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石灰石—石膏湿法脱硫过程的吸收、氧化及结晶机理研究

作　者: 霍旺
导　师: 高翔；程乐鸣；倪明江
学　校: 浙江大学
专　业: 能源环境工程
关键词: 湿法脱硫气液传质二氧化硫吸收亚硫酸钙氧化二水硫酸钙
分类号: X701.3
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

近年来随着国家对二氧化硫排放标准的日趋严格,我国引进了当前世界范围内使用较多的石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术,应用在大型燃煤电厂上进行排放二氧化硫控制。我国发电机组普遍存在煤种不稳定、机组参与调峰等本国国情,因此在国外机组上应用情况良好的湿法脱硫工艺在国内应用过程中出现了投运率不足及脱硫性能不达标等问题。由于石灰石-石膏湿法脱硫工艺涉及到的传质及化学反应机理十分复杂,尤其是吸收段碱性液滴与二氧化硫间的气液传质机理、塔内二氧化硫浓度场的分布、脱硫过程中亚硫酸盐的氧化及硫酸盐结晶等直接关系到系统运行的稳定性和脱硫性能,有必要对此加以深入研究。本文通过深入分析石灰石浆液吸收二氧化硫过程中的物理及化学反应过程,建立了石灰石-石膏湿法吸收二氧化硫模型,通过对模型求解得出了化学反应对二氧化硫吸收的增强影响。结果表明,二氧化硫吸收化学反应增强因子随着石灰石浆液pH值的升高而增大,随着二氧化硫传质驱动力的增大呈对数关系衰减。基于模型计算结果进行了石灰石-石膏湿法二氧化硫吸收过程的数值模拟,并结合实验对数值模拟结果进行了验证,得出了进口二氧化硫浓度、烟速和喷淋量对塔内二氧化硫浓度场分布和脱硫效率的影响,研究结果可为实际喷淋塔优化设计提供指导。采用数值模拟和粒子成像技术(PIV)研究了氧气在液相中的动态传质过程。结果表明,在相同搅拌速度下,圆盘涡轮式搅拌器产生的湍流动能分布范围要大于桨式搅拌器产生的湍流动能,而且湍流动能分布更均匀,湍流强度更大,圆盘涡轮式搅拌器更有助于氧气的传质。研究了亚硫酸盐的氧化反应涉及到气液界面的动力学性质,给出了亚硫酸盐氧化反应动力学特性和传质机理。分析了亚硫酸钙由固相到液相的溶解、氧从气相到液相的扩散、液相中的化学反应对亚硫酸根氧化速率的影响,并对亚硫酸根氧化速率控制步骤进行了推断。采用铁锰金属离子作为添加剂,通过改变pH值、浆液浓度、空气流量、温度等参数,研究了石灰石-石膏湿法脱硫工艺条件对亚硫酸盐氧化速率的影响,得出了氧化速率与工艺条件的关系。结果表明在一定的pH值和亚硫酸根的浓度条件下,铁锰金属离子的存在可提高亚硫酸根氧化速率达到10-30倍。研究了石灰石-石膏湿法脱硫结晶过程对二水硫酸钙晶体的诱导时间、结晶速率、晶体尺寸分布以及形态的影响,为进一步量化金属离子对石膏晶体脱水性能的影响,开发了对SEM电镜照片的边缘检测程序。在结合离子活度的基础上,给出了湿法脱硫条件下金属离子对固相石膏晶体表面能及结晶速率的影响,实验结果表明金属离子的存在提高了结晶的诱导时间,抑制了晶体在特定方向的增长。同时金属离子对不同结晶面的生长速率影响各不相同,从而使固相石膏晶体由板状结构变为针状结构。

