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建模煙氣脫硫噴霧干燥吸收
摘要
詳細的模型煙氣脫硫噴霧干燥的吸收與石灰漿液。該模型相結合穩(wěn)定狀態(tài)的一維噴霧干燥塔模型與單壓降模型SO2的吸收與瞬時不可逆轉反應在一個僵化的霧滴含有均勻分散的罰款石灰顆粒。液滴其次是從霧化直至形成一個連貫的多孔殼周圍干燥的液滴。該模型的結果驗證了對現(xiàn)有的實驗噴霧干法煙氣脫硫的結果,顯示良好的協(xié)議,在輕微至中等Ca/ s的飼料比率。該模型,然后用于研究的相關性不同的抗SO2的吸收和預測的影響,主要經(jīng)營變量對噴霧干燥脫硫性能。分析變量概況沿噴霧干柱表明, 最初的液滴速度沒有影響模型的結果,并初步液滴減速階段始終占微不足道的二氧化硫捕獲。結果進一步表明,該控制的阻力吸收SO2的變化從一個液相1 附近的霧化器,以一氣相一在列退出。經(jīng)營變數(shù),發(fā)揮最大的影響,對整體脫硫效率是Ca/ s的摩爾飼料的比例,平均初步霧滴大小和平均石灰顆粒大小。特別是,小心控制的最后兩個變量是至關重要的,以取得一個良好的噴霧干燥機的性能。
關鍵詞: 噴霧干燥 吸收 脫硫 模型 落下 泥漿
1、 簡介
噴霧干法煙氣脫硫( FGD )在聯(lián)與布袋微粒收集代表一個可行的選擇,以濕洗滌,在鍋爐燃燒輕微至中等高硫煤或燃油[ 1-4 ]的優(yōu)勢,噴霧干燥超過其他技術包括:制作一套干廢物的副產(chǎn)品并非要求污泥處理設備;沒有結垢和腐蝕問題,使利用便宜的材料;規(guī)模較小的所需的空間和可能性很容易改造現(xiàn)有植物;沒有要求煙氣加熱爐;靈活性,在運作方面不同鍋爐負荷;低能源消耗; 減少了安裝和經(jīng)營成本。與此相反, 噴霧干燥設備難以超過70 %脫硫效率1-2鈣硫比(正/秒) , 反對的價值高于90 % ,濕洗滌,使這項技術的吸引力時,二氧化硫濃度在煙氣是比較低的。
在噴霧干法煙氣脫硫過程中的熱點煙氣是接觸與罰款噴霧堿性暫停,通常石灰,在一個反應室凡居住液滴時間。在其生命-時間噴射液滴同時蒸發(fā)和吸收二氧化硫。吸收二氧化硫的反應,在堿性水溶液相溶解石灰以下的整體反應:
如果由此產(chǎn)生的亞硫酸鈣沉淀物作為的后果,其低溶解度在水中。
噴霧干法煙氣脫硫過程中,隱含著復雜的相互作用兩相流體動力學,傳熱傳質轉讓,液相解散,離子反應和降水。大體而言,脫硫效率在一個噴霧干燥是比賽結果之間的SO2的吸收率在泥漿液滴和水分蒸發(fā)量由飛沫[ 5-8 ] 。兩個進程都加強了附近的霧化器的地方高轉差率的速度,結果在增加集體和熱傳輸速率。較低的傳輸速率達到進一步就在噴霧干燥的會議廳內(nèi),顯著降低后沉淀的固體,形成多孔連貫蜆殼(地殼)左右,干燥的液滴。對整個過程可分為三個步驟:第一短期期后,霧化,其中液滴減速直至他們達到其終端速度;第二'恒率干燥'相,占多數(shù)該脫硫,直到固殼開始形成在表面的下降;第三者'下降率干燥' 第一階段,直至顆粒干[ 5,8,9 ] 。干堅實可靠的產(chǎn)品葉片噴霧干燥會議廳舉行通常只有少數(shù)百分點的免費水分和是分居在下游收集裝置,通常一布袋。
