循环流化床烟气脱硫过程特性分析

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中图分类号： )*!’+
文献标识码： ,!
循环流化床烟气脱硫过程特性分析
颜 岩， 彭晓峰， 贾 力， 王补宣
（清华大学热能工程系， 北京 !"""-+）
摘要： 在分析循环流化床气相和颗粒相流动特性以及浆滴蒸发和 ./’ 吸收特性 基础上， 建立了循环流化床烟气脱硫过程特性的数学模型， 考察动力学参数、 热 烟气出口温度与绝热饱和 力学参数以及化学参数对脱硫效果的影响 0 结果表明， 温度之差 （,.,)） 和浆滴蒸发时间是影响脱硫效果的重要参数， 浆滴蒸发时间越 长， 有效反应时间越长， 脱硫效果越好， 而 ,.,) 减小可延长浆滴蒸发时间 0 动力 学、 热力学和化学参数对脱硫效果的影响都可归结为改变浆滴的蒸发时间 （或 ,.,)） 0 模型计算结果与已有实验结果吻合良好 0
单位体积内浆滴总表面积是求解床内 ,&% 和水蒸气浓度的重要参数 * 由于浆滴喷入 床内后， 部分自由撒布于烟气中， 部分附着在循环固体颗粒的表面上， 而且浆滴覆盖状态 决定于表面张力、 颗粒对水的亲和能力、 浆滴蒸发情况以及颗粒和浆滴的直径等众多因 素， 很难直接通过理论或实验来确定表面积 * 文献 ［"］ 从理论和实验证实了脱硫效果与浆 滴的总比表面积无关 * 一般烟气中水蒸气浓度越高、 烟气温度越低， 浆滴蒸发越慢 * 不妨假 设一种特殊工况， 即流化床出口处烟气 4,45 等于 ’， 浆滴恰好在出口处被完全蒸发， 由此 计算出所需要的单位体积内浆滴总表面积， 做为基准计算其它工况 *
# # （ （!,） 5 $［ 6* # % ! , $） ! 6* ! $! +! 1（! , ! ） $# +#］ ". ， 式 （!(） 约束下， 寻求合适的 !， （ !,） 达到最小 在式 （!’） +!， +#， /! ， /# 值使式 $! ， $# ，
值， 得到循环流化床内气固流动的描述 * 已知烟气和浆滴入口参数以及床内气固流动参 数， 联立式 （&） ， 式 （!$） 可求得床内 -.# 和水蒸气浓度变化 *
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过程特性分析
流态化特性分析 图 %6 给出了循环流化床空隙率以及核心区无量纲半径沿床高变化， 图 %7 则是气相
和颗粒相速度分布曲线 * 核心区无量纲半径沿床高逐渐增加， 空隙率沿床高几乎不变， 且 非常接近 ! * 环形区空隙率沿床高变化很大， 在密相区和稀相区交界附近有一明显降低， 然后又直线上升， 到床出口附近又开始下降 * 显然密相区颗粒向上运动， 而稀相区壁面附 近颗粒向下运动， 因此密相区和稀相区交界附近由于颗粒的反向运动形成颗粒的聚集效 应； 床出口附近， 由于存在颗粒的加速运动， 再加上颗粒从核心区向环形区析出， 使得环形 区的空隙率又开始下降 * 由于床内大部分为核心区， 尽管环形区空隙率沿床高变化很大， 对床内平均空隙率的影响很小， 平均空隙率与核心区比较接近 * 万方数据
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式 （C B F） 中的摩擦力可表示为
$"1 $+1 $ "0 $+0
其中
万方数据
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了各种热力学、 动力学、 化学参数对脱硫效果的影响， 发现烟气湿度、 钙硫比越高， 反应温 度越低脱硫效果越明显， 气相和颗粒相的循环流率等对脱硫效果也有非常重要的影响 0 理
［7 8 ! ［(］ ［-］ 论研究方面， 许多计算都基于 *1234456 、 、 等建立的喷雾干燥脱硫反 916:;3;2< =>213? ［%］ 应模型， @>1:A>2B 在假定床内等温和床内流动为平推流基础上建立了一个等温半经验模 ［!"］ 型， 谭忠超 则在此基础上建立了一个非等温模型 0 这些模型主要考虑浆滴蒸发和 ./’ 吸收过程， 不考虑循环流化床内复杂流动过程的影响， 而且模型的主要参数仍需要通过实
由两区间等压力梯度， 及满足稳定流动的物料平衡条件， 有
