（機械電子工程專業(yè)論文）玻璃熔窯煙氣脫硫技術及其系統(tǒng)性能研究.pdf

武漢理工大學碩士學位論文 摘要 玻璃工業(yè)作為國民經濟的基礎產業(yè) 既是耗能大戶 又是污染嚴重的行業(yè)之 一 據統(tǒng)計2 0 0 5 年我國s o z 排放總量近2 0 0 0 萬噸 其中平板玻璃窯爐排放占 1 0 左右 玻璃池窯廢氣處理應該引起我們國家重視 這也是環(huán)境保護和可持續(xù) 發(fā)展的需要 煙氣脫硫是目前世晃上唯一大規(guī)模商業(yè)化應用的脫硫技術 其中半 干法具有工藝簡單 產物易于處理 無廢水產生 投資低等優(yōu)點 本文重點研究 了半干法中噴霧干燥煙氣脫硫工藝 建立了s 0 2 脫除過程的數學模型 推導出了 脫硫效率與工藝操作參數之間的函數關系式 并進行了數值計算 在噴霧干燥煙氣脫硫工藝過程中 由于各種運行參數對煙氣脫硫效率有極大 的影響 所以在這方面的理論研究和實驗工作也一直都在進行 但是 由于噴霧 干燥過程中汽液兩相之間同時發(fā)生質量傳遞 動量傳遞 熱量傳遞現(xiàn)象 所以迄 今為止尚無通用的計算方法和計算公式來反映運行參數和脫硫效率之間的關系 總的來說 我國玻璃熔窯煙氣脫硫工程尚處于起步階段 理論研究還很不深入 如煙氣脫硫系統(tǒng)中各工藝參數與脫硫率之間的關系研究還不是很完善 因此對玻 璃熔窯煙氣脫硫的理論研究還很有必要 本文通過建立數學模型及數值計算對影響脫硫效率的各種運行參數進行了 研究 結果表明 霧滴初始粒徑 煙氣入口溫度 煙氣入口速度和鼢入口濃度等 是影響玻璃熔窯煙氣脫效率的重要因素 將本文的計算結果和前人的理論研究和實驗數據相比較 在一定程度上是吻 合的 這表明 本文的研究方法還是可行的 關鍵詞 煙氣脫硫 噴霧干燥 玻璃熔窯 模型 數值計算 武漢理工大學碩士學位論文 a b s t r a c t t h eg l a s si n d u s t r yi st h ef o u n d a t i o ni n d u s t r yo fn a t i o n a le c o n o m y i t so n eo f i n d u s t r yn o to n l yc o n s u b i c se n e r g yal o t b u ta l s op o l l u t e d s e v e r e l y a c c o r d i n gt o s t a t i s t i c s i n2 0 0 5 t h et o t a ld i s c h a r g es 0 2o fo u rc o u n t r ya l m o s tr e a c h2 0 m i l l i o nt o n s a m o n gw h i c hs h e e tg l a s ss t o v ed i s c h a r g ea c c o u n t e df o ra p p r o x i m a t e l y1 0 p e r c e n t t h e d i s c h a r g ed e a l i n gs h o u l dc o m m a n dt h e a r e n f i o no fo u tc o u n t r y i t sa l s ot h e s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fb o t he n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na n dt h em a n k i n d t h ef u e l g a sd e s u l p h u r i a t i o ni st h eo n l yt e c h n o l o g yu s e di nl a r g e s c a l ec o m m e r c i a l i z e db yf a r i nt h ew o r l d a n dt h es e m i d r yp r o c e s sh a ss o m eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha s s i m p l et e c h n o l o g y p r o d u c t i o ne a s i l yh a n d l e d n ow a s t c w a t e ra n dl o wi n v e s t m e n t t h ep a p e ra t t e n t i o ni sp a i dt ot h et e c h n o l o g yo ff l u eg a sd e s u l p h u r i z a t i o nw i t hs p r a y d r y i n g s e tu pam a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h es 0 2t a k e so f fp r o c e s sa n dd e d u c i n gt h e r u n i o nb e t w e e nt h ee f f i c i e n c yo fs 0 2t a k i n go f fa n dt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r m e a