（环境工程专业论文）石灰石石膏湿法烟气脱硫氧化空气研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 石灰石石膏湿法烟气脱硫工艺( w e tl i m e s t o n eg y p s u mf l u eg a s d e s u l p h u r i z a t i o np r o c e s s ) 是目前火电厂烟气脱硫应用最广的工艺，喷淋塔是 石灰石石膏湿法烟气脱硫主流吸收塔技术。通过研究，初步形成了石灰石 石膏湿法烟气脱硫强制氧化工艺技术理论体系和工程设计依据。 吸收塔浆液氧化分为自然氧化、抑制氧化、强制氧化工艺。强制氧化是 目前通常采用工艺，主要受吸收塔浆池浆液深度、自然氧化率、浆液密度( 包 括溶液中溶解的固体和悬浮固体) 、浆液温度、p h 、空气压力等的影响，而且 采用不同的氧化空气设计形式也会影响设备布置、运行要求和总的效果。 提出了强制氧化工艺的氧化空气量和压力计算方法，计算公式。 对目前较常采用的氧化空气管网、氧化空气喷枪的氧化空气供给技术的 气泡形成和传质机理进行了初步探讨，对两者的技术特点、能耗、成本进行 了分析。从成本考虑，对于低硫机组脱硫或氧化空气管浸没深度较浅吸收塔， 氧化空气喷枪技术较适合；而高硫煤机组脱硫，需要的空气量大，氧化空气 管浸没深度更深，管网型技术更适合。 在实际运行中，氧化空气供给分配不均或氧化空气管断裂对脱硫效率和 石膏品质影响明显，脱硫效率一般维持在自然氧化的脱硫效率水平，约8 0 左右，石膏脱水困难，含水率较高，根据脱硫化学反应原理，进行了氧化空 气对脱硫性能的影响分析。 对于管网型的氧化空气供给技术，工程设计中尤其应注意氧化空气管的 固定方式设计，以防止吸收塔运行中由于振动等因素造成氧化空气管断裂。 关键词：氧化空气；石灰石一石膏湿法烟气脱硫；火电厂 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t w 文l i m e s t o n eg y p s u mf l u eg a sd e s u l p h u r i z a t i o n ( w l s t - f g d ) p r o c e s sw a s w i d e l ya p p l i e d f o rf o s s i lf i r e dp o w e r p l a n t ，a n ds p r a yt o w e rt e c h n o l o g yw a sm o s t l y d e s i g n e df o ra b s o r b e r t h et h e o r ys y s t e mo ff o r c e do x i d a t i o np r o c e s sf o r w l s t _ f g dh a sb e e nb u i l tp r i m a r y a b s o r b e rs l u r r yo x i d a t i o ni n c l u d e sn a t u r a lo x i d a t i o n ，i n h i b i t o r yo x i d a t i o na n d f o r c e d o x i d a t i o n g e n e r a l l y , f o r c e d o x i d a t i o n p r o c e s s w a si n t r o d u c e df o r w l s t - f g d t h eo x i d a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dp e r f o r m a n c ec a p a b i l i t i e so fag i v e n f g da b s o r b e ra r ei n f l u e n c e db yav a r i e t yo ff a c t o r s a b s o r b e rs i z e ，s l u r r yl e v e l ， n a t u r a lo x i d a t i o n ，s l u r r yd e n s i t y ( i n c l u d ed i s s o l v e da n ds u s p e n d e ds o l i d s ) ，s l u r r y t e m p e r a t u r e ，p h ，a n da i rp r e s s u r ea r ea m o n gt h o s et h a ta f f e c tt h er e s u l t s f u r t h e r , t h em e t h o du s e dt oi n t r o d u c et h ea i ri n t ot h ep r o c e s si n f l u e n c e st h ee q u i p m e n t a r r a n g e m e n t ，o p e r a t i n gr e q u i r e m e n t s ，a n do v e r a l le f f i c i e n c y f o r c e do x