超重力技术在锅炉脱硫除尘方面的应用研究.docx

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超重力技术在锅炉脱硫除尘方面的应用研究

毕业论文

超重力技术在锅炉脱硫除尘方面的应用研究

目　　录

第1章超重力技术及其发展状况3

1.1超重力技术的基本概念5

1.2超重力技术发展概况6

1.3超重力脱硫除尘技术与传统脱硫除尘技术的比较7

1.3.1国内烟气脱硫现况7

1.3.2国内烟气脱硫研发及主要应用技术8

1.3.3国内除尘技术现状12

1.4目前脱硫除尘技术及设备存在的问题18

1.4.1脱硫效率相对较低的问题18

1.4.2磨损、腐蚀、结垢问题18

1.4.3排烟温度问题18

1.4.4脱硫产物分离问题19

1.5超重技术在脱硫除尘中的应用19

1.6本研究的主要内容20

第2章试验装置及测试方案22

2.1试验装置与试验方案22

2.1.1试验装置22

2.1.2试验方案简介23

2.2试验参数设计23

2.3超重机流体力学参数控制24

2.2实验仪器24

2.2.1主要仪器24

2.2.2碟片式超重机构造简介25

第3章超重场的水力学试验及数学模型30

3.1填料内喷水操作流体力学特性30

3.1.1干、湿床实验30

3.1.2设备调整后的水力学试验32

3.2建立简单的数学模型34

3.2.1液体在碟片内流动情况34

3.2.2条件简化35

3.2.2模型建立36

3.2模型研究内容39

第4章操作工艺参数与SO2脱除率的关系研究40

4.1概述40

4.2操作工艺参数与SO2脱除率关系的研究和分析40

4.2.1超重床转速与SO2脱除率关系40

4.2.2石灰水流量与SO2脱除率的关系42

4.2.3pH值与SO2脱除率关系43

4.2.4烟气流量与SO2脱除率关系43

4.2.5布水器布置形式与SO2脱除率关系44

4.3小结46

第5章操作工艺参数与烟尘去除率的关系研究47

5.1概述47

5.2超重机结构对灰尘去除率的影响48

5.2.1液气比对灰尘脱除率的影响48

5.2.2超重机转速的影响49

5.4影响超重机除尘效果的因素52

5.4.1液气比（操作液量）的影响52

5.4.2转速的影响53

第6章结论56

第7章不足之处与几点建议58

7.1不足之处58

7.2几点建议58

参考文献：

62

摘　要

超重场技术是20世纪八十年代发展起来的一种利用离心力强化传质与微观混合的新型化工设备。

气液在高度湍流下接触，通过强化传质过程，提高传质效率。

在以往的工作中，当处理的气量很大时，会使设备的造价非常高。

而采用超重场技术就可以达到减小设备体积、降低设备造价的目的。

本试验采用一种垂直式超重机处理8万m3/h的锅炉烟气，转子直径仅为1100mm，反应区高度为800mm。

本文首先对超重机的进行了水力学试验实验测定。

同时，通过理论分析和合理简化提出了流体在床内流动的数学模型。

在此基础上，结合实验数据，本文得出了超重机转速、烟气流量、操作液量及pH值与脱硫除尘效率的关系，并对布水器的放置形式与SO2脱除率的关系进行了初步研究。

实验结果表明：

超重场能够有效强化碱水常压下对燃煤锅炉烟道气中低浓度SO2的化学吸收。

通过对反应器的结构及操作参数的调整得出了最佳的反应器结构参数，并对现在的超重机提出了修改意见。

关键词：

超重场技术　　超重机　　气液传质　　脱硫除尘

ABSTRACT

High-gravitymachine,whichusescentrifugalforcetointensifytransferandmixingrelatedprocesses,isanewtypeofhighefficiencymultiphasecontactor.Gas-liquidisforcedtocontactbyhighlyturbulentflow.Themass-transferefficiencyisimprovedintheprocessofintensifyingmass-transfer.

