1、高流速?gòu)?qiáng)化濕式石灰石煙氣脫硫工藝的實(shí)驗(yàn)室研究LaboratoryresearchonhighvelocityenhancedwetlimestoneFGDprocess李仁剛，管一明，孫祥志，周啟宏（國(guó)家電力公司電力環(huán)境保護(hù)研究所，江蘇南京210031）摘要：建立了濕式石灰石煙氣脫硫?qū)嶒?yàn)臺(tái)，并開(kāi)展高流速?gòu)?qiáng)化濕式石灰石煙氣脫疏工藝的研究。結(jié)果表明，提高吸收塔煙氣流速可強(qiáng)化傳質(zhì)過(guò)程，顯著地提高脫硫率，同時(shí)就小液氣比。關(guān)鍵詞：煙氣脫硫；濕式石灰石；高流速；強(qiáng)化傳質(zhì)；脫疏效率Abstract：AsetofwethmestoneFGDtestfacilitywasconstructedandresear

2、chonhighvelocityenhancedwetlimestoneFGDprocesswasconductedThetestresultsindicatethatoperationathighfluegasvelocityimproves1hemasstransferettecVvely,ncreasesSQ.removalefficiencysignificantlyanddecreasesgasliquidrateKeywords:FGD：welhmestone：highvelocity；masstransfereffectivenessSO2removalefficiency中圖分

3、類號(hào):X7013文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):1009-4032（2001）02-0014-010前言濕式石灰石煙氣脫硫工藝的發(fā)展歷程可分為2個(gè)階段。第I階段是20世紀(jì)70年代開(kāi)發(fā)的第I代濕式石灰石洗滌工藝，設(shè)置獨(dú)立的煙氣預(yù)冷卻洗滌塔、吸收塔，氧化槽等設(shè)備,氧化時(shí)要添加硫酸；系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備投資高，占地面積大，運(yùn)行可靠性差。80年代開(kāi)始進(jìn)入第2代濕式石灰石洗滌工藝階段，在吸收塔內(nèi)實(shí)現(xiàn)了煙氣預(yù)冷卻、SQ吸收和氧化、結(jié)晶的一體化。由于較好地掌握了脫硫化學(xué)過(guò)程，并通過(guò)簡(jiǎn)化流程、選用合適材料，解決了系統(tǒng)中結(jié)垢、堵塞、材料損壞等問(wèn)題，該工藝成為當(dāng)今世界上普遍采用的成熟的煙氣脫硫工藝，已被證明是一種高脫硫率、高可

4、靠性、高性能價(jià)格比的先進(jìn)脫硫技術(shù)。雖然隨著系統(tǒng)的不斷簡(jiǎn)化和改進(jìn)，其投資費(fèi)用已有較大幅度的降低，但目前投資和運(yùn)行費(fèi)用仍較高，降低費(fèi)用始終是世界各國(guó)最為關(guān)注的研究熱點(diǎn)。20世紀(jì)90年代開(kāi)始，美國(guó)、日本等國(guó)均致力于進(jìn)一步降低濕法工藝的投資和運(yùn)用費(fèi)用的研究，在保持第2代濕法工藝較高的脫硫率和吸收劑利用率等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，通過(guò)工藝改進(jìn)，如提高空塔煙氣流速，增強(qiáng)噴霧效果等，強(qiáng)化脫硫傳質(zhì)反應(yīng)，使其成為高效率、低費(fèi)用的新一代濕式石灰石煙氣脫硫系統(tǒng)。我國(guó)電力系統(tǒng)已投入運(yùn)行和在建的濕式石灰石煙氣脫硫系統(tǒng)I目前均采用較為成熟的第2代濕式石灰石工藝。本研究在吸收國(guó)外最新研究成果的基礎(chǔ)上，通過(guò)改進(jìn)工藝，強(qiáng)化脫硫傳質(zhì)反應(yīng)，優(yōu)

5、化工藝條件，在保持較高的脫硫率和吸收劑利用率的前提下，降低脫硫系統(tǒng)的投資和運(yùn)行費(fèi)用，以適應(yīng)和滿足我國(guó)脫硫市場(chǎng)的需求'1高流速吸收塔的研究應(yīng)用現(xiàn)狀常規(guī)的逆流空塔型吸收塔的流速一般是按3.03.6m/s設(shè)計(jì)和運(yùn)行。90年代，美國(guó)開(kāi)始進(jìn)行高流速吸收塔的中間試驗(yàn)研究，并建立示范工程,將煙氣空塔流速提高到4.0m/s以上，甚至高達(dá)6.0m/sc提高流速的顯著優(yōu)點(diǎn)是縮小吸收塔尺寸，降低工程建設(shè)投資；同時(shí)還可降低循環(huán)泵的能耗C近年來(lái).美國(guó)電力研究院（EPR1）以及ABB公司和Babcock&Wilcox公司等積極開(kāi)展高流速吸收塔的開(kāi)發(fā)研究。主要內(nèi)容：（1）通過(guò)中間試驗(yàn)研究高流速對(duì)脫硫率、除霧

