（环境工程专业论文）燃煤电厂湿法烟气脱硫系统优化控制的仿真运行研究.pdf

华北电力大学颀l ：学位论文摘要 摘要 介绍了燃煤电厂主要应用的烟气脱硫技术，主要包括石灰石一石膏湿法工艺、 海水脱硫法氨( n h 3 ) 法、双碱法、氢氧化镁( m g ( o h ) 2 ) 氧化镁( m g o ) 法、 钠碱法等，并从经济角度和技术角度对这些烟气脱硫工艺进行了对比和；澌。石 灰石石膏湿法工艺因其脱硫效率高、技术成熟，运行可靠性好、对煤种变化的 适应性强、吸收剂资源丰富，价格便宜、脱硫副产物便于综合利用、技术进步快 等特点最适合大型火电厂的大型火电机组。介绍了计算机仿真技术及其发展历 程。 以某燃煤电厂3 0 0 m w 机组配套的石灰石一石膏湿法烟气脱硫系统为仿真研 究对象，通过研究该工艺的原理和反应机理，建立相关的数学模型，并以模型为 基础，设计并开发出燃煤电厂石灰石石膏湿法烟气脱硫系统优化控制的仿真运 行软件，该软件总体包括湿法烟气脱硫工艺仿真、用户信息、帮助等三部分。湿 法烟气脱硫工艺仿真包括整体湿法烟气脱硫系统动态演示、烟气系统动态演示、 浆液循环系统动态演示、脱硫产物处理系统的动态演示、系统参数以及系统优化 等内容。论文讨论分析了影响脱硫效率盼因素，并用仿真软件对系统液气比 ( l g ) 、p h 值、钙硫比( c a s ) 等对脱硫效率影响较大的参数进行了优化，将 得到的随机数据列表、做出折线图并予以分析。通过仿真软件对机组锅炉燃煤产 生的烟气量计算进行了优化，使原烟气参数更趋准确合理。该仿真软件可为湿 法烟气脱硫系统的经济、安全稳定运行及运行人员培训提供借鉴。 关键词：湿法烟气脱硫；模型；仿真设计；软件；脱硫效率 华北电力大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t d e s 嘶b e dt h em a i nf l u eg a sd e s u l 铀j z a l i o n 敝h n 0 1 0 百e so fc o a l f i r c dp o w e r p l a n t ， i n c l u d i n gl i m e s t o n e - g ) ，p s u m w e tp r o c e s s ，w a t e f咖o m ad e s u l m n z a t l o n m e t h o d ，n h 3 m e t h o d d u a l a l k a l ih y d r o x i d e ，m a g n e s i u m h y d r o x i d e ( m 攻o h ) 2 ) m a 圆1 e s i 眦o x i 似m g o ) m e t h o d ，s o d i 眦a i l ( a l ia n ds oo n a n dc o m p a r e d 孤1 d 觚a l y z e dm e s ef l u eg 勰d e s u l 如d z a t i o np i d c 锱sf b m a ne c o n o m l cp s p e c t l v e a l l dt e c h i c a lp o i n to fv i e w l i m e s t o n e - g y 蚤s 啪w e tf g dp r o c e s si sv e r ys u i t a b l ef o r l a 昭et l l e 唧a lp o w e ro fl 鹕et h e m a lp o w c rp l a l l t s ，b e c a u s eo fi t sh i 曲e 蚯c i e i l c y t i e c l m o l o g yi sm a n 玳，r e l i a b i i i t y a d a p t a b i l i t yt oc h 锄g e si nt h ec o a l ，a b s o r b e rr i c hi n n a n 】r a lr e s o u r e s ，d l e a p ，e 嬲yt od e s u l 如畦z a t i o nb y p r o m l c tu t i l i z a t i o n ，t e c h n o l o g y 敬i v a r i c e sf 瓠t e rt h a nm o s to m c rp r o c e s s d e s c r i b e dm ec o m p u t e rs i m u l a t i o na i l di t s d e v e l o p e dp r o c e s s e s a st h em a t c h i i l gl i m e s t o n e g y p s u mw e tf l u eg a sd e s u l m r i z a t i o ns y s t e mo f c o a l f i r e dp l a n t3 0 0 m wu n i tf o rt h es i m u l a t i o ns t u d y s t u d i e dt h ep r i n c i p l e so