全文目录

致谢  5-7
摘要  7-9
Abstract  9-14
1 绪论  14-20
  1.1 我国燃煤电站二氧化硫的污染现状  14-16
  1.2 燃煤电厂烟气脱硫技术发展及特点  16-17
    1.2.1 湿法烟气脱硫  16-17
    1.2.2 干法烟气脱硫  17
    1.2.3 半干法烟气脱硫  17
  1.3 课题背景和主要内容  17-20
    1.3.1 课题背景  17-18
    1.3.2 主要内容  18-20
2 石灰石-石膏湿法二氧化硫吸收及亚硫酸盐氧化的研究进展  20-35
  2.1 石灰石-石膏湿法脱硫工艺特点  20-24
    2.1.1 典型石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺  20-22
    2.1.2 湿法脱硫系统运行的主要特点  22-24
  2.2 湿法烟气脱硫过程中二氧化硫吸收的研究进展  24-31
    2.2.1 二氧化硫吸收的气液传质研究  25
    2.2.2 二氧化硫吸收增强因子的研究  25-27
    2.2.3 二氧化硫吸收模型研究  27-31
  2.3 湿法烟气脱硫过程中亚硫酸盐氧化的国内外研究现状  31-34
  2.4 本章小结  34-35
3 基于增强因子的石灰石-石膏湿法二氧化硫吸收过程的机理研究  35-62
  3.1 前言  35-36
  3.2 石灰石-石膏湿法脱硫实验台装置  36-38
  3.3 二氧化硫吸收模型  38-53
    3.3.1 模型的理论基础  38-39
    3.3.2 二氧化硫的吸收过程  39-41
    3.3.3 吸收过程中气液传质系数的确定  41-44
    3.3.4 吸收过程中各组分的反应速率  44-46
    3.3.5 吸收过程中各组分浓度的变化  46-49
    3.3.6 计算结果分析  49-51
    3.3.7 数值模拟  51-53
  3.4 增强因子对二氧化硫吸收的影响  53
  3.5 基于增强因子的喷淋塔内二氧化硫浓度场分布  53-56
  3.6 运行参数对脱硫性能的影响  56-60
    3.6.1 吸收塔入口二氧化硫浓度对脱硫效率的影响  56-57
    3.6.2 吸收塔入口烟速对脱硫效率的影响  57-59
    3.6.3 喷嘴数量对脱硫效率的影响  59
    3.6.4 液气比对脱硫效率的影响  59-60
  3.7 本章小结  60-62
4 石灰石-石膏湿法浆池内氧气的传质过程研究  62-76
  4.1 前言  62
  4.2 氧气的传质模型  62-65
    4.2.1 两相流模型  62-64
    4.2.2 氧气的传质速率  64
    4.2.3 网格及边界条件  64-65
  4.3 实验装置及方法  65-70
    4.3.1 实验装置  65
    4.3.2 实验方法  65-70
  4.4 实验结果及分析  70-74
    4.4.1 氧气传质过程中速度场矢量分布  70-72
    4.4.2 氧气传质过程中浓度分布  72-73
    4.4.3 氧气传质过程模拟值与实验结果对比  73-74
  4.5 本章小结  74-76
5 石灰石-石膏湿法脱硫中亚硫酸盐氧化的机理研究  76-98
  5.1 前言  76
  5.2 石灰石-石膏湿法脱硫中亚硫酸盐氧化反应动力学特性  76-83
    5.2.1 亚硫酸根氧化本征化学反应速率  76-77
    5.2.2 催化条件下亚硫酸根氧化化学反应速率  77-79
    5.2.3 亚硫酸钙的溶解速率  79
    5.2.4 氧气的传质速率  79-82
    5.2.5 总反应速率  82-83
  5.3 实验装置及方法  83-86
    5.3.1 氧化实验装置  83-84
    5.3.2 实验中所用到的测量方法  84
    5.3.3 实验步骤  84-85
    5.3.4 数据处理  85-86
  5.4 实验结果及分析  86-96
    5.4.1 初始亚硫酸根浓度对于氧化速率的影响  86-87
    5.4.2 空气流量对氧化速率的影响  87-89
    5.4.3 温度对氧化速率的影响  89-91
    5.4.4 pH值对氧化速率的影响  91-94
    5.4.5 铁锰离子对于氧化速率的影响  94-96
  5.5 本章小结  96-98
6 石灰石-石膏湿法脱硫过程中结晶的机理研究  98-114
  6.1 前言  98
  6.2 实验方法  98-103
    6.2.1 实验装置及步骤  98-100
    6.2.2 实验参数的确定  100-103
  6.3 实验结果及分析  103-113
    6.3.1 温度对二水硫酸钙结晶的影响  103-105
    6.3.2 Mg~(2+)和Fe~(3+)对二水硫酸钙晶体结晶的影响  105-113
  6.4 本章小结  113-114
7 全文总结与研究展望  114-116
  7.1 主要研究结论  114
  7.2 主要创新点  114-115
  7.3 本文不足之处及研究展望  115-116
参考文献  116-123
攻读博士学位期间发表的学术论文  123

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