘴分散成细滴状的石 灰乳使之达到气流速度的一定分率，携带它们射出加速管进入撞击流吸收 1 6 第2 章脱硫装置设计 室，在中心处相向撞击，形成高度湍动的撞击区，并在其中完成吸收作业。 吸收S 0 2 后分散相转变成含C a S 0 3 0 ．5 H 2 0 和C a S 0 4 2 H 2 0 微粒的悬浮体， 依靠重力下落，经排液管放出。该废液的处理工业上已有成功的方法； 本课题研究阶段暂不考虑。为使装置内气体与大气隔断，排液管下游设 有液封机构。分离绝大部分悬浮体滴粒后的气体向上流动，经除沫挡板 进一步脱除雾、沫后通过排气管放空。 C l e a n e dg a s 图2 ．2 撞击流吸收器结构示意 F i g ．2 ．2A B r i e fv i e wo f 3 I Sg a s l i q u i d 陀a c l c o f 2 ．2 ．2 ．2 设计条件 吸收装置设计按下列考虑原N ．- 1 中试规模，以保证放大的可靠性。 2 第一阶段进行冷模实验；但今后应能进行热模实验。 3 作为主要用于 研究的装置，在调整结构参数和改变操作条件方面应有较大的灵活性。 1 7 武汉化工学院硕士学位论文 装置设计的工艺条件列于表2 ．2 。 2 ．2 ．2 ．3 主要结构参数设计 表2 ．2 撞击流吸收中试装置设计工艺条件 T a b l e2 ．2T e c h n i c a lp a r a m e t e r sf o ri m p i n g i n gs t r e a m a b s o r b e rd e s i g n 烟气温度疋 烟气流量％ S 0 2 含量 操作压力P 常温 计算取2 5 “ C 5 0 0 - - 6 0 0m 3 ．h _ 1 12 0 0 - - 4 4 0 0m g r n - 3 常压 如图2 ．2 所示，撞击流吸收器本体设计为圆筒型，顶、底为锥形。顶 部锥形设计的目的是减小排出气体的流动阻力；锥形底则便于排放吸收 后的液体，防止在底部积累导致结垢等不良现象发生。主要结构参数及 其设计计算方法如下 1 加速管直径盔和长度乙 加速管具有引入高速气流和加速雾化液滴双重作用。其直径根据操作 气量和速度确定。管内气速蜘是一个重要参数。较大的u o 值有利于强化 传递；但同时使系统阻力呈指数函数地增N t 4 2 1 。根据撞击流装置已有操 作经验，本课题拟研究操作气速范围为1 5 2 5m S - 1 ；设计取2 0m s - 1 ， 管径按下式计算 1 8 第2 章脱硫装置设计 小际 气速变化的实验提高改变气体流量％ 来实施。 加速管长度的设计主要考虑加速 雾化液滴的要求。研究结果【4 2 1 已经证 明，当长度超过1m 后，气流加速颗 粒的作用已不明显。另一方面，本项 目设计的吸收装置采用压力雾化喷 2 - 3 嘴，雾炬离开喷嘴时已具有相当大的 图2 ．3 吸收室主要结构尺寸 轴向速度 ≥5m ．s 一1 ，容易再加速。为F i g u r e 2 ．3E s s e n t i a ld i m e n s i o n so f 尽可能减小压力损失，设计取三∽ 0 ．5 t h ea b s o r b e r - - 0 ．6m o 2 撞击距离S 撞击距离对强化传递作用有明显的影响而当无因次撞击距离S ／d o - 4 ．0 时，撞击引起的压降增大【4 1 1 ，颗糊液滴间碰撞加剧。在分散相为液体 的场合，碰撞可能导致