基于WFGD系统的硫、氮、汞污染物协同脱除的理论与实验研究

论文摘要

SO2污染对环境、人类健康以及经济发展都具有非常大的影响。近年来随着电力行业的迅猛发展,SO2、NO和Hg的污染有加重的趋势。针对电站锅炉的SO2污染,我国开展了大规模的电站锅炉湿法烟气脱硫（WFGD）系统的建设。针对NO污染,目前比较常见的有炉内控制技术如低NOx燃烧器与选择性非催化还原（SNCR）技术,烟气脱硝技术如选择性催化还原（SCR）技术。今后排放标准如果提高,炉内控制技术可能无法保证烟气达标排放,而SCR技术因场地限制而使应用是受到一定制约。根据我国的环境现状以及国家节能减排的政策,正在对更多的其它污染物排放进行控制。如何利用已有的污染物控制设备实现多种污染物协同脱除具有非常重要的研究意义。目前我国石灰石/石膏WFGD工艺应用非常广泛,利用已有的WFGD系统进行污染物协同脱除具有非常良好的经济性,对于场地紧张的电站而言尤其具有吸引力。在对国内外污染物协同脱除的研究进展进行综述的基础上,对复合添加剂同时脱硫脱硝的反应动力学研究。采用平面传质搅拌反应器进行了SO2和NO的吸收特性研究,确定了不同因素如气体分压、添加剂浓度对于SO2和NO的吸收速率的影响,并根据实验结果确定了该反应的反应级数、反应速率常数、活化能等动力学参数;在反应动力学研究的基础上,对复合添加剂同时脱硫脱硝的影响因素进行了研究。采用不同反应器对复合添加剂进行了同时脱硫脱硝的实验,确定了各种因素如pH值、烟气流量、添加剂浓度、添加剂与污染物摩尔比、液气比对于脱硫脱硝效率的影响。采用洗瓶反应器进行了复合添加剂吸收零价汞的实验,确定了上述因素对于零价汞吸收的影响。针对实际工程,开展了WFGD系统喷淋塔多种污染物协同脱除性能优化的数值模拟研究。本文基于计算流体力学（CFD）技术,应用混合网格技术,采用标准κ-ε湍流模型描述塔内烟气湍流运动,颗粒轨道模型描述液滴运动,随机漫步模型描述湍流对液滴运动的影响,Rosin-Rammler模型描述液滴的粒径分布,采用SIMPLE算法进行计算。根据塔内实际情况,对脱硫过程采用非稳态传质理论建立了脱硫脱硝数学模型,从而实现对喷淋塔内污染物浓度分布的计算。对某300 MW机组WFGD吸收塔内不同设计和运行条件下脱硫脱硝效率的变化进行了数值计算。脱硫效率的计算结果与实测结果两者吻合较好。基于数值模拟结果对喷淋塔内污染物协同脱除性能优化提供了建议。依据数值模拟结果,提出了基于WFGD系统的脱硫脱硝除汞一体化的应用方案,并对该方案的经济性进行了比较。石灰石/石膏WFGD工艺因其优点已成为最广泛采用的工艺。该技术主要以国外引进技术为主,因国内外机组运行模式差异导致运行过程出现了故障与停运问题,研究与开发具有自主知识产权的脱硫技术势在必行。物料平衡计算是WFGD技术设计优化的基础与关键。基于物料衡算基本理论,结合系统设计流程,对WFGD系统的能量平衡、水平衡、固平衡、气平衡、氯平衡、镁平衡等进行了详尽分析,形成了系统物料平衡计算软件。采用该计算软件对具体工程项目进行了计算,并与实际工程设计运行结果进行比较。结果表明该软件可应用于实际工程的物料平衡计算。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 本文主要研究内容
• 2 石灰石/石膏湿法烟气脱硫及污染物协同脱除技术的现状
• 2.1 湿法烟气脱硫技术的应用现状
• 2.1.1 喷淋塔
• 2.1.2 鼓泡塔
• 2.1.3 液柱塔
• 2.1.4 填料塔
• 2.2 湿法污染物协同控制技术的应用现状
• 2.2.1 THERMALONOx/FLU-ACE技术
• 2.2.2 WFGD-SCR技术
• 2.2.3 LoTOx技术
• 2.2.4 电催化氧化（ECO）技术
• 2.3 本章小结
• 3 复合添加剂污染物协同脱除的理论与实验研究
• 3.1 前言
• 3.2 添加剂脱硫脱硝技术的研究进展
• 2和NO的动力学研究'>3.3 复合添加剂吸收SO₂和NO的动力学研究
• 3.3.1 实验设备与方法
• 3.3.2 结果与讨论
• 3.4 添加剂对脱硝特性影响的实验研究
• 3.4.1 实验装置与参数
• 3.4.2 实验结果与讨论
• 3.5 基于喷淋塔的污染物协同脱除的实验研究
• 3.5.1 实验装置
• 3.5.2 实验结果与分析
• 3.6 复合添加剂溶液脱汞的实验研究
• 3.6.1 实验装置
• 3.6.2 实验设备与参数
• 3.6.3 实验结果与分析
• 3.7 本章小结
• 4 WFGD喷淋塔脱硫脱硝数值模拟研究
• 4.1 前言
• 4.2 喷淋塔内两相流模型的建立
• 4.2.1 基本假设
• 4.2.2 两相流模型简介
• 4.2.3 气相控制方程
• 4.2.4 液滴（颗粒相）运动控制方程
• 4.3 脱硫脱硝模型的建立
• 4.3.1 传质理论
• 4.3.2 简化假设
• 2吸收模型的建立'>4.3.3 SO₂吸收模型的建立
• 4.3.4 NO吸收模型的建立
• 4.4 实验级喷淋塔NO脱除的数值模拟研究
• 4.4.1 物理原型
• 4.4.2 网格划分与边界条件
• 4.4.3 计算结果与讨论
• 4.5 大型WFGD喷淋塔脱硫脱硝的数值模拟研究
• 4.5.1 物理原型
• 4.5.2 网格划分与边界条件
• 4.5.3 模型计算与讨论
• 4.6 WFGD系统添加剂协同脱硫脱硝除汞方案及经济性分析
• 4.7 本章小结
• 5 湿法脱硫系统分析与物料平衡计算
• 5.1 前言
• 5.2 物料衡算与能量衡算理论基础
• 5.3 喷淋脱硫系统分析与物料能量平衡计算
• 5.3.1 液相系统的分析与计算
• 5.3.2 固相系统的分析与计算
• 5.3.3 气相系统的分析与计算
• 5.3.4 软件计算界面与说明
• 5.4 本章小结
• 6 WFGD系统的工程应用
• 6.1 大型WFGD系统的设计软件应用
• 6.2 大型WFGD系统测试
• 6.2.1 WFGD系统概述
• 6.2.2 WFGD系统测试方法
• 6.2.3 运行参数对脱硫效率影响
• 6.2.4 脱硫效率影响因素模型研究的理论基础
• 6.2.5 脱硫效率影响因素的经验公式
• 6.3 本章小结
• 7 全文总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 主要创新点
• 7.3 不足之处与研究展望
• 参考文献
• 作者简历