f t h e p r o c e s sa n dr e a c t i o nm e c h 锄i s m ，e s t a b l i s h e dr e i e v a n tm a t h e m a t i c a lm o d e l s ，d e s i g n e d a i l dd e v e l o p e dm ec o a l f i 川p l a n tl i m e s t o n e g y p 湖【i lw e tf l u eg a sd e s u l 凡r i z a t i o n s v s t 锄o p t i m i z ec o n t r o ls i 删l a t i o ns o r w a r e ，m es o 脚a r eg e n e r a l l yi n c l u d e sw e tn u e g a sd e s u l 如n z a t i o np r o c e s ss i m u l a t i o n ，u s e ri n f - o m a t i o n ，h e l ps u c h 妇e ep a n s w e t n u eg a sd e s u l 向西z a t i o np r o c e s ss i m u l a t i o ni n c l u d c sm eo v e r a l ld y n a m i cp r e s e n t a t i o n o f w e tf l u eg a l sd e s u l 如r i z a t i o ns y s t e m ，f l u eg a ss y s t t 釉d y n a m i cp r e s e n 妇t l o n ，s l u r r y c i r c u l a t i o ns y s t e md y l l 锄i cp r c s e n t a t i o n ，d e s u l 如r i z a t i o np r o d u c t sp r o c e s s i n gs y s t e m d y l l 锄i c 1 ) r e s e n t a t i o n ，s y s t e mp a r a m e t e f sa n ds y s t e i i l0 p t i m i z a t i o n ，e t c p a p e rd i s c u s s a n da 1 1 a l v s i st h e 白c t o r st h a ta 疏c tt h ed e s u l 如r i z a t i o ne 佑c i e n c y o p t i m i z e t h e p a r a m e t e r ss i l c ha sl i q u i d g a sr a t i o ( l g ) ，p hv a l u e ，c a l 瓯ms u l 缸r a ：t i o ( c “s ) w h i c h h a v e 擎e a t e ri m p a c to nd e s u l m r i z a t i o ne 衔c i e n c ym a d e 1 er a n d o md a t at ob eal i s t a n dal i n ec h 甜，a 1 1 da n a l y z e dh el i n ec h a n 叫i i i l i z e dt h ec a l c u l a t i o no fn u eg a s w h i c hp r o d u c 酣b yc o a l 1 f i r 酣b o i l e rt h r o u 曲t h es i m u l a t i o ns o r w a r e ，t oa l l o wt h eg a s p 猢e t e r sm o r ea c c u r a t e a n dr e a s o n a b l e t h es i 姗l l a t i o ns o r w a r ec o u l dp r o v i d e r e f e r c n c ef o rw f g ds y s t 锄e c o n o m i c ，s a f e 觚ds t a b l eo p e r a t i o na n d 舰i n i n g o p e m t i n gp e r s o n n e l k e y w o r d s ： w e tf i u e g a sd e s u l 觚z a t i o l l ；m o d e l ；s i 舢l a t i o nd e s 啦； s o 脚a r e ； d e s u l m r i z a t i o ne 硒c i e n c y 华北电力大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 选题背景及意义 在我国，煤炭是主要能源，在能源结构中煤炭消耗量占总能源消耗量的7 0 以上。随着经济的快速、稳步发展，能源的消耗量日益增加，因此而承受的资源 压力与环境压力越来越大。