n w h i l ed o i n gt h en u m e r i c a lc o m p u t a t i o n i nt h ep r o c e s so fs p r a yd r y i n g a so p e r a t i n gp a r a m e t e rh a v e m l n 髓l s ei n f l u e n c e o ni t s ot h et h e o r ys t u d ya n de x p e r i m e n to ni ts t i l ln e e dt od oa l o t b u ti nt h ep r o c e s s o fd r y i n g t h em a s st r a n s f e r m o m e n t u mt r a n s f e ra n dh e a tt r a n s f e ra r eh a p p e n e di n t h es a m et i m eb e t w e e nv a p o u ra n df l u i d a n dn oa n yc o m p u t a t i o nm e t h o da n df o r m u l a a b o u tt h a tu n t i ln o w i t ss t i l lt h eb e g i n n i n go ft h ep r o c e s si no u rc o r i n t h t h a tw es t i l l c a l lf o rd e e p e rt h e o r ys t u d y s u c ha st h ef u n c t i o nb e t w e e nt h ee f f i c i e n c yo fs 0 2 t a k i n go f f a n dt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e ri ss t i l li m p e r f e c t i t sn e c e s s a r yt os t u d yt h e t h e o r y t h ep a p e rt h r o u g hs e tu pam a t h e m a t i c a lm o d e la n dn u m e r i c a lc o m p u t a t i o n s t u d yt h ea f f e c t i n gf a c t o r sa b o u te f f i c i e n c yo fs 0 2t a k i n go f f t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a t t h ef o l l o w i n gf a c t o ra r ei m p o r t a n t t h ed i a m e t e ro fi n i t i a lf o g d r o p t h et e m p e r a t u r eo f s m o k ea i r t h es p e e do f t h es m o k ea i ra n dt h ed e n s i t yo f t h es m o k ea i r s o m es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h et h e o r e t i cc a l c u l a t i o na n dt h e e x p e r i m e n t a ld a t a a n dt h e ya r es h o w sag o o dc o n s i s t e n c y n em e t h o do ft h e d e s u l p h u r i z a t i o np r o c e s si sf i g h t k e yw o r d s f l u eg a sd e s u l p h u r i z a f i o n s p r a yd r y i n g g l a s sm e l tk i l n m a t h e m a t i c a l m o d e l n u m e r i c a lc o m p u t a t i o n 武漢理工大學碩士學位論文 第一章緒論 大氣是人類賴以生存的最基本的環(huán)境要素 但是 隨著工業(yè)和經濟的發(fā)展 大量未經治理的含硫煙氣被排放到大氣中造成嚴重的大氣污染 這些煙氣還能與 雨水一起形成酸雨 酸雨腐蝕各種設備 建筑物給人類及其他生物帶來極大危害 大氣環(huán)境質量日趨惡化 大氣污染控制已經到了刻不容緩的地步 在我國煙氣脫 硫技術已經已經運用在國內外的許多行業(yè) 如冶金 燃煤電力 燃煤鍋爐 垃圾 焚燒等 但是卻很少見到針對玻璃廠煙氣脫硫的文獻 所以還有必要研究煙氣脫 硫問題 1 1 我國煙氣脫硫技術研究及應用現(xiàn)狀 1 2 1 3 我國早在2 0 世紀7 0 年代就開始了工業(yè)鍋爐和電廠鍋爐f g d 技術的研究工 作 先后有6 0 多個高校 科研和生產單位 對多種脫硫工藝進行了實驗研究 與發(fā)達國家相比 我國的研究雖起步較早 但進展緩慢 目前國內火電廠煙氣脫硫工程絕大多數是引進國外設備 國內只負責土建和 安裝 正在生產或打算生產煙氣脫硫設備的公司主要有西南電力設計院煙氣脫硫 