液气比对石灰石_石膏湿法烟气脱硫过程的影响

动　力　工　程

Journal of P ower Engineering

V ol.27N o.3　June 2007　

　　文章编号:100026761(2007)032422205

液气比对石灰石2石膏湿法烟气脱硫过程的影响

杜　谦1

,　马春元1

,　董　勇1

,　吴少华2

,　秦裕琨

2

(1.山东大学能源与动力学院,山东济南250061;

2.哈尔滨工业大学能源科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150001)

摘　要:石灰石2石膏湿法烟气脱硫系统中,液气比是影响系统脱硫性能及经济性的重要参数。利

用所建立的并流有序降膜式湿法脱硫装置,进行了液气比对石灰石2石膏湿法脱硫过程影响的试验

研究。结果表明:脱硫率随液气比增加而增加;当液气比小于8L Πm 3

时,增加液气比能更有效地提高脱硫率;液气比增加,吸收塔吸收段出入口的浆液中石灰石浓度差降低,吸收段内浆液中石灰石溶解量增加,浆液中石灰石浓度增加。

关键词:环境工程学;湿法烟气脱硫;液气比;脱硫率;石灰石中图分类号:X701.3　　　文献标识码:A

Influence of Liquid to Ga s Ratio on the De sulfurization Proce ss

in Lime stone 2gyp sum Wet Flue Ga s De sulfurization

DU Qian 1

,　MA Chun 2yuan 1

,　DONG Yong 1

,　WU Shao 2hua 2

,　QIN Yu 2kun

2

(1.School of Energy and P ower ,Shandong University ,Jinan 250061,China ;

2.School of Energy Science and Engineering ,Harbin University of T echnology ,Harbin 150001,China )

Abstract:Liquid to gas ratio plays the role of an im portant parameter ,in fluencing desulfurization properties and profitability of limestone 2gypsum wet flue gas desulfurization systems.Experimental studies of the influence ,of liquid to gas ratio ,on limeston 2gypsum wet flue gas desulfuization processes have been carried out in an orderly dropping film abs orber testing installation ,built for the purpose.T est results indicate ,that desulfurization rate increases with liquid to gas ratio ;especially in case of a ratio below 8L Πm 3

.The difference of the slurry ’s limestone concentration ,between in 2and outlet of the abs orption tower ’s abs orption section ,reduces with increasing liquid to gas ratio ,while the am ount of limestone diss olved within the abs orption section increases ,causing the slurry ’s limestone concentration to increase at the same time.

K ey words :environmental engineering ;wet flue gas desulfurization ;liquid to gas ratio ;desulfurization rate ;limestone

收稿日期:2006204222

作者简介:杜　谦(19732),男,湖南娄底人,哈尔滨工业大学副教授。

　　湿法烟气脱硫是目前世界上应用最广泛、技术

最成熟的脱硫技术[1]

。现阶段我国大型火电机组以引进湿法脱硫技术为主。值得重视的是,我国在引进湿法脱硫技术后,应注意对技术的消化、吸收及改进,应加大对湿法烟气脱硫过程的基础研究力度,加深对脱硫过程的了解。

液气比是影响脱硫系统性能及经济性的一个重

要参数。液气比的大小直接影响脱硫设备的投资和运行费用,如塔、泵、管道的投资及耗电量等。同时,液气比是湿法脱硫装置调节脱硫性能的重要手段。当锅炉负荷或煤种变化时,采用液气比及其调节方式,使系统的运行既能满足脱硫的需要,又能安全稳定且能经济运行,是对脱硫过程进行研究的一个重

要目标[2]

。

笔者利用所建立的并流有序降膜式湿法脱硫装

置[325]

,进行了液气比对石灰石2石膏湿法脱硫过程

脱硫率、浆液中石灰石含量及浆液中S I V

离子浓度影响的试验研究。

1　试验装置与试验方法

1.1　试验系统

模拟实际湿法脱硫主要工艺过程,建立了并流有序降膜式湿法脱硫系统试验台,来研究液气比对脱硫过程的影响。试验系统主要由烟气模拟系统、氧化系统、浆液循环系统和石灰石浆液补充系统组成,试验系统示意图如图1所示

