火电厂烟气脱硫方法的研究

火电厂烟气脱硫方法

分类号：学校代码：１００７９密级：

华北电力大学

Ｐ１卜．硕士学位论文

题目：火电厂烟气脱硫方法的研究

ＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＦｌｕｅＧａｓＤｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎ英文题目：ＴｌｌｅＭｅｔｈｏｄｉｎ

ＴｈｅｒｍａｌＰｏｗｅｒＰｌａｎｔ

研究生姓名：郑晓坤专业：模式识别与智能系统

研究方向：复杂系统建模、仿真与控制

导师姓名：韩璞／焦嵩鸣职称：教授届ＩＪ教授

２００９年１２月１６日

火电厂烟气脱硫方法

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火电厂烟气脱硫方法

声尸明

本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《火电厂烟气脱硫方法的研究》，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

●学位论文作者签名：缒蚪日期：

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（涉密的学位论文在解密后遵守此规定）

作者签名：导师签名：

火电厂烟气脱硫方法

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火电厂烟气脱硫方法

华北电力大学硕士学位论文摘要

摘要

随着国家对火电厂环境保护的重视，石灰石／石膏湿法烟气脱硫和循环流化床烟

气脱硫在我国应用也越来越广泛，用仿真方法模拟烟气脱硫过程，解决脱硫设计、

运行、人员培训等问题，已成为一个重要发展趋势。在参考了石灰石／石膏湿法烟

气脱硫和循环流化床烟气脱硫机理的基础上，分别建立了湿法烟气脱硫效率仿真模

型和干法脱硫效率仿真数学模型，利用ｍａｔｌａｂ程序进行了编程计算，定量分析了

ｐＨ值、液气比、烟气温度和入口二氧化硫浓度对湿法脱硫效率的影响；分析了钙硫

比、喷水量和烟气温度对于法脱硫效率的影响。通过计算结果的分析初步验证了两

种脱硫效率仿真模型的正确性。

关键词：脱硫效率，循环流化床，仿真模型，烟气脱硫

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Ａｌｏｎｇｗｉｔｈｔｈｅｅｍｐｈａｓｉｓｏｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｉｎｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｐｏｗｅｒｐｌａｎｔｓ，

Ｌｉｍｅｓｔｏｎｅ－ｇｙｐｓｕｍｗｅｔｆｌｕｅｇａｓｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇｆｌｕｉｄｉｚｅｄｂｅｄｆｌｕｅｇａｓ

ｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓａｒｅｗｉｄｅｌｙａｐｐｌｉｅｄｉｎＣｈｉｎａ．Ｗｈｉｃｈｈａｓｂｅｃｏｍｅａｎ

ｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｒｅｎｄｔｈａｔｕｓｉｎｇｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｔＯｓｉｍｕｌａｔｅｄｆｌｕｅｇａｓｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎ

ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎ，ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄｐｅｒｓｏｎｎｅｌｔｒａｉｎｉｎｇ

ａｎｄｏｔｈｅｒｉｓｓｕｅｓ．Ｂａｓｅｄｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｈｅｂｏｔｈｄｅｓｕｌｐｈｕｒｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｈｅ

ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｓｏｆｗｅｔｆｌｕｅｇａｓｄｅｓｕｌｐｈｕｒｉｚａｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｄｒｙｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎ

ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｗｅｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｅｄｕｓｉｎｇｍａｔｌａｂｐｒｏｇｒａｍ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ

ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｐＨ，ｌｉｑｕｉｄ－ｇａｓｒａｔｉｏ，ｆｌｕｅｇａｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆ

●ｅｎｔｒａｎｃｅｏｆｓｕｌｆｕｒｄｉｏｘｉｄｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｗｅｔｆｌｕｅｇａｓ’，

ｄｅｓｕｌｐｈｕｒｉｚａｔｉｏｎｗｅｒｅａｎａｌｙｓｅｄｑｕａｎｔｉｔａｔｉＶｅｌｙ．ＴｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＣａ—Ｓｒａｔｉｏ，ｓｐｒａｙｖｏｌｕｍｅ

，ａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｎｄｒｙｆｌｕｅｇａｓｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｗｅｒｅａｎａｌｙｓｅｄａｌｓｏ．Ｔｈｅ

ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｓｏｆｔｈｅｔｗｏｋｉｎｄｓｏｆｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｗｅｒｅ

ｖｅｒｉｆｉｅｄｂｙｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ．

Ｚｈｅｎｇｘｉａｏｋｕｎ（ＰａｔｔｅｒｎＲｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎａｎｄＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＳｙｓｔｅｍ）

Ｄｉｒｅｃｔｅｄｂｙｐｒｏｆ．ＨａｎＰｕ／ａｓｓ．ｐｒｏｆ．ＪｉａｏＳｏｎｇｍｉｎｇ

ＫＥＹＷＯＲＤＳ：ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｄｅｓｕＩｐｈｕｒｉｚａｔｉｏｎ，ＣＦＢ－ＦＧＤ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ，ｆｌｕｅ

ｇａｓｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎ

火电厂烟气脱硫方法

乍．

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目录

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中文摘要

英文摘要

第一章绪论………………………………………………．．１

１．１研究背景………………………………………………．１

１．２烟气脱硫技术综述………………………………………．．１

１．３烟气脱硫模型及仿真的研究现状……………………………．．３

１．４课题研究内容…………………．．………………………．５

第二章石灰石／石膏湿法和循环流化床烟气脱硫简介……………．６

２．１石灰石／石膏湿法烟气脱硫技术………………………………６

２．１．１石灰石／石膏湿法烟气脱硫工艺原理………………………６

２．１．２典型的石灰石／石膏湿法烟气脱硫工艺流程…………………７

２．２烟气循环流化床脱硫技术…………………………………．．９

２．２．１烟气循环流化床脱硫工艺流程及原理……………………．．９

２．２．２几种循环流化床脱硫工艺比较…………………………．１０

２．２．３ＣＦＢ—ＦＧＤ的工艺特点…………………………………１２

第三章湿法脱硫效率数值模拟………………………………１４

３．１湿法脱硫Ｓ０２吸收机理……………………………………．１４

ＳＯ：的扩散…………………………………………１４

３．１．２气液平衡过程………………………………………１５

３．２湿法脱硫效率模型的建立…………………………………．１５

３．３模型参数的确定…………………………………………１７

３．３．１传质速率的确定……………………………………１７

３．３．２气膜传质系数……………………………………．．１９

３．３．３液膜传质系数……………………………………．．２０３．１．１

３．３．４扩散系数的确定……………………………………２０

３．３．５ＳＯ：溶解度的确定…………………………………．．２ｌ

３．３．６浆液喷淋参数的确定………………………………．．２１

３．３．７烟气的密度和粘度的确定……………………………．２１

３．４模拟计算结果与分析………………………………………．．２２

３．４．１ｐＨ对脱硫效率的影响………………………………．．２２

３．４．２Ｌ／６对脱硫效率的影响………………………………．２２３．４．３烟气温度的影响……………………………………２３

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３．４．４入口二氧化硫浓度的影响……………………………．２４

第四章烟气循环流化床脱硫效率模型…………………………２５４．１循环流化床烟气脱硫机理…………………………………．２５

４．２循环流化床烟气脱硫仿真数学模型的建立……………………．．２５

４．２．１脱硫塔内数学模型建立的基本假设……………………．．２５

４．２．２Ｓ０。气体向吸收剂液滴表面的质量传递……………………２６

４ｉ２．２ＳＯ：总的质量传递…………………………………．．２７

４．２．３通过求液膜蒸发时间进一步细化脱硫效率公式……………．３１

４．３模型参数的确定…………………………………………３２

４．３．１床内压降的确定……………………………………３２

４．３．２中心流半径及颗粒终端速度的确定……………………．．３３

４．３．３流化床的出口温度的确定……………………………．３４

４．３．４流化床的入口和出口处水蒸汽分压的确定………………．．３４

４．３．５增强因子Ｅ的计算…………………………………．３５

４．３．６水蒸汽扩散传质系数Ｋ，（ｍ２／ｓ）…………………………．３６

４．３．７ＳＯ：的液膜传质系数ｋ。（ｍ／ｓ）的确定………………………３６

４．４结果分析………………………………………………３８

４．４．１钙硫比对脱硫效率的影响……………………………．３８

４．４．２喷水量对脱硫效率的影响……………………………．３９

４．４．３入口烟气ＳＯ：含量对脱硫效率的影响……………………．４０

第五章结论及建议…………………………………………４２

５．１结论…………………………………………………４２

５．２建议…………………………………………………４２

参考文献………………………………………………．．４３致谢……………………………………………………．．４７在学期间发表的学术论文和参加科研情况………………………４８