盡管在相當大的實驗活動通過對噴霧干燥煙氣脫硫工藝[ 3,4,8-13 ] ,數(shù)量有限的建模工程,可以發(fā)現(xiàn),在文學。模擬噴霧干燥煙氣脫硫工藝是極端重要的現(xiàn)實意義,以了解的影響,不同的操作變量對整體植物的表現(xiàn),而不昂貴,而且時間長,試驗或全部規(guī)模試驗。 卡爾松和克林斯波爾[ 9 ]提出了兩個簡化模型的不斷率干燥階段下限制案件氣相SO2的擴散阻力控制和石灰溶解控制。實驗結果被發(fā)現(xiàn)的比較好,與兩模型的預測,下大過剩的石灰和下短缺的石灰。制定了一個模型,為恒率干燥期的基礎上,電影理論使用一種簡化的表達,為氣體吸收在一泥漿[ 15 ] 。[ 7 ]源自一個全面的模型噴霧干燥法煙氣脫硫過程的恒率干燥階段給予特別關注以詳細的微觀行為的單液滴。計算過程依賴,然而, 對消費的時間試錯迭代在其中在每一步的反應方面的立場,在液滴必須進行檢查。希爾和贊克[ 8 ]所描述的吸收過程與一個簡化的機理模型這是能夠處理也下降率干燥期后,固體地殼形成。 該模型,然而,不僅解決了為常數(shù)率干燥第一階段,忽視液相擴散阻力。 模型模擬比較了一大批實驗室規(guī)模的實驗結果顯示公平的定性協(xié)議。 最近斯卡拉 [ 1 6]提交了一份詳細的單壓降模型為氣體吸收之后由一個瞬時不可逆的化學反應為僵化的霧滴含有難溶性罰款反應粒子。該模型考慮到外部和內(nèi)部傳質阻力連同泥漿顆粒解散。在適當?shù)募僭O,該模型是解決分析給一個簡單的且易于處理的表達為瞬時氣體吸收率液滴。
在本文件中表達而得出來的斯卡拉 [ 1 6]是適用于中SO2-石灰水泥漿體系并結合到一個穩(wěn)定狀態(tài)一維噴霧干燥塔模型。組合兩種模式可以讓容易進行的物質平衡,對二氧化硫,沿欄,以便計算脫硫效率的配置文件。那個命運的液滴其次是從霧化,直到形成地殼(即在'減速' 和'恒率干燥'相) 。該模型被用來預測的影響,主要經(jīng)營變量對噴霧干燥脫硫性能。 尤其是以下變量調查:入口氣體溫度,辦法絕熱溫度,化學計量鈣硫摩爾飼料的比例,平均液滴的初始大小和速度,平均暫停氫氧化鈣顆粒大小,二氧化硫進口濃度。模型結果進行了分析,在光輸出變量概況沿噴霧干柱和整體脫硫性能。比較模型預測與實驗數(shù)據(jù)可在文學已經(jīng)被用于模型驗證。
2、模型描述
二氧化硫的吸收過程,可作為了一系列的步驟:
(1)氣相擴散的二氧化硫氣體從散裝到液滴表面
(2)解散的二氧化硫在液滴表面
(3)形成亞硫酸和離解離子硫物種下列計劃
(4)液相擴散的硫物種對液滴中心
(5)平行解散氫氧化鈣顆粒
(6)液相擴散堿性物種對液滴表面
(7)中和反應之間的酸和堿物種
在為了簡化液相擴散/ 反應過程,這是假定所有的硫物種可以被歸類為一個單一的物種與一平均擴散。這個假設的基礎上, 觀察hso - 3很可能是占主導地位硫物種在液相中[ 7 ] 。 兩相內(nèi)部流場的噴霧干燥塔是描述與穩(wěn)定的國家之一,三維模型, 讓變量的變化,只有沿軸線方向。 該欄是作為一個常數(shù)節(jié)膽管開始在提示的霧化器。以下假設是:
(1)煙氣是在塞流。
(2)氣體有理想的行為。