。

12S O 2钢瓶;　22减压阀;　32S O 2气体转子流量计;　42鼓风机;　52

电加热器;　62空气压缩机;　72氧化风量流量计;　82搅拌器;　92搅拌电机;　102曝气器;　112阀门;　122浆液循环泵;　132补充浆液流量计;　142循环浆液流量计;　152浆液补充槽;　162高位浆液槽;　172S O 2浓度测量取样点;　182脱硫塔主体;　192pH 值测点;　202液相测量取样点;　212循环槽

图1　并流有序降膜式湿法脱硫试验系统示意图

Fig 1　Schematic presentation of the orderly dropping film wet desulfurization

testing system

　　(1)烟气模拟系统

钢瓶内液态S O 2经减压阀减压气化后,通过气体流量计计量与鼓风机鼓入的空气混合以模拟燃煤电厂所排放的烟气,混合烟气通过加热器加热后,进入吸收塔和塔内均匀液膜充分接触脱硫后再经烟囱排入大气。

(2)浆液循环系统

循环槽内的浆液通过阀门控制流量,由液体流量计计量后排入高位浆液储槽内,浆液再通过槽内的布液器在吸收塔内薄片上形成均匀液膜与气相组分进行传质交换后,再落入循环槽,同时循环槽内一部分浆液作为废液在槽内一定高度上溢流取出,以保证槽内浆液量保持恒定。

(3)氧化系统

空气由压缩机经阀门控制流量,通过流量计计量鼓入槽内曝气器,从曝气器压出的空气被循环槽内的

搅拌器强力搅拌分散成细小的气泡,气泡内的氧通过

气液膜扩散至液相氧化其中的亚硫酸根离子。

(4)石灰石浆液补充系统

新鲜石灰石浆液从补充槽内排出通过流量计进入循环槽,在循环槽内,石灰石溶解以中和从塔内吸

收的S O 2水解或氧化生成的H +

,从而使得循环槽维持一定的pH 值。1.2　试验装置主体结构

并流有序降膜组脱硫塔主体部分由高位储液槽、布液器、脱硫薄片束、吸收塔体、底部槽体及槽内的曝气器和搅拌器组成。

(1)吸收塔顶部的高位储液槽与布液板密封相连,起到布液的作用。液流通过粘结在布液板上的脱硫薄片两侧1mm 窄缝布液。本试验各个工况下,高位储液槽内浆液高度均保持在120mm 以上,能保证布液均匀。

(2)吸收塔是一个高2000mm 、长112mm 、宽96mm 的并流降膜式脱硫塔。塔内主体部分由均布的37片2mm ×20mm ×2000mm 的薄片组成,塔内的

比相界面积为141m 2Πm 3

。在吸收塔塔体上布置有气相测点和液相取样点。

(3)本试验台底部循环槽为0.65m ×0.65m ×0.65m 的正方体槽。在循环槽内不同高度上设有溢流管以保证浆液保持在一定高度,即保证浆液在槽内一定的停留时间。

(4)循环槽内曝气器由1根母管每边各引出6支管组成,在每个支管上均布4个1mm 的小孔。孔向下开,以免浆液堵塞。通过曝气器,由空气压缩机加压流入的空气被均匀从循环槽底部曝出。循环槽内还装有搅拌装置。搅拌装置采用斜叶片轴向流搅拌器,搅拌器转速可通过上部直流电机输出电流来调节。1.3　试验过程

(1)试验开始前在循环槽内加入一定量的蒸馏水(根据槽内浆液要求量添加),启动搅拌器并将搅拌转速调至试验工况值,并加入分析纯的石膏配制成浓度10%的浆液,然后再加入小量分析纯石灰石

(大约300g Πm 3

);启动浆液循环系统、烟风系统,并调节液流量、塔内空塔截面气速至试验工况值;启动氧化系统并调节氧化空气量至设定值,槽内浆液开始通入空气;再次检测浆液流量、气体流量、氧化空气气量是否稳定在试验工况值。

