煤粉工业锅炉钙基灰循环烟气脱硫技术研究

发布时间：2020-04-21 05:29

【摘要】：近年,由于雾霾天气笼罩,国家对锅炉烟气污染物排放要求日趋严格,其中二氧化硫排放是主要控制对象之一。目前我国燃煤锅炉烟气脱硫技术大多以湿法为主,其脱硫效率高、技术成熟,但缺点是运行成本高,所以主要应用于大型电站锅炉,然而由于中小企业的经济和技术受限等原因,其运行的燃煤工业锅炉排放的二氧化硫控制无法像大型电站锅炉一样投入大量资金。因此针对燃煤工业锅炉,研制开发一种投资低、效率高、运行稳定的烟气净化技术意义重大。基于此,本文提出煤粉工业锅炉钙基灰循环烟气脱硫技术。该技术利用煤粉工业锅炉煤粉快速升温,然后温和燃烧而生成的高脱硫活性的粉煤灰为原料制备脱硫剂,在增湿、高倍率循环的条件下对烟气中二氧化硫以高钙硫摩尔比形式进行脱除,从而达到以废治废的目的。本论文从煤粉工业锅炉钙基脱硫剂(钙基灰)制备开始进行基础研究、然后进行脱硫反应器结构优化设计及工业试验验证。首先在实验室选用滴管炉模拟煤粉工业锅炉,研究了燃烧工况对炉内固硫和钙基脱硫剂理化及脱硫特性的影响,确定了制备钙基脱硫剂最优操作条件;利用实验室固定床反应器对钙基脱硫剂进行脱硫反应动力学研究,得出反应动力学模型;使用计算流体力学建模软件对脱硫反应器进行数值模拟,提出优化设计的脱硫反应器结构,并研究脱硫反应主要影响因素对烟气脱硫效率的影响规律;在上述基础上设计建设了处理量额定40000Nm~3/h煤粉工业锅炉烟气脱硫工业化装置,并进行了调试和运行,验证了脱硫反应模拟结果及所研究技术的可行性和可靠性,为其工业化应用提供了有效的设计依据和运行经验。本论文各部分的研究内容及相关结果如下:(1)制备工况对炉内固硫性和脱硫剂特性的影响规律。采用滴管炉试验装置模拟简化煤粉工业锅炉燃烧过程,结合常规表征方法(电子显微镜扫描、粒度分析、X射线衍射分析、X射线光电子能谱分析等)、蔗糖溶解络合化学滴定法及脱硫活性评价等方法,研究燃烧工况中燃烧温度、空气分级、钙硫比对脱硫剂的物理形貌、化学组成、活性氧化钙含量及脱硫性能的影响规律,从而得到最优操作工况,并制备出高脱硫活性钙基脱硫剂。燃烧温度、空气分级及钙硫比对炉内煤粉燃烧固硫性能、化学形态和活性CaO含量及脱硫活性的影响均较明显,对粉煤灰微观形貌的影响关系为:温度钙硫比空气分级;通过控制燃烧可以起到活化粉煤灰的目的,制备钙基脱硫剂最优工况为:燃烧温度约800℃、二次风量约95%、钙硫比2左右。(2)钙基脱硫剂脱硫反应动力学研究。通过固定床台架实验,模拟烟气脱硫实验,根据实验数据结果计算出本实验脱硫反应所需活化能、表观频率因子,并通过计算值和实验值的拟合对模型准确性进行了验证,最后建立适用于本实验制得的钙基脱硫剂脱硫反应动力学模型,得出钙基脱硫剂烟气脱硫反应活化能为11.5655 kJ/mol,反应动力学方程为:(?)(3)脱硫反应器数值模拟及结构优化。使用计算流体力学建模软件ICEM及通用软件Fluent对脱硫反应器进行几何建模、网格划分和数值模拟。针对原设计反应器模拟结果出现流场分布不均现象,提出增加导流板结构优化设计,结果显示优化后的脱硫反应器流场分布更加均匀,流动性更加稳定性。同时,通过冷态模拟对比优化前后反应器内速度场、湍流强度场、静压场等分布情况,分析出影响流场稳定性的关键因素,从而为脱硫反应器结构的优化设计提供指导;通过热态模拟,研究近绝热饱和程度、增湿水量、Ca/S等主要因素对烟气脱硫效率的影响规律。研究表明:烟气近绝热饱和温度差(AAST)、增湿水量、Ca/S、固气比对烟气脱硫效率影响明显。随AAST降低,烟气脱硫效率显著提高;增湿水量、Ca/S、固气比的增加均会使烟气脱硫效率增大,为实际脱硫反应操作条件的确定及系统设备的精确选型提供理论依据。(4)实际工业规模试验研究。根据实验室基础研究结果和技术要求,设计和建造了首套处理量40000 Nm~3/h工业锅炉钙基灰循环脱硫工业装置系统,并进行了系统调试运行,研究了反应器近绝热饱和温度差、增湿水量、Ca/S、烟气量、固气比等主要参数对烟气脱硫效率的影响。运行试验结果显示,该装置运行稳定,稳定工况下反应器温度约为65℃,压力约为600 Pa;能有效脱除SO_2,烟气脱硫效率达到90%以上;运行成本低,Ca/S仅为0.9;烟气近绝热饱和温度差、增湿水量、Ca/S、固气比对烟气脱硫效率影响明显。随AAST降低,烟气脱硫效率显著提高。增湿水量、Ca/S、固气比的增加均会使烟气脱硫效率增大,系统装置在稳定运行的前提下,最优操作条件为:烟气量在30000~40000 Nm~3/h、AAS为13℃左右、增湿水量约为1500kg/h、Ca/S约为0.9、固气比为2.6左右,验证了数值模拟、反应模型及台架实验结果。
【图文】：

论文研究,思路,内容

论文研究内容及思路Fig.1.1Researchideasandcontentsforthedissertation

示意图,滴管炉,示意图,恒温区

图 2.1 滴管炉系统示意图Fig.2.1 Diagram of dropper furnace system本体用的两段炉本体型号为 YFK60×1600/16QK-3YC 高意丰电炉有限公司）。图 2.2 和表 2.2 为其实物图及主下面统称为主燃区）是由外套硅磨棒的内径 50 mm，的热电偶组成。硅碳棒加热管可使炉膛温度从常温加200 mm 长的恒温区，，内.径 100 mm×1830 mm 的耐热体下段（下文统.称为燃尽区），整个炉体有四段加热部，同时设有 900 mm 以上的恒温区。为了保证炉体的气密封法兰及金属波纹管。
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X701.3

【参考文献】