工程公司 凱迪電力公司 九龍電力公司 清華同方公司 福建龍凈公司等 其 中西南電力設計院煙氣脫硫工程公司于1 9 9 1 年完成了四川白馬發(fā)電廠千法煙氣 脫硫裝置 該裝置應用于3 0 0 m w 以下的機組 福建龍凈環(huán)保股份有限公司引進 濕法脫硫項目 建成后可與2 x 3 0 0m w 發(fā)電機組配套 進行濕法煙氣脫硫 由于 認識上的滯后和缺乏資金投入 煙氣脫硫應用還處于起步階段 煙氣脫硫問題迄 今沒能得到較好的解決 近幾年 一些院校和制造廠合作 研制了一批中 小型 煙氣脫硫設備 用于工業(yè)爐窯和小機組上 規(guī)模小 應用范圍小 沒解決根本性 問題 由國外引進的煙氣脫硫裝置 設備投資和運行費用高而且都存在因產物無 出路 不得不作為固體廢棄物拋棄的問題 建不起 用不起 還有越來越多的包 袱背起 是國內許多企業(yè)應用脫硫技術的障礙 因此 實現(xiàn)煙氣脫硫技術設備國 產化 是推進我國煙氣脫硫行業(yè)蓬勃發(fā)展的必然舉措 也是我國社會和經濟可持 續(xù)發(fā)展的迫切要求 玻璃工業(yè)作為國民經濟的基礎產業(yè) 既是耗能大戶 又是污染嚴重的行業(yè)之 一 我國玻璃熔窯主要是浮法平板窯 器皿玻璃窯 玻璃纖維窯和特種玻璃窯 其中浮法池窯日產3 0 0 t 以上的近1 0 0 座 器皿玻璃窯也有上千座 年產萬噸級 玻璃纖維池窯約2 5 座 特種玻璃窯爐也很多 這些窯爐的主要燃料是重油 天 武漢理工大學碩士學位論文 然氣和煤 它們燃燒的主要污染物是c 0 2 s 0 2 n o x 據統(tǒng)計2 0 0 5 年我國s 0 2 排放總量近2 0 0 0 萬噸 其中平板玻璃窯爐排放占1 0 左右 有些窯爐廢氣采用 大量的新鮮空氣稀釋后由高煙囪排放而不進行廢氣處理 而且有的玻璃池窯還處 在利用煤為主要燃料的情況 它的排放s o z 和粉塵也遠遠高于重油和天然氣 眾 所周知s 0 2 是大氣重要污染物之一 是酸雨形成的主要原因 s 0 2 的控制十分重 要 大量資料顯示國外大多數玻璃熔窯未經廢氣處理的現(xiàn)在都已被禁止或停產 在玻璃熔窯的煙氣治理中 只有美國 日本及歐洲的發(fā)達國家有成功的應用 從 9 0 年代起我國就開始濕法石灰脫硫設備的開發(fā)研究工作 目前在玻璃纖維池窯 上使用率已有9 0 技術上已經比較成熟 但是其他玻璃窯爐上應用較少 僅在 江西和福建有四 五座玻璃窯采用干法和半干法廢氣處理 而我國大多數玻璃窯 均未對窯爐廢氣進行處理 所以我國玻璃窯爐的環(huán)保工作任重道遠 在噴霧干燥煙氣脫硫工藝過程中 由于霧化器的霧化性能和各種運行參數對 煙氣脫硫效率有極大的影響 所以在這方面的理論研究和實驗工作也一直都在進 行 但是 由于噴霧干燥過程中汽液兩相之間同時發(fā)生質量傳遞 動量傳遞 熱 量傳遞現(xiàn)象 所以迄今為止尚無通用的計算方法和計算公式來反映運行參數和脫 硫效率之間的關系 因此如何建立合理的數學模型 通過數學計算來分析研究影 響脫硫效率的主要因素是本文的目的 其次與西方發(fā)達國家相比 我國玻璃熔窯 煙氣脫硫工程尚處于起步階段 建成的脫硫工程較少 在已建成的浮法玻璃熔窯 煙氣處理工藝選擇上也多采用濕法工藝 因此用半干法工藝對玻璃熔窯煙氣脫硫 的研究也很有必要 1 2s 0 2 控制技術概述b 1 4 從技術上看 s 0 2 的控制途徑有三個 燃燒前脫硫 燃燒中脫硫 和燃燒后 脫硫 目前燃燒后脫硫幾煙氣脫硫 f l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n f g d 是控制排放最 有效和應用最廣的技術 世界各國研究開發(fā)的煙氣脫硫技術達2 0 0 多種 但商業(yè) 應用的不超過2 0 種 按脫硫過程是否加水和脫硫產物的干濕形態(tài) 煙氣脫硫又 可分為濕法 干法 和半干法三類工藝 1 2 1 濕法煙氣脫硫技術 w f g d 液體或漿狀體吸收劑在濕狀態(tài)下脫硫和處理脫硫產物 該法具有脫硫反應速 度快 操作穩(wěn)定 脫硫效率高 鈣的利用率高 技術成熟等優(yōu)點 是目前世界上 最主要的煙氣脫硫技術 約占脫硫總裝機容量的8 5 但這種方法顧存在系統(tǒng) 復雜 一次性投資大 約占燃煤電廠總投資的1 5 2 0 而且占地面積也較大 2 武漢理工大學碩士學位論文 維護費用高 脫硫后產物處理較難 易形成二次污染以及啟停不便 普遍出現(xiàn)腐 蝕等問題 已商業(yè)化或完成中試的濕法煙氣脫硫工藝包括石灰石 石灰 石膏法 簡 易石灰石 石灰 石膏法 海水脫硫 磷銨復合肥法 p a f p 法 鈉堿法 氨 吸收法 氧化鎂法等 石灰石 石灰 一石膏法是目前世界上應用最廣泛的煙氣脫硫工藝 在這種 工藝中 煙氣中的固體顆粒和s 0 2 經過兩級洗氣塔中循環(huán)石灰漿的洗滌而除去 石灰或石灰石在加入儲罐之前預先被水化并加入添加劑以提高脫硫劑的脫硫效 果 脫硫產物石膏可以直接拋棄 也可以綜合利用 這種方法脫硫率受到p h 值 溫度 二氧化硫濃度 脫硫劑顆粒大小和類型和吸附劑的種類等參數的影響 目 前的f g d 系統(tǒng)大多采用了大處理量吸收塔 3 0 0 m w 機組的煙氣可用一個塔處 理 從而節(jié)省了投資和運行費用 f g d 系統(tǒng)的運行可靠性達9 9 0 6 以上 脫硫效 率高達9 0 我國重慶珞璜電廠從日本引進了兩套石灰石 石膏法脫硫裝置 分 別匹配兩臺容量3 6 0 m w 的發(fā)電機組 1 0 0 煙氣處理 