i d a t i o na i rv o l u m er a t ea n dp r e s s u r eh e a dc a l c u l a t i o nm e t h o d sa n d f o r m u l a sa r eg i v e n r e c e n t l y , o x i d a t i o ni n t r o d u c et e c h n o l o g ya r em o s t l yu s e do x i d a t i o na i rs p a r g e g n ds y s t e ma n do x i d a t i o na i rl a n c es y s t e m a i rb u b b l ef o r ma n dt h em a s st r a n s f e r a r ea p p r o x i m a t e l yd i s c u s s e d t h ec o m p a r i s o n so ft h eo x i d a t i o np r o c e s sc h a r a c t e r , e n e r g ya n dc a p i t a lc o s t sa r ep e r f o r m e d f r o mac a p i t a lc o s ts t a n d p o i n t ，l o ws u l f u r u n i tf g do ra b s o r b e rw i t ho x i d a t i o na i rp i p es u b m e r g e n c ed e p t hm o r el o w e r , w i t h c o r r e s p o n d i n g l yl o wo x i d a t i o na i rf l o w s ，a p p e a ri d e a l l ys u i t e dt o w a r d st h el a n c e s y s t e m h i g hs u l f u rp r o je c t sw i t hg r e a t e ra l l o w a b l es u b m e r g e n c ed e p t hc a l lm o v e a ne v a l u a t i o nt o w a r d sas p a r g eg r i d i no p e r a t i o n ，o x i d a t i o na i rd i s t r i b u t eu n e q u a l l yo ro k i d a t i o np i p eb r o k e nw i l l s i g n i f i c a n t i n f l u e n c e d e s u l p h u r i z a t i o ne f f i c i e n c y a n d g y p s u mq u a l i t y t h e d e s u l p h u r i z a t i o ne f f i c i e n c yw i l ld o w nt o8 0 a b o u tn a t u r a lo x i d a t i o np r o c e s s d e s u l p h u r i z a t i o nl e v e l ，a n dg y p s u md e w a t e rw i l ld i f f i c u l t ，m o i s t u r ec o n t e n tv e r y h i g h f o rs p a r g eg r i ds y s t e mo x i d a t i o ni n t r o d u c t i o nt e c h n o l o g y , t h eo x i d a t i o np i p e f i xf o r ms h o u l dr e g a r d e di ne n g i n e e r i n gd e s i g n ，a v o i do x i d a t i o na i rp i p ec r a c kd u e t oa b s o r b e ro p e r a t i o nl e a d sv i b r a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 if 页 k e yw o r d s ：o x i d a t i o na i r ；w e tl i m e s t o n eg y p s u mf l u eg a sd e s u l p h u r i z a t i o n ； f o s s i lf i r e dp o w e rp l a n t 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密口，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打、r ”) 学位论文作者签名：辞矽争留如 指导老师签名 日期： ，纠，日 日期硝年fl 月l f 日 西南交通大学曲南父逋大罕 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的 成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中作了明确 的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 谚考。! l 。 