我过煤炭的特点是含硫量普遍较高，因此大量的煤炭 消耗量导致了s 0 2 的大量排放【l - 3 】。s 0 2 1 的排放量多年在2 0 0 0 万吨以上，2 0 0 4 年 超越美国成为世界上排放s 0 2 最多的国家。空气中的s 0 2 是对酸雨贡献量最大的 酸性气体。酸雨的危害主要有：使土壤酸化，致使大量盐基离子流失，最终是土 壤贫瘠腐化；能伤害蔬菜及农作物的茎叶，致使蔬菜变质，农作物产量降低；使 水体酸化，影响水中藻类、植物以及水生生物的生长发育，破坏整个水生生态系 统；破坏草原和森林，从而影响整个地球的生态循环系统；对直接暴露在空气中 的土木建筑等基础设施造成腐蚀，影响其坚固性，严重时会造成安全隐患【5 0 。 在上世纪8 0 年代，我国的酸雨区主要集中在西南地区，面积约海1 7 0 万平方公 里，上世纪9 0 年代中期，酸雨区面积已经占到国土面积的4 0 左右，酸雨污染 已经到了必须遏制和治理的地步，因此国家将酸雨及s 0 2 污染防治工作纳入工作 计划【9 3 6 ，3 8 3 9 1 。 在我国，煤炭消耗可分为工业用煤和生活用煤，在工业用煤中电力煤炭消耗 量居首位，其s 0 2 排放量也是居首位。电厂每年煤炭消耗量约占全国年消耗总量 的5 0 左右。因此，减少火电厂s 0 2 排放量是我国s 0 2 排放总量控制的关键所 在。应该限期关停小火电机组提高经济及环境效益，实施排污许可证制度、允许 排污交易，研究开发s 0 2 治理技术及设备【8 1 。 目前世界各国研发使用的s 0 2 控制技术已经超过2 0 0 多种，大概可分为三类： 燃烧前脱硫、燃烧中脱硫、燃烧后脱硫。 燃烧前脱硫技术主要包括煤炭的气化、煤炭的液化、煤炭的洗选以及水煤浆 技术等。就是通过物理、化学及生物等方法在燃烧前将煤炭中含有的硫分去除掉， 使得煤炭在燃烧过程中不致产生大量s 0 2 而污染大气。目前该技术发展还很不成 熟，尚未广泛应用于工业。 燃烧中脱硫是指当煤炭在锅炉中燃烧时向锅炉内喷洒脱硫剂，脱硫剂经高温 煅烧后的产物与煤炭燃烧时产生的s 0 2 、s 0 3 等发生反应，生成硫酸盐、亚硫酸 盐排出炉外。但是该方法需要的反应温度很高，一般在8 0 0 1 2 5 0 范围内。 华北电力大学硕士学位论文 燃烧后脱硫亦即烟气脱硫( f g d ) 。迄今为止，世界上已经开发出上百种烟 气脱硫技术，当中以石灰石石膏湿法烟气脱硫技术发展最为成熟。其脱硫剂价 格低廉，脱硫效率普遍在9 5 以上，系统运行稳定，是目前在世界范围内唯一大 规模应用的脱硫技术，占世界烟气脱硫系统的8 5 以上。是控制酸雨及s 0 2 的 主要手段和技术。我过新建的电厂的大型发电机组一般采用石灰石石膏湿法烟 气脱硫( 岍g d ) 。 石灰石石膏湿法烟气脱硫系统包括烟气系统，吸收系统，吸收剂制备及循 环系统，石膏脱水及储存系统，公用系统等。每个系统又包含多种设备，整个工 艺非常复杂。若要在运行过程中对机组各个运行参数进行调整优化，不仅速度缓 慢而且难以找到各种设备的最佳运行参数以及整个脱硫系统的最佳运行状态，在 现场试验的过程中不仅耗费大量的人力物力还有可能会影响到脱硫效率，导致对 大气造成更多的污染。还有，一般大型燃煤电厂的湿法烟气脱硫工艺的耗电量占 到其厂用电量的1 2 ，因此对湿法烟气脱硫系统采取优化控制必然会取得良 好的节能降耗效果。 湿法烟气脱硫系统的优化控制软件可以很直观的现实出该系统的运行过程 和各种设备的运行状态，使每个操作员对整个脱硫有系统、直观的了解，使非专 业人士也能清楚明白整个脱硫系统的运行流程。通过优化控制软件的模拟优化， 减少因人为操作而引起的本可避免的事故，最大限度的降低损失，提高运行水平， 高效的解决运行过程中可能出现的各种故障，优化系统参数，使系统在最佳状态 下工作。湿法烟气脱硫系统优化控制的仿真运行软件可帮助运行人员稳定和优化 燃煤电厂脱硫设备的运行和管理。因仿真是以模型为对象的研究方法，不干扰实 际生产，并可利用计算机的快速运算在短时间内模拟实际生产中需要很长时间才 能完成的生产周期，缩短决策时间，减少资金、人力和时间的浪费。利用仿真软 件还可以重复模拟，优化运行方梨1 0 - 1 3 ，5 ，1 7 1 9 ，2 1 1 。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 国内研究动态 我国烟气脱硫技术的发展始于1 9 6 1 年，当初仅为防止锅炉尾部受热面的低 温腐蚀，通过采用在过热器前喷入白云石粉，降低烟气中s 0 2 的浓度，降低烟气 酸露点，防止低温段空气预热器的腐蚀【3 6 删。 1 9 7 3 年我国的环保机构正式成立，火电厂湿法烟气脱硫工作得到有关部门 的重视，正式进入丌发研究阶段。近年来，我国火电厂脱硫行业总体发展趋势较 快。在2 0 0 7 年底，我国完成了火电厂烟气脱硫在政策上和技术上的准备工作， 2 华北电力大学坝士学位论文 2 0 0 8 年进入发展期，2 0 0 9 年进入高速发展期1 2 引。 我国目前火电厂的烟气脱硫工程设备绝大多数从国外进口，国内负责土建和 安装。进口烟气脱硫工程设备造价昂贵，以石灰石石膏湿法烟气脱硫工艺为例， 进口造价比国产造价要高3 0 0 5 0 0 元l ，w 。