Inthepastwoksthecostofequipmentwasveryhighwhenthehugeairflowistreated.Howeverthesizeofequipmentandthecostcanbereducedbyadoptedthehigh-gravitymachine.Anewverticalhigh-gravitymachineisadoptedinthisexperimentationwhichcantreat8×105m3/hfluegas.Theprimarysizeofthisequipmentis1100mmrotordiameterand800mmaxiallength.

Thehydraulicsexperimentisfirstlytestedinthisresearch.Atthesametime,amathmodeloftheliquidflowinbedisgivenbytheoryanalysisandlogicalsimplification.Therelationshipofrotatespeed,fluegasflux,waterflowandpHvaluewiththeefficiencyofdesulfurizationanddedustingisgiveninthispaper.Thedisposalofthewaterwipeisalsoaffecttheefficiencyofdesulfurization.Therelationshipbetweenthemisalsogivenbyprimaryresearch.

ExperimentalresultsshowthatthehighgravitymachinecanefficientlyenforcethealkaliwaterchemicalabsorbabilitytolowconcentrationSO2influegasonnormalpressure.Thismachinealsohasahighefficiencyondedusting.Theoptimaloperatingparameterisgottenbychangethemachineconfigurationandoperatingmode.Thegoalofenergysaving,consumptionreductionandemissionreductioncanbeattainedbyadoptthismachine.Atlastthemodificationmethodaboutthishighgravitymachineisgiveninthispaper.

Keywords:

　High-gravitytechnologyHigh-gravitymachineGas-liquidmass-transferDesulfurizationanddedusting

第1章超重力技术及其发展状况

1.1超重力技术的基本概念

所谓超重力是指比在地球重力加速度（9.8m/s2）大的多的环境下，物质所受到的力（包括引力和排斥力）。

研究超重力环境下的物理和化学变化过程的科学称之为超重力科学。

由超重力科学原理而诞生的应用技术称为超重力技术。

超重力技术作为一种高新技术，在工业上有着重大的应用前景。

在超重力环境下，不同大小分子之间的分子扩散和相间传质过程比常规重力场下要快的多，气－液、液－液、液－固两相间在比地球重力场大数百倍至千倍的超重力环境下的多孔介质和孔道中产生流动接触，巨大的剪切力将液体撕裂成微米甚至纳米级的液膜、液丝和液滴，产生巨大的和快速更新的相界面，使相间传质速率比传统塔设备提高1～3个数量级，微观混合和传质过程得到极大强化。

同时，在超重力条件下，不仅是整个反应过程的加快，气体的线速度也得到大幅度提高，这使单位设备体积的生产效率得到1～2个数量级的提高[1][2]。

在地球上，旋转是实现超重力环境的最简便方法。

这种特殊设计的旋转设备统称为超重力设备，简称超重机（HIGEE），在化工设备中又被称之为旋转填充床（RPB）。

利用超重力环境下的高强度传质过程和微观混合特性，我们可以将高达几十米的巨大反应塔等化工设备用高不及两米的超重机进行代替[3]。

因此，超重力工程技术被认为是强化传递和多相反应过程的一项突破性技术，被誉为跨世纪的技术，超重机也被誉为“化学工业的晶体管”。

总体而言，超重机具有如下特点：

极大的缩小了设备尺寸减轻了重量；极大的强化了物质相间的传递过程；物料在设备内的停留时间极短（100ms～1s）；易于操作，易于开停车，维护和检修方便；可垂直、水平或任意方向安装，不怕颠簸，可安装于运动物体；快速而均匀的微观混合等等。

而超重力技术在上述超重机的特点上可广泛应用于以下特殊过程：

由于停留时间短可用于热敏性物料的处理；由于机内残留量少可应用于昂贵物料或有毒物料的处理；其快速而均匀的微观混合特性又可以用来生产高质量的纳米材料；另外还可以进行选择性吸收分离及聚合物脱除单体等等生产中。