叶i , l i l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 石灰石石膏湿法烟气脱硫( w l s t - f g d ) 因其脱硫效率高、工艺成熟、 安全性可靠性高、系统运行稳定、维护简单、投资成本与运行成本较低、脱 硫副产物可综合利用等优势而成为目前火电厂烟气脱硫最常采用的工艺。 氧化空气系统是石灰石石膏湿法烟气脱硫核心一s 0 2 吸收系统中重要的 子系统之一。氧化空气系统氧化工艺的正确选取和设计与否，将直接影响到 整个脱硫系统的投资成本以及脱硫性能。 1 1 氧化工艺现状分析 石灰石石膏湿法烟气脱硫工艺分为自然氧化工艺、强制氧化工艺和抑制 氧化工艺。 氧化自然涉及到氧化率，研究表明，当浆液中亚硫酸盐的氧化率在1 5 至9 0 范围时，脱硫系统易发生石膏结垢；当氧化率在1 5 以下时，易发生 c s s ( c a l c i u ms u l f a t ea n ds u l f i t e ，亚硫酸钙和硫酸钙的混合晶体) 共沉淀 6 ， 此时对石膏来说是在非饱和状态下进行，其结垢现象便不会发生；当氧化率 在9 0 至9 5 以上时，浆液里有石膏晶体存在，硫酸钙将首先在其晶体上沉 淀，从而避免设备表面上的结垢 5 】。 脱硫系统的结垢和堵塞在湿法烟气脱硫工艺中经常发生，而且非常严重。 1 1 1 自然氧化工艺 早期的石灰石石膏湿法烟气脱硫技术一般是非强制氧化技术，仅利用烟 气中所含的氧可氧化部分亚硫酸钙，即发生自然氧化，其脱硫效率较低，仅 3 0 - - 8 0 。在自然氧化中如果氧化率达不到一定程度，则不能产生足够的 石膏晶种使石膏晶种迅速增长，导致石膏在吸收塔浆池内生成c s s 垢。 1 1 2 抑制氧化工艺 根据r k l i m 等人的研究 7 】，二氧化硫水溶液的液相氧化反应主要是微 量元属( 如m n 2 + 、f e 2 + 等) 催化作用的结果，如无微量金属存在，则氧化速 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 率可忽略。因此，采用螯合剂及抗氧化剂将微量金属屏蔽起来或清除链反应 自由基，可达到抑制氧化或使氧化率降低的目的。在工业应用中较常采用的 螯合剂及抗氧化剂主要有硫代硫酸钠【8 】、元属硫 9 等。 采用抑制氧化方式控制石膏结垢存在的问题是脱硫副产物为较细的亚硫 酸钙半水合物固体，过虑脱水困难。 1 1 3 强制氧化工艺 强制氧化是通过向石灰石石膏湿法烟气脱硫核心装置一吸收塔底部浆 池强制中鼓入空气，使生成的重亚硫酸钙c a ( h s 0 3 ) 2 浆液在过量空气中氧的 作用下充分氧化为硫酸钙并结晶生成石膏( c a s 0 4 2 h 2 0 ) ，氧化反应趋于完全， 氧化率高于9 0 至9 5 ，并保持足够的浆液含固量( 1 2 ) ，以提供石膏结 晶所需的晶种。此时，石膏晶体的生长占优势，可有效控制结垢。强制氧化 的引入还有助于提高脱硫效率，为减少液气比提供了条件，烟气处理量及二 氧化硫浓度变化时的负荷适应性都比自然氧化形式和抑制氧化形式优越，石 灰石利用率高，脱硫副产品为石膏，具有较高的商业价值，同时避免了二次 污染。 实验表明强制氧化及抑制氧化均能提高脱硫效率及石灰石中c a c 0 3 的利 用率，但对浆液p h 值的影响正好相反，强制氧化使浆液p h 值下降的更快， 而抑制氧化则使浆液p h 值有所提高 2 3 】。 至1 9 8 0 s 后，强制氧化工艺陆续应用在火电厂，并同时推广到水泥、烧 结、化工等其他烟气净化领域。 1 2 强制氧化研究进展 对于吸收塔浆液的强制氧化反应机理，目前仍然有很多学者在研究，但 更多的是关注氧化过程、研究亚硫酸钙重亚硫酸钙的氧化，以预防和解决实 际工程中的结垢问题为主。 a m e d e ol a m c i a 1 0 ，1 3 等人研究了亚硫酸钙的催化氧化：杨剑、文娟【1 7 】 进行了锰对硫酸钙的催化氧化；h j u l e r 等人 1 2 】研了究s 0 2 喷淋吸收石膏的 氧化；汪黎东 1 6 ，1 8 】等人、赵博等人【1 9 】、钟秦 2 0 】分别对氧化反应方面的 氧化传递、非均相氧化动力学进行了研究。p h i l i pw d i s n e y 等人 1 4 】应用中试 规模对石灰石石膏湿法烟气脱硫氧化机理进行了研究。l i m i n gc h e n 等人 1 5 】 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 在研究自然氧化状态下脱硫副产物对土壤的影响时，提到自然氧化状态下的 脱硫效率为3 0 8 0 ，这对烟气脱硫装置设计和运行人员是非常有指导意 义的。 令人遗憾的是，这些脱硫氧化反应多数研究是以微观的形式进行研究， 对脱硫装置的氧化设计和系统运行指导意义不大，缺乏宏观上的具体的氧化 反应的量化指标。 