脫硫效率大于9 5 系 統(tǒng)有效利用率達鍋爐運行時間的9 9 以上 石膏純度 9 0 年副產石膏約3 3 萬 噸 石灰 石膏法的主要優(yōu)點是 適用范圍廣 脫硫效率 吸收劑利用率 設備 運轉率 工作可靠性等都很高 脫硫劑石灰石來源豐富且價廉 其缺點是初期投 資費用和運行費用高 占地面積大 系統(tǒng)管理操作復雜 磨損腐蝕比較嚴重 副 產物石膏和產生的廢水很難處理 基本上等于把有害物資從氣相轉到液相 并且 脫硫后煙氣溫度較低 不利于煙囪排放擴散 設備易結垢 腐蝕 堵塞等問題 簡易石灰石 石灰 石膏法針對傳統(tǒng)工藝投資大 運行費用高的問題 開 發(fā)了簡易石灰石 磊膏工藝 該工藝原理與傳統(tǒng)工藝相同 但省去煙氣熱交換系 統(tǒng)以及采用部分未脫硫煙氣與脫硫煙氣混合等措施 以中等脫硫效率 7 0 0 0 8 0 為目標 大大降低了設備投資和運行費用 我國在太原熱電廠引進的簡易濕法工 藝 處理3 0 0 m v 機組的2 3 煙氣量 以石灰石為吸收劑 脫硫率達8 0 9 0 此外 在山東濰坊化工廠 重慶長壽化工廠和南寧化工集團公司都引進了3 5 t h 鍋爐的簡易石灰石 石灰 石膏法工藝及設備 近年來 國內一些高校和科研 單位研究和開發(fā)了形式不同的簡易濕法脫硫設備及工藝 已在國內中小型鍋爐上 應用 脫硫效率中等 投資和運行費用較低 但工藝有待完善 系統(tǒng)運行的可靠 性有待提高 鈉堿法主要包括亞鈉循環(huán)吸收法和亞硫酸鈉法兩種 亞鈉循環(huán)吸收法是用 n a 2 s 0 3 吸收生成n a r i s 0 3 吸收液加熱分解出高濃度s 0 2 進一步加工為液態(tài) s 0 2 硫磺或硫酸 和n a 2 s 0 3 用于循環(huán)吸收 亞硫酸鈉法則是用n a 2 c 0 3 吸收 武漢理工大學碩士學位論文 n a z s 0 3 并將n a 2 s 0 3 制成副產品 我國一些中小型化工廠和冶煉廠常用該法處 理硫酸尾氣中的s 0 2 因n a 2 s 0 3 的銷路有限 限制了該法的發(fā)展 氨吸收法的典型工藝是氨 酸法 它實質上是用州h 4 hs 0 3 吸收s 0 2 生成 n h 4 hs 0 3 循環(huán)槽中用補充的氨使n h 4 hs 0 3 再生為 n h 4 hs 0 3 循環(huán)脫硫 部分 吸收液用硫酸 或硝酸 磷酸 分解得到高濃度s 0 2 和硫銨 或硝銨 磷銨 化 肥 我國一些較大的化工廠用該法處理硫酸尾氣中的s 0 2 華東理工大學已完成 2 5 萬k w 機組煙氣氨 酸法脫硫的工業(yè)實驗 也有不用酸分解吸收s 0 2 的溶液 而將吸收液直接加工為亞硫酸銨副產品 這種方法成為銨 亞硫酸銨法 磷銨復合肥 隊f p 法是利用天然磷礦石和銨為原料 在煙氣脫硫過程中副產 磷銨復合肥料 工藝流程主要包括四個過程 活性炭吸附一級脫硫并用水解吸得 稀硫酸 稀硫酸萃取磷礦得稀硫酸溶液 磷酸和氨的中和液 n h 4 2h p 0 4 級脫 硫 料液濃縮干燥制得磷銨復合肥 七五 期問 在四川斗壩電廠完成了5 0 0 0 m 3 h 煙氣量的中試 一級吸跗脫硫率7 0 8 0 二級吸收脫硫率大于8 4 總脫硫 率大于9 5 副產品磷銨復肥含水量小于4 肥料品位f n p 2 0 5 大于3 5 海水通常呈弱堿性 p h 值為7 5 8 3 自然堿度約為1 2 2 5 m m o l l 因而海 水具有天然的酸堿緩沖能力及吸收s 0 2 的能力 國外一些脫硫公司利用海水的這 種特性 成功地開發(fā)出海水脫硫工藝 實際應用中還要往海水中加入石灰或石灰 與石灰石的混合物 以提高海水的脫硫效果 減少海水用量 海水中的含鎂物質 f m g c l 2 和m g s 0 4 與加入的堿性物質反應生成m g o h 2 m g o i i 2 可與煙氣中 的s 0 2 很快反應生成 此產物可以再生利用 海水脫硫工藝主要有工藝簡單 系 統(tǒng)可靠 脫硫率高 一般可達8 5 以上 也有9 6 以上的報道 等優(yōu)點 但其 必須用在沿海區(qū)域 因而嚴重受地理位置限制 我國深圳西部電力公司2 號 3 0 0 m w 機組引進a b b 公司海水脫硫技術 1 9 9 8 年7 月建成投運 氧化鎂法是用氧化鎂的漿液m g o h 2 吸收煙氣中s 0 2 得到含結晶水的亞硫 酸鎂和硫酸鎂的固體吸收產物 經脫水 干燥和煅燒還原后 再生出氧化鎂 循 環(huán)脫硫 同時副產高濃度s 0 2 氣體 該技術在美國有大規(guī)模工業(yè)裝置運行 我國 未見應用實例 1 2 2 干法煙氣脫硫技術 d f g d 1 6 1 q l 干法煙氣脫硫技術 d f g d 是采用粉狀脫硫劑在于態(tài)下與燃煤產生的s 0 2 反 應 去除煙氣中s c h 的 由于反應無液相介入 產物為干粉狀 因此不產生廢水 腐蝕等問題 但干粉狀的鈣基吸著劑對s 0 2 的吸收 吸附速度慢 鈣基吸著劑利 用率低 干法主要有爐膛干粉噴射脫硫法 高能電子活化氧化法 荷電干粉噴射 脫硫法 c d s i 等 4 武漢理工大學碩士學位論文 爐膛干粉噴射脫硫法是把鈣基吸收劑如石灰石 白云石等噴到爐膛燃燒室上 部溫度低于1 2 0 0 c 的區(qū)域 隨后石灰石瞬時煅燒生成c a o 新生成的c a o 與s 0 2 進行硫酸鹽化反應生成 并隨飛灰在除塵器中收集 該方法的優(yōu)點是投資省 占 地面積小 易于在老鍋爐上改造 不足之處是脫硫效率低 鈣利用率低 針對此 問題 芬蘭i v o 公司和t a m