半干法烟气脱硫性能实验及其机理分析.pdf
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第19卷第1期电站系统工程Vol.19No.12003年1月PowerSystemEngineeringJan.,2003文章编号:
1005-006X(2003)01-0049-04半干法烟气脱硫性能实验及其机理分析浙江大学魏恩宗程世庆王乃华高翔骆仲泱摘要:
选用富阳石灰作为实验研究的脱硫剂,研究了石灰浆液雾化粒径、反应产物进行再循环对半干法烟气脱硫效率的影响,并进行了机理分析。
还研究分析了增湿水对脱硫的强化作用以及脱硫塔轴向中心温度分布等情况。
关键词:
半干法;烟气脱硫;性能实验中图分类号:
TK411+.5文献标识码:
AExperimentonPerformanceofSemi-dryFGDTechnologyandMechanismAnalysisWEIEn-zong,CHENGShi-qing,WANGNai-hua,etal.Abstract:
Fuyanglimeisselectedasthedesulfurizingagentforexperimentresearch.Influencesoflimeslurrysizeandproductrecyclingondesulfurizingefficiencyareinvestigated,andthemechanismisanalyzed.Also,theenhancementondesulfurizingefficiencybyaddedmoistureandaxialcentraltemperaturedistributionofdesulfurizingtoweraredetailed.Keywords:
semi-dryway;FGD;performanceexperiment由于以煤为主的一次能源构成,以及煤发热量低、含硫量高的特点,使我国二氧化硫污染日益严重。
在我国的人为污染源中,燃煤排放的SO2约占总排放量的87%,集中在城市工业区上空,燃用高硫煤的电厂所在的城市最为突出。
大量的燃煤和煤中较高的含硫量导致大量的SO2排放。
二氧化硫是当今人类面临的主要大气污染物之一,二氧化硫污染属于低浓度、长期的污染,它的存在对自然生态环境、人类健康、工农业生产、建筑物及材料等方面都造成严重的危害。
烟气脱硫不影响炉内燃烧和传热,是当前控制SO2污染最有效方法。
烟气脱硫技术主要是利用吸收剂或吸附剂去除烟气中的SO2,并使其转化为稳定的硫化合物或硫。
最早的烟气脱硫技术在本世纪初就已经出现。
近几十年来,国外对烟气的脱硫、脱硝进行大量的研究。
在工业发达国家,工业脱硫装置的应用发展很快。
我国近十多年来也开展了烟气脱硫技术的研究。
至今,烟气脱硫技术的种类非常多,按脱硫的方式和产物的处理形式一般可分为干法、半干法和湿法三大类。
半干法兼有干法与湿法的一些特点,是脱硫剂在干燥状态下脱硫在湿状态下再生(如水洗活性炭再生流程)或者在湿状态下脱硫在干状态下处理脱硫产物(如喷雾干燥法)的烟气脱硫技术。
特别是在湿状态下脱硫在干状态下处理脱硫产物的半干法,以其既有湿法脱硫反应速度快、脱硫效率高的优点,又有干法无污水废酸排出、脱硫后产物易于处理的好处而受到人们广泛的关注。
为了给半干法烟气脱硫技术的推广设计依据,本文对半干法烟气脱硫进行实验研究,研究结果将推动半干法烟气脱硫技术的推广应用。
1半干法烟气脱硫性能实验简介1.1实验装置半干法烟气脱硫性能实验系统如图1所示,该实验装置收稿日期:
2002-03-18魏恩宗(1965-),男,博士生,副教授。
热能工程研究所,310027由模拟烟气发生系统、石灰消化系统、喷雾干燥烟气脱硫塔、布袋除尘器和数据采集系统等五部分组成。
该系统是在喷雾干燥烟气脱硫工艺的基础上,广泛吸收其它半干法工艺,如循环流化床烟气脱硫和烟气悬浮脱硫等技术而开发的一种新型喷雾干燥烟气脱硫工艺。
图1实验系统图本工艺采用的喷嘴为双流体雾化喷嘴,浆滴的粒径预先用FAM型衍射式激光测粒仪测定,本实验中的Sauter平均直径在5070m范围内。
SO2由钢瓶经流量控制阀和标定过的转子流量计加入混合室中,以便烟气达到所需的二氧化硫浓度。
