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石灰石活性和塔内流场对湿法烟气脱硫效率的影响研究

作　者: 郭瑞堂
导　师: 高翔；骆仲泱；岑可法
学　校: 浙江大学
专　业: 工程热物理
关键词: 烟气脱硫石灰石活性溶解气液传质优化气液反应
分类号: X701.3
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

随着经济和社会的发展，燃煤造成的SO₂及NOx污染日益严重。在目前的烟气脱硫工艺中，石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺由于具有技术成熟、运行可靠、脱硫效率高、吸收剂来源丰富、价格低廉等优点，获得了广泛的应用。在石灰石-石膏湿法烟气脱硫系统中，作为吸收剂的石灰石的活性以及脱硫塔内的流场分布对SO₂的吸收有着重要影响。针对国外烟气脱硫工艺在中国运行过程中出现的问题，以提高脱硫效率和系统运行的经济性以及实现以湿法烟气脱硫工艺为基础的多种污染物同时脱除为目的，本文对石灰石的活性、脱硫塔内气液传质的优化以及石灰石浆液吸收NO₂的机理进行了研究。通过定pH值滴定法考察了pH值、温度、粒径分布、石膏、飞灰、Al³⁺、F、NO₃^-等因素对石灰石溶解过程的影响。较低的pH值、较高的反应温度和较小的石灰石粒径分布有利于石灰石的溶解；石膏、飞灰对石灰石的溶解有轻微的抑制作用；Al³⁺与F^-形成的络合物则会严重抑制石灰石的溶解。为考察石灰石成分对其脱硫能力的影响，测试了42种不同产地的石灰石样品的脱硫能力；系统分析了石灰石的化学成分，包括CaO、MgO、Fe₂O₃、Al₂O₃、SiO₂、烧失量等对其脱硫能力的影响。结果表明：CaO和MgO含量是影响石灰石脱硫能力的关键因素；SiO₂和Fe₂O₃含量对石灰石的脱硫能力也有一定影响。此外,XRD结果表明，石灰石脱硫能力与方解石的结晶程度密切相关，白云石相的存在会严重抑制石灰石的溶解。为考察石灰石的品质对SO₂吸收的影响，基于气体吸收的双膜理论，建立了通过石灰石品质和粒径分布来预测喷淋塔脱硫性能的数学模型，并进行了相应的试验研究。该模型中，石灰石种类的不同对SO₂吸收的影响通过石灰石溶解的表面反应速率常数来解释；对于同种石灰石来说，粒径分布越小，比表面积越大，溶解越快，越有利于SO₂的吸收。通过安装气液传质强化构件，对湿法烟气脱硫喷淋塔内的气液传质进行了优化试验研究及CFD模拟。结果表明，气液传质强化构件能够防止烟气沿塔壁逃逸，整流气相流场，强化气液两相在吸收区的混合，有利于SO₂的吸收。通流截面一定时，喷淋区压降和脱硫效率随构件与水平面夹角的增大而增大；构件与水平面夹角一定时，喷淋区压降和脱硫效率随通流截面的增大而减小。利用双搅拌釜反应器研究了NO₂在石灰石浆液中的吸收过程；考察了各种因素如石灰石浆液浓度、反应温度、石灰石颗粒的粒径分布、搅拌速率、NO₂入口浓度及烟气中的含氧量等因素对NO₂吸收速率的影响。结果表明，在NO₂的吸收过程中，石灰石的溶解具有重要影响。NO₂的吸收速率随着搅拌速率、NO₂入口浓度和烟气中含氧量的升高而升高，而且较低的反应温度有利于NO₂的吸收。在喷淋塔内，NO₂脱除效率随烟气停留时间的延长而升高。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-10
目次  10-14
1 绪论  14-24
  1.1 研究背景  14-17
    1.1.1 SO_2的污染现状  14-16
    1.1.2 我国NOx排放现状  16-17
  1.2 主流烟气脱硫脱硝技术介绍  17-20
    1.2.1 石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术  17-19
    1.2.2 选择性催化还原烟气脱硝技术  19-20
    1.2.3 湿法烟气同时脱硫脱硝技术  20
  1.3 中国现有湿法烟气脱硫系统在运行中遇到的问题概述  20-21
  1.4 本文研究内容简介  21-24
2 石灰石溶解的影响因素研究  24-46
  2.1 前人的研究综述  24-36
    2.1.1 石灰石自身特性对溶解的影响  24-27
    2.1.2 浆液的物理化学性质  27-36
  2.2 试验  36-37
  2.3 结果与讨论  37-44
    2.3.1 pH值的影响  37-38
    2.3.2 温度的影响  38-39
    2.3.3 粒径分布的影响  39-40
    2.3.4 浆液中所含杂质的影响  40-44
  2.4 本章小结  44-46
