前置碱雾发生器烟气脱硫试验研究及数值模拟
SO2是目前占能源主导地位的化石燃料燃烧过程中排放的对环境造成严重危害的主要污染物之一，其脱除与排放的控制愈来愈得到社会各方面的重视。半干法烟气脱硫工艺与传统的湿法烟气脱硫工艺相比具有投资费用低、能耗小、脱硫产物为干态、易于处理等优点而逐步地被广泛应用。通过对多种常用半干法烟气脱硫工艺的比较和分析，提出了一种新型的前置碱雾发生器简易半干法烟气脱硫工艺，并搭建了大型的热态试验台并对影响脱硫效率的多种因素进行了试验研究。为了对此脱硫工艺内多相流动规律及液滴捕捉颗粒机理进行更深入的了解，建立了多流体碱雾发生器冷态试验台并利用PIV对其内部的多相流动做了测量。然后针对此脱硫反应器建立了液滴捕捉颗粒、浆液蒸发及脱硫反应模型，采用试验与数值模拟相结合的手段，详细地研究了反应器内多相流动规律及脱硫反应机理。
前置碱雾发生器烟气脱硫工艺半工业性热态试验研究表明，在一定的饱和温距下，钙硫摩尔比越大，脱硫效率越高。当钙硫摩尔比(Ca/S)从1.0增加到2.0时，系统脱硫效率增幅较大；当Ca/S摩尔比大于2.0时，再增加钙硫摩尔比脱硫效率的增加不明显。在一定的钙硫摩尔比下，烟气出口饱和温距越低，系统脱硫效率越高；且烟气出口饱和温距从20℃左右降低到10℃左右时，脱硫效率增幅较为显著。对本简易脱硫工艺，在钙硫摩尔比为2.0，烟气出口饱和温距为13.2℃时，系统的脱硫效率可以达到75﹪-85﹪，基本上可以满足燃用低硫煤中小电厂的环保排放要求。
对此脱硫工艺的核心部件——多流体碱雾发生器，采用DANTECFlowMapPIV测量系统较详细地研究了碱雾发生器内雾化液滴相及颗粒相的速度矢量场。研究表明，边壁风和送粉风的大小对碱雾发生器内回流的影响比较明显；在碱雾发生器的横截面上，雾化液滴的速度基本上从雾化中心成对称分布；由于喷嘴射流的影响，空气分布器出口附近的颗粒矢量速度向雾化中心偏斜，有利于雾化液滴对颗粒的碰撞捕捉。利用PIV系统的CCD相机获得了较直观的颗粒相及喷水雾化的数字图片。测量结果可为碱雾发生器的优化设计及雾化液滴对颗粒的碰撞捕捉机理提供一定的参考。
为了数值模拟研究前置碱雾发生器脱硫装置内多相流动及组分浓度分布规律，以便更好地对此简易半干法脱硫装置进行优化设计，首先针对此工艺的关键环节——液滴对颗粒的捕捉增湿进行了建模，模型中对液滴和脱硫剂颗粒采用同时跟踪的颗粒随机轨道方法，建立了液滴捕捉颗粒的直接模拟概率模型；然后采用数值模拟的手段，对影响碱雾发生器内颗粒捕捉效率的各因素进行了研究，并取得了较为合理的结果。接着建立了浆滴蒸发干燥模型、及浆滴脱硫反应双膜模型，为了验证模型的准确性，建立了基于计算流体力学的喷雾干燥半干法烟气脱硫的数值计算模型及程序，对影响脱硫效率的许多因素及单个浆滴蒸发干燥和脱硫反应经历进行了模拟研究，并和一些学者的试验结果进行了对比。
通过全面考虑反应器内气相湍流流动，液滴对脱硫剂颗粒的碰撞捕捉、浆滴的蒸发及脱硫等，对气相采用标准k-ε模型，离散相采用同时跟踪的颗粒随机轨道模型，建立了前置碱雾发生器烟气脱硫工艺的三维计算流体力学综合模型。模型预测结果如总体脱硫效率和出口烟气温度与试验值符合较好。以其中的一个工况为代表详细地分析了反应器内气、液、固多相湍流流动，以及温度和各组分浓度在反应器内的空间分布；并对不同直径液滴和脱硫剂颗粒的经历进行了分析。因此综合的脱硫数值计算模型可以作为一个有效的工具，用于此类型脱硫反应器的设计和优化。
半干法烟气脱硫中脱硫剂浆液的干燥特性及脱硫剂浆液的脱硫反应特性目前研究非常少，故采用热天平研究了低温(80℃)条件下氢氧化钙浆液在一定水钙质量比、SO2浓度范围内的脱硫特性及干燥特性。为了更好地了解浆液脱硫干燥过程中的外部条件，对热天平反应室内的气相流场、温度场和SO2浓度场利用高、低Re数k-ε模型进行了数值模拟和比较，并对数值模拟结果进行了定性的分析。
烟气脱硫;碱雾发生器;半干法脱硫;脱硫剂浆液
上海交通大学
博士
热能工程
章明川
2005
中文
TK223.27
128
2006-09-18（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）