（!’）流态化条件源自{+ ! , / ! # +4 + # , / # # +4
（!(）
一般已知气体质量流率、 颗粒质量流率和截面平均空隙率， 需要求 !， +!， +# ， $! ， $# ， （!’） 只有 ( 个方程， 需要补充其它条件 * 文献 ［!’+!(］ 提出环核流动结构是气固 /!， /# * 式 两相在不均匀流动状态下为使气固之间相互作用最小而形成的 * 对单位质量颗粒， 气固之 间相互作用功为
关键词： 环$核模型， 循环流化床， 烟气脱硫， 传递现象， 数值模拟
循环流化床烟气脱硫技术具有脱硫剂利用率高、 耗水量少以及脱硫产物为干态等一
［!$’］ 系列优点 而得到广泛应用 0 循环流化床烟气脱硫涉及床内气相、 颗粒相流动， 浆滴蒸发 ［’］ ［&］ ［+］ ［#］ 和 ./’ 吸收等复杂过程， 影响因素众多 0 樊保国 、 冯斌 、 谢建军 、 刘海波 实验研究
/list.php/0-0-1-100000-%25B6%25AC%2 由于浆滴从烟气中吸热量等于浆滴的蒸发潜热和浆滴焓值变化之和， 则
（ （ （ 3%’- 1 3 $ &） (% ) * ， /0 4 % # +% , # - ）& ! ./ 0 +" 1 +% ）1 ! 2 % 由式 （!( ) %’） ， 加上流动条件， 可以确定浆滴和烟气之间的传热传质量 * %*+ ,&% 传质系数 进入浆滴内反应界面 ,&% 气体从主流区扩散到浆滴表面， ,&% 气体的吸收过程包括， （%’）
验来确定 0 为进一步突出循环流化床烟气脱硫技术的特点， 增强脱硫效果、 降低水耗和能耗， 迫 切需要从理论上对循环流化床烟气脱硫设备进行更加详细的分析， 建立气固流动、 浆滴蒸 发和 ./’ 吸收过程的数学模型， 为循环流化床烟气脱硫设备的改进和优化设计提供参考 0
! 数理模型
!0! 基本过程 典型循环流化床烟气脱硫装置见文献 ［’］ （一般入口温度为 !’" C !-"D 0 ） 从床 0 烟气 底部进入， 携带由伴床而来的床料颗粒向上流动， 石灰浆由泥浆泵经雾化喷嘴雾化后喷入 床内， 大部分附着在床料表面随床料沿床向上运动， 实现与烟气的接触 0 烟气中的热量传
#
颗粒相质量平衡方程
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由式 （* B A） 及量级分析可以得到简化的气相和颗粒相动量方程 )（ < - # < $ ） $"0 #!’ * ( .&"* % ./* % # （ #! # * )! ） ’ )（ < - # < $ ） $"0 ) $"1 ］ # ( .&"# % ./# % ［ ./* ( .&+* % # $+0 #!’ （ ./# ( .&+# ) ［ #! # * )! ） ’ $+0 ) $+1 ］
［**?*#］ 流动结构是环?核结构 ， 即分为环形
和核心两个区域， 如图 * 所示 . 床中心部 分是稀浓度向上运动的气粒两相流， 近壁 面环形 区 颗 粒 较 浓， 大多数颗粒向下运 动， 两区交界面上存在着气体和颗粒的交 换.
图* +,-. * 环核流动结构示意图
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环核流动模型 针对环核流动结构， 假定两区内各参
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（!"）
［(-"］ 与吸收剂反应， 因反应速度远大于传质速度， 可认为反应在瞬间完成 *
气相中 ,&% 向浆滴表面的传质 （ , 7+ 5 ,&% & !2， ,&% ， " * ,&% 1 * ,&% ， 6） 液相中 ,&% 传质 5 ,&% & " !2， ,&% ， 83 ,&% ， 6 浆滴表面处 ,&% 浓度和分压力之间满足 $./01 关系： * ,&%， 6 & .3 ,&% ， 6 到 （%"） ， 得到 联立 （%(） , " 5 ,&% & " !,&%， !,&%， 83 ,&% （ 8 ,!,&% ， " # . , 7+" ） 所以， 总的 ,&% 传质系数 , " 9 ,&% & " !,&%， !,&%， 8（ 8 ,!,&% ， " # . , 7+" ） %*2 浆滴表面积 （%3） （%2） （%+） （%%） （%!）