火电厂烟气脱硫方法

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第一章弟一早绪论珀下匕

１．１研究背景

我国已探明的一次能源储备中，煤炭约占总储量的９０％。在我国一次能源的生

产和消费构成中，煤炭约占２／３，是我国能源工业的支柱。我国以煤为主的能源供

应与消耗格局在今后相当长的时期内不会改变【¨。燃煤引起了日趋严重的二氧化硫

污染，多年以来，我国一次能源消费总量中煤炭占７５％以上，因燃煤排放的二氧化

硫连续多年居于世界首位。

火力发电厂是最主要的烟气排放源【２１，而燃煤火力发电在中国发电领域中也相

应地占主导地位，多年来煤电发电量一直占总发电量的７５％以上。燃煤产生的Ｓ０２往往与尘埃、烟雾同时排放，Ｓ０２在尘埃上以Ｍｎ、Ｆｅ等为触媒剂，在触媒的氧化

作用下，氧化为Ｓ０３后，与水结合生成Ｈ２Ｓ０４；Ｓ０２在大气中也会通过光化学反应

氧化为Ｓ０３，继而生成Ｈ２Ｓ０４，成为干沉降或湿沉降（酸雨）。酸雨以不同方式危害

水生生态系统、陆生生态系统、材料和人体健康【３１。

长期以来，国家出台了大批相关政策、法规、法律等以限制火电厂大气污染物

的排放，我国现行的适用于燃煤电厂烟气排放的标准是２００４年１月１日起实施的

“火电厂大气污染物排放标准”（ＧＢｌ３２２３．２００３），促进了我国烟气污染控制方面的

研究和工程实施。在燃煤电站二氧化硫的控制方面，到２００７年底，全国装备脱硫

设施的燃煤机组占全部火电机组的比例由２００５年的１２％提高到４８％，２００８年二氧

化硫排放量约为２３２１．２万吨，比２００５年下降８．９５％。脱硫装机容量增加了３０多倍，

高于美国当前的煤电脱硫装机容量比例，我国电力行业二氧化硫排放控制能力有了

质的提高１４Ｊ，但我国酸雨污染状况仍不容乐观。因此，国家和各级地方政府正在大

力推进二氧化硫的治理工作，新建的电厂都要求上脱硫装置，根据有关规划内容，

未来几年将是我国烟气脱硫事业蓬勃发展的最佳时期，将有超千亿元资金投向脱硫

行业。而随着计算机技术的发展，用仿真方法模拟烟气脱硫过程，解决脱硫设计、

运行人员培训等问题，已成为一个重要发展趋势。

１．２烟气脱硫技术综述

控制燃煤产生的二氧化硫污染主要有三类脱硫技术：燃烧前脱硫、燃烧中脱硫

以及燃烧后脱硫（即烟气脱硫）。

煤燃烧前脱硫技术大体可以分为物理脱硫和生物脱硫【５】两方面。物理脱硫包括洗煤、煤气化、液化以及利用机械、电磁等物理技术对煤进行脱硫，这种方法脱硫

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只能脱去煤中无机硫，不能从根本上解决二氧化硫对大气的污染问题。生物脱硫技