超重机是具有广阔的工业应用前景的设备[4]。

1.2超重力技术发展概况

超重力技术开发研究始于20世纪70年代末1976年，美国太空署（NASA）征求微重力场实验项目，英国ICI公司（帝国化学公司）Ramshow教授等做了化工分离单元操作—蒸馏、吸收等过程中微重力场和超重力场影响效应的研究。

在他们的研究中，发现微重力场使控制多相流体动力学行为的浮力因子Δρg接近于零，使相间的相对运动降低，非但对传质没有任何好处，反而极大地削弱了传质过程。

在微重力或重力接近于零时，液体的表面张力将起主导作用，液体聚集在一起，组分基本上得不到分离。

同时也发现超重力使液体表面张力的作用相对变得微不足道，液体在巨大的剪切力作用下被拉伸成微小的液膜、液丝和液滴，产生出巨大的相间接触面积，因此极大地提高了传递速率系数，而且还使气液逆流操作的泛点速率提高，大大增加了设备生产能力，这些都对分离过程有利。

这一研究成果促成了超重力分离技术的诞生。

随后引起了美、英、中、俄等国大规模的工业化应用技术研究和开发热潮[6]。

沿着这一思路，ICI着手进行这方面的研究，设计出可产生200～1000g超重力场的旋转填充床。

大约两年后，第一套示范装置开始运转。

1979年6月27日，公开了超重机方面的第一个专利。

后来几年里，又陆续公开了一些专利，从而形成了现代超重机的基本结构和操作方式。

1985年第一套超重机售出，该机用于脱除被污染的地下水中的有机挥发物。

国外从事超重力技术研究的公司和科研机构包括DuPont公司、DOW化学公司、Glitsch公司、Norton公司、Flour公司、ICI公司、Newcatstle大学、CaseWesternReserve大学、Washington大学、TaxasAustin州立大学等；重点研究的技术有超重力精馏分离技术（甲醇/乙醇的分离等）、超重力吸收分离技术（天然气脱硫、分离CO2等）、超重力解吸分离技术（水脱氧、聚合物脱单体、地下污水脱苯/甲苯等）等。

近几年在几个化工、能源过程中实现了工业化运行，如1999年美国DOW化学公司成功地将超重力技术应用于次氯酸的工业生产，展现出广阔的应用前景和重大的经济效益[7]。

国内，1988年，北京化工大学与美国CaseWesternReserve大学合作，由Glitsch公司提供超重机主机，在北京化工大学建立了一套实验装置，开始进行超重力技术的基础研究以及用于油田注水脱氧、酵母发酵等应用技术研究。

自1989年起，国内超重力技术的研究，连续得到国家有关部委的重点支持，被列为国家“八五”、“九五”、“十五”计划的重点科技研究项目。

1990年在北京化工大学建立我国第一个超重力工程技术研究中心，2001年升级为教育部超重力工程研究中心，开展了一系列的创新性研究工作。

1998年，国际上首先将超重力水脱氧技术实现商业化应用，将海水处理能力为250t/h的超重机安装于山东胜利埕岛二号平台上，投入了工业化生产[6]；1999年，和美国DOW公司合作，成功的将超重力技术应用于氯碱工业中的气液分离过程；2000年和2001年，先后在广东和山西建立了世界上首条年产3000t和万吨级超重力纳米碳酸钙工业生产线。

至此，我国对于超重力技术的开发与工业化应用进入了一个新的阶段，在某些领域走到了世界的前列。

1.3超重力脱硫除尘技术与传统脱硫除尘技术的比较

1.3.1国内烟气脱硫现况

烟气脱硫是当今燃煤火电厂控制SO2排放的主要措施。

国务院在《国务院关于酸雨控制区和SO2污染控制区有关问题的批复》（国函【1998】5号文）中规定：

新建、改建燃煤含硫量大于1％的火电厂，必须配套建设脱硫设施；现有燃煤含量大于1％的火电厂，必须在2010年前分期分批建成脱硫设施或采取其它降低SO2排放量的措施。