1 3 问题提出 目前，国内外对于氧化空气的脱硫性能影响、投资成本、运行成本等设 计比较方面的认识，还仅停留在十多年前k j r o g e r s 等人的定性研究水平 2 1 】，远不能适应目前国内电厂烟气脱硫的激烈的竞争市场和设计成本压力。 德国在上世纪七、八十年代，脱硫产业在很短的时间内便得到了迅速发 展和繁荣，然而，没有经过几年，市场空间缩减以及企业无序的竞争，也迅 速地导致了整个产业的低迷。日本、美国等国家也与德国具有相似的经历。 从1 9 9 0 s 至本世纪初，欧、美、日烟气脱硫技术纷纷转向中国。 由于整个产业没有长远地发展，其技术研究，尤其是基础性研究也难以 持续地进行，如德国鲁奇公司( 原鲁奇能捷斯一毕晓芙公司) 在其脱硫技术转 让给中国后，其技术才受中国特色的激烈的脱硫市场成本陆续地不断改进和 发展，仅工艺计算的物料衡算与热量衡算程序就连续多次升级，以适应中国 脱硫市场。 随着近几年我国火电厂烟气脱硫装置的投运，石灰石石膏湿法工艺陆续 暴露出一些运行问题。其中较突出的问题是吸收塔和管道结垢造成堵塞，石 膏品质低下，亚硫酸钙或亚硫酸钙半水化合物含量较高，更有因为工艺不当 或设计不合理造成脱硫效率达不到设计值 2 9 】。 上述暴露问题，其中一个重要原因是由于氧化空气设计不当引起，本课 题旨在对石灰石石膏湿法中强制氧化工艺进行研究，初步形成强制氧化工艺 技术理论体系，对吸收塔不同结构的强制氧化空气供给技术的特点、运行和 经济性进行比较，并对脱硫装置运行过程中的氧化空气的常见问题提出解决 措施。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 4 项目研究意义 石灰石石膏湿法烟气脱硫氧化问题，尽管有很多学者在研究，但更多的 是关注氧化反应过程和机理、研究亚硫酸钙重亚硫酸钙的氧化，这些脱硫氧 化反应多数研究是以微观的形式进行，对脱硫装置的工程设计、和工程运行 指导意义不大，实用性不强。 受清洁空气法典的约束，欧、美等先进的发达国家电厂的烟气脱硫装置 早在上世纪末已全面建成投产，我国电厂烟气脱硫装置则起步于1 9 9 8 年，而 大规模建设开始于2 0 0 3 年，且脱硫装置建设的主要执行方式是高起点引进国 外先进、发达国家的技术和项目合作方式，采用自主技术极少，因此对脱硫 技术的消化和吸收还远远不够，同时国内脱硫项目往往受工程工期制约，基 础性研究比较薄弱，因而湿法烟气脱硫氧化空气系统方面的研究，文献报道 甚少。 目前，国内外对于氧化空气的脱硫性能影响、投资成本、运行成本等设 计比较方面的认识还基本是一片空白，仅停留在十多年前的定性研究水平， 无定量的分析研究，远不能适应目前国内电厂烟气脱硫的激烈的竞争市场和 设计成本压力。 本项目将致力于石灰石石膏湿法烟气脱硫原理、强制氧化工艺的氧化反 应传质机理、影响因素、工艺计算、工程设计、工程运行等诸多方面进行系 统性的分析研究，开拓性地形成石灰石石膏湿法烟气脱硫强制氧化工艺的技 术理论系统体系，为烟气脱硫项目执行提供更为直接的技术依据和可操作性， 具有重要的现实意义。 同时，本项目研究还将就已投运烟气脱硫装置中遇到的氧化空气系列问 题进行典型案例分析，前车之师，能对工程设计和实际运行起到借鉴和抛砖 引玉作用。 1 5 本项目研究目的、内容和研究方法 1 5 1 研究目的和内容 本项目研究目的，初步形成石灰石石膏湿法烟气脱硫强制氧化工艺理论 技术体系，为工程设计提供理论依据。主要研究内容如下： a 石灰石一石膏湿法烟气脱硫原理： 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 b 氧化工艺及现状分析； c 强制氧化工艺研究，进行氧化反应影响因素、氧化空气量和压力计算 方法研究； d 强制氧化空气供给技术研究，对目前常采用的氧化空气供给技术的特 点、运行和经济性进行比较研究，提出定量分析； e 对我国电厂脱硫装置的氧化空气问题进行典型案例分析。 f 根据烟气脱硫化学反应原理，进行氧化空气对脱硫性能影响的分析研 究。 1 5 2 研究方法 本项目研究采用文献检索、理论研究、工程设计比较法和调查研究相结 合的方式进行。 通过公开的文献检索，综合论述目前氧化反应研究进展和状况。在此基 础上采用双膜理论和搅拌理论对强制氧化工艺的氧化反应机理进行初步的系 统性研究，提出理论模型。 根据脱硫原理，提出工程设计的强制氧化工艺计算方法。 采用比较法，对强制氧化工艺的空气供给技术进行技术经济性分析，提 出适合的性价比优良的工艺方案。 针对火电厂已投运脱硫装置中暴露出的氧化空气系列问题，采用调查法 并结合切身的脱硫工程实际设计经验进行典型案例分析研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章石灰石一石膏湿法烟气脱硫原理 石灰石石膏湿法烟气脱硫( w l s t - f g d ) i 艺是目前脱硫效率较高、技术 最为成熟、运行成本最低、可靠性最高、维护简单，在火电厂较常采用的烟 气脱硫工艺。在石灰石石膏湿法中，喷淋空塔是主流吸收塔技术 1 ，2 】。 常规石灰石石膏湿法烟气脱硫工艺已是成熟技术。近几年，随着技术进 步，烟气脱硫的化学过程虽然有了新的研究进展，但是其化学反应机理目前 还是不很清楚。喷淋空塔技术理论也逐渐从早期的双膜渗透理论演变为液滴 表面更新理论。为了优化脱硫装置设计，尤其是吸收塔设计，c f d 软件常常 被应用于烟气脱硫装置数值模拟。 