术由于占地太大，耗时过长，目前还难以实现大批量机械化连续生产【６－８ｌ。燃烧中

脱硫主要包括炉内喷钙、流化床添加石灰石等。炉内喷钙工艺在２０世纪６０年代就

已经开始研究，２０世纪８０年代后，在此工艺基础上，美国开发了脱硫效率大为提

高的ＬＩＭＢ工艺，芬兰的Ｔａｍｐｅｌｌａ公司开发成功了ＬＩＦＡＣ工艺，这些技术现在都

已得到了推广应用。流化床添加石灰石脱硫技术已实现工业应用，但脱硫效率也不

高１９，１０１。

表１－１烟气脱硫技术的主要特点

脱硫ｊＣ

脱硫工艺原理工艺特点应用情况艺名称

利用石灰石粉料浆洗涤烟

优点：脱硫率高：≥９５％、：Ｉ：艺成熟、适

石灰石气，使石灰石与烟气中的国内外应用

合所有煤种、操作稳定、操作弹性好、脱广泛，使用．石膏Ｓ０２反应生成亚硫酸钙，硫剂易得、运行成本低、副产物石膏可以

脱去烟气中的Ｓ０２，再将比例占

湿法综合利用，不会形成二次污染；缺点：工

亚硫酸钙氧化反应生成石８０－９０％。

艺流程较长，投资较高。膏。

优点：脱硫率比较高：≥９０％、工艺流程

海水脱利用海水洗涤烟气，吸收国内外均有

简单，投资省、占地面积小、运行成本低：

硫法部分成功应

烟气中的Ｓ０２气体。缺点：受地域条件限制，只能用于沿海地用实例。

区。只适用于中、低硫煤种。

优点：工艺流程比石灰石．石膏法简单，投

将生石灰制成石灰浆，将

旋转喷石灰浆喷入烟气中，使氢资也较小。缺点：脱硫率较低：约７０．８０％、国内外均有

雾干燥操作弹性较小、钙硫比高，运行成本高、少数成功廊

法氧化钙与烟气中的Ｓ０２反副产物无法利用且易发生二次污染（亚硫用实例。

应生成亚硫酸钙。酸钙分解）。

烟气循Ｓ０２在流化床内与氢氧化

钙的颗粒反应，净化后的优点：流程简单、占地少、投资低；钙硫国内外均有

环流化比较高，运行成本高、副产物无法利用且少数成功应

床法含尘烟气从吸收塔顶部侧易发生二次污染（亚硫酸钙分解）。用实例。

向排出，进入脱硫除尘器。

烟气在６０℃左右与电子优点：脱硫率高：≥９０％、同时脱硫并脱

电子束束辐照产生的自由基和与硝，副产物是一种优良的复合肥，无废物国内外有少

法加入的氨气反应生成硫酸产生。缺点：投资高，因设备元件不过关，数成功应＿咐

实例。

铵和硝酸铵。大型机组应较困难。

烟气在６０℃左右与高压优点：脱硫率高：ｉ＞９０％、同时脱硫并脱

国内外均有少

脉冲电电场辐照产生的自由基和硝，副产物是一种优良的复合肥，无废物数成功应用实

晕法加入的氨气反应生成硫酸产生。缺点：投资高，因设备元件不过关，

铵和硝酸铵。例。

大型机组应较困难。

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烟气脱硫技术开发较早，目前已是控制燃煤电厂Ｓ０２气体排放最有效和应用最

广的技术。目前，我国脱硫技术主要集中在燃煤烟气脱硫，按照脱硫剂以及脱硫反

应产物的状态，烟气脱硫可分为湿法、干法及半干法三大类，表１．１列出了烟气脱

硫主要工艺及它们的主要特点。如湿式石灰／石灰石一石膏法，烟气循环流化床技术、

旋转喷雾干燥法，电子束脱硫技术，亚钠盐循环法，炉内喷钙尾部增湿活化工艺等。

据报道，截至２００８年底，我国脱硫机组装机容量达到３．６３亿千瓦，装备脱硫

设施的火电机组的比例有上年的４８％提高到６０％。２００５～２００８年全国燃煤电厂烟气

脱硫机组发展情况如图１－１所示。由图可见，随着脱硫技术和我国环保标准的日趋

严格，我国烟气脱硫发展十分迅速，脱硫装置已经是燃煤电厂重要的组成部分，在

电厂投资、运行和维护中举足轻重的地位【４】。

图１．１２００５～２００８年全国燃煤电厂烟气脱硫机组发展情况

从烟气脱硫方法来看，以石灰石一石膏湿法为主，占９３％；烟气循环流化床法

占４％；海水法占２％；其他方法，如氨法、喷雾干燥法等，占１％。

１．３烟气脱硫模型及仿真的研究现状

仿真技术集成了当代科学技术中多种现代化顶尖手段，正在极大地扩展着人类

的视野、时限和能力，在科学技术领域产生着日益重要的作用。计算机仿真是指通

过建立系统的数学模型并在计算机上进行解算的过程。即先对真实的或理论上的物

理系统进行建模，然后在数字计算机上运行该模型，最后再对所获得的结果进行分

析。计算机仿真包括３个基本要素，即系统、模型与计算机；联系着它们的三项基

本活动是：模型建立、仿真模型建立和仿真试验。也就是说，计算机仿真的过程就

是建立模型、运行模型和分析模型的过程【１１，１２ｌ。仿真技术在电站的应用最早开始于核电站，然后推广到常规电站，并从简单的

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到高级的培训型仿真装置向较高级的研究型仿真装置发展。培训型仿真装置不仅可