烟气入口、脱硫塔后,布袋除尘器后二氧化硫浓度用MSI-2000烟气分析仪来测定。
样气首先经过一颗粒捕集滤网,然后通过一电子冷却器使其中水蒸气凝结,之后进入一细颈瓶除去液态的水,最后送往分析仪。
仪器可以显示SO2浓度,同时通过数据采集系统将数据发送到计算机。
SO2浓度计经过1840ppm的标准SO2气体标定。
温度测点为镍铬-镍硅热电偶,在该试验中采用HP34970A数据采集仪。
烟气湿球温度在脱硫塔出口测量。
石灰浆和水流量由转子流量计测量,测速电机控制,通过改变混入水的流量可以改变趋近绝热饱和温度。
1.2实验工况本实验的基本工况为:
Ca/S=1.5,烟气入口温度Tin=15050电站系统工程2003年第19卷,烟气量Q=2000m3/h,入口SO2浓度1000ppm,趋近绝热饱和温度为10。
研究其中一个参数的影响时,其它参数保持不变,试验变量见表。
首先在基本工况下对两种石灰进行比较,结果发现萧山石灰的脱硫效率为67%,而富阳石灰的脱硫效率达到了80%。
因此,采用富阳石灰作为脱硫剂进行研究。
烟气流量/m3h-115002500烟气温度/140200烟气出口趋近绝热饱和温度/520烟气出口温度/6580烟气中SO2浓度/ppm4002000钙硫比0.52.52石灰浆液雾化粒径对脱硫效率的影响Yoon1对Coolside工艺中雾化空气压力对系统脱硫效率的影响进行了分析。
结果表明雾化空气压力变化导致雾化水滴粒径发生变化,同时也改变了水滴的干燥时间。
雾化空气压力越大,水滴的粒径越小,干燥时间也就越短,脱硫效率也就越低。
但是雾化空气压力上升到一定程度,脱硫效率的改变很小。
另外,雾化空气的压力降低到一定程度引起雾化恶化,水分已经不能形成水滴,脱硫效率急剧降低。
Mark2根据脱硫管道中心线的温度变化得到了不同雾化空气压力下水滴的干燥时间。
结果表明,有些种类的喷嘴随着雾化空气的压力改变,水滴的粒径变化较大,而另外一些则变化较小。
同样随着雾化空气压力的升高,系统的脱硫效率也都有所降低,只是对于不同的喷嘴,程度有所不同。
另外,趋于绝热饱和温度较低时,雾化空气压力增大,系统脱硫效率的降低不明显。
Hill等人3就石灰浆滴粒径对喷雾干燥烟气脱硫系统脱硫效率的影响进行了研究,研究结果表明石灰浆滴的粒径对系统的脱硫效率几乎没有任何影响。
他没有给出实际浆滴的粒径范围和干燥时间。
图2石灰浆滴初始粒径对脱硫效率的影响本文就浆滴的初始粒径对脱硫塔和布袋除尘器脱硫效率的影响进行了研究,结果见图2(图中sd、ff、total分别为脱硫塔、布袋除尘器和系统的脱硫效率,而布袋除尘器的脱硫效率是以脱硫塔入口烟气的SO2浓度为基准的)。
由图中可以看出,当石灰浆滴的粒径小于50m时,随着浆滴粒径的增大,脱硫塔脱硫效率明显上升;当石灰浆滴粒径超过50m以后,随着浆滴的粒径增大,脱硫塔脱硫效率的升高较少,直至不再变化。
随着浆滴粒径的增大,布袋除尘器的脱硫效率有所降低,这是由于布袋除尘器内吸收剂与SO2反应面积减小所致。
石灰浆滴的粒径对常速干燥阶段脱硫效率影响主要通过两个方面来实现。
随着浆滴尺寸增大,石灰浆滴的干燥时间延长;同时,由于反应表面积减小,外部传质速率降低。
这两方面的影响是相互抵触的。
当粒径小于50m时,干燥时间延长对系统脱硫效率的影响是主要的;而当粒径为50100m范围时,两方面的影响几乎抵消;当石灰浆滴的粒径大于100m时,外部传质速率是控制整个反应程度的控制环节。
因此,可以认为存在一个最佳的浆滴初始粒径范围。
从本试验结果看,一般在50100m之间。
浆滴粒径降低也就是所需的气耗率降低,相应的运行成本降低。
因此,在不影响脱硫效率的情况下可以尽量选择较大粒径的浆滴。
但是由于粒径较大的浆滴蒸发时间较长,为了保证布袋除尘器入口石灰浆滴已经完全干燥,必须增加脱硫塔的高度,这会提高制造成本。
另外,对于一定喷嘴,可以生产的浆滴的最大直径是有限的,超过设计的临界点,喷嘴的雾化效果会急剧恶化。
所以在设计时应当综合考虑系统的各个方面。
就本实验系统看,选择75m的浆滴粒径是合适的。
3循环对脱硫效率的影响把反应产物进行再循环是半干法烟气脱硫工艺常用做法。
反应产物由硫酸钙、亚硫酸钙、飞灰以及未反应的石灰等组成。
由于循环使用后使得未反应的石灰有机会再与SO2反应,所以脱硫产物再循环可以提高脱硫效率和脱硫剂的利用率。