(3)噴霧干燥塔是絕熱。
(4)干燥的泥漿液滴可以被形容為干燥的純水滴[ 8 ]。
(5)同時擴散的二氧化硫和水汽在氣相無顯著的影響,對單通量的兩個物種, 水分蒸發(fā)量和二氧化硫的吸收程序可以由耦合[ 8 ] 。
(6)液滴是球形,剛性和等溫[ 8 ] 。
(7)在每一列第液滴是統(tǒng)一的在大小,均勻分散在煙氣和做沒有碰撞彼此之間的(即有多少的下降并不會改變沿欄) 。
(8)熱力學平衡舉行在液滴表面(亨利定律) 。
(9)熱反應和解散是小和可忽略
(10)雙方氣態(tài)和固態(tài)反應有低的溶解度在液態(tài)的。
勢頭,傳熱傳質余額(對水蒸汽和二氧化硫)是分開進行對雙方液相(飛沫)和氣相沿噴霧干燥塔,同時考慮到摩擦,熱和群眾轉移,由對流和蒸發(fā)。努塞爾和Sherwood數(shù)為液滴運動在煙氣已計算方式的相關性由ranz和馬歇爾[ 19 ] 。方程導出為連續(xù)相,與歐拉方法和為分散相與拉格朗日方法。與一個合適的改變變數(shù), 使用瞬時液滴的速度, 分散相方程已改為歐拉參考系統(tǒng)。解決上述設置方程描述了穩(wěn)定狀態(tài)霧滴大小, 速度和溫度分布,煙氣速度, 溫度和濕度一起該脫硫效率沿欄。 計算完時,關鍵的固體濃度為地殼的形成,是達成在該液滴。在這種情況下固體顆粒內(nèi)液滴接觸,對方一個連貫殼開始的形式在液滴表面。這個關鍵固體濃度估計為60 % ,體積分數(shù)[ 7,20 ] 。在原則上兩個不同的干燥模式可以發(fā)生。在第一屆的模式,作為液滴的蒸發(fā),懸浮固體往往集中在下拉表面,因為他們無法有效地對液滴中心和最終的結果是一個空心球體。在第二個模式, 懸浮固體有效地走向液滴中心,維持約不斷體積分數(shù)全國霧滴半徑, 人稠,堅實的領域,是最終形成。理論和實驗結果表明,在典型噴霧干法煙氣脫硫條件,第二模式是相關的[ 20 ] 。這是證實了電子顯微鏡( SEM )的分析用粒子的橫截面, 清楚地表明,形成致密堅實的團聚[ 5 ] 。作為一個后果,在目前的模型不斷固體體積分數(shù)全國霧滴半徑假定。
根據(jù)偽平穩(wěn)假設(假設11 ) ,瞬時吸收二氧化硫率,以一個單一的液滴已表示以下該模型開發(fā)的斯卡拉和-a scenzo[ 1 6] 。 這些作者提交了一份詳細的單壓降模型為氣體吸收其次是一個不可逆轉的瞬時化學反應在一個僵化的霧滴含有均勻分散和難溶性罰款反應粒子。該模型認為的形成'宏觀'球形反應前線同心,以液滴表面除以霧滴本身一分為二區(qū):一區(qū)黨內(nèi)如果沒有硫,是當前和1 ,外殼哪里硫物種的濃度下降從平衡值(表面)為零(在反應前) 。作為在外殼溶解區(qū)石灰顆粒目前,大約每這些粒子'微觀'的球形反應前建立。 擴散/反應方程求解分析給一個簡單的表達為瞬時氣體吸收率液滴而不要知道,先驗的位置,反應方面。 應用到中SO2 -石灰系統(tǒng)SO2的瞬時比吸收率(每單位面積的界面)一個單一的霧滴(十*一)內(nèi)容如下:
凡達和分貝是液相擴散硫和堿性物種分別頁是SO2的部分壓力,在氣體的體積, H是亨利的常數(shù),第BS是石灰飽和溶解度,該公斤氣相傳質系數(shù)和RD液滴半徑。參數(shù)β的定義為:
在均衡器( 4 )及( 5 ) ε p是固體體積分數(shù)和RP石灰顆粒半徑。如果條件在情商。 ( 3 )是滿意的,那么,液滴表面濃度的硫物種云為零,反應前線轉移到氣液界面和吸收率是完全控制的氣相阻力。
應用此模型的基礎上,簡化假設石灰顆粒內(nèi)的液滴不改變的大小,但消耗的數(shù)量,因為解散。作為一個后果,粒子數(shù)目耗竭,在飛沫以及為固體體積分數(shù)增加(由于水分蒸發(fā)和產(chǎn)品的降水)隨時間已經(jīng)采取了考慮到在材料的結余。理由為這個假設給出了如下。作為已所顯示的斯卡拉和-a scenzo[ 1 6] ,所有作業(yè)條件的現(xiàn)實利益為噴霧干燥法煙氣脫硫宏觀反應方面的立場非常接近,液滴表面上看,作為固體溶解速率非??炫c尊重氣體吸收率。典型實驗證據(jù)支持這一理論結果:掃描電鏡/能量色散X射線(能譜分析)分析的截面用盡吸附劑顆粒顯示始終大幅核殼行為,其中的核心該粒子是由未石灰和蜆殼由亞硫酸鈣[ 5 ] 。作為一個后果石灰顆粒附近的氣液界面的約束要解散更迅速地比別人, 因此,后相對較短的時間內(nèi)粒子-免費區(qū)將建立近液滴表面。關于另一方面,水迅速蒸發(fā),從霧滴, 其表面消退作為液滴在跌幅大小。這個過程中,往往以補償粒子枯竭這樣,在整個液滴生活時間新鮮石灰顆粒,目前附近的液滴表面。
3、模型結果
第一步是,以驗證該模型的結果對實驗噴霧干燥法煙氣脫硫,提供有關資料文獻。隨后,該模型已用于預測的影響,主要操作變量對噴霧干燥脫硫性能。 所遵循的程序分析模型結果一直認為,選擇一套操作變量作為基地的情況計算,并評估影響對有關的輸入變量對過程由不同,他們一個在一段時間。值分配向操作變量為基礎的情況和一系列的變化,每個變量據(jù)報道,在表1 。
3.1模型驗證
雖然大量的實驗數(shù)據(jù)有據(jù)報道,在文學不等,從實驗室規(guī)模到全面鋪開設施,他們大多沒有好表征液滴霧化和/或石灰崩解的特點是可用。特別是, 液滴的初始平均粒徑和石灰顆粒的意思大小很少來衡量;因為它會顯示稍后這兩個數(shù)量施加相當大的影響模型的結果。實驗室規(guī)模的實驗結果報道山和贊克[ 8 ]是唯一發(fā)現(xiàn)在文獻中的地方表征都上述數(shù)量進行;基于這個原因,這一套高級的數(shù)據(jù)被選為審定本模型。這是很重要的要注意,一旦經(jīng)營變數(shù)是樹立榜樣并沒有可調參數(shù)以提高擬合結果的實驗數(shù)據(jù)。 至于實驗數(shù)據(jù)由山和贊克[ 8 ] 以下變量值是報告的作者并已用于所有的模型計算:初始平均液滴半徑R0的= 12.5米;意味著石灰顆粒半徑反相= 1.0米,平均進二氧化硫濃度pg = 500 ppm的。最初的液滴速度沒有報道的作者,但是,正如會顯示后,這個數(shù)量已微不足道的影響對模型的結果。