以进行现场所有的启停和运行操作训练，还可以做现场不可能进行的事故演习和操

作实验，分析事故和电厂的运行经济性。研究型仿真装置主要用于对电站设备运行

进行分析和开发研究，节省时间和经费，在对旧设备的改造和新设备的研发，保证

电厂安全生产和提高运行经济性，提高电厂的自动化水平有很重要的意义。

电厂脱硫的仿真技术始于近几年，在研究开发烟气脱硫技术的同时，国内外许

多研究者对烟气脱硫的机理进行了深入的探讨，并在此基础上对脱硫过程进行了模

拟，在这方面的机理及反应过程的研究较为活跃。

在过去的几十年中，人们提出了一些湿法烟气脱硫的数学模型。Ｎｏｂｌｅｔｔ等Ｉ”ｌ，

Ｏｌａｕｓｓｏｎ等１１４１，Ｇｅｒｂｅｃ等【１５１，Ｅｄｅｎ和Ｌｕｃｋａｓ【１６１，Ｂｒｏｇｒｅｎ和Ｋａｒｌｓｓｏｎ［１７１，Ｏｏｓｔｅｒｈｏｆｆｔｌ８１

和Ｗａｒｙｃｈ和Ｓｚｙｍｎａｏｗｓｋｉ［１９Ｊ都提出了燃煤电厂的脱硫塔的数学模型。这些模型包

括以下四个速率控制过程：吸收过程，氧化过程，石灰石溶解过程和石膏结晶过程。

它们的差别在于建模的复杂程度和模拟的范围上，总体上都估算出了实际脱硫系统

的整体脱硫效率。

在国内，南京化工大学的钟秦以气液并流式填料塔湿法烟气脱硫工艺为研究对

象提出了一个包含所有速率控制步骤、反应器和主要反映组分的ＷＦＧＤ数学模型，

并进行了仿真研究【２０ｌ；华北电力大学的马双忱【２¨，对循环流化床烟气脱硫机理进行

了深入研究，首次提出了考虑到流化床内中心区气固流上升和环壁区物料返混的流

化床烟气脱硫数学模型；东南大学的唐志永等【２列，利用ＦＬＵＥＮＴ软件对喷淋吸收塔

的流场进行了三维数值模拟，描述了塔的流体力学特性。在脱硫仿真方面，华北电

力大学毛新静【２３１，在基于机理定性分析的基础上，针对某电厂２００ＭＷ机组湿式石灰

石／石膏脱硫系统的调试运行状况，建立了仿真数学模型，做了非常有益的尝试。

固体流态化技术是近年来在化工、环保领域发展迅速的一项重要技术。由于流

化床具有很高的传热效率，温度分布均匀，气固相有很大的接触面积，因而大大强

化了操作，简化了流程。最早流化床用于劣质煤造气，后来用于石油加工、矿石焙

烧等，由于其具有的优点，应用范围日益扩大，除了石油和化工工业，在其它许多

部门也得到很好的应用。目前来看，无论化学过程还是物理过程，无论催化反应还

是非催化反应，无论是吸热过程还是放热过程，只要是气、固或气、液、固系统都

可采用流态化技术强化相际间的接触和传质。基于流化床技术产生了一些干法脱硫

技术。干法脱硫数学模型研究方面，吴忠标和谭天恩【２４】研究了石灰浆滴干燥与脱硫

的相互影响关系，实验中浆滴呈球冠形，由注射器将浆液注射到涂有疏水剂的槽片

上而制得，干燥和脱硫实验在恒温反应器中进行，他们发现，脱硫曲线与干燥曲线

形状相似但略滞后，这表明浆滴表面具有气液反应所必须的水分是维持高脱硫率的

必要条件。

４

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Ｎｅａｔｈｅｒｙ［２５ｌ在大量脱硫实验的基础上，建立了一个数学模型，并用该模型模拟