另外由于添加的石灰浆滴覆盖在再循环脱硫灰渣的表面,使得与SO2反应有效表面积相对增加,提高了脱硫效果。
本文对脱硫灰渣循环对系统脱硫效率的影响进行了研究,结果见图3和图4。
循环倍率为循环灰渣量与新鲜石灰量之比。
结果表明,当循环倍率一定时,随着Ca/S的增加,脱硫效率的提高逐渐减缓。
而当Ca/S一定时,提高循环倍率可以提高系统的脱硫效率,当循环倍率超过5以后,提高逐渐变得不再明显。
图3循环对脱硫效率的影响(循环比5:
1)图4循环比对脱硫效率的影响(Ca/S=1.5)D0/m/%/%Ca/S20406080100100908070605040302010010090807060504030201000.51.01.52.02.53.03.510090807060504030201000.02.04.06.08.010.012.0循环比/%第1期魏恩宗等:
半干法烟气脱硫性能实验及其机理分析514增湿水对脱硫效率的影响由以上试验结果可以看出,石灰浆滴干燥阶段结束后,脱硫反应的速度很低。
因此,在脱硫塔内高燥后阶段脱硫效率有很大的提高空间。
既然液相水的存在有利于脱硫反应的进行,在保证脱硫塔出口趋近绝热饱和温度不变(即需要的总喷水量不变)的情况下,减少石灰浆液的含水量,而将这一部分水从石灰浆液喷嘴的上方某一位置喷入,这样就可以延长脱硫塔内液相存在的时间,提高脱硫效率。
这部分水分称为增湿水。
本次试验研究增湿水对半干法烟气脱硫效率的影响。
增湿水的位置分别为浆喷嘴以上3、6和9m。
烟气出口的趋近绝热饱和温度为10、15和20。
4.1增湿水位置对脱硫效率的影响烟气出口趋近绝热饱和温度为10,在3个不同的增湿水位置进行试验,结果见图5。
喷水量分别占系统总水量的10%、20%、30%、40%和50%。
结果发现:
无论增湿水位置如何,随着增湿水比例的增加,系统的脱硫效率都有所提高,最高达4%。
而当增湿水增加到30%以后,系统的脱硫效率却有所下降。
由于增湿水比例的增加,延长了脱硫塔内液相水分存在的时间,因此脱硫效率会上升;但是,因为总水量不变,如果增湿水量过大(超过30%),势必会影响石灰浆滴内的含水量。
石灰浆滴内含水量降低会使其干燥时间减少。
脱硫效率不再增加,反而开始降低。
图5不同增湿位置下增湿水的量对脱硫效率的影响当增湿水位置位于石灰浆喷嘴以上3m时,脱硫效率比没有增湿水时的脱硫效率提高不多;当增湿水喷嘴位于石灰浆喷嘴以上6m时,脱硫效率升高明显;而当湿水喷嘴位于石灰浆喷嘴以上9m时,脱硫效率的升高与增湿水喷嘴位于石灰浆喷嘴以上6m时的效果相仿。
这是因为增湿水喷嘴在石灰浆液以上3m时,此处石灰浆液尚未干燥,增湿水对于提高液相水分停留时间的效果不明显。
当增湿水位于石灰浆液喷嘴以上6m时,石灰浆液干燥阶段恰好结束,此时进行增湿效果最好。
而如果增湿水喷嘴位于9m,则在石灰浆液干燥过程完毕以后至增湿水喷入的一段距离内石灰颗粒表面没有液相水存在,这样实际上在脱硫塔内干燥阶段的时间将减少,而干燥阶段脱硫反应最强烈,因此,效果不会比增湿水喷嘴位于6m时显著。
考虑到布袋除尘器的安全性问题,增湿水的喷入点应当在石灰浆液恰好干燥的位置。
4.2不同出口烟气趋近绝热饱和温度下增湿水对脱硫效率的影响图6增湿水量对脱硫效率的影响在脱硫塔出口烟气趋近绝热饱和温度分别为10、15和20,增湿水比例为系统总水量的10%、20%、30%、40%和50%时的试验结果见图6。
结果发现,在各个趋近绝热饱和温度情况下,有增湿水比没有增湿水时的脱硫效率升高;而且脱硫效率随着增湿水量的增加到一定程度都开始下降。
另外,烟气的趋近绝热饱和温度越小,系统的脱硫效率越高,但是增湿水对系统脱硫效率的提高效果越不明显。
4.3不同循环倍率下增湿水对脱硫效率的影响为进一步提高系统的脱硫效率,采用增湿水的同时进行脱硫灰渣再循环。
在基本工况下,对没有增湿水和30%增湿水两种情况改变循环倍率进行研究。
结果见图7。
可以看出,增湿水为30%时,随着循环倍率的增加脱硫效率也上升,而且始终比没有增湿水时高,但是随着循环倍率的增加,两种情况之间的差值逐渐减小。
图7不同循环倍率下增湿水对脱硫效率的影响(Ca/S=1.5,DT=10)4.4脱硫塔轴向中心温度分布由于脱硫塔内气体温度低于150,可以将包裹湿球的纱布浸湿后插入管道中直接测量湿球温度4。