圖1報告對比實驗和模型數(shù)據(jù),顯示整體硫二氧化硫去除效率( η )在噴霧干燥塔作為一個函數(shù)的鈣硫摩爾飼料中的比例(鈣/秒) ,為不同的煙氣入口溫度(天) 和辦法,以絕熱飽和溫度在插座(教師評審制) 。在這個數(shù)字,這也是報告參考線相應的完成鈣的轉換。 可以看出,優(yōu)秀之間的協(xié)議模型和實驗結果發(fā)現(xiàn)低至中等鈣/秒的比率。高化學計量比率,反之,模型SO2的去除效率, 特別是對于低辦法絕熱飽和溫度。這一結果,不過,預期作為在這些條件下的額外吸收SO2 由于下降率干燥階段(后固體地殼形成的)可以顯著[ 9 ] 。搬遷對統(tǒng)一的霧滴和石灰顆粒大小的假設考慮到實際的粒徑分布要進一步加強之間的協(xié)議模型和實驗數(shù)據(jù)。
3.2模型預測
3.2.1變量概況沿欄
圖2份報告霧滴半徑,速度和溫度的變化,以及為脫硫效率沿柱軸為基地的情況。首兩變量與初始霧滴半徑( R0的d )和速度( v0 d )在分別而軸向坐標已與總柱長( L ) 。這個數(shù)字顯然表明,該液滴達到其終端速度和溫度非常迅速,并在此期間第一第一階段雙方蒸發(fā)和硫的吸收是微不足道的。 這一發(fā)現(xiàn)是事實,無論液滴初始大小和速度的范圍內(nèi)進行調查(見表1 )。兩個一般的結論可以得出:第一, '減速'相后,霧化始終帳戶為微不足道的SO2的捕捉與尊重,以不斷干燥階段;第二,初步霧滴速度已幾乎沒有影響,對模型的結果。
圖3份報告的變化沿欄的產(chǎn)品之間的氣相傳質系數(shù)和具體的液滴界面領域( a )和該之間的比例,實際吸收SO2流量和最高的理論通量(如吸收率被完全控制的氣相阻力)該基地的情況。第一曲線( kga )是一個指標對氣相阻力的吸收和結果在很大程度上依賴于演變液滴的具體面積:在第一列中的第(相應的到減速階段)迅速增加因為增加的人數(shù)下降百分之單位出貨量,而事后一跌幅,因為對減少液滴半徑后,蒸發(fā)。與此相反傳質系數(shù)首次錄得跌幅:經(jīng)飛沫減速,然后略增加后,液滴半徑減少,但其影響力對產(chǎn)品是克服了變化該液滴表面積。小碰在曲線附近,最高是一個后果改變的跡象,煤氣液滴滑移速度只前下降達到其終端速度。第二曲線(十* / kgpg )是一個指標的相對的重要性,不同的抗SO2的吸收。曲線清楚地表明,根據(jù)基本情況條件,只是后霧化液相阻力主要是控制過程;期間不斷率干燥階段,雙方的液相和氣相阻力有關,而當接近列出口吸收,是完全控制氣相阻力(條件,在情商。 ( 3 )是滿意的作為SO2的部分壓力和液滴半徑減少和固體體積分數(shù)增加) 。
相對重要性的不同電阻也可以分析手段,液相濃度概況硫和堿性物種在液滴。圖4份報告的濃度有關硫物種( a )和堿性物種(二)沿該霧滴半徑為不同的立場沿柱軸為基地的情況。堿性和硫物種的濃度已分別與石灰飽和溶解度(布)和二氧化硫濃度這將是在平衡與實際氣體局部的壓力,寶潔( PG /小時) 。這個數(shù)字表明,該反應陣線(如物種的濃度云零)一貫主張非常接近,液滴表面上, 作為固體溶解速率非常快,與尊重氣體吸收率。反應前辦法液滴表面吸收過程收益最終達到表面附近列退出。有趣的是,值得注意的是,圖4濃度分布的硫物種和堿性物種沿液滴半徑不同的立場沿噴霧干燥機軸為基地的情況。硫物種集中在表面上是始終遠低于1 ,表明即使在第一階段的過程中氣相阻力施加不可忽視的影響力。