运行参数对脱硫率的影响。但与传统概念不同，Ｎｅａｔｈｅｒｙ是在已取得的脱硫率实验

数据的结果上，计算了一个特定的参数：参考状态下液相中Ｓ０２的传质系数，而不

是由输入参数计算脱硫率来与实验结果进行比较。Ｊｉａｎｇ等【２６】在假设循环流化床内

气相主体为活塞流，固相主体为全混流并且床内不存在气泡的情况下，导出了稳态

下在气相和固相中的物料平衡关系式，在此基础上建立了脱硫模型。与此同时，国

内许多学者也对脱硫模型进行了大量研究。朱中华１２７】通过对脱硫机理的分析，认为

Ｓ０２与Ｃａ（ＯＨ）２反应为脱硫反应过程的速率控制步骤，并在此基础上提出了烟气循

环流化床反应器模型，该模型包含了粒子数量模型和收缩核模型两个微观模型，分

别用于确定床内粒径分布和脱硫率。黄震【２８ｌ通过对脱硫过程的分析，以气一液传质

双膜理论和表面吸附原理为基础建立了的烟气脱硫模型。但这些模型都是在床内各

相物性参数取平均值的情况下建立的，模型的理论脱硫效率与实测值之间都存在一

定误差。吴颖海【２９Ｊ用直接数值模拟的蒙特卡洛方法（ＤＳＭＣ方法）对烟气循环流化

床反应塔的气固两相流进行了数值模拟，比较准确的计算出了反应塔内的气场和固

场。

总之，我国的火电厂仿真、变电站仿真技术已得到广泛地应用，而脱硫仿真还

是刚刚起步，但是对烟气循环流化床脱硫系统的建模与仿真未见报道。

１．４课题研究内容

本文在学习石灰石一石膏湿法烟气脱硫和烟气循环流化床脱硫技术的基础上，

从设备过程的工作机理出发，以脱硫效率为中心，对火电厂石灰石一石膏湿法脱硫

工艺系统和烟气循环流化床脱硫工艺系统流程进行机理建模。根据脱硫工艺系统工

作机理，以脱硫效率为主要考察对象，将脱硫效率数学模型处理成规范的仿真算法

模块。将湿法脱硫效率模型和干法脱硫效率模型进行计算分析和比较；通过仿真试

验定性分析各种因素对两种不同脱硫方法的脱硫效率的影响，并进行总结，以期对

两种脱硫技术的运行提供一定的参考。５

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第二章石灰石／石膏湿法和循环流化床烟气脱硫简介

２．１石灰石／石膏湿法烟气脱硫技术

２．１．１石灰石／石膏湿法烟气脱硫工艺原理

我国湿法脱硫中９５％以上的技术采用采用石灰石／石膏湿法烟气脱硫，其工艺原

理一般包括，吸收塔内发生的Ｓ０２的吸收、石灰石的溶解、亚硫酸氢根的氧化和石膏结晶等ｆ３０，３１】。

（１）Ｓ０２的吸收

含有Ｓ０２的烟气进入液相，首先发生吸收Ｓ０２反应：

Ｓ０２（气）；Ｓ０２（液）（２－１）

Ｓ０２（液）＋Ｈ２０｛Ｈ＋＋ＨＳ０３。（２ ２）

Ｈ十＋ＨＳ０３’ｏＨ２Ｓ０３（２ ３）

ＨＳ０３‘｛Ｈ＋＋Ｓ０３２。（２－４）

为确保最有效地吸收Ｓ０２，至少必须从式（２—１）一（２—４）中去掉一种反应产

物，以保证平衡继续向右移动，从而使Ｓ０２继续不断地进入溶液。为达此目的，一方面加入吸收剂ＣａＣ０３以消耗Ｈ＋离子，另一方面通过加入氧气使ＨＳ０３－离子氧化生成硫酸盐。