在烟气脱硫过程中，物理反应和化学反应的过程相对复杂，吸收塔由吸 收区、氧化区和结晶区三部分组成，在吸收塔浆池( 氧化区和结晶区组成) 和吸 收区，不同的层存在不同的边界条件。吸收塔内脱硫化学反应模型，见图2 - 1 。 现将重要的物理和化学反应原理 3 ，4 】原理描述如下： 狰姻气 “h 匕吒，2 “。吗+ 讯一 和h c l 、心反应 l q h c o 】扩2 码蝴h 哂b + 碘 p h 5 0m o l m 3 时，m n 2 + 催化作用不增强氧化 反应速率。吸收塔浆池内浆液p h 值为5 5 、浆液浓度 5 5m o l m 3 时，lm o l m 3 的m n 2 + 催化作用使亚硫酸钙的氧化从非催化氧化的受溶解度控制转变为受氧 的扩散传质的控制 2 2 。 采用正交试验方法 2 4 】，研究了亚硫酸盐氧化动力学过程，提出了合理的 亚硫酸盐氧化工艺条件：初始p h 值为4 5 ，反应温度4 0 5 0 ，氧化空气 流量1 5 2 0 m 3 h ，c a ( o h ) 2 浓度在o o l - q 2 0 2 m o l l 的反应条件下，最有利于 亚硫酸钙的氧化。对提高氧化速度、完善湿式石灰石一石膏法脱硫技术的理论 基础、优化烟气脱硫工艺过程具有重要的价值。 3 1 影响氧化反应的因素 氧化空气注入的方法选择对电厂投资和石灰石石膏湿法f g d 系统运行 影响巨大。在石灰石一石膏湿法f g d 工艺中氧化空气的注入较常采用的有两 种技术，分别是氧化空气管网氧化空气喷射式( a i rs p a r g eg r i d s ) ，又称固定 式空气喷射器( f i x e da i rs p a r g e r ，缩写f a s ) ，简称氧化空气管网技术，和 搅拌器加氧化空气喷枪组合式( a g i t a t o ra i rl a n c ea s s e m i l i e s 缩写a l s ) ，简 称氧化空气喷枪技术。 f g d 系统的氧化效果和氧化能力主要受吸收塔浆池浆液深度、自然氧化 率、浆液密度( 包括溶液中溶解的固体和悬浮固体) 、浆液温度、p h 、空气压 力等的影响，而且采用不同的氧化空气设计形式也会影响设备布置、运行要 求和总的效果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 3 1 1 自然氧化的影响 脱除的s 0 2 部分被原烟气中的氧所氧化，称为“自然氧化 。自然氧化 份额越高，所需的氧化空气量越少，一般原烟气中的0 2 浓度越高，自然氧化 率越高。 自然氧化率是重要设计参数，自然氧化率越高，要求强制氧化的空气量 就越小。 自然氧化份额约为2 0 左右。 3 1 2 浆液深度的影响 在氧化空气气泡上升速度一定的情况下，浆液深度越深，气泡停留时间 越长，氧气的溶解量越多，则氧化的利用率就越高，但由于氧化空气的静压 头高，氧化风机的电耗也就会增加。 一般地，吸收塔浆池氧化区设计高度为5 m - - - , 7 m 。 3 1 3 浆液密度的影响 浆液密度的大小，取决于石膏浆液中的溶解固体、悬浮物、杂质等。浆 液密度影响氧化空气的静压头。溶解的固体对氧化既有抑制作用，也有催化 作用，这取决于溶解的物质种类。而浆液中的杂质通过减小静态表面张力， 有利于细小气泡的产生而阻止大气泡的生成，这样可改善传质，但是杂质如 果聚集在气液界面，会增大气泡扩散阻力，阻碍界面附近的气泡扩散和流通， 不利于传质。 浆液密度设计过高，相应地会增大循环泵选型功率，同时也会降低浆液 对烟气中的s 0 2 吸收能力，一般吸收塔浆液密度范围为11 0 0 k g m 3 12 0 0 k g m 3 。 3 1 4 浆液粘度 浆液粘度，将影响剪切、紊流、气泡颗粒的稳定和气泡的上升速度，也 会影响分子扩散。 气泡直径对传质有明显的影响，直接影响可利用的界面表面区域。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 3 1 5 浆液温度 温度将影响反应速率、氧气分子扩散和溶解。提高温度，氧气分子扩散 强，但氧气的溶解性变差。 由于吸收塔浆液是通过循环泵循环喷淋，吸收塔浆液与塔内的烟气温度 相同，为饱和湿烟气，其温度范围为4 2 5 0 。 3 1 6 氢离子浓度的影响 氢离子浓度影响硫酸盐相平衡和水溶性亚硫酸盐的化学形式。提高p h 值，有利于s 0 2 的吸收，但氧化率会降低。 喷枪型的氧化空气的扩散更多地是依赖于喷射点搅拌器的能量，而非氧 化空气风机本身能量，管网型氧化空气的扩散主要是取决于氧化风机本身能 量，而非喷射点搅拌器的能量。 3 2 强制氧化工艺计算 强制氧化工艺的计算包括氧化空气流量计算和氧化空气压头计算。 3 2 1 氧化空气量的计算 氧化空气量取决于s 0 2 摩尔数，与烟气量、烟气中s 0 2 浓度、脱硫效 率等因素有关，可表达如下： m 鼢= 1 0 - 6rx q g , c s o r l ( 3 1 ) 根据氧化反应原理，得到氧化空气流量计算公式： d：05x224xmso_x(1-or) ( 3 2 ) 0 2 1 式中： q 一氧化空气量，n m 3 h ： m 晒- - s 0 2 摩尔数，k m o l h ； o 5 一氧化反应化学当量摩尔比； 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 2 2 4 一标态气体体积，m 3 k m o l ； 一烟气量，n m 3 h ； c s 0 2 一烟气中s 0 2 浓度，m g n m 3 ； r l - - s 0 2 脱除效率； q - - s 0 2 自然氧化率，一般取0 1 - 0 2 ； 1 3 一强制氧化率，一般设计为o 3 0 4 ； 6 4 一s 0 2 摩尔质量； o 2 l 一空气中的氧气份额。 