p e l l a 公司聯(lián)合開發(fā)出爐內噴鈣增濕活化法 l i f a c 它是在鍋爐的空氣預熱器與除塵器之問加裝一個活化反應器 在該反應器內噴水 增濕 促進脫硫反應的進行 使最終的脫硫效率達到7 0 7 5 高能電子活化氧化法主要利用高能電子使煙氣中s 0 2 n o x h e o 0 2 等分 子被激活 電離甚至列解 產生大量離子和自由基等活性物質 由于自由基的強 氧化性使被s 0 2 n o 氧化 在注入氨的情況下 生成硫銨和硝銨化肥 根據高 能電子的來源 可分為電子束照射法 e b a 和脈沖電暈等離子體法 p p c p 1 9 9 7 年 在日本的援助下 成都電廠9 0 m w 機組建成了e b a 法脫硫裝置 中科院高 能物理研究所與大連理工大學合作建成了p p c p 法的中試裝置 我國鞍山靜電技 術研究所利用脈沖活化技術將s o n o x 和c 仍分解為s c 0 2 n z 的研究小 試已獲得成功 荷電干粉噴射脫硫法 c d s d 是美國a l a n c o 環(huán)境公司開發(fā)的專利技術 第 一套裝置在美國亞利桑那州運行 其核心是吸收劑石灰干粉以高速通過高壓靜電 電暈充電區(qū) 使干粉荷上相同的負電荷后被噴射到煙氣流中 荷電干粉同性相斥 不會聚結 在煙氣中形成了均勻的懸濁狀態(tài) 粒子表面充分暴露 增加了與的反 應機會 同時荷電粒子增強了活性 縮短了反應所需停留時間 提高了脫硫效率 在c a s i 5 時 效率達6 0 7 0 此外 活性炭或粉煤灰吸附法 流化床氧化銅法等在歐 美 日本也都有工 業(yè)裝置運行 1 2 3 半干法煙氣脫硫技術 s d f g d 1 9 i l o 半干法是利用煙氣顯熱蒸發(fā)石灰漿液中的水分 同時在干燥過程中 石灰與 煙氣中s 0 2 的反應生成亞硫酸鈣等 并使最終產物為干粉狀 早期的干法脫硫工 藝費用高 穩(wěn)定性低 而且煙氣處理的副產品都作為垃圾被棄掉 隨著人們對價 廉高效脫硫工藝的追求和研究 人們開發(fā)了半干式煙氣脫硫技術 它包括循環(huán)流 化床煙氣脫硫 c f b f g d 噴霧干燥脫硫 干吸收劑噴入等方法 這些工藝 因具有結構簡單 運行費用低等特點而倍受國內外研究者青睞 煙氣循環(huán)流化床煙氣脫硫技術 c f b f g d 是2 0 世紀8 0 年代德國魯奇公 司開發(fā)的一種新的脫硫工藝 它以循環(huán)流化床原理為基礎 通過吸收劑的多次再 循環(huán) 延長了吸收劑與煙氣的接觸時間 大大提高了吸收劑的利用率和脫硫效率 武漢理工大學碩士學位論文 能在較底的鈣硫比 c a s 1 1 1 2 下 接近或達到濕法工藝的脫硫效率 這種脫 硫工藝結構緊湊 占地面積小 設備使用少 且沒有動設備 投資和能耗都比較 低 但是設備放大還存在很多困難 操作彈性低 增濕灰循環(huán)脫硫技術 n i d 是a b b 公司開發(fā)的新技術 它借鑒了噴霧干燥法 的原理 又克服了此種工藝使用制漿系統(tǒng)和噴漿產生的種種弊端 如粘壁 結垢 等 使開發(fā)出來的n i d 技術既有干法的簡單 價廉等優(yōu)點 又有濕法的高效率 該技術是將消石灰粉與除塵器收集的循環(huán)灰在混合增濕器內混合 并加水增濕至 5 的含水量 然后導入煙道反應器內進行脫硫反應 含5 水分的循環(huán)灰有較好 的流動性 省去了復雜的制漿系統(tǒng) 克服了噴霧過程的粘壁問題 噴霧干燥法 s d a 是一種較新的f g d 技術 于2 0 世初7 0 年代初至中期在 美國和歐洲發(fā)展起來 1 9 8 0 年開始在美國燃煤電站上得到商業(yè)應用 目前 噴霧干燥法商業(yè)應用市場占用量位于濕法之后居第二位 自s d a 技術開發(fā)以來j 由于它比傳統(tǒng)的濕法脫硫技術操作簡易 可靠性高和運行費用低而很快被工業(yè)接 受 噴霧干燥器加布袋除塵工藝 脫硫率可達到9 0 以上 允許煤的含硫量可達 3 噴霧干燥法與濕法相比具有工藝流程簡單 占地面積小 經濟合理無廢水 排放 處理煙氣不需要加熱等優(yōu)點 但該技術運行成本較高 固態(tài)物易在吸收塔 壁上沉積 霧化噴嘴易堵塞磨損 漿池 料箱和管道易結垢 廢料和再循環(huán)設備 維修復雜 1 3 噴霧干燥技術 噴霧干燥是利用霧化器將原料分散為霧滴 并利用熱空氣干燥霧滴而獲得產 品的一種干燥方法 迸料可以是溶液 乳濁液 懸浮液 或熔融液 膏湖液 原 料以噴霧的形式與高溫氣體接觸 濕份蒸發(fā)后產生干燥的產品粒子 此技術最顯著的特征是將液體霧化成非常微小的霧滴 2 0 1 t m 6 0 因而具有 很大的表面積 增大了水份的蒸發(fā)面積 縮短了干燥時間 另外 還具有操作條 件易改變 工藝流程簡單等優(yōu)點 但也有溶劑給熱系數低 對氣固分離要求高等 缺點 1 3 1 噴霧干燥煙氣脫硫工藝流程b 2 1 1 3 1 1 4 l 噴霧干燥煙氣脫硫是利用噴霧干燥的原理 在吸收劑噴入吸收塔后 一方面 吸收劑與煙氣中的s 0 2 發(fā)生化學反應 生成固體產物 另一方面煙氣將熱量傳 遞給吸收劑 使之不斷干燥 在塔內脫硫反應后形成的產物為干粉 其部分在塔 內分離 由錐體出口排出 另一部分隨脫硫后煙氣進入袋式除塵器收集 其工藝 6 武漢理工大學碩士學位論文 流程如圖1 1 所示 圖1 1 噴霧干燥煙氣脫硫工藝流程簡圖 1 石灰漿儲罐2 高壓泵3 熱交換器4 干燥塔5 布袋除塵設備6 引風機7 煙囪 噴霧于燥煙氣脫硫工藝流程包括 1 吸收劑制備 2 吸收劑漿液霧化 