实现火电厂烟气脱硫工程设备的国产 化，不但能够降低工程造价，还能促进机电行业技术发展和升级，提升我国机电 制造企业的竞争力。2 0 0 3 年年底，我国已具有独立完成火电厂湿法烟气脱硫工 艺设计能力，湿法烟气脱硫设备国产化率达到9 0 。2 0 0 5 年年底，湿法烟气脱 硫设备国产化率达到9 5 以上【2 6 2 9 ，3 1 1 。 虽然我国火电厂脱硫行业发展比较迅速，但是仍然存在不少问题。国产脱 硫技术很难在火电厂烟气脱硫行业中得到大规模应用和推广；国内多家脱硫公司 重复引进国外技术，造成资金和资源的重复浪费：缺少拥有自主知识产权的烟气 脱硫技术；没有形成规范的市场竞争模式。 1 2 2 国外研究动态 美国、德国和日本是世界上烟气脱硫( f g d ) 技术开发和大规模应用的国家， 在火电厂烟气脱硫( f g d ) 处于领先地位。 美国自2 0 世纪5 0 年代开始研究火电厂烟气脱硫技术，6 0 年代中期首先开 发和论证了现代湿法烟气脱硫技术( w f g d ) 。自7 0 年代初开始，尤其是1 9 7 8 年重新修订了环境法规禁止高烟囱排放，使得烟气脱硫( f g d ) 技术得到迅速发 展，并取得了很大的进步。7 0 年代初，湿法石灰石灰石洗涤工艺成功实现工业 应用，喷雾干燥法脱硫工艺的研究也开始起步，并在8 0 年代中期，成功应用在 燃烧低硫煤的火电厂锅炉上【2 0 ，2 2 出】。8 0 年代后，针对老电厂脱硫改造的问题，对 吸收剂喷射技术进行了广泛的研究开：发，但是迄今为止尚未实现大规模工业应 用。 美国采用的烟气脱硫( f g d ) 技术的主要特点有： ( 1 ) 优先采用脱硫效率高、技术成熟稳定的石灰石石膏湿法烟气脱硫技， 其中资源丰富易得、价格低廉的石灰石法约占f g d 总量控制的5 0 左右。 ( 2 ) 抛弃法所占比例较高，这与美国的地理条件、经济条件和环境都有密切 的关系。抛弃法的废渣多用于矿井回填深埋等。 ( 3 ) 开发了多种的脱硫工艺，据美国电力研究所统计有将近2 0 0 种，但是真 正应用于工业的仅有1 0 余种。不同工艺有不同的适用范围，有的工艺适用于新 建电厂，有的工艺适用于老电厂改造。通过这些方面可以反应出美国应用于脱硫 科研的经费相当可观，脱硫技术研究全面、深入，潜力很大。 华北电力大学硕士学位论文 日本从上世纪6 0 年代起就开始研究开发烟气脱硫( f g d ) 技术和设备，7 0 年代开始大规模的实施应用。目前，日本电厂几乎全部采用石灰石石膏湿法脱 硫工艺，脱硫效率高达9 0 9 8 。日本资源匮乏，绝大多数采用回收流程，日 本国内的石膏基本上都是来自烟气脱硫。上世纪8 0 年代以来，日本对美国、德 国、中国、印尼以及泰国等国家大量出口f g d 技术及设备，仅中国就出口或援 建来了】o 余套烟气脱硫( f g d ) 装置，日本在s 0 2 得到控制的基础上，进行了 烟气同时脱硫脱硝的研究开发，并应用于工业【3 0 ，3 2 - 3 5 1 。 德国的火电厂烟气脱硫( f g d ) 技术起步晚于美国和日本，但是德国政府的 环境保护法规非常严格，因此烟气脱硫( f g d ) 技术得到迅速发展和应用。到目 前为止，在德国，9 0 以上的烟气脱硫( f g d ) 装置采用石灰石石膏湿法，显 然，资源丰富且廉价易得的石灰石石灰作为吸收剂的工艺占据了主导地位。采 用其他原料作为吸收剂的工艺所占比例很小，例如氨洗涤法，虽然可获得具有经 济效益的铵肥，但在其运行中需要大量的氨水，因氨水来源受限制所以没能管饭 推广使用。在德国的石灰石石膏湿法工艺中，回收法是抛弃法的2 6 倍，7 5 以 上的工业用石膏来自烟气脱硫系统，既满足了社会生产需要，又节约了资源。 1 3 烟气脱硫( f g d ) 技术的发展方向 随第二代湿法烟气脱硫( f g d ) 技术的不断改进。目前湿法烟气脱硫( w f g d ) 技术的供应商将注意力转移到研发第三代烟气脱硫( f g d ) 技术上。第三代湿法 烟气脱硫( f g d ) 技术应该具有非常高的性能( 脱硫效率远高于9 5 ) ，有更高 的稳定性、可靠性和比以前的设备显著低的投资和运行费用。 对f g d 系统主要设备的改进主要集中在以下几方面： ( 1 ) 开发容量大、脱硫效率高的脱硫增压风机将有利于研发大型吸收塔。采 用大功率动叶可调轴流风机，这有利于减少锅炉低负荷时的能耗； ( 2 ) 防腐材料的开发、选择，清灰和密封设计的改进也是重要研究课题： 改进湿法f g d 系统中的浆泵过流件的材料，提高过流件的耐腐蚀性和耐磨损性， 以减少f g d 系统的停机时间及维护费用； ( 3 ) 改进雾化喷嘴结构及材料设计，使其在较低压力下，产生较小液滴，以 获得高脱硫效率。 1 4 课题研究内容 本课题以某燃煤电厂3 0 0 m w 机组配套的湿式石灰石石膏法烟气脱硫系统 为仿真研究对象，主要研究内容如下： 4 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 收集国内外有关燃煤电厂湿式石灰石石膏法烟气脱硫系统的组成、工 作原理、工艺布置、运行参数、影响脱硫效率的因素和过程优化控制等方面的资 料，了解过程控制仿真软件的设计步骤，掌握s u a lb a s i c6 o 软件的使用方法。 ( 2 ) 确定处理的工况条件( 锅炉工况条件、燃烧煤种、烟气性质和环保要求 等) 和湿法烟气脱硫系统的结构参数、运行调整参数，建立湿式石灰石一石膏法 烟气脱硫系统的仿真运行模型和优化控制模型，开发燃煤电厂湿式石灰石一石膏 法烟气脱硫系统优化控制的仿真运行软件。 ( 3 ) 所建立的模型和开发的软件要技能实现燃煤电厂湿法烟气脱硫系统的全 部仿真运行功能，又能实现燃煤电厂湿法烟气脱硫系统的优化控制功能，以满足 燃煤电厂仿真培训的需求和提高燃煤电厂湿法烟气脱硫系统的运行维护水平。该 模型和软件应能进行仿真实验，以满足燃煤电厂湿法烟气脱硫系统的科学研究和 优化设计的需要，研发的仿真软件应人机界面友好可脱离v b 开发环境在 、矾n d o w s 下独立运行。 ( 4 ) 对仿真软件进行调试和仿真实验，实现系统的启停操作、参数和系统流 程显示、优化控制和控制特性调整、故障模拟和系统帮助等仿真控制功能，取得 正确的仿真结果。 华北电力大学硕士学位论文 第2 章燃煤电厂湿法烟气脱硫工艺及仿真系统概述 2 1 湿法烟气脱硫( w f g d ) 工艺概述 湿法烟气脱硫( 、肝g d ) 工艺已经有几十年的发展历史了，技术日益成熟、 完善，传统湿法工艺中的堵塞、结垢等问题均已经得到很大程度地改善。相关 资料表明，国外应用于实际生产的脱硫工艺8 5 以上是湿法，尤其是日本，几乎 全部都采用湿法脱硫工艺。湿法烟气脱硫工艺根据吸收剂种类的不同又可以分为 多种工艺，通常有石灰石石膏法、海水法、氨( n h 3 ) 法、双减法、氢氧化镁 ( m 甙o h ) 2 ) 或氧化镁( m g o ) 法、氢氧化钠( n a o h ) 法等，其中尤以石灰石 石膏法由于吸收剂资源丰富易得、价格低廉等优点，成为世界上应用的最广泛的 一种烟气脱硫工艺 【4 h 引】。 2 1 1 石灰石一石膏湿法工艺 该脱硫工艺采用采用氧化钙( c a 0 ) 或者碳酸钙( c a c 0 3 ) 浆液在吸收塔内 吸收s 0 2 。典型的工艺流程主要包括：烟气系统( 增压风机、气一气换热器、烟 道挡板) 、吸收系统( 吸收塔、浆液循环泵、氧化风机、除雾器等) 、吸收剂制备 系统( 石：灰石储备藏、磨石机、石灰石浆液罐、浆液泵等) 、石膏脱水及储存系 统( 石膏浆液泵、真空脱水机等) 、废水处理系统及公用系统等。 石灰石石膏工艺完全成熟，运行安全可靠，可利用率在9 0 以上，低能耗。 但是基础建设投资大，大约占电厂总投资额的1 1 2 0 ，吸收剂原谅消耗量大， 设备运行费用高。随国产化程度地提高，其投资也在逐渐下降。 石灰石石膏法的主要优点是吸收剂资源丰富，价格低廉，其副产物石膏既 可抛弃亦可回收使用。对于高硫煤，其脱硫率可达到9 0 以上；对于低硫煤，其 脱硫效率可达到9 5 以上。但是传统工艺仍具有其潜在的缺陷，主要是表现为设 备的结垢、堵塞、磨损和腐蚀等。 2 1 2 海水脱硫法 自然界中的海水呈现碱性，其p h 值在7 8 8 3 之间，每克海水的碱度大约 为2 2 2 7 m g 当量，一般含盐分为3 5 ，其中碳酸盐占0 3 4 ，硫酸盐占1 0 8 ， 氯化物占8 8 5 ，其他的赫分占0 3 6 。海水对酸性气体( 例如s 0 2 ) 具有很强 的中和吸收能力，s 0 2 被海水吸收后，最终的产物可能会是可溶性硫酸盐，而这 6 华北电力大学硕士学位论文 些硫酸盐已是海水的主要成分之一。国外研究人员和工程人员已经先后开发出了 多种海水脱硫技术，按照是否添加其他化学物质作为吸收剂分为两类：一种是不 添加任何化学物质，用纯海水作为吸收液的工艺；另一种是在海水中添加吸收剂 的脱硫工艺一j 。 海水脱硫对于位于海边的电厂很具有吸引力，但是需要大量消耗厂用电，并 且在大量使用海水脱硫技术后，废液向海洋排放产生的环境影响还没有定论，且 废液向海洋排放，是否需要缴纳排污费还待环保部门的裁定，该工艺能否在我国 大范围内推广还需论证。 2 1 3 氨( n h 3 ) 法 氨法烟气脱硫( n h 3 f g d ) 工艺是采用n h 3 作为吸收剂出去烟气中的s 0 2 ， 这是一个非常古老的方法。关于使用n h 3 作为脱硫剂脱除废气中的s 0 2 的研究 可追溯至上世纪3 0 年代。在1 9 3 5 年，约翰斯顿( h f j o h n s t o n e ) 发表了关于 n h 3 。s 0 2 一h 2 0 系统的溶液热力学数据揭示了氨法脱硫基本原理。上世纪7 9 年 代初，日本与意大利等国开始研制氨法烟气脱硫工艺并相继取得成功，但是由于 经济技术等方面的因素在世界范围内应用较少。进入9 0 年代后，氨法脱硫技术 的应用才随着技术进步和脱硫观念的转变逐渐呈上升趋势。 氨法脱硫工艺具有别的工艺所没有的特点。氨是一种性能良好的碱性吸收 剂，从化学机理方面分析，氨吸收s 0 2 的反应式酸碱中和反应，吸收剂的碱性越 强，越有利于吸收反应的进行，氨的碱性强于钙基吸收剂。从吸收的物理机理 方面分析，钙基吸收剂与s 0 2 发生的是一种其气固反应，不仅反应速率慢、反 应不完全、吸收剂的利用率低，而且需要大量的设备和电能进行吸收剂磨细、浆 液雾化、浆液循环等以提高吸收剂的利用效率。通常是设备庞大，系统复杂，能 耗高。