3 2 2 氧化空气压头计算 氧化空气由氧化风机提供，氧化风机压头计算： p = 只+ 罡 ( 3 3 ) 式中： p 一风机压头，k p a ： p l 一氧化空气出口静压； p 2 一氧化空气管路压损。 置= 1 0 由p x g h ( 3 3 ) 式中： p 一吸收塔浆液密度，k g m 3 ； g 一重力加速度常数： h 一氧化区高度管子浸没深度( 吸收塔内氧化空气管至液位高度) ，m 3 2 3 氧化风机选型 氧化空气由氧化风机提供。氧化空气压头一般约7 0 k p a 9 0 l ( p a ，根据风 量确定风机型式。 氧化风机一般按一运一备或两运一备设计。小于1 3 0 0 0 n m 3 h 风量的风机 一般采用罗茨风机，大于1 3 0 0 0 n m 3 h 风量的风机一般采用多级离心式风机， 或分解成两台罗茨式风机。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 第4 章强制氧化空气供给技术研究 氧化空气系统供给包括吸收塔内的氧化空气供给型式和布置在吸收塔外 的氧化空气管道和氧化风机。 吸收塔浆液中导入氧化空气的方式有多种，且氧化空气的分散方式也不 相同，导致氧化空气供给技术多样性，如喷气混合器，曝气器式 ( j e t - m i x e r a e r a t o r s ) 、径向叶轮下方喷射式( s p a r g i n gb e n e a t hr a d i a l i m p e l l e r s ，缩写r i s ) 、多孔板式( p e r f o r a t e dp l a t e s ) 、多孔喷射器式( p o r o u s d i f f u s e r s ) 、旋转式空气喷射器叶轮臂式( a r mr o t a r ya i rs p a r g e r i m p e l l e r a r m s ，缩写a r s ) 、管网喷射式( s p a r g eg r i d s ) 又称固定式空气喷射器( f i x e d a i rs p a r g e r ，缩写f a s ) 、搅拌器和空气喷枪组合式( a g i t a t o ra i rl a n c e a s s e m i l i e s 缩写a l s ) ，其中，后两种型式结构简单，空气喷嘴少，所需空气 量少，空气利用率高，气泡尺寸细，它不仅使氧化空气管道的用量大大减少， 且空气泡能更为匀地分布在浆池内参加氧化反应，因而，是目前较为普遍采 用的氧化空气供给技术。田凤国等人【2 8 】借鉴水处理技术的曝气工艺，提出将 射流曝气技术应用石灰石石膏湿法烟气脱硫强制氧化工艺新概念，表明采用 射流方式能耗节省达2 0 ，可省去搅拌装置，减少设备尺寸，简化系统，为 降低脱硫成本提供了可能性，如能在工业上真正实施和应用，这将对f g d 技 术进步和发展做出巨大贡献。 由于氧化空气供给技术常常和吸收塔浆液悬浮技术相牵连结成一体，构 成对浆液充分氧化作用，因此在分析氧化空气技术之前，有必要先简单介绍 吸收塔浆液悬浮技术。 4 1 吸收塔浆液悬浮技术 吸收塔浆液悬浮的主要目的是为了防止浆液沉积在吸收塔底部而结垢， 其次对氧化空气起传播扩散作用，使亚硫酸钙重亚硫酸钙充分氧化。 浆液悬浮可通过两种方式实现，一是采用机械搅拌技术，二是采用脉冲 悬浮技术。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 4 1 1 机械搅拌技术 吸收塔浆液悬浮采用机械搅拌技术是在吸收塔外壁均匀布置，见图4 1 ， 并离吸收塔底部一定的距离安装3 5 台机械搅拌器。机械搅拌器投运稳定一 段时间后，吸收塔浆液仍然会或多或少地在吸收塔底部自然沉降成具有一定 高度的一层薄薄的固体，进而影响石膏浆液塔内循环和石膏排出，这是机械 搅拌悬浮浆液的最大弱点，因此机械搅拌器安装高度必须合理地设计，以期 将影响降低到最少。 ”5 一 一 硷5 鼍= 多多 1 3 5 图4 1机械搅拌技术搅拌器布置 机械搅拌器安装高度对氧化空气的设计影响很重要，搅拌器设置的位置 与角度搅拌器的设置要求定位精度较高，安装高度一般在离底部1 5m 2 0m 之间。中心轴下倾1 0 。，与中心径向偏差5 。1 5 。，见图4 2 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 一：= ：睡穆 l 卜稚广吖巨三勇 一 ，二装鼗够 19 abc 图5 3 搅器器径向偏差角度- b 角 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 机械搅拌器的特点是：系统简单，投资省同时对氧化空气的设计影响 较大。 机械搅拌技术既可与氧化空气管网技术配套使用和设计，又可和氧化空 气喷枪技术配套使用和设计。 