6、器性能、吸收塔壓降、噴嘴布置等關(guān)鍵因素的影響：（2）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)或示范工程驗(yàn)證中間試驗(yàn)結(jié)果，確定設(shè)備的放大規(guī)律；（3）建立計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)比中間試驗(yàn)和示范工程的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并加以修正，為進(jìn)一步的設(shè)計(jì)提供參數(shù)；（4）對(duì)現(xiàn)有常規(guī)脫硫塔進(jìn)行改造，如將處理1臺(tái)爐煙氣量的脫硫塔改造成可處理2臺(tái)爐煙氣量，使空塔流速提高1倍。ABB公司開(kāi)發(fā)的LS-2工藝系統(tǒng)，已在俄亥俄州的EdisonNiles電廠建成處理容量為108MW的工業(yè)性示范裝置。初步試驗(yàn)結(jié)果表明，燃煤含硫量3.5%,空塔煙氣流速提高至5m/St用粒度為85%99%通過(guò)325目（44呻）的石灰石精，脫硫率可達(dá)90%-95%,石膏純度達(dá)97%9

7、8%。2強(qiáng)化濕式煙氣脫硫模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)為開(kāi)展強(qiáng)化濕式石灰石脫硫技術(shù)的工藝參數(shù)和關(guān)鍵設(shè)備的優(yōu)化研究，在電力環(huán)境保護(hù)研究所建成了姓理煙氣量1000-25OOni3/h的濕法脫硫?qū)嶒?yàn)臺(tái)c其工藝流程見(jiàn)圖1,主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)裝置由模擬煙氣配制系統(tǒng)、石灰石制漿計(jì)量系統(tǒng)、吸收氧化系統(tǒng)和排漿系統(tǒng)組成。各系統(tǒng)和主要設(shè)備：（1）模擬煙氣配制系統(tǒng)由液態(tài)so2鋼瓶、流量計(jì)、引風(fēng)機(jī)等組成。通過(guò)調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和SO2的加入，配制成一定so?濃度的模擬煙氣,從底部進(jìn)入吸收塔,脫硫后煙氣經(jīng)2級(jí)除霧后排放c（2）石灰石制漿計(jì)量系統(tǒng)由石灰石漿槽、計(jì)量泵組成。將購(gòu)量的一定細(xì)度的石灰石粉加水制成一定含固量的石灰石漿，通過(guò)計(jì)量泵

8、打入循環(huán)氧化槽內(nèi),作為補(bǔ)充的新鮮石灰石漿液。工藝水石灰石粉矣流分布板/IIX0牌樣11I口磁*循環(huán)泵電流L目X*贏二氧化疏鋼瓶"圖1濕法脫疏實(shí)驗(yàn)臺(tái)流程表1實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要設(shè)計(jì)參數(shù)注：本文煙氣量均為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)值。參數(shù)范a處理煙氣量10002500空塔流速/nr.-】36人口SOz休積分fe/xlO-61000-4000氧化槽停留時(shí)間Fnnn4-6液氣比（L/mb12-20哽淋層數(shù)/層16除霧器/級(jí)2石灰石粉細(xì)度（通過(guò)250目）/%90氧化空氣摩爾比1-2氣流分布板開(kāi)孔率/%40-100（3）吸收氧化系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)臺(tái)的核心部分，為逆流空塔型設(shè)計(jì)。上部為吸收塔，塔徑0.4m,高度可調(diào)節(jié)，用透明的有機(jī)玻

9、璃制成，塔上預(yù)設(shè)6個(gè)噴淋層開(kāi)口。下部為循環(huán)氧化槽，碳鋼制成，內(nèi)涂防腐涂料。吸收塔最高達(dá)7.7mc氧化槽頂部安裝1臺(tái)攪拌器,氧化空氣經(jīng)攪拌器軸向進(jìn)氣至漿葉下部，并被漿葉打成細(xì)小的碎泡。設(shè)1臺(tái)襯膠渣漿泵作為循環(huán)泵,其出口管道即噴淋母管分6個(gè)接口，分別與塔上的6個(gè)接口相對(duì)應(yīng)，可根據(jù)需要選用若干噴琳層,每個(gè)噴淋層均布3個(gè)噴嘴。塔內(nèi)設(shè)1個(gè)氣流分布板。（4）排漿系統(tǒng)由排漿泵和排漿槽組成。當(dāng)系統(tǒng)檢修或改變工況時(shí)，可將循環(huán)氧化槽內(nèi)的漿液打至排漿槽暫時(shí)存放。進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)再打回氧化槽內(nèi)，以便較快達(dá)到穩(wěn)定的試驗(yàn)工況。3吸收塔內(nèi)傳質(zhì)過(guò)程分析在吸收塔內(nèi),SO2的吸收可用雙膜理論解釋，主要經(jīng)歷3個(gè)步驟：（1）淪從氣相主體穿