3 霧滴與煙氣的接觸混合 4 液滴蒸發(fā)與吸收 5 灰渣排出 6 灰渣再 循環(huán) 其中 2 4 在噴霧干燥吸收塔內進行 1 4 噴霧干燥煙氣脫硫設備 在噴霧干燥煙氣脫硫工藝中主要設備有干燥塔 霧化器 灰渣收集排出裝置 等 1 4 1 霧化器哪6 霧化器是噴霧干燥煙氣脫硫吸收裝置的關鍵部件 目前常用的霧化器有以下 三種 氣流式噴嘴采用壓縮空氣或蒸汽以很高的速度 3 0 0 m s 或更高 從噴嘴 噴出 靠氣液兩相間速度差所產生的摩擦力使?jié){液分裂為霧滴 壓力式噴嘴采用高壓泵使高壓吸收漿液通過噴嘴時 將靜壓能轉交為動能 而高速噴出并分散為霧滴 旋轉式霧化器吸收漿液從中央通道輸入到高速轉盤 圓周速度9 0 1 5 0 m s 中 受離心力作用從盤的邊緣甩出而霧化 液體的霧化機理基本上可劃分為三種類型 即滴狀分裂 絲狀分裂和膜狀分 裂 目前 噴霧干燥煙氣脫硫中 采用較多的霧化器有氣液式噴嘴霧化器和旋轉 式霧化器兩種 1 4 1 1 旋轉式霧化器 7 武漢理工大學碩士學位論文 當吸收漿液被送到高速旋轉的盤上時 由于離心力的作用 吸收漿液在放置 面上伸展為薄膜 并以不斷增長的速度向盤的邊緣運動 離開邊緣時 被分散為 霧滴 在盤旋轉時 也帶動周圍的空氣循環(huán) 應盡量減少進入盤內的循環(huán)空氣 以防物料在盤內干燥后粘附 引起盤不平衡而發(fā)生振動 旋轉式霧化器產生霧滴大小與噴霧的均勻性 主要取決于盤的圓周速度和液 膜厚度 而液膜厚度取決于進料量 盤的潤濕周邊和盤的轉速 當盤的圓周速度 小于5 0 m s 時 得到的霧滴很不均勻 當盤的圓周速度為6 0 m s 時 就不會出現(xiàn) 上述的不均勻現(xiàn)象 因此 此值作為設計的最小值 通常操作時 盤的圓周速度 為9 0 1 5 0 m s 當進料速率一定時 要得到均勻的霧滴 以下幾點十分重要 1 霧化輪轉 動時無振動 2 霧化輪的轉速要高 般為7 5 0 0 2 5 0 0 0 r m i n 3 液體通道 表面要加工得很平滑 4 料液在各個通道上均勻分布 進料速度要均勻 平均滴徑的計算 由光滑盤霧化器產生的液滴的大小隨各種操作條件下霧化機理的不同而變 化 低速旋轉時 霧化機理是直接形成霧滴 平均滴徑可用下式計算1 1 6 j r 礦 1 1 3 d a 戶l 4 3 x l o i 茄l ip a 一刀一l 式中 d a v 為平均滴徑 l a i n v 為流量 m 3 h n i n 札為粘度 c p p l 為密度 k m 3 d 為盤徑 m n 為轉速 r m 1 4 1 2 壓力式噴嘴n 7 j 壓力式噴嘴 主要由液體切向入口 液體旋轉室 噴嘴孔等組成 利用高壓 泵使液體獲得很高的壓力 2 2 0 m p a 從切向入口進入噴嘴旋轉室 液體在旋 轉室獲得旋轉運動 根據旋轉動量矩守恒定律 旋轉速度與旋轉半徑成反比 愈 靠近軸心 旋轉速度愈大 其靜壓力也愈小 結果在噴嘴中央形成一股壓力等于 大氣壓的空氣旋流 而液體則形成繞空氣心旋轉的環(huán)形薄膜 液體靜壓能在噴嘴 孔處轉變?yōu)橄蚯斑\動的旋轉的液體動能 從噴嘴噴出 液膜伸長變薄 最后分裂 為小霧滴 壓力式噴嘴在結構上的共同特點是使液體獲得旋轉運動 即液體獲得離心慣 性力 然后由噴嘴孔高速旋轉噴出 所以 人們把壓力式噴嘴統(tǒng)稱為離心壓力噴 嘴 由于液體獲得旋轉運動的結構不同 離心壓力噴嘴可租略地分為旋轉型和離 心型 1 旋轉型壓力噴嘴 液體經過旋轉室噴出的噴嘴稱為旋轉型壓力噴嘴 旋轉型壓力噴嘴有兩個特 點 一是有一個液體旋轉室 再就是有一個液體進入旋轉室的切線入口 考慮溶 8 武漢理工大學碩士學位論文 液的磨損問題 可采用鑲嵌人造寶石的噴嘴孔 也可采用碳化鎢材料制造 2 離心型壓力噴嘴 具有使液體旋轉的內插頭噴嘴 稱為離心型壓力噴嘴 此型的結構特點是在 噴嘴內安裝一插頭 旋轉型壓力噴嘴和離心型壓力噴嘴在霧化機理方面沒有差 別 3 平均滴徑的計算 控制霧滴直徑的因素非常復雜 目前只能靠實驗方法建立關聯(lián)式 下面介紹 常用的關聯(lián)式 i s j d 眄 1 1 6 0 a o4 0 0 0 4 3 2 一坐 o 0 3 0 8 御l l 0j 式中 為體積一面積平均直徑 p r o d 為噴嘴孔直徑 1 1 1 為液體從噴嘴 鍪 r 蹴遠鏟志一 r o 黼吼粉 m c 般氣畔 壓力式霧化器具有霧化動力消耗小 產量可調 操作可靠 設備結構簡單 可改變噴嘴形狀來適應干燥的不同要求等優(yōu)點 但由于噴孔小 易堵塞 對于干 燥霧化物料要預先很好地過濾 防止雜質或大顆粒物料混入 物料粘度要低且噴 頭的噴孔易磨損需經常更換 高壓泵制造維修復雜 高壓操作隱患多 1 4 1 3 氣流式霧化器n 氣流式霧化器也稱氣流式噴嘴現(xiàn)以二流體咬嘴為例說明操作原理 如圖i 2 所示 中心管 即液體噴嘴 走料液 壓縮空氣走環(huán)隙 即氣體通道或氣體噴嘴 當氣液二相在端面接觸時 由于從環(huán)隙噴出的氣體速度很高q 2 0 0 3 4 0 耐s 在 兩流體之間存在著很大的對速度 液體速度不超過2 m s 辯蒗 空氣 即具有兩個流體通道的噴嘴 圖1 2 二流體噴嘴 三流式噴嘴具有三個流體通道 一個液體通道和兩個氣體通道 液體在 兩股氣體中間被霧化 霧化效果比二流式噴嘴要好 此外還有四流式霧化噴嘴等 2 平均滴徑的計算 二流式噴嘴分為外混合噴嘴和內混合噴嘴 前者指氣液二相在噴嘴出口外部 9 武漢理工大學碩士學位論文 接觸 霧化 后者指氣液在噴嘴內部的混合室霧化 對于氣流式噴嘴霧滴直徑的 求取 