而氨与烟气中的s 0 2 发生的是气液或者气气反应，其反应速率快、反应 完全、吸收剂利用率高，可以做到很高的脱硫效率，相较于钙基脱硫工艺来说系 统简单、设备体积小、能耗低。其外，氨法脱硫的副产物硫酸铵还可以作为农用 肥料在一些特定区域使用，可降低部分脱硫成本1 5 0 j 。 但就脱硫而言，氨是一种理想的脱硫吸收剂，但是其价格相对于廉价的石灰 石等吸收剂来说实在是太高了。运行成本高时影响氨法脱硫工艺大范围应用的最 主要因素。 2 1 4 双碱法 双碱法是美国通用汽车公司开发的一种脱硫方法，它在美国是一种主要的烟 华北j 乜力人学硕士学位论文 气脱硫技术。他是使用钠碱吸收s 0 2 、石灰处理再生洗液，吸取碱法和石灰法的 优点而避其缺点，是在改进这两种脱硫技术的基础上发展起来的。双碱法分三段 操作过程：吸收、再生及固液分离。吸收剂常用的碱是n a 0 h 、n a 2 c 0 3 、和n a 2 s 0 3 。 与石灰石石膏湿法相比较，双碱法具有以下特点：( 1 ) 以钠碱作为吸收剂， 系统不会产生沉淀物。( 2 ) 吸收剂再生和脱硫渣的沉淀均在脱硫塔外产生，这样 减少了塔的堵塞和磨损，提高了系统运行的可靠性和安全性，降低运行费用。同 时可用高效率的板式塔或者填料塔代替空塔，不但使系统更紧凑更可以提高脱硫 效率。( 3 ) 钠基吸收液吸收s 0 2 的速度更快，因此可以用较小的液气比达到较高 的脱硫效率。( 4 ) 可以提高脱硫除尘一体化系统的石灰利用率。双碱法的缺点是 多出了一道工序，投资增加了，亚硫酸盐( n a 2 s 0 3 ) 氧化副产物硫酸盐( n a 2 s 0 4 ) 比较难再生，它的存在降低了石膏的纯度。 2 1 5 氢氧化镁( m g ( o h ) 2 ) 氧化镁( m g o ) 法 氧化镁法也是在美国的烟气脱硫系统中较常见的一种方法。目前美国已经有 多家电厂安装了m g o 装置。虽然氧化镁( m g o ) 法系统比较复杂，运行费用也 比较高，但是它确很有生命力。这主要是因为该种方法的脱硫效率较高( 一般都 在9 0 以上) ，m s 0 3 和m s 0 4 溶解度都很大，不会出现石灰石石膏系统常 见的结垢问题，最后将终产物再生，不仅节约了吸收剂还省去了处理废物的麻烦， 因此此法在美国的应用较广泛1 5 1 1 。 氢氧化镁法就是用氢氧化镁作为碱性吸收剂吸收s 0 2 ，并用空气氧化生成硫 酸镁溶液排放出去的技术。 2 1 6 钠碱法 钠碱法是用碱液( n a 0 h 或n a 2 c 0 3 ) 吸收s 0 2 后，不用石灰石( 石灰) 再 生，直接将吸收液处理成副产品的一种方法。吸收液钠碱液分为循环使用和不循 环使用两种。循环钠碱法典型的工艺是韦尔曼洛德法( w e l l m a l l l o r d ：w l ) 。 韦尔曼洛德法选用的n a o h 或n a 2 c 0 3 只用作开始时的吸收剂，在低温度下 吸收s 0 2 生成n a 2 s 0 3 。n a 2 s 0 3 在循环过程中主要起吸收作用，它吸收s 0 2 后产 生n a h s 0 3 ( 主要) 和n a 2 s 2 0 5 ( 次要) 。将含有n a 2 s 0 3 和n a h s 0 3 的吸收液加热再 生。得到亚硫酸钠结晶后经固液分离，经水溶解后返回到吸收系统。该种方法分 为吸收和解吸两个工序【5 2 】。 钠碱法的工艺特点是：( 1 ) 该工艺系统设备较多，投资比一般的石狄石石 膏工艺要高，运行费用也相应较高，但是该工艺废渣处理技术合理，能够回收硫、 8 华北电力大学硕士学位论文 液体s 0 2 或浓硫酸，是一种较成熟的回收工艺。( 2 ) 因为反产品具有一定的市场， 当价格合适时，该工艺具有一定的经济效益。( 3 ) 该工艺采用全封闭回路运行， 废料少( 包含从预洗涤塔中泄露的污水) 。( 4 ) 化学试剂消耗少，因为亚硫酸钠 ( n a 2 s 0 3 ) 溶液可以循环使用。( 5 ) 对于高硫煤脱硫效率可达到9 0 以上。( 6 ) 因为脱硫剂是亚硫酸钠( n a 2 s 0 3 ) ，因此脱硫塔内不会出现结垢、堵塞等问题。 ( 7 ) 本工艺是目前回收工艺中能处理大规模烟气的，可用性高。( 8 ) 需要冲洗 系统来除掉吸收塔中的n a 2 s 0 4 。 2 2 燃煤电厂石灰石石膏湿法烟气脱硫系统的运行优势 虽然石灰石石膏湿法烟气脱硫( w f g d ) 工艺占地面积比较大，一次性建 设投资相比较其他的烟气脱硫工艺而言较高。但是它具有其他的工艺所没有的许 多优点，使其拥有很广阔的市场，以及很好的发展前景【4 3 4 6 】。 2 2 1 脱硫效率高 石狄石一石膏湿法烟气脱硫( w f g d ) 工艺脱硫效率可高达9 5 以上，脱硫 后的烟气不仅s 0 2 含量很低，而且烟气中的粉尘含量也大大减少。大机组大多采 用湿法脱硫工艺，s 0 2 脱除量大，有利于进行地区和电厂s 0 2 的总量控制。 2 2 2 技术成熟，运行可靠性好 国外燃煤电厂石灰石石膏湿法烟气脱硫装置的投运率一般可达到9 5 以 上，由于该工艺的发展历史长，技术较其他工艺成熟，运行经验丰富，对机组锅 炉的正常、安全运行影响较小。 