10、過(guò)氣膜向氣液交界面?zhèn)鬟f：（2）泠在液膜表面溶解;（3）SO2從氣液交界面穿過(guò)液膜向液相主體傳遞并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。（D、3J為氾吸收的控制步驟。忽略液相S0?平衡濃度，吸收塔內(nèi)傳質(zhì)過(guò)程可用下式表示：式中：NTU為傳質(zhì)單元數(shù)，無(wú)因次iS&s為進(jìn)口S02摩爾分?jǐn)?shù)SO?,心為出口S02摩爾分?jǐn)?shù)；K為以氣相濃度差為推動(dòng)力的總氣相傳質(zhì)系數(shù),kg/g-m2;A為總傳質(zhì)面積、G為總氣體質(zhì)量流量,kg/so從（1）式可知.給定煙氣質(zhì)量流量G，脫硫率將隨.4和3的增大而增高c在噴淋塔中，A是指全部噴淋霧滴的總表面積，而在填料塔中則是填料的潤(rùn)濕表面。可見(jiàn)，A是由吸收塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所決定的.其值通過(guò)增加噴淋塔的液

11、相噴淋量或提高填料塔的填料高度而增大。K可用氣膜傳質(zhì)分系數(shù)如和液膜傳質(zhì)分系數(shù)表示：式中：H為享利常數(shù)；中為液膜增強(qiáng)因子，無(wú)因次。（2）式中，kg和知與S02的擴(kuò)散系數(shù)、液滴大小、氣液2相相對(duì)速度等影響膜厚度的因素有關(guān)，伊則與液相組成及其堿度有關(guān)。所以，可通過(guò)改善氣、液2相的接觸狀況（如提高湍動(dòng)降低膜厚度）或提高液相堿度等提高K值。020406080100脫斑率圖2脫魂率與所需傳質(zhì)單元數(shù)g的關(guān)系曲線由（1）式可得出脫硫率與所需傳質(zhì)單元數(shù)NTU的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖2c由圖可知，獲得90%的脫硫效率約需2.3個(gè)傳質(zhì)單元數(shù)G在噴淋塔中，提高流速可提高氣、液2相的湍動(dòng),降低煙氣與液滴之間的膜厚度，從而提高總

12、傳質(zhì)系數(shù)K;另一方面，噴淋液滴的下降速度減小，持液量增大，使得吸收段的傳質(zhì)面積A也增大°但煙氣流速受除霧器性能的制約不可過(guò)高，否則會(huì)加劇煙氣的霧沫夾帶。4化學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)研究通過(guò)化學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)，開(kāi)展高質(zhì)速吸收塔內(nèi)的傳質(zhì)，吸收特性的研究,并與常規(guī)流速相比較c本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)地研究了煙氣空塔流速、液氣比、氣流分布板、煙氣入口S02濃度等因素與脫硫效率的關(guān)系，為下一步的中間試驗(yàn)提供了工藝設(shè)計(jì)參數(shù)J43提高流速對(duì)脫硫率的影響采用2層逆流接觸噴淋方式，液氣比（L/盤(pán)J為14.入口S02體積分?jǐn)?shù)為1600x1。-。，設(shè)氣流分布板時(shí),提高吸收塔空塔流速，脫硫?qū)嶒?yàn)結(jié)果見(jiàn)圖30由圖可見(jiàn)：（1）在相同的吸收段高度條

13、件下，提高流速可強(qiáng)化傳質(zhì)，減小傳質(zhì)單元高度,從而增大傳質(zhì)單元數(shù),可顯著提高脫硫率c當(dāng)流速?gòu)?.0m/s提高到4.5m/s時(shí)，傳質(zhì)單元數(shù)增加了67%,脫硫率可提高22.5%;若將流速提高到50m/s,則脫硫率可提高27,1%。若在相同的液氣比條件下要求達(dá)到相同的脫硫效率時(shí)，氣速5.0m/s時(shí)所需的吸收塔有效塔高僅為3m/s時(shí)的1/2左右；（2）當(dāng)流速?gòu)?.0m/s提高到4.5m/s時(shí)，脫硫率上升幅度較大，進(jìn)一步提高流速時(shí)，脫硫率的提高趨于平緩。00190BO70601111111122.53.03.54.04.55.05.5煙氣流速/m/圖3脫硫率與流速的關(guān)系4.2液氣比對(duì)脫硫率的影響當(dāng)流速為3

