【摘要】：近年,由于霧霾天氣籠罩,國家對鍋爐煙氣污染物排放要求日趨嚴(yán)格,其中二氧化硫排放是主要控制對象之一。目前我國燃煤鍋爐煙氣脫硫技術(shù)大多以濕法為主,其脫硫效率高、技術(shù)成熟,但缺點(diǎn)是運(yùn)行成本高,所以主要應(yīng)用于大型電站鍋爐,然而由于中小企業(yè)的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)受限等原因,其運(yùn)行的燃煤工業(yè)鍋爐排放的二氧化硫控制無法像大型電站鍋爐一樣投入大量資金。因此針對燃煤工業(yè)鍋爐,研制開發(fā)一種投資低、效率高、運(yùn)行穩(wěn)定的煙氣凈化技術(shù)意義重大。基于此,本文提出煤粉工業(yè)鍋爐鈣基灰循環(huán)煙氣脫硫技術(shù)。該技術(shù)利用煤粉工業(yè)鍋爐煤粉快速升溫,然后溫和燃燒而生成的高脫硫活性的粉煤灰為原料制備脫硫劑,在增濕、高倍率循環(huán)的條件下對煙氣中二氧化硫以高鈣硫摩爾比形式進(jìn)行脫除,從而達(dá)到以廢治廢的目的。本論文從煤粉工業(yè)鍋爐鈣基脫硫劑(鈣基灰)制備開始進(jìn)行基礎(chǔ)研究、然后進(jìn)行脫硫反應(yīng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及工業(yè)試驗(yàn)驗(yàn)證。首先在實(shí)驗(yàn)室選用滴管爐模擬煤粉工業(yè)鍋爐,研究了燃燒工況對爐內(nèi)固硫和鈣基脫硫劑理化及脫硫特性的影響,確定了制備鈣基脫硫劑最優(yōu)操作條件;利用實(shí)驗(yàn)室固定床反應(yīng)器對鈣基脫硫劑進(jìn)行脫硫反應(yīng)動力學(xué)研究,得出反應(yīng)動力學(xué)模型;使用計(jì)算流體力學(xué)建模軟件對脫硫反應(yīng)器進(jìn)行數(shù)值模擬,提出優(yōu)化設(shè)計(jì)的脫硫反應(yīng)器結(jié)構(gòu),并研究脫硫反應(yīng)主要影響因素對煙氣脫硫效率的影響規(guī)律;在上述基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)建設(shè)了處理量額定40000Nm~3/h煤粉工業(yè)鍋爐煙氣脫硫工業(yè)化裝置,并進(jìn)行了調(diào)試和運(yùn)行,驗(yàn)證了脫硫反應(yīng)模擬結(jié)果及所研究技術(shù)的可行性和可靠性,為其工業(yè)化應(yīng)用提供了有效的設(shè)計(jì)依據(jù)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。本論文各部分的研究內(nèi)容及相關(guān)結(jié)果如下:(1)制備工況對爐內(nèi)固硫性和脫硫劑特性的影響規(guī)律。采用滴管爐試驗(yàn)裝置模擬簡化煤粉工業(yè)鍋爐燃燒過程,結(jié)合常規(guī)表征方法(電子顯微鏡掃描、粒度分析、X射線衍射分析、X射線光電子能譜分析等)、蔗糖溶解絡(luò)合化學(xué)滴定法及脫硫活性評價(jià)等方法,研究燃燒工況中燃燒溫度、空氣分級、鈣硫比對脫硫劑的物理形貌、化學(xué)組成、活性氧化鈣含量及脫硫性能的影響規(guī)律,從而得到最優(yōu)操作工況,并制備出高脫硫活性鈣基脫硫劑。燃燒溫度、空氣分級及鈣硫比對爐內(nèi)煤粉燃燒固硫性能、化學(xué)形態(tài)和活性CaO含量及脫硫活性的影響均較明顯,對粉煤灰微觀形貌的影響關(guān)系為:溫度鈣硫比空氣分級;通過控制燃燒可以起到活化粉煤灰的目的,制備鈣基脫硫劑最優(yōu)工況為:燃燒溫度約800℃、二次風(fēng)量約95%、鈣硫比2左右。(2)鈣基脫硫劑脫硫反應(yīng)動力學(xué)研究。通過固定床臺架實(shí)驗(yàn),模擬煙氣脫硫?qū)嶒?yàn),根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果計(jì)算出本實(shí)驗(yàn)脫硫反應(yīng)所需活化能、表觀頻率因子,并通過計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的擬合對模型準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證,最后建立適用于本實(shí)驗(yàn)制得的鈣基脫硫劑脫硫反應(yīng)動力學(xué)模型,得出鈣基脫硫劑煙氣脫硫反應(yīng)活化能為11.5655 kJ/mol,反應(yīng)動力學(xué)方程為:(?)