412 脉冲悬浮技术 吸收塔浆液脉冲悬浮技术是德国鲁奇一能捷斯- 毕晓芙公司专利技术，主要 由吸收塔内的脉冲喷嘴、管网，塔外的泵、管道、阀门等组成，其中泵为冗 余设计，每塔按一运一各设计，脉冲悬浮系统示意图见图4 - 4 。 二二= ： 分孺苗件 氧化空气j ；：k 石膏捧出$ 妒 重收翻 至曩头 图4 _ 4 脉冲悬浮技术 脉冲悬浮系统由安装在塔外的泵提供脉冲能量，采用带喷嘴的几组管道 代替机械搅拌机，对着吸收塔浆池底部喷射，使浆液悬浮。泵的入口管道有 高位入口管道和低位入口管道，通过阀门进行切换。在f g d 准备启动运行时， 采用高位入口，用泵抽取吸收塔浆池上部清液喷入到浆池底部。来自喷嘴的 浆液造成浆池中的冲刷扰动使得沉积的固体物旋转起来这样可靠地防止了 运行过程中的任何沉淀和任何死角。待吸收塔底部浆液悬浮起来后，将泵的 高位入口切换成低位入口，使浆液悬浮达到均匀。 在f g d 停运期间，脉冲悬浮系统可以停运，尤其是吸收塔辅助设备故障 检修时，可不运行脉冲悬浮搅拌系统，节约电耗。除吸收塔内部件检修维护 情况外，均可不需要排空吸收塔浆池。 脉冲悬浮系统的特点是，该系统可随吸收塔的停运而停运，可节省厂用 电，吸收塔底部悬浮浆液无死区，悬浮浆液均匀。缺点是系统复杂，初期投 资费用非常高。 脉冲悬浮技术一般仅与氧化空气管网技术配套使用和设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 4 2 氧化空气管网技术 氧化空气管网技术是将空气播散到吸收塔浆液的有效方法之一，氧化空 气管网的设置，有与搅拌器组合设在一起，或与脉冲悬浮组合设计，也有根 据氧化空气需要单独设置的。管网由等距离开孔的多根管子组成，并均匀布 置在吸收塔断面，往浆液内喷入空气。见图4 5 。 图4 5 氧化空气管网 氧化空气管网是在吸收塔断面均匀布置管道，在管道上均匀开约由9 m m 的向下呈4 5 。的小孔，见图4 - 6 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 图4 - 6 氧化空气管 421 氧化空气管网的气泡形成与传质性能 为了使传质效果达到最优，一个好的氧化空气管网设计会考虑管子材料、 规格，开孔形状、大小、管网浸没深度、氧化空气流量、以及静压等。管于 中空气压降必须准确计算，以确保氧化空气能够均匀地分配到各个开孔并气 泡。典型氧化空气气泡形成见图4 7 。 图4 - 7 a 脉冲悬浮技术的氧化空气气泡形成 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 圈4 - 7 b 机械搅拌产生的氧化空气气泡形成 传质效率取决于可利用的空气一液体界面区和接触的停留时间。传质表 面区取决于最终的形成的稳定的平均气泡尺寸，而停留时间取决于平均有效 的气泡上升速度。 氧化空气管网中的空气以恒定的频率在开孔处产生气泡。气泡直径和产 生气泡的频率取决于注射管子的设计、开孔( 气泡点) 空气流量，以及空气 和浆液的物理性质。 在气泡形成初期，由于紊流浆液循环使气泡分解成更小的表面张力和剪 切力达到平衡的近乎平均尺寸的气泡，而末期平均尺寸气泡，很大程度上反 映了氧气的传质势能。 在无浆液循环的工况下，气泡停留时间仅与其末期上升速度有关，末期 上升速度取决于气泡尺寸和浆液性质。水中气泡末期上升速度约为o2 5 i r d s 。 实际上升速度与浆液运动相关，浆液运动与吸收塔浆池几何形状、浆液量、 空气量、氧化空气管网、浆液循环量、以及机械搅拌产生的扰动有关。 分配管网型的f g d 吸收塔一般是配置搅拌器，为达到晶佳浆液悬浮效果， 一般是搅拌器供应商提供安装要求。搅拌器产生的扰动对分配管网的影响很 难全面考虑，主要是由于无法表征这种影响。 氧化空气管网、空气流会破坏搅拌器仅为固体悬浮目的所期望的流动形 状。搅拌器和分配管网配合设计，仅仅是一种期望的手段，但并不切合实际。 当分配管网与搅拌器独立设计，分配管网布置在搅拌器上方，氧化风机设计 功率比搅拌器功率高出很多时，搅拌器对氧化空气气流的影响可以忽略。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 氧化空气管网设计，需要考虑管网标高和吸收塔最小运行液位。氧化空 气管网管子中心线离吸收塔底部的最小标高为吸收塔直径( d ) 的o 2 倍 ( o 2 d ) ，吸收塔一般设计运行液位为0 5 d 或更大，因此非氧化区的浆液最 小高度很容易达到0 4 d 或更大。 一般，管网的传质性能与氧化空气量和浸没深度成比例，基本关系遵循 如下： 心，嘭 ( 4 1 ) 式中： m 一传质性能 h 一浸没深度，m ； v 一吸收塔浆池容积，m 3 ； q 一氧化空气量，m 3 h ； c 一经验常数 为了保证合适的氧化空气分配和管网喷孔堵塞最小化，氧化空气负荷变 化能力较弱，一般不宜大于3 0 ，即实际运行的氧化空气量应保证在设计空 气量的7 0 1 0 0 范围内变化。 4 2 2 氧化空气管网支吊结构 由于吸收塔直径较大，对于3 0 0 m w 机组，f g d 喷淋吸收塔直径为1 1 m 1 2 m ，6 0 0 m w 机组f g d 喷淋吸收塔直径为1 5 m , - - , 1 7 m ，1 0 0 0 m w 机组f g d 喷淋吸收塔直径达1 8 5 m 以上，氧化空气管网布置在如此大的断面上，且吸 收塔内部都有防腐层，喷出空气时会有颤振现象，故要求管子的支撑和固定 要牢靠，不能有松弛、颤振现象发生。