14、.0m/s和4.5m/s時(shí)，不同液氣比對(duì)脫硫效率的影響見(jiàn)圖4c實(shí)驗(yàn)條件：2層逆流噴淋,設(shè)氣流分布板，入口SO.體積分?jǐn)?shù)為1600x10-6。由圖4可見(jiàn),在相同的處理煙氣量條件下，提高液氣比相當(dāng)于增大了塔內(nèi)的洗滌液噴淋密度，提高了吸收段的傳質(zhì)面積；同時(shí)，也增大了可用于吸收so2的總減度即增強(qiáng)因子甲增大，故脫硫率也隨之提高C£種流速下當(dāng)液氣比(L/m，)從12提高到16時(shí)，脫硫率平均增大16%c此外.從圖4可明顯看出.若獲得相同的脫硫率，高流速所需的液氣比較小，換言之，提高流速可降低所需的液氣比。例如，流速為3m/s,液氣比(L/m)為16時(shí)的脫硫率為76%,而當(dāng)煙氣流速提高至4.5m/

15、s.達(dá)到相同的脫硫率時(shí)所需的液氣比(L/mf<12。4.3氣流分布板對(duì)脫硫率的影響圖5氣流分布板對(duì)脫琉效率的影響實(shí)驗(yàn)條件：流速為4.5m/s,2層逆流噴淋，液氣比(L/m，)為12、14、16,裝設(shè)氣流分布板和無(wú)氣流分布板。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。氣流分布板具有均布?xì)饬骱吞峁狻⒁?相接觸面積的雙重效果。一方面，它使氣流分布趨于均勻，提高了脫硫率；另一方面，氣流分布板上持液層的形成，為傳質(zhì)過(guò)程提供了新的接觸面積力液氣比(L/m')為14,設(shè)氣流分布板時(shí),增加f0.74個(gè)傳質(zhì)單元數(shù)。在相同液氣比和相同流速下，裝設(shè)氣流分布板時(shí)的脫硫效率要比不裝設(shè)時(shí)高12%16%。空塔流速相同時(shí)，氣流分布板對(duì)

16、脫硫率的影響與開(kāi)孔率、液氣比等因素有關(guān)°4.4入口SQ濃度對(duì)脫硫率的影響實(shí)驗(yàn)條件:流速為4.5m/s,液氣比(L/m，)為14,2層逆流噴淋，設(shè)氣流分布板。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn),在較低的濃度范圍內(nèi)，入口S02濃度對(duì)脫硫率影響下大但隨著S0濃度的進(jìn)一步提高，由于受液相吸收能力的限制，脫疏率將下降。表2入口泠體積分?jǐn)?shù)對(duì)脫硫率的影響人口S01體積分?jǐn)?shù)/X106)00016002000脫硫率85.987.8S3.35結(jié)論(1) 隨著煙氣流速的提高，噴淋液滴的下降速度減小，塔內(nèi)持液量增大，傳質(zhì)面積增大；且隨著煙氣流速的增大，傳質(zhì)系數(shù)也同時(shí)增大。因此，提高流速可降低傳質(zhì)單元高度，顯著地提高

17、脫硫率。(2) 氣流分布板具有均布?xì)饬骱吞峁狻⒁?相接觸面積的雙重效果。一方面，它使氣流分布趨于均勻有利于總傳質(zhì)效率的提高；另一方面，氣流分布板上持液層的形成，為脫硫過(guò)程提供了氣、液2相的接觸面積C(3) 提高液氣比，相當(dāng)于增大塔內(nèi)洗滌液的噴淋密度，提高了吸收段的傳質(zhì)面積，因而脫硫率也隨之提高'在相同的脫硫率下，流速提高可降低所需的液氣比。(4) 吸收塔入口S02濃度在較低范圍內(nèi)變化時(shí)對(duì)脫硫率影響不大。參考文獻(xiàn)：1)管一明.李仁剛.濕式石灰石煙氣脫硫工藝現(xiàn)狀和發(fā)履】,電力環(huán)境保護(hù),1996,15(2):53-58.2WilliamsPJ.Wetflue砂desulfunzabonpilotplanttestingofhigjt