该批复附件中还明确：

长江以南、四川与云南以东的14个省、市和自治区总面积为109万平方公里（占国土面积的11.4％）的区域规划为酸雨和SO2两控区，在此两控区内，将对工业污染源SO2排放实行分阶段控制。

在火电厂烟气脱硫建设初期，国内产业化发展相对滞后。

由于技术方面的原因，当时国内烟气脱硫工程所用的设备绝大多数从国外进口，国内负责土建和安装，平均造价高达1000～2000元人民币/千瓦，严重影响了烟气脱硫工程建设的发展，而且已建成的采用国外进口设备工程在运行中备品备件都需要从国外进口，这样不但增加运行成本，而且备件不能及时更换而影响设备的正常运行。

为降低烟气脱硫成本，技术和设备国产化十分必要。

2000年2月国家经贸委在《关于印发<火电厂烟气脱硫关键技术与设备国产化要点>的通知》（国经贸资源【2000】156号文）中指出：

“烟气脱硫关键技术与设备国产化是降低工程造价、加快火电厂SO2治理速度，提高机电制造企业竞争能力，培育新的经济增长点的需要。

”

随着产业的发展，目前大部分相关设备已可以国内制造，但关键设备仍需要进口。

为促进产业更快发展，2005年5月，国家发展改革委提出了加快火电厂烟气脱硫产业发展的主要任务，即通过三年努力，建立健全火电厂烟气脱硫产业化市场监管体系，完善火电厂烟气脱硫技术标准体系和主流工艺设计、制造、安装、调试、运行、检修、后评估等技术标准、规范；主流烟气脱硫设备的本地化率达到95％以上，烟气脱硫设备的可用率达到95％以上；建立有效地中介服务体系和行业自律体系。

2006年2月正式发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》对环境保护领域的科学研究和技术开发给予高度重视。

国家“十一五规划”也强调加大环境保护力度，防治大气污染。

关于环境治理重点工程，将燃煤电厂烟气脱硫放在重要位置，强调加快现有燃煤电厂脱硫设施建设，增加现有燃煤电厂脱硫能力，新建燃煤电厂必须根据排放标准安装脱硫装置，使90％的现有电厂达标排放。

1.3.2国内烟气脱硫研发及主要应用技术

我国烟气脱硫控制技术的研究开发始于60年代初，对燃煤电厂、燃煤工业锅炉和冶金废气开展了烟气脱硫工艺研究、设备研制，取得了实验室小试和现场中试结果。

80年代以来，开展了一系列研究、开发和产业化工作。

原国家科委组织了“七五”和“八五”公关项目，对国际上现有脱硫技术主要方法进行了研究和实用性工程装置实验；国家自然科学基金委员会设立课题支持脱硫技术的基础研究，取得了很多成绩。

国家科技部在“九五”期间，组织“中小锅炉实用脱硫防尘技术与装备研究及产业化”攻关课题，其中包括针对燃煤电厂烟气脱硫技术，采用脉冲电晕等离子体烟气脱硫新技术研究；与此同时，引进了脱硫技术项目，进行示范规模实验和工厂化运行应用。

“十五”期间，国家对烟气脱硫提出严格要求，企业大规模引进脱硫技术，烟气脱硫产业快速发展。

二氧化硫烟气脱硫技术按工艺特点可分为湿法、半干法和干法两种。

1.3.2.1　湿法脱硫工艺

湿法脱硫目前采用的方法比较多，如石灰石-石膏法、柠檬酸法、硫化碱法等。

（1）石灰石—石膏法[8]