人們也有了許多關聯(lián)式 需要時可從相關文獻中查馭 氣流式霧化噴嘴結構簡單 磨損小 適用范圍廣 操作壓力低 霧滴較細 操作彈性大 但是 與壓力式和旋轉式霧化器相比 動力消耗比較大 1 4 1 4 霧化器的比較和選擇 除了上面討論的多種霧化器 還有聲波霧化器等 它們各有優(yōu)缺點 選擇什 么類型的霧化器主要由待處理液體的屬性以及對干燥產品的要求來確定 現(xiàn)有類 型的霧化器在能量供應增大的條件下都能提供更加細小的霧滴 霧化程度還取決 于液體進料的流動特性 在同樣的能量供應條件下 粘度大 表面張力大的液體 得到的霧滴尺寸會更大些 如果離心式和噴嘴式霧化器都能滿足霧化粒子的尺寸 要求 一般選擇離心式霧化器 這是因為這種霧化器有更高的靈活性 離心式霧 化器可以產生尺寸中等的霧滴 平均直徑為2 0 1 5 0 j u m 也可以產生更大的霧滴 但工業(yè)生產中 大的霧滴直徑一般要求大直徑的干燥器 一個最理想的霧化器應 具有下列特征 1 結構簡單 檢修容易 有足夠的物料處理能力 2 能產生大 小滴徑的霧滴 且調節(jié)容易 3 可采用標準抽吸設備 重力進料或虹吸進料系統(tǒng) 1 4 2 噴霧干燥吸收塔 干燥塔是整個工藝的主體設備 為了完成干燥任務 必須保證霧滴在干燥塔 內有足夠的停留時間 也就是說 在一定的操作任務下 塔體必須要有適宜的主 體尺寸 即塔高和塔徑 吸收塔的尺寸由許多因素決定 如霧化器類型 霧化器 出口液滴速度 煙氣量 濃度 趨近絕熱飽和溫度值 煙氣停留時間 吸收劑特 性等 為了達到一定的脫硫效率和完成產物干燥的工藝要求 就必須有足夠的停 留時間 而停留時間決定于塔高和塔徑 即吸收塔容積 在噴霧干燥吸收塔內 煙氣 霧滴及顆粒的運動非常復雜 它與煙氣分布器的結構與配置 霧化器的結 構 配置與操作 霧滴的干燥特性 煙氣進出塔的溫度及塔內的溫度分布等因素 有關 目前設計方法主要有干燥強度 單位體積單位時間內水分蒸發(fā)量 法 圖解 積分法和粒子運動軌跡法 但是 由于在噴霧干燥塔內空氣與液滴之間的相對運 動異常復雜 塔體的設計和放大依然存在很多問題 因此還沒有一種精確的計算 方法能夠直接算出塔高和塔徑 干燥器的設計仍然是噴霧干燥領域中一個比較活 躍的研究課題 1 4 3 灰渣排出裝置 1 0 武漢理工大學碩士學位論文 噴霧干燥煙氣脫硫的副產物是亞硫酸鈣 硫酸鈣 飛灰和未反應的氧化鈣等 的混合物 為粉末狀固體物質 其中大部分粗粉落到吸收塔底部而排出 剩余的 細粉隨煙氣排出吸收塔 被隨后設置的除塵設備和袋式除塵器或電除塵器收集 煙氣脫硫產生的灰渣在吸收塔的底部有幾種不同的收集和排出方式 1 煙氣和全部干粉一同排出 在吸收塔外通過除塵裝置分離 該方法在工 業(yè)應用中不采用 2 粗干粉從干燥室錐底通過星形閥排出 夾帶著細粉的煙氣用導管引到除 塵器中收集分離 為了防止粉塵附于錐體壁上 裝有振動器 該方式是噴霧干 燥吸收塔最常見的布置 當錐角太大或室底是平面時 就安裝旋轉轉刮粉器以 便粉料排出 必要時 也可以引風吹掃四壁以便干粉沿室壁落下而被排出 1 5 脫硫產物的回收利用 噴霧干燥脫硫工藝產生的灰渣主要是由飛灰和鈣硫反應產物組成 灰渣和鈣 硫產物互相混合 而且有一部分產物覆蓋在飛灰表面 灰渣的處置方法大體上可 分為拋棄法和綜合利用法 拋棄法主要有 堆狀回填 山邊回填 峽谷回填 聯(lián) 合式回填 礦坑回填 v 形礦槽回填和覆蓋層礦回填等 可大力開發(fā)噴霧干燥灰 渣用途的研究包括 建筑材料 替代水泥 穩(wěn)定路基 制磚等 還可以用于生產 水泥 混凝土塊 穩(wěn)定土壤等 1 6 本文主要研究內容 根據國內外煙氣治理技術的研究現(xiàn)狀 本文的研究重點為 1 噴霧干燥煙氣脫硫裝置用于玻璃熔窯的工藝設計 我國玻璃熔窯煙氣脫硫工程尚處于起步階段 理論研究還很不深入 如煙氣 脫硫系統(tǒng)中各工藝參數與脫硫率之間的關系研究還不是很完善 因此對玻璃熔窯 煙氣脫硫的理論研究還很有必要 2 噴霧干燥過程的傳質 傳熱理論 噴霧干燥過程是一個很復雜的過程 有些參數還很難預測 必須通過實驗得 到 還須對噴霧干燥的理論進行進一步的研究 3 運行參數對噴霧干燥煙氣脫硫效率的影響 噴霧干燥法煙氣脫硫具有自己的優(yōu)越性 但工藝參數與脫硫率之間的關系研 究還不是很完善 本文對此進行了研究 武漢理工大學碩士學位論文 第二章噴霧干燥脫硫過程機理 以石灰水為脫硫劑的噴霧干燥法脫硫工藝過程是 石灰水 漿 經霧化器霧化 成霧滴 在干燥室內與含硫熱空氣混合接觸 同時發(fā)生熱量和質量的傳遞 s 0 2 與c a o h 發(fā)生強烈的化學反應 生成亞硫酸鈣和硫酸鈣 煙氣中的熱量將霧滴 水分逐漸蒸發(fā) 最終得到亞硫酸鈣和硫酸鈣干粉 其中大部分經脫硫塔下部排出 隨氣流排出干燥器的小部分細粉經高效除塵器收集 該工藝主要有漿液制備系 統(tǒng) s 0 2 吸收系統(tǒng) 除塵凈化系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成 鈣基吸收劑因其資源豐富 來源廣泛 價格便宜 使用最多 約占脫硫吸收劑的9 5 左右 反應方程式如下 生石灰制漿 c a o h 2 0 c a o h 2 s c h 被液滴吸收 s 0 2 h 2 0 h 2 s 0 3 吸收劑與s 0 2 的反應 c a o h h bs 0 3 c a s 0 3 2 h 2 0 液滴中c a s 0 3 過飽和沉淀析出 c a s 0 3 a q c as 0 3 s 部分被溶于液滴中的氧氣所氧化生成硫酸鈣 c a s 0 3 