2 2 3 对煤种变化的适应性强 石灰石一石膏湿法烟气脱硫( w f l 3 d ) 工艺适用于各种含硫量的煤种的烟气 脱硫，不管是含硫量高于3 的高硫煤，还是含硫量低于1 的低硫煤，石灰石。 石膏湿法烟气脱硫工艺都能够、安全稳定的运行。 2 2 4 吸收剂资源丰富，价格便宜 石灰石石灰石石膏湿法烟气脱硫( w f g d ) 工艺的吸收剂，资源丰富，在 我国的分布十分广泛，许多地区的石灰石品位很高，碳酸钙的含量在9 0 以上， 品味高者甚至可以达到9 5 以上。在各种脱硫工艺的多种吸收剂中，石狄石的价 9 华北电力大学硕士学位论文 格是最为便宜的，破碎磨细也较简单，钙利用率也较高。 2 2 5 脱硫副产物便于综合利用 石灰石一石膏湿法烟气脱硫( w f g d ) 工艺的脱硫副产物是二二水石膏 ( c a s 0 4 2 h 2 0 ) 。在日本及德国脱硫石膏的年产量分别为2 5 0 万吨、3 5 0 万吨左 右，基本上都能实现综合利用，主要的用途是生产建材产品及水泥缓凝剂。脱硫 副产物的综合利用，不但可以增加电厂的效益、降低脱硫系统的运行费用，而且 还可以减少脱硫副产物对环境的二次污染、处理费用，延长灰场使用期限。 2 2 6 技术进步快 近些年来国内外对石灰石石膏湿法烟气脱硫( w f g d ) 工艺进行了深入研 究和不断改进，例如吸收装置由原来的冷却、吸收以及氧化三塔合为一塔，塔内 烟气流速大幅度提高，喷嘴性能进一步得到改善等。 2 3 燃煤电厂石灰石一石膏湿法烟气脱硫系统工艺流程 燃煤电厂石灰石石膏湿法烟气脱硫系统主要包括：烟气系统、吸收系统、 吸收剂制备系统、石膏脱水及储存系统、废水处理系统及公用系统等。本课题采 用的工艺流程如图2 1 所示： 来自锅炉引风机出口的原烟气经烟气系统( f g d ) 增压风机( b u f ) 提升压 头后，进入气一气换热器( g g h ) 的降温侧，高温原烟气降低温度后进入吸收塔。 降温后的原烟气进入吸收塔后，烟气中的s 0 2 被喷淋浆液吸收，进入液相( 伴随 着部分的s 0 2 被氧化) 。烟气在吸收塔内同时被冷却和被水汽饱和。图2 1 中采 用的吸收塔是逆流喷淋塔。吸收塔循环泵从反应罐中连续不断的将循环吸收浆液 泵送至一个或多个插入吸收塔内的喷淋母管中，每根母管上有许多支管，支管上 装有数量众多的各自独立的雾化喷嘴，浆液经过雾化喷嘴雾化成细小的液滴喷 出。经洗涤后的烟气在离开吸收塔模块之前需通过除雾器( m e ) ，除雾器的作用 是出去烟气中央带的浆体液滴。按既定程序用工艺水冲洗除雾器，以实现既防止 除雾器堵塞又同时将冲洗水作为补充水稳定吸收塔液位的作用。离开除雾器的 ( m e ) 的清洁、饱和烟气再返回到气。气换热器( g g h ) 的加热侧，提升烟气温 度，然后经过f g d 系统的出口烟道，出烟囱排放到大气中。目前许多新建的电 厂都取消了湿法烟气脱硫中的气气换热器( g g h ) 以降低工程投资，缩短施工 时间，减少运行及维护费用，达到同等的烟气脱硫效果，但是对烟囱和脱硫塔出 口的防腐设计要求较高。被吸收的s 0 2 大部分在反应罐中被氧化成硫酸，与加入 1 0 华北电力大学硕士学位论文 的吸收剂浆液反应生成硫酸盐，并以石膏的形式沉淀析出，这部分石膏浆液由石 膏浆液泵泵出，进入到石膏脱水系统。石膏浆液经过真空皮带脱水机脱水后制成 石膏，用运输车运出电厂。 图2 1 石灰石彳：i 膏湿法烟气脱硫系统： 二艺流程图 2 4 燃煤电厂石灰石一石膏湿法烟气脱硫系统工艺原理 2 4 1s 0 2 脱除过程中发生的主要化学反应 将烟气中的s 0 2 脱除的过程是在是在气相、液相、固相三相中实现的，发生 气一液反应和液一固反应。 ( 1 ) 气相s 0 2 被液相吸收的反应 s 0 2 是易溶于水的酸性气体，s 0 2 经扩散作用从气相融入液相，与水发生反 应生成亚硫酸( h 2 s 0 3 ) 【见反应式2 1 】。亚硫酸( h 2 s 0 3 ) 迅速离解成亚硫酸氢根 离子( h s 0 3 ) 和氢离子( h + ) 【见反应式2 2 】。只有当液相p h 高时，亚硫酸氢根 ( h s 0 3 。) 才会电离产生高浓度的硫酸根( s 0 3 厶) 【见反应式2 3 】。 s i d 2 ( 露) 嚣2 d 好2 s d 3 以) ( 2 1 ) 华北电力大学硕士学位论文 娩s 以( f ) q 胃嬲| d ； ( 2 2 ) 露s d 日+ + s o ；一( 2 3 ) ( 2 ) 固体石灰石( c a c 0 3 ) 的溶解 石灰石是极难溶的化合物，其中和作用实质上就是一个向介质提供c a 2 + 的过 程，这一过程包括固体c a c 0 3 的溶解【见反应式2 4 】和进入液相的c a c 0 3 【见反应 式2 5 】的分解。固体石灰石的溶解速度、反应活性及液相中h + 的浓度影响钙离 子( c a 2 + ) 的形成。 e 圆c d 3 ( $ _ c 8 e 婊( 1 )( 2 - 4 ) c a 基( f ) hc 8 2 + + c 皤一( 2 5 ) c d 霎一封+ 钟露o d ( 2 6 ) 碍c d f + 翁幡目2 d c d 2 w )( 2 - 7 ) c d 2 ( ，a q ) 竹c d 2 国)( 2 - 8 ) ( 3 ) 氧化反应 亚硫酸根( s 0 3 2 ) 和亚硫酸氢根( h s 0 3 ) 都是强还原剂，在痕量过渡金属 离子( m n 2 + ) 的催化作用下，液相中的溶解氧可将它们氧化成硫酸根。