石灰石—石膏法是利用石灰石—石膏作为吸收剂与烟气中二氧化硫发生反应，工艺如图1.1，反应机理[4]如下：

图1.1　石灰石－石膏法流程图

SO2（g）＋H2O　　　SO2（l）＋H2O

SO2（l）＋H2O　　　　H+＋HSO3－　　　　2H+＋SO32－

CaCO3　　　Ca2+＋CO32－

CaO+H2OCa（OH）2Ca2++2OH－

Ca2＋+SO32－CaSO3

CaSO3+2H2O+1/2O2　CaSO4·2H2O

从化学反应过程来看，增加烟气中SO2与浆液的接触时间、提高浆液的循环量、合理控制浆液的pH值，有利于烟气的吸收；从吸收过程来看，浆液的pH值对吸收率的影响比较大，所以控制浆液合适的pH值非常重要。

从各方面经验数据看，浆液的pH值一般控制在6.9～8.9，如果低于6时，吸收速度减慢，低于4时，浆液几乎不吸收二氧化硫；根据吸收过程的汽液平衡可知，低温有利于SO2的吸收。

此法在研究和环保上取得了一些成果，但是存在以下几方面问题：

工艺流程复杂，投资大，运行费用偏高；当烟气中SO2波动比较大时，石灰石量难以控制，浆液的pH值很难处于最佳状态，生成的CaSO3和CaSO4容易堵塞管道和设备。

所以，此方法比较适合于大型企业进行烟气脱硫。

（2）柠檬吸收法[9]

柠檬吸收法是一种吸收低浓度SO2烟气的一种脱硫方法。

当含有SO2的烟气通过柠檬酸盐液体时，烟气中SO2与水发生反应，生成HSO3-，其机理如下：

SO2＋H2OHSO3－＋H＋

H＋+Ci3－HCi2－

H＋+HCi2－H2Ci－

H＋+H2Ci－H3Ci

柠檬酸溶液具有较好的缓冲性能，使溶于水的SO2与H＋形成络合物，所以保持溶液最佳pH值是吸收SO2的一个重要条件，根据实验数据表明，pH值大于5的情况下，SO2吸收率在99%以上，在脱析过程中，利用蒸汽加热即可，脱析比较完全。

金堆城钼业公司钼炉料部成功应用柠檬酸法进行SO2的烟气治理，主要产品有：

液态SO2等。

但是这种方法仅适于低浓度SO2烟气，而不适于高浓度SO2气体吸收，应用范围比较窄。

1.3.2.2半干法烟气脱硫工艺

半干法烟气脱硫工艺主要是是指喷雾干燥脱硫方法，其是利用机械或气流的力量将吸收剂分散成极细小的雾状液滴，雾状液滴与烟气形成比较大的接触表面积，在气液两相之间发生的一种热量交换、质量传递和化学反应的一种脱硫方法，工艺如图1.2。

一般用的吸收剂是碱液、石灰乳、石灰石浆液等，目前绝大多数装置都使用石灰乳作为吸收剂。

一般情况下，这种方法的脱硫率65%～85%。

其优点是脱硫在气、液、固三相状态下进行，工艺设备简单，生成物为固态的CaSO3、CaSO4易处理，没有严重的设备腐蚀和堵塞情况，耗水也比较少。

其缺点是自动化要求比较高，吸收剂的用量难以控制，吸收效率不是很高。

所以，选择开发合理的吸收剂是解决此方法面临的新难题。

图1.2　　喷雾干燥法脱硫工艺流程

1.3.2.3　干法烟气脱硫工艺

（1）活性炭脱硫法

活性炭脱硫是因为单元气体或混合气体的某些成分具有选择吸收性能，利用活性炭多孔的性质吸附烟气中的SO2并将其氧化成硫酸而储存在活性炭孔隙内的烟气净化技术。

改性活性炭优点：

吸附容量大，吸附过程和催化转换的动力学过程快，对氧的反应慢，可再生等。

最终结果可获得硫酸，液态SO2和单质硫产品，既可以有效地控制SO2的排放，又可以回收硫资源，是一种前景较好的脱硫工艺。

早期，活性炭吸附法被德国Lurgi公司和日本的日立公司联合开发而成，由于当时的运行成本高，没有推广，后经西安交通大学对活性炭进行了改进，开发出成本低、选择吸附性能强的ZL30、ZL40，进一步完善了活性炭的工艺，使烟气中二氧化硫吸附率达到95.8%，达到国家排放标准[10]。