3 石灰石成分对其脱硫能力的影响研究  46-62
  3.1 试验  46-56
    3.1.1 石灰石脱硫能力的测定  46-49
    3.1.2 石灰石样品的XRD分析  49-56
  3.2 结果与讨论  56-61
    3.2.1 CaO含量对石灰石脱硫能力的影响  56
    3.2.2 MgO含量对石灰石脱硫能力的影响  56-57
    3.2.3 Al_2O_3及Fe_2O_3含量对石灰石脱硫能力的影响  57-59
    3.2.4 SiO_2含量及烧失量对石灰石脱硫能力的影响  59-60
    3.2.5 地域分布对石灰石脱硫能力的影响  60-61
  3.3 本章小结  61-62
4 石灰石品质和粒径分布对SO_2吸收的影响  62-92
  4.1 湿法烟气脱硫过程的数值模拟  64-81
    4.1.1 模型基本假设  64-65
    4.1.2 气膜内的传质  65-68
    4.1.3 液膜内的传质  68-74
    4.1.4 石灰石的溶解  74-77
    4.1.5 CaSO_3的结晶  77
    4.1.6 石膏的结晶  77
    4.1.7 吸收段模型  77-78
    4.1.8 喷嘴出口处液相主体中各种物质平衡浓度的计算  78-79
    4.1.9 氧化段模型  79-81
  4.2 模型中所用到的参数及其求解  81-84
    4.2.1 模型中所需要的物理化学参数  82-84
    4.2.2 试验台结构及运行参数  84
  4.3 模型计算结果及试验验证  84-89
    4.3.1 石灰石品质对SO_2吸收的影响  85-86
    4.3.2 石灰石粒径分布对SO_2吸收的影响  86
    4.3.3 石灰石粒径随时间变化情况  86-87
    4.3.4 pH值对表面反应速率常数的影响  87-88
    4.3.5 温度对表面反应速率常数的影响  88-89
  4.4 模型的工程应用  89-90
  4.5 本章小结  90-92
5 湿法烟气脱硫喷淋塔塔内气液传质强化研究  92-114
  5.1 前人工作简介  94
  5.2 喷淋塔塔内流场的模拟  94-102
    5.2.1 CFD简介  94
    5.2.2 基本假设  94-95
    5.2.3 连续相(烟气)流场的模拟  95-97
    5.2.4 离散相(液滴)流场的模拟  97-99
    5.2.5 物理模型  99
    5.2.6 计算网格  99-100
    5.2.7 SO_2吸收的模拟  100-101
    5.2.8 气液两相流场参数及边界条件  101-102
  5.3 试验  102
  5.4 结果与讨论  102-112
    5.4.1 气液传质强化构件对烟气迹线的影响  102-104
    5.4.2 气液传质强化构件对喷淋区压降的影响  104-106
    5.4.3 气液传质强化构件对塔内浆液液滴分布的影响  106-107
    5.4.4 气液传质强化构件对SO_2吸收的影响  107-109
    5.4.5 气液传质强化构件的几何结构对喷淋区压降的影响  109-110
    5.4.6 气液传质强化构件的几何结构对SO_2吸收的影响  110-112
  5.5 气液传质强化构件最优方案的确定  112
  5.6 本章小结  112-114
6 石灰石浆液吸收NO_2机理研究  114-124
  6.1 试验装置  115-116
  6.2 结果与讨论  116-123
    6.2.1 石灰石浆液浓度对NO_2吸收速率的影响  116-117
    6.2.2 石灰石粒径分布对NO_2吸收速率的影响  117-118
    6.2.3 反应温度对NO_2吸收速率的影响  118-119
    6.2.4 搅拌速率对NO_2吸收速率的影响  119-120
    6.2.5 NO_2入口浓度对吸收速率的影响  120-121
    6.2.6 烟气中的含氧量对NO_2吸收速率的影响  121-122
    6.2.7 烟气停留时间对NO_2脱除效率的影响  122-123
  6.3 本章小结  123-124
7 全文总结及展望  124-126
  7.1 本文的研究成果  124-125
  7.2 不足之处和今后的设想  125-126
参考文献  126-136
作者简历  136-137

石灰石活性和塔内流场对湿法烟气脱硫效率的影响研究

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