(3)脫硫反應(yīng)器數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。使用計(jì)算流體力學(xué)建模軟件ICEM及通用軟件Fluent對脫硫反應(yīng)器進(jìn)行幾何建模、網(wǎng)格劃分和數(shù)值模擬。針對原設(shè)計(jì)反應(yīng)器模擬結(jié)果出現(xiàn)流場分布不均現(xiàn)象,提出增加導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),結(jié)果顯示優(yōu)化后的脫硫反應(yīng)器流場分布更加均勻,流動性更加穩(wěn)定性。同時(shí),通過冷態(tài)模擬對比優(yōu)化前后反應(yīng)器內(nèi)速度場、湍流強(qiáng)度場、靜壓場等分布情況,分析出影響流場穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素,從而為脫硫反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo);通過熱態(tài)模擬,研究近絕熱飽和程度、增濕水量、Ca/S等主要因素對煙氣脫硫效率的影響規(guī)律。研究表明:煙氣近絕熱飽和溫度差(AAST)、增濕水量、Ca/S、固氣比對煙氣脫硫效率影響明顯。隨AAST降低,煙氣脫硫效率顯著提高;增濕水量、Ca/S、固氣比的增加均會使煙氣脫硫效率增大,為實(shí)際脫硫反應(yīng)操作條件的確定及系統(tǒng)設(shè)備的精確選型提供理論依據(jù)。(4)實(shí)際工業(yè)規(guī)模試驗(yàn)研究。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究結(jié)果和技術(shù)要求,設(shè)計(jì)和建造了首套處理量40000 Nm~3/h工業(yè)鍋爐鈣基灰循環(huán)脫硫工業(yè)裝置系統(tǒng),并進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行,研究了反應(yīng)器近絕熱飽和溫度差、增濕水量、Ca/S、煙氣量、固氣比等主要參數(shù)對煙氣脫硫效率的影響。運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果顯示,該裝置運(yùn)行穩(wěn)定,穩(wěn)定工況下反應(yīng)器溫度約為65℃,壓力約為600 Pa;能有效脫除SO_2,煙氣脫硫效率達(dá)到90%以上;運(yùn)行成本低,Ca/S僅為0.9;煙氣近絕熱飽和溫度差、增濕水量、Ca/S、固氣比對煙氣脫硫效率影響明顯。隨AAST降低,煙氣脫硫效率顯著提高。增濕水量、Ca/S、固氣比的增加均會使煙氣脫硫效率增大,系統(tǒng)裝置在穩(wěn)定運(yùn)行的前提下,最優(yōu)操作條件為:煙氣量在30000~40000 Nm~3/h、AAS為13℃左右、增濕水量約為1500kg/h、Ca/S約為0.9、固氣比為2.6左右,驗(yàn)證了數(shù)值模擬、反應(yīng)模型及臺架實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
【圖文】：

論文研究內(nèi)容及思路Fig.1.1Researchideasandcontentsforthedissertation

圖 2.1 滴管爐系統(tǒng)示意圖Fig.2.1 Diagram of dropper furnace system本體用的兩段爐本體型號為 YFK60×1600/16QK-3YC 高意豐電爐有限公司）。圖 2.2 和表 2.2 為其實(shí)物圖及主下面統(tǒng)稱為主燃區(qū)）是由外套硅磨棒的內(nèi)徑 50 mm，的熱電偶組成。硅碳棒加熱管可使?fàn)t膛溫度從常溫加200 mm 長的恒溫區(qū)，，內(nèi).徑 100 mm×1830 mm 的耐熱體下段（下文統(tǒng).稱為燃盡區(qū)），整個(gè)爐體有四段加熱部，同時(shí)設(shè)有 900 mm 以上的恒溫區(qū)。為了保證爐體的氣密封法蘭及金屬波紋管。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：X701.3

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2635415