(2)观察烟气模拟系统中系统物理过程,稳定后开始给气相添加S O 2气体,并同时在线测量吸收塔入口及塔出口处的S O 2浓度,通过测量吸收塔入

・

324・　第3期

杜　谦,等:液气比对石灰石2石膏湿法烟气脱硫过程的影响

2浓度来调节S O2的供给流量,使得烟气中S O2浓度稳定在试验工况值;在气相供给S O2后,同时在线监测循环槽内及吸收塔出口pH值;由于吸

收塔内浆液吸收S O

2

,随着试验的进行,槽内pH值开始下降,当pH值下降至设定工况pH值时,开始添加石灰石含量为5.81%的新鲜浆液,并通过调节添加浆液流量,使槽内pH值稳定在设定值;在线监

测塔出口气相S O

2浓度,并每隔20min在槽内及塔出口处液相取样,分析Ca2+、S4+离子及其中的CaC O3浓度;当循环槽内及塔出口处Ca2+、S4+离子

及CaC O

3含量与前一时间测点上的浓度基本相等时,认为试验系统已达到化学过程稳定。

(3)当系统化学过程稳定后,测得各测点气相S O2及C O2浓度,同时测得液相各测点上的pH值,并在循环槽内及吸收塔内各取样点上取样;取样后关闭试验系统;测量各取样点上浆液组分的浓度,包括Ca2+、S4+浓度及浆液中石灰石含量,试验结束。

1.4　测量方法

S O2、C O2浓度通过2台德图300M型烟道气体分析仪监测;S4+浓度由淀粉作指示剂,利用碘当量法测定;石灰石含量利用酸滴定测定。

2　试验结果及讨论

2.1　液气比对脱硫率的影响

塔内空截面气速保持6mΠs,其它运行参数示于表1,改变液相流量,测得不同液气比下脱硫率沿烟气行程的分布,结果如图2所示。为便于观察脱硫率随液气比的变化趋势,同时给出了吸收塔出口处(即烟气行程上的2m处)脱硫率与液气比的关系曲线,如图3所示。

表1　试验条件及参数

T ab.1　T est conditions and parameters

运行参数标准工况

空塔截面流速VΠm・s-16

处理烟气量Q GΠm3・h-1249塔入口S O2浓度C S O

2

,inΠmg・m-32618

入口烟气温度TΠ℃25

浆液流量Q LΠm3・h-12

液气比LΠGΠL・m-38

循环槽内浆液pH值 5.5

循环槽内浆液量ΠL200

烟气、浆液温度Π℃25

循环槽内氧化气量Πm3・h-17.2

氧化空气空槽截面气速Πcm・s-10.47

循环槽内搅拌转数Πr・m in-1300

循环槽内Mn2+浓度Πm ol・m-30.

1

图2　不同液气比烟气行程上脱硫率的分布

Fig2　Variation of desulfurization rate along the gas flow path of,for different liquid to gas

ratios

图3　液气比脱硫率和浆液pH值

Fig3　Desulfurization rate and pH value vs.liquid to gas ratio

　　由图2可看出,在同一液气比下,脱硫率沿高度方向上升,且脱硫率的上升速率沿高度方向下降;在不同液气比下,脱硫率随液气比增加而增加。由图3,可知液气比从4LΠm3增加至16LΠm3,吸收塔出口处脱硫率可提高19.2个百分点;从图3中脱硫率的上升趋势可以看出,液气比小时,脱硫率上升趋势快;当液气比从4LΠm3增至8LΠm3及从8LΠm3增加至16LΠm3,吸收塔出口处脱硫率分别增加12.1%和7.1%。

　　在同一液气比下,脱硫率的上升速率沿高度方向下降,这是因为沿塔高度方向烟气中S O

2浓度下

降,且由于脱硫浆液中吸收S O

2

,浆液中S4+浓度增

加,同时浆液pH值下降,气相S O

2在传质液膜表面

处的溶解度下降,这三个原因使得S O

2的传质动力

减少;另一方面,浆液pH值下降使得S O

2在传质液

膜内的水解过程减弱,S O

2

在传质液膜内的传质增

强系数下降,使得S O

2气液相传质的总传质系数下

降,S O

2的吸收速率下降。

在不同液气比下,脱硫率随着液气比增加而增加,分析此结果,主要原因为:

(1)从降膜流动特性方面来看,当液流量小,即Re L(Re L<20～40)很小时,液膜表面平滑无波,流动处于层流区,液膜表面与固相支撑面面积差不多。

当Re

L值逐渐增加(Re L<1200),可以在塔内液膜表

・

4

2

4

・　　　　　动　力　工　程　第27卷　面出现波纹,此波纹具有正弦波形态,以稳定的波长

和振幅自上而下运动,Re

L再增加,会出现波峰前推叠合现象,前后波混合加剧,并出现环形单波。此流动仍符合层流区的基本规律,流动处于拟层流区,此时由于液面波动液相与气相的接触面会增加。当Re L继续增大(Re L>1200),降膜表面出现明显的粗糙感,类似沸腾的液体表面。此时波的振幅增大,降膜流动转入湍流区,液膜表面的面积会明显增加。故随液流量的增加,液膜表面积增加,气、液接触面增加,有利于传质。

(2)液气比增加,液膜表面处的波动增强,气、液传质薄膜厚度减小,使得气液传质系数增加。由于(1)、(2)两个原因,吸收塔内单位薄片面积上的总传质系数增加。

(3)从塔持液量来看,塔内持液量随液流量的增加而增加。持液量增加,相同的气、液界面下有更

多的石灰石来中和所吸收的S O

2

,使得吸收塔内pH 值的下降速度减缓,即塔内相同位置处,浆液的pH 值会提高。图3同时列出了吸收塔出口处浆液pH 值随液气比的变化关系,由图3可看出,液气比增

加,pH值增加。pH值的提高使得气液接触面处S O

2的溶解度提高,同时液气比增加使得液相主体的S4+浓度下降,气、液传质动力增加,S O2传质增强。

液气比在8LΠm3以下增加时,脱硫率上升速度快,而以后趋势变得平缓。其原因为:

(1)液气比在8LΠm3(相应液流量为2m3Πh,Re L 为1525,已进入湍流区;液气比为4LΠm3和6LΠm3

时,Re

L分别为763和1144,处于拟层流区)以下增加时,流动从层流转换为拟层流,再转换为湍流,由于流动区域的变换,其流动对液相表面积的影响大,而液气比在8LΠm3以上时,流动已进入湍流区,在同一区域内,虽然液气比增加,由于湍动的增强,液膜表面积有所增加,但增加幅度会明显减小。同理,由于液膜波动使得传质系数的增加幅度也会随液气比的增加而减小。

(2)在液气比小时,液相pH值下降快,S O2的液相传质阻力相对较大,此时增加液气比,从而增加的液相传质速率对总传质速率的贡献大,但当液气比大时,pH值相对较大,液相传质阻力相对较小,故增加的液相传质速率对总传质速率的贡献较小。2.2　液气比对浆液中石灰石含量的影响

在2.1试验条件下,测得吸收塔出入口处石灰石的含量,结果如图4所示;并得到了塔出入口浆液石灰石含量的浓度差及石灰石在吸收塔内的溶解量与液气比的关系,结果如图5所示;试验中还测量了循环槽内的石灰石含量,其浓度与吸收塔入口处石灰石浓度基本相同。由图4可看出,液气比增加时,循环浆液中石灰石含量有所增加,且在8LΠm3之前增加较明显,随后增加速率变缓;由图5吸收塔出入口石灰石含量的浓度差与液气比的关系曲线可以看出,随着液气比的增加,吸收塔出入口石灰石含量的浓度差下降,随着液气比的增加,其浓度差的下降趋势变缓;由图5吸收塔内石灰石溶解量与液气比的关系曲线可以看出,随着液气比的增加,石灰石在吸收塔内的溶解量增加