（２）石灰石的溶解

加入石灰石，一方面可以消耗溶液中的氢离子，另一方面得到了生成石膏所需

的钙离子。石灰石按以下反应在浆液中溶解：

ＣａＣ０３（固）｛Ｃａ“＋Ｃ０３２。（２－５）

Ｃ０３２＂＋Ｈ＋｛ＨＣ０３。（２－６）

ＨＣ０３‘＋Ｈ＋｛Ｈ２０＋Ｃ０２（液）（２—７）

ｃ０２（液）｛Ｃ０２（气）（２－８）（３）亚硫酸盐的氧化

一般采取向反应区鼓入空气以提高浆液中氧浓度的方法，使ＨＳ０３＂强制氧化成

Ｓ０４｝，以保证反应按下式进行：

６

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ＨＳ０３‘＋１／２０２｛Ｈ＋＋Ｓ０４小（２—９）

Ｓ０４２。＋Ｈ＋；±ＨＳ０４‘（２．１０）

氧化反应的生成的１０４２－与石灰石消溶产生的Ｃａ２＋进一步发生以下反应：

Ｃａ２＋＋２ＨＳ０３‘一－Ｃａ（ＨＳ０３）２（２．１１）

Ｃａ２＋＋Ｓ０３２‘｛ＣａＳ０３（２．１２）

Ｃａ“＋Ｓ０４２‘｛ＣａＳ０４（Ｓ）（２．１３）

（４）石膏的结晶

形成硫酸盐之后，吸收Ｓ０２的反应进入最后阶段，即生成溶解度相对较小的

ＣａＳ０４沉淀析出，从而使Ｓ０２不断地由气相转移到液相，完成脱硫过程。

Ｃａ２＋＋Ｓ０４厶＋２Ｈ２００＿ＣａＳ０４ ２Ｈ２０（ｓ）（２—１４）

２．１．２典型的石灰石／石膏湿法烟气脱硫工艺流程

不同的脱硫技术工艺，布置方式也有所区别。但是，不论哪一种石灰石湿法烟

气脱硫技术，其基本工艺流程都包括浆液制备、吸收塔、氧化和石膏脱水等子系统。

如图２—１所示，脱硫风机布置在系统的进口，ＦＧＤ装置正压运行，系统中设置换

热器。由除尘器来的烟气经脱硫风机增压后，进入换热器，与来自吸收塔的净烟气

进行热交换，一方面将含有较高Ｓ０２浓度的高温烟气降温，以利于石灰石浆液吸收

Ｓ０２：另一方面，将来自吸收塔的净烟气加热，以利于烟气抬升和污染物的输运扩

散。降温后的烟气进入吸收塔。由制浆系统制成满足工艺需要的石灰石浆液，由石

灰石浆液泵输送至吸收塔。在吸收塔内石灰石浆液与烟气中的Ｓ０２发生一系列复杂

的物理化学作用，生成亚硫酸钙和硫酸钙。净化后的烟气再经换热器排出脱硫装置。

由于亚硫酸钙不稳定，需进一步经氧化系统氧化成稳定的硫酸钙，硫酸钙结晶生成

石膏。石膏浆液经石膏脱水系统制成石膏产品【３２】。

石灰石

烟气脱硫彳ｉ膏

图２－１石灰石湿法烟气脱硫典型工艺系统

这种工艺流程应用最为广泛。目前，在我国燃煤电站石灰石湿法ＦＧＤ装置中，全７

火电厂烟气脱硫方法

华北电力大学硕士学位论文

部采用这种系统工艺流程。

典型的石灰石湿法ＦＧＤ装置如图２．＿２所示。主要包括石灰石浆液制备系统、烟气

系统、吸收塔系统、石膏脱水处理系统、公用系统和事故浆液排放系统【３３ｌ。

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过■术摹警青㈨图２．２典型的石灰石湿法烟气脱硫装置

（１）石灰石浆液制备系统

石灰石浆液制备系统有干粉制浆系统和湿法制浆系统，图示示ＦＧＤ装置采用湿

法制浆。粒径８０ｍｍ左右的石灰石块料，经立轴反击锤式破碎机预破碎成小于

６—１０ｍｍ粒料，经埋刮板输送机及斗式提升机送至石灰石仓。经石灰石仓下的ｌ台

封闭式称重皮带给料机，将石灰石粒料送至湿式球磨机，并加入合适比例的工业水

磨制成石灰石浆液，流入球磨机浆液箱。由球磨机浆液泵输送至石灰石浆液旋流站，

经水力旋流循环分选，不合格的返回球磨机重磨；合格的石灰石浆液送至石灰石浆

液箱储存。再根据需要由石灰石浆液箱配备的浆液泵输送至吸收塔。

（２）烟气系统

烟气系统设置旁路挡板门和出、入口挡板门，ＦＧＤ上游热端前置增压风机和回

转式气一气热交换器（ＧＧＨ）。原烟气经增压风机增压后，由ＧＧＨ将原烟气降温至

９卜１００℃送至吸收塔下部，经吸收塔脱除Ｓ０２后，将净烟气送回ＧＧＨ升温至大于

８０℃后经烟囱排放。

（３）吸收塔系统

进入吸收塔的热烟气被逆向喷淋的循环浆液冷却、洗涤，烟气中的Ｓ０２与浆液

进行吸收反应，生成亚硫酸氢根（ＨＳ０３＂）。ＨＳ０３－被鼓入的空气氧化为硫酸根（５０４２。），