因此，必须采取合适的固定方式。 目前较常采用的固定方式主要有两种，分别为支撑型式和吊挂型式。其 中德国鲁奇能捷斯一毕晓芙公司氧化空气管的设置最具典型，氧化空气管布置 于浆池分隔管之间，见图4 8 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 图4 - 8 a 典型的氧化空气管布置 图4 - 8 b 典型的氧化空气管布置设计 由于氧化空气管网覆盖了整个吸收塔断面，氧化空气管的固定相对复杂， 因此氧化空气管支撑架也覆盖了整个吸收塔断面，氧化空气管与支撑架的固 定方式一般采用包覆带+ 螺栓固定的管箍方式，典型方式见图4 9 。 图4 - 9 氧化空气管网管子的固定设计 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 4 2 3 氧化空气管网技术特点 氧化空气管网技术的结构特点： 氧化空气均匀、形成的气泡小； 由于氧化空气开孔较小，容易被浆液中的固体堵塞； 氧化空气管网布置不受搅拌器制约，氧化区高度( 氧化空气管至液位 的高度) 较低，氧气利用率较低； 结构相对复杂，支撑要覆盖整个吸收塔断面，氧化空气管和支撑材料 相对较多，投资成本较高。 4 3 氧化空气喷枪技术 氧化空气喷枪往往与搅拌器整体设计，氧化空气管布置在搅拌器叶轮前 方，搅拌器产生的高速液流使鼓入的氧化空气分裂成细小的气泡，并播散到 氧化区的各处。 图4 1 0 氧化空气喷枪+ 搅拌器组合 4 3 1 氧化空气喷枪的气泡形成与传质性能 由于形成的气泡小和搅拌器转动向前产生的水平运动而增加了气泡的停 留时间，该结构可减少氧化空气的静压头，因此，氧化空气喷枪更适合于运 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 行液位较低的吸收塔设计，降低了对浸没深度的依赖性。 图4 1 l 氧化空气气泡形成 就运行而言，氧化空气喷枪没有空气量负荷变化的限制，氧化空气负荷 变化1 0 0 ，即氧化空气风机可以停运，因为氧化空气喷枪管道规格较大， 不会发生堵塞现象。增大空气量，风机规格和流体喷射的扩散将成为主要考 虑因数。当流体喷射的扩散作用过量时，会恶化传质能力，如果空气量显著 超过扩散作用时，会出现洪流( n o o d i n g ) 现象。 采用双膜理论模型，脱硫氧化反应可分成3 个过程：氧气由气相主体进 入气膜，气膜穿过气液交界面进入液膜由液膜进入浆液液相主体，最后完成 氧化反应。由于氧气难溶干水，故氧化反应阻力主要集中在氧气由液膜进入 浆液液相主体。 j r l 氧化反应中，一方面以一定的溶氧速率兰二向浆液溶液扩散，一方面亚硫 班 酸钙氧化反应以一定的耗氧速率r 耗氧，当二者达到平衡时，有下式成立： d c 出 r ：2 d _ c 出 式中： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 _ d c 一浆液中的溶氧速率，m o l m 3 s ； d f k ，a 一浆液中以浓度为推动力的扩散系数，s 一； c 广相界面处氧含量，m o l m 3 ； c l 一液相主体氧含量，m o i m 3 ，在搅拌充分的情况下，可视为浆液中的 氧含量为0 ； 由r i c h a r d 公式： k 工口= k ( 形) o 4 v o 5 ，l o 5 ( 4 4 ) p 厂一单位体积浆液所输入的搅拌功率，w ，m 3 ； p 一鼓入氧化空气后的搅拌功率，w ； v 一浆液体积，m 3 ： v g 一表观空气流速，m s ； n 一搅拌器转速；r s ； k 一搅拌器设备形状系数。 在氧化空气未鼓入的工况，搅拌器的功率消耗与浆液密度、搅拌器转速 和叶轮直径相关，有如下公式： 只- - - k 明3 d ( 4 5 ) p 0 一未鼓入氧化空气的搅拌器输入浆液的功率，w ； p 一浆液密度，k g m 3 ： d 一搅拌器叶轮直径，m ； k 一功率准数，与雷诺数( 流体类型) 相关，用函数表达如下： 一睁r ( 4 - 6 ) i i 一浆液粘度，p a s 。 在氧化空气鼓入吸收塔工况，搅拌器的功率消耗比不鼓入氧化空气浆液 搅拌的功率消耗低，是因为浆液的粘度和密度因浆液中气泡混合而减小的缘 故。因此，可以用迈氏经验公式修正p ： p = 2 2 5 1 0 一3 ( 聍加乡参妪) o 3 9 ( 4 7 ) d 一吸收塔直径，m ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 q 一氧化空气量，m 3 s ； 名= ( 4 8 ) a 一气体扩散通过的面积，m 2 ； 建立强制氧化反应机理模型代数方程： 名= 钐 尸= 2 2 5 1 0 一( e - 。x 0 。) 。3 9 k 口= 七。( 形) n 4 曙5 ，z 0 5 ( 4 9 ) 鲁啦蚂一c l ) r ：2 d c 韩璞等人【2 5 根据上述关系建立了搅拌器、氧化空气喷枪组合式强制氧化 装置的数模型，进行了仿真研究。采用双膜模型对氧化速率进行了理论分析 和计算，计算结果和试验结果吻合【2 6 】。 4 3 2 氧化空气喷枪固定结构