但是，这套工艺设备复杂，需多次切换阀门，操作很复杂。

总体来说，此方法只适合于小规模、低浓度SO2烟气处理，而且由于水洗会造成水资源的大量消耗，而且造成二次污染，对于我国这样水资源匮乏、环境污染严重的国家不适合推广使用。

另外，高昂的活性炭价格也在一定程度上限制了这套工艺的推广应用。

（2）金属氧化物脱硫法

由于二氧化硫是一种比较活泼的气体，而且科研人员研究许多金属氧化物如：

氧化锰、氧化锌、氧化铁、氧化铜等氧化物对二氧化硫具有较强的吸附性，在常温或低温下，金属氧化物对二氧化硫起吸附作用，高温情况下，金属氧化物与二氧化硫发生化学反应，生成金属盐。

然后对吸附物和金属盐通过热分解法、洗涤法等使氧化物再生。

这是一种干法脱硫方法，虽然没有污水、废酸，不造成污染，但是此方法也没有得到推广，主要是因为脱硫效率比较低，设备庞大，投资比较大，操作要求较高，成本高。

所以开发新的吸附剂是我们需解决的新课题。

另外，还有炉内喷钙尾部增湿烟气脱硫工艺、烟气循环流化床脱硫工艺、海水脱硫工艺、电子束法脱硫工艺、氨水洗涤法脱硫工艺等等。

以上几种二氧化硫烟气治理技术目前应用比较广泛的，虽然脱硫率比较高，但是工艺复杂，运行费用高，防污不彻底，造成二次污染等不足，与我国实现经济和环境和谐发展的大方针不相适应，故有必要对新的脱硫技术进行探索和研究。

1.3.3国内除尘技术现状

煤作为锅炉使用的主要燃料，送入锅炉内燃烧后，除产生大量的热能外，同时还会产生大量的烟气。

烟气是气相物质与固相物质的混合物，如C02、S02、CO、H20、N2、O2和氮氧化物等及烟尘的混合物。

为此，我国制定了《大气环境质量标准》（GB3095－82）、《工业企业设计卫生标准》（TJ36－79）、《锅炉大气污染排放标准》（GwPB3－1999）、《燃煤电厂大气污染物排放标准》（GB13223－91）。

在不同燃烧方式下，锅炉的排尘浓度约为：

链条炉2～5g/Nm3，煤粉炉10～30g/Nm3，沸腾炉20～60g/Nm3。

烟气中S02的体积份额如下：

链条炉0.7～0.8%，煤粉炉0.85～0.9%，沸腾炉0.8～0.85%，大型火电厂0.2～0.3%。

为了减少有害气体及烟尘之排放量，除了采用新炉型改进燃烧方式外，安装有效的排烟除尘设备是十分有效和重要的措施。

锅炉上使用的除尘器有四大类：

机械类除尘器（包括重力式、惯性式）、洗涤类除尘器、过滤式除尘器、电除尘器。

品种超过27种之多。

选用除尘器的原则应根据尘粒的性质及变化（其中包括尘粒分散度、含尘浓度、磨损性等）、烟气的性质（如烟气量、烟温等）、除尘装置的工作特性及适用范围，再结合设备投资、场地情况和当地环保主管部门意见决定。

由于国家对大气环境质量要求的提高，为减少二次污染及增加烟尘的利用价值，新建大中型电站锅炉除尘装置多采用电除尘器，烟气脱硫方式也多种多样。

常用的除尘器有以下几种。

1.3.3.1脉冲清灰袋式除尘器[12]

1、概述

脉冲清灰袋式除尘器由于过滤风速高、阻