本课题采 用强制氧化工艺，反应中的氧气主要来源于鼓入反应罐中的氧化空气，还有小部 分氧气来自锅炉烟气的过剩空气。烟气中洗脱的飞灰及吸收剂中含有的杂质提供 了反应中起催化作用的金属离子。 s d ；一+ l 2 d 2 。_ s i d 善一( 2 9 ) 。 嚣s 筇+ l 2 0 2 _ s o ：一+ 胃+( 2 1 0 ) ( 4 ) 结晶析出 在通常运行p h 值的环境下，亚硫酸钙和硫酸钙的溶解度都比较低，当放映 产生的c a 2 + 、s 0 3 2 。及氧化反应产生的s 0 4 2 。达到一定的浓度后，这三种离子组成 的难溶化合物就会从溶液中沉淀析出。 c g 2 s 罐一1 2 妈! d 呻c 岱0 3 。l 2 如d 幺) ( 2 1 1 ) c 口2 丰s 暖一2 如d _ c 岱嚷。2 也d 由) ( 2 - 1 2 ) ( 5 ) 烟气中h c l 、h f 在脱硫过程中发生的反应 烟气中含有少量的h c l 和h f ，h c l 将优先与石灰石中的m g o 及酸可溶性 碳酸镁( m g c 0 3 ) 反应生成m g c l 2 ，如有剩余的h c l 再与c a c 0 3 反应。 2 碍c ! c 口c 0 3 哼c 口c z 2 嚣2 d + c d 2 殛， 2 嚣f c 口e _ c 扭恐+ 嚣2 d 争c d 2 白) 2 4 2 吸收塔不同区域发生的主要化学反应 ( 1 ) 吸收区 主要发生的反应为： s 0 2 垂2 0 叶h 2 s 0 3 h 2 s q 3 争h 尊鞋s o 部分发生的反应为： 露胃s o ；i 2 d 乏一2 胃唪s 噻一 2 好s o ；一手e 盘c d3 _ 冀2 0 _ c a s o 毒2 鳍鑫d c d ( 2 ) 氧化区 氧化区发生豹主要化学反应为： ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 _ 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) 嚣每日s d + 1 2 0 2r 璀瓣) 一2 嚣簪+ s 西一 ( 2 - 1 9 ) e 盘c 0 3 z 露叶0 口2 专魄0 e 0 2 ( 2 2 0 ) 华北电力火学硕士学位论文 c 矗2 + + j 篮一+ 2 避d _ c 心d 辱2 也d( 2 2 1 ) ( 3 ) 中和区 该区发生的主要化学反应为： c 口c 移3 2 嚣专c 盘2 + 吃0 e 0 2( 2 2 2 ) c 口2 + + s 破一+ 2 如l d 叶c 西瓯2 如d ( 2 2 3 ) 避免将新鲜的石灰石浆液加入到氧化区，这样既有利于h s 0 3 的氧化，又可 以防止过量的c a c 0 3 进入脱水系统进而带入脱水产物石膏中影响到石膏的纯度 和石灰石的利用率。 2 5 计算机仿真概述 计算机仿真技术是近现代科学研究中非常重要的一种方法、工具，目前已经 产生了很多成熟的技术及产品，形成了一套较为完备的理论体系。 计算机系统仿真是以系统技术、相似原理、信息技术及其应用领域相关专业 技术为基础，以计算机、各种模拟器以及专用物理效应设备为工具，利用系统模 型对真实的或者假想的系统进行动态研究的一种多学科的综合技术【4 。 1 9 2 9 年第一台模拟器出现距今已有8 2 年，1 9 4 6 年出现了第一台模拟计算机， 以模拟机、数模混合机与数字机为工具的建模和仿真技术在航空、航天、航海以 及电力等领域得到了成功的应用，标志着系统仿真的真正的发展。进入以信息化 为主要特征的2 1 世纪，计算机技术、网络技术和其他相关领域的新技术推动了 了仿真技术迅猛发展。系统仿真技术的蓬勃发展使其成为了与科学理论分析、实 际物理实验相并列的人们认识客观世界规律的三大方法之一【4 2 】。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 第3 章燃煤电厂石灰石。石膏湿法烟气脱硫系统仿真 数学模型 本课题是在v b 6 0 环境下，根据研究对象的特性，对燃煤电厂3 0 0 m w 机组 的湿法烟气脱硫系统进行仿真运行研究，根据已经确定的脱硫反应器、煤质参数 等，根据实际的操作条件等资料，构建数学模型，并进行燃煤电厂湿法烟气脱硫 系统优化控制仿真软件的编写。 3 1 脱硫系统参数设计计算模型 本课题的研究对象是与某燃煤电厂3 0 0 m w 火电机组相对应的锅炉运行参 数，根据确定的煤种及其煤质成分，核算煤燃烧产生的烟气量及其组成，模型主 要包括系统入口温度、脱硫塔入口粉尘浓度、烟气的s 0 2 、0 2 、n o x 等参数模 型。烟气参数模型如下： 3 1 1 温度 在实际生产过程中，发电机组的负荷变化较为频繁，w f g d 入口烟气温温 也会随负荷的变化而变化，对脱硫率有很大的影响。从理论上讲，进入脱硫塔的 烟气温度越低，越有利于s 0 2 气体溶二f 浆液中，形成h s 0 3 ，因此高温的原烟气 经过气气换热器降温后再在进入脱硫塔反应有利于s 0 2 的吸收，生产实践也验 证了这一