。

图4　液气比对塔出入口石灰石含量的影响

Fig4　In fluence of liquid to gas ratio on limestone concentration at tower’s in2and

outlet

图5　液气比对塔出入口石灰石浓度差及塔内溶解量的影响Fig5　In fluence of liquid to gas ratio on the difference in limestone concentrational,at tower’s in and outlet,as well as on the diss olved

am ount within the tower

　　石灰石溶解过程是石灰石固相表面的Ca2+和C O2-3透过固相和液相主体之间的液固膜向液相主体扩散的过程。在扩散过程中,C O2-

3由于发生水解而使得溶解速率得到增强。在湿法烟气脱硫环境下,这种增强作用一方面与浆液pH值有关,浆液pH

值越低,C O2-

3扩散过程中的水解速率越快,传质增强作用越明显;另一方面由文献[6]可知,石灰石溶解过程的增强作用还与浆液中S4+浓度有关,在吸

收塔内,S4+主要是HS O-

3

和H

2

S O3形式存在,这两

种离子能为C O2-

3扩散过程提供H

+,从而有力地促进水解过程,提高了石灰石的溶解速率。

当脱硫系统液气比增加时,吸收塔单位长度上

・

5

2

4

・

　第3期杜　谦,等:液气比对石灰石2石膏湿法烟气脱硫过程的影响

的持液量增加,虽然整体的脱硫效率上升,但吸收塔

上单位持液量的S O 2的吸收量要下降,故吸收塔同一位置处浆液的pH 值要上升,浆液中的S 4+

浓度要下降,图3、图6能证明这一点。由于浆液pH 的上

升和浆液中的S 4+

浓度的下降,使得石灰石溶解过程的增强作用减弱,故随着液气比的增加,吸收塔出入口石灰石含量的浓度差下降。

随着液气比的增加,虽然吸收塔同一位置处的石灰石的溶解速率下降,但由于持液量增加,参加溶解的石灰石量要增加,故石灰石在吸收塔内的总溶解量增加。

当液气比增加时,虽然石灰石在吸收塔内的总溶解量增加,但不足以抵消系统由于脱硫率的增加而增加的S O 2吸收量,浆液中需要更多的石灰石来溶解中和由于S O 2的吸收所产生的H +

,故浆液中石灰石含量有所增加。石灰石含量的增加规律和脱硫

率的增加规律一致,在8L Πm 3

之前增加较明显,随后增加速率变缓。

2.3　液气比对浆液中S 4+

浓度的影响

在2.1试验条件下,测得循环槽内及吸收塔出口S 4+

的浓度,结果如图6所示。由图可看出,循环

槽内S 4+浓度随液气比的增加而略有增加,但S 4+

浓

度均很小,均小于0.1m ol Πm 3;在吸收塔出口,S 4+

的浓度随液气比增加而减少

。

图6　液气比对S 4+浓度的影响

Fig 6　In fluence of liquid to gas ratio on S 4+concentration

　　循环槽内浆液中S 4+

浓度均很小,系统所吸收

的S O 2基本上能全部氧化,说明氧化系统有足够的供氧能力,循环槽内S 4+

的氧化受氧化动力学控制,

即受循环槽内S 4+

浓度的控制。液气比增加,脱硫

率上升,所吸收的S O 2增加,使得循环槽内S 4+

浓度略有增加以维持相应的氧化速率。在吸收塔出口,S 4+

的浓度随液气比增加而减少,这是因为液气比增加,吸收塔内的持液量增加,有更多的浆液来溶解所吸收的S O 2。

3　结　论

利用所建立的并流有序降膜式湿法脱硫装置,进行了液气比对湿法脱硫过程影响的试验研究。在本试验条件下,得到以下结论:

(1)脱硫率随液气比增加而增加,液气比小于8L Πm 3

时,增加液气比,能更有效地提高脱硫率。

(2)液气比增加,吸收塔吸收段出入口的浆液

中石灰石浓度差降低,吸收段内浆液的石灰石溶解量增加,浆液中石灰石浓度增加。

(3)液气比增加,循环槽内浆液S 4+浓度略有增

加,吸收塔吸收段内浆液中的S 4+

浓度增加。参考文献:

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第27卷