当烟气中有足够的水分可以保持纱布上的水分时,热电偶所测的温度即湿球温度;而当烟气中的水分已经完全蒸发时,热电偶的温度为干球温度。
这样就可以根据热电偶的温度状况分析脱硫塔内的干燥状况及其对脱硫效率的影响。
图8为出口趋近绝热饱和温度为10,增湿水量为30%时当增湿水喷嘴分别位于石灰浆喷嘴以上3、6和9m时的脱硫塔轴向中心温度分布情况。
由图可见,当DL=3m时,热电偶测得的温度直到石灰浆喷嘴以上6m时几乎保持在60不变,当达到8m以后温度急剧升高到出口温度70;当DL=6m时,热电偶测得的温度直到石灰浆喷嘴以上/%增湿水量/%0.010.020.030.040.050.0858075706560550.010.020.030.040.050.0增湿水量/%87.086.085.084.083.082.081.080.0/%0246810循环倍率92919089888786858483828180/%52电站系统工程2003年第19卷4m时几乎保持在60不变,之后温度升高,而由于6m处有增湿水喷入,导致热电偶的温度又降低到60左右,之后上升到出口温度70;当DL=9m时,热电偶测得的温度直到石灰浆喷嘴以上4m时几乎保持在60不变,当达到6m以后温度升高,在喷嘴以上8m处温度达到接近80,而由于9m处有增湿水喷入,导致热电偶的温度又降低到60左右,之后上升到出口温度70。
图8增湿水位置对烟气温度分布的影响图9为出口烟气温度为70,增湿水喷嘴位于石灰浆喷嘴以上6m,增湿水量分别为系统总水量的10%、20%、30%、40%和50%时脱硫塔轴向中心温度分布情况。
由图可见,不同增湿水量下温度的变化趋势是一致的,增湿水的比例越大,温度升高的越早也越高。
经过增湿水喷嘴时温度则降低到最小,之后逐渐上升。
在此过程中,增湿水的比例越小,温度升高的越早也越快。
图9不同增湿水量对烟气温度分布的影响图10脱硫塔压差与烟气流量之间的关系5脱硫塔阻力脱硫系统的阻力损失是与运行费用密切相关的一个指标。
本实验系统脱硫塔的阻力损失与风量的关系见图10,脱硫塔与循环倍率的关系见图11。
由图10可见,脱硫塔的阻力与烟气流量呈二次曲线关系。
由图11可见,脱硫塔的阻力与循环倍率成正比。
由于本试验系统的布袋除尘器的阻力是随着时间变化的,它取决于布袋除尘器的消灰间隔。
对于本试验系统,当布袋除尘器的压差达到1000Pa时进行测量,之后就进行消灰。
因此在基本运行工况下,如果循环倍率为5,整个系统的压降约为2000Pa。
虽然脱硫效率随着循环倍率的提高而增大,但是由图11可以看到,其阻力也迅速增大。
图11脱硫塔压差与循环倍率之间的关系6结论本文选用富阳石灰作为实验研究的脱硫剂,研究了石灰浆液雾化粒径、反应产物进行再循环对半干法烟气脱硫效率的影响,并进行了机理分析。
还研究分析了增湿水对脱硫的强化作用以及脱硫塔轴向中心温度分布等情况,主要结论如下:
(1)石灰浆滴粒径小于50m时,随着浆滴粒径的增大,脱硫效率升高;而当粒径大于50m之后,随着浆滴粒径的增大,脱硫效率的增加不明显。
(2)提高循环倍率可以提高系统的脱硫效率,当循环倍率超过5,趋势不明显。
(3)有增湿水比没有增湿水时的脱硫效率升高,脱硫效率随着增湿水量的增加到一定程度都开始下降。
另外,烟气的出口温度越低,系统的脱硫效率越高,但是增湿水的效果越不明显;增湿水的喷入点应当在石灰浆液恰好干燥的位置。
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闻彰石灰浆以上相对位置/m0.05.010.015.0898785838179777573716967656361595755温度/石灰浆以上相对位置/m0.05.010.015.080.075.070.065.060.055.0温度/烟气量/m3h-1050010001500200025003000300250200150100500压差/Pa循环倍率012345678910180016001400120010008006004002000压差/Pa
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