a q l 2 0 2 c a s 0 4 a q c a s 0 4 難溶于水 便會迅速沉淀析出固態(tài)c a s 0 4 c a s 0 4 a q c a s 0 4 s 在噴霧干燥工藝中 煙氣中的其他酸性氣體為s 0 3 h c i 等也會同時與 c a o r 0 2 反應 而且s 0 3 和h c l 的脫除率高達9 5 遠大于濕法脫硫工藝中s 0 3 和h c i 的脫除率伽 上述反應過程與霧滴粒子的干燥過程同時進行 因此有必要介紹一下霧滴的 干燥 2 1 霧滴干燥 干燥過程都是質量和能量的傳遞過程 在此過程中 物料表面的濕分 水分 蒸發(fā)到干燥介質中 同時物料內部的濕分 水分 又不斷地向物料表面遷移 干燥 速率與這兩個過程的速率都有關系 并且還與物料中的濕份狀態(tài) 干燥介質的性 質有關 2 1 1 濕空氣的性質 干燥操作中 通常采用干燥空氣作為干燥介質 物料中除去的濕分常為水分 武漢理工大學碩士學位論文 故需了解濕空氣 空氣與水蒸氣的混合物 的各種物理性質及其相互之間的關系 由于干燥過程中濕空氣的質量因水蒸氣的進入而不斷增加 絕干空氣的質量卻保 持不變 故在干燥計算中 以絕干空氣為基準進行表示比較簡單1 2 1 j 1 濕度 濕含量 h 濕空氣中所含水蒸氣的質量與絕千空氣的質量之比 稱為空氣的濕度 或稱 為濕含量 可以表示為 坐盟 1 0 0 2 1 m g 玎g 式中 h 一空氣的濕度 k g 水瓜g 絕干空氣 肘 一絕干空氣的分子量 肘 一水蒸氣的分子量 療 一絕干空氣的于摩爾數 k m o l 療 一水蒸氣的千摩爾數 k r a o l 常壓下濕空氣可視為理想氣體的混合物 由分壓定律可知 理想氣體混合物 中各組分的摩爾比等于分壓比 故上式可表示為 日 旦 o 6 2 2 一 2 2 2 9 p p p p 式中 p 水蒸氣的分壓 p a p 一濕空氣總壓 p a 由上式可知 濕空氣的濕度與總壓及其中的水蒸氣分壓有關 總壓一定時 濕度僅由水蒸氣分壓所決定 若空氣中水蒸氣分壓p 等于該空氣溫度下水的飽和 蒸汽壓見 表示該空氣處于飽和狀態(tài) 相應的濕度為飽和濕度z 即 以 而1 8 p 0 6 2 2 南 2 3 2 9 p 一見 p n 一 由于水的飽和蒸汽壓與溫度和壓力有關 因此空氣的飽和溫度 又叫露點 是 濕空氣的總壓及溫度的函數 2 相對濕度百分比伊 在一定總壓下 濕空氣中水爭氣分壓尸與同溫度下水的飽和蒸汽壓見之比 的百分數稱為相對濕度百分數 簡稱相對濕度 以p 表示即 口 衛(wèi)x 1 0 0 p 2 4 武漢理工大學碩士學位論文 相對濕度可用來衡量濕空氣的不飽和程度 它反應出濕空氣吸收水汽的能 力 3 比容 單位質量絕干空氣所具有的空氣及蒸汽的總容積稱為濕空氣的比容 即 去 h z z 取百2 7 3 t x 半 2 s 式中 一濕空氣的比容 m 3 k g 絕干空氣 日一濕空氣的濕度 k g 水 k g 絕干空氣 p 一總壓 p a t 一溫度 4 比熱c t 在常壓下l k g 絕干空氣和其中的h k g 水蒸氣的溫度升高l c 所需的總熱量 稱為空氣的比熱 即 cu 1 01 1 88h 2 6 式中 1 0 1 一絕干空氣的比熱 k j k g 千空氣 1 8 8 一水蒸氣的比熱 k d k g x 2 2 1 2 干燥速率 干燥速率速率是指在單位時間內單位面積上濕物料汽化的水分重量 霧滴在 吸收塔內的干燥過程一般分兩個階段進行 第一階段為恒速干燥階段 吸收劑漿 液霧滴存在較大的自由液體表面 液滴內部分子處于自由運動狀態(tài) 水分由液滴 內部很容易移動到液滴表面 補充汽化失去的水分 以保持表面飽和 蒸發(fā)速度 僅受熱量傳遞到液體表面的速度控制 單位面積的液滴蒸發(fā)速度較大且恒定 隨著蒸發(fā)繼續(xù)進行 霧滴表面的自由水分減少 內部粒子問的距離減少 當液 滴表面出現(xiàn)固體時 蒸發(fā)受到水分限制 開始第二干燥階段 即降速干燥階段 此階段的特點是蒸發(fā)速度降低 液滴溫度升高瞄j 2 1 3 霧滴干燥與脫硫反應 噴霧干燥操作中 從霧化器噴出的霧滴粒子在干燥室內與一定溫度的煙氣接 觸 兩者之間發(fā)生熱量和質量的傳遞 霧滴借熱風的能量使所含水分蒸發(fā)而成為 脫硫產物 蒸發(fā)過程中 霧滴容易發(fā)生膨脹 崩潰 破碎或分裂導致產生多孔性 的形狀不規(guī)則的粒子 霧滴的尺寸分布發(fā)生變化 不同的物料顯示出不同的蒸發(fā) 特性 傳熱和傳質這兩個傳遞過程是同時發(fā)生的 水分蒸發(fā)時 空氣的濕熱轉化 1 4 武漢理工大學碩士學位論文 為潛熱 被蒸發(fā)的水分通過液滴周圍的邊界層進入空氣中 與一般物料的干燥情 況不同 霧滴的干燥速率分為兩個階段 即 恒速干燥段以及降速干燥段 假如 干燥用空氣的溫度非常高 溫度推動力使液滴水分迅速蒸發(fā) 一開始就不能保持 表面濕潤 液滴很少經歷恒速干燥階段而直接進入降速干燥階段 此時液滴表面 將瞬間形成干燥固體層 對水分傳遞呈現(xiàn)出難以克服的阻力 起到了保存液滴內 部水分的作用 同時也阻礙煙氣中s 諺向液滴內部擴散的速度 因此 會影響反 應速率 影響傳質傳熱過程的因素很多 特別是影響傳熱過程中對流傳熱系數的因 素 包括流體的種類和相變的情況 流體的性質與流動的狀態(tài) 流動原因和傳熱 面的形狀 大小 位置等很多因素 要建立一個通式來描述過程的傳熱傳質是相 當困難的 根據7 r 定理引入無因次數群 準數 可使過程的計算處理得到簡化 1 恒速干燥階段p j 在恒速干燥階段 霧滴表面有足夠的水