3.2.2影響操作變量對整體性能
影響力有限,對整體脫硫效率被發(fā)現(xiàn)為入口氣體溫度和為進SO2氣體的濃度范圍內(nèi),研究據(jù)報道,在圖 5該曲線的數(shù)字顯示, 即整體脫硫效率( η )略有隨氣體入口溫度,作為一個后果對規(guī)模較大的注水量,流速,在反過來又增加液滴界面區(qū)。與此相反, 去除效率略有下降,與進氣道SO2氣體濃度,因為,以保持一個固定的Ca/S比一個更集中的泥漿必須注入的領導,以較短的飛沫生命的時間。圖5 還表明,影響的辦法絕熱飽和溫度在欄退出:較大教師評審制對應較低的脫硫效率因為較低的注水流速和較短的飛沫生命的時間。而很明顯,較低的辦法絕熱飽和溫度更好的噴霧干燥機的性能,最低經(jīng)營價值為教師評審制,是由安全方面的考慮:偶然的冷凝水就布袋織物可能導致形成的泥漿和因此,以織物堵塞要加以避免。這將導致在的必要性,價格昂貴的核電廠關閉為布袋再生。
變數(shù)施加最大的影響整體脫硫效率是鈣/秒摩爾飼料的比例,平均初步霧滴大小和平均石灰顆粒大小。6日和7報告整體脫硫效率作為一個功能的影響Ca/ s的摩爾料比為不同的霧滴和粒子大小,分別。在數(shù)字參考行相應的完成鈣的轉換是還報告了。脫硫效率始終增加與CA /秒,由于液相的阻力吸收跌幅;在逃的化學計量比率, 然而,效率的做法,往往是一漸近值,當吸收過程是完全控制氣相阻力,在整個液滴的生命時間。減少了液滴的意思大?。▓D6 )大大降低了整體脫硫效率作為的后果減少生命的時間在噴霧干燥器;這種影響力,尤其是強烈的為小液滴的大小。我必須強調, 然而,最大的霧滴大小,可用于在實踐中是有限的,由長度的噴霧干燥專欄:一個重要的設計準則是,事實上,這在噴霧干燥的出路,只有堅實的物質必須目前,以避免沉積和腐蝕對導管的墻壁。一個關鍵施加了影響,由意味著石灰顆粒大小,在水泥漿(圖7 ) 。規(guī)模較小的粒子對應到相當規(guī)模的脫硫效率作為一個后果,提高石灰溶解,導致較低的液側阻力。這一結果表明,特別注意必須支付給石灰崩解過程,以獲得最小的顆粒大小可能。
4、結論
在這個文件的詳細模型煙氣脫硫噴霧干燥吸收與石灰料漿是。該模型相結合的穩(wěn)定狀態(tài)一維噴霧干燥塔模型與最近介紹了單壓降模型為氣體吸收與瞬時不可逆反應,在僵化的液滴含有均勻分散和難溶罰款反應的粒子。命運的液滴是其次從霧化,直至形成一個多孔連貫的蜆殼(地殼)左右,干燥的液滴。那個模型驗證首先對現(xiàn)有的實驗噴霧干法煙氣脫硫的結果。對比模型和實驗結果是很好的低至中等鈣/ s的飼料的比例,而高化學計量比例模型該脫硫效率。這一結果,不過,預期由于模型不考慮額外的二氧化硫吸收由于'下降率干燥'相(后形成地殼)表示,在這些條件下可以顯著。
該模型,然后被用來研究的相關性根據(jù)不同的阻力,以吸收SO2 和預測的影響,主要操作變量
對噴霧干燥脫硫性能。分析變量概況沿噴霧干柱表明,最初的液滴速度并沒有影響力模型的結果,并初步飛沫減速階段始終占微不足道二氧化硫捕獲。結果進一步表明,只是后霧化液相阻力,主要是控制過程中,在不斷率干燥階段都液相和氣相阻力有關,而在柱出口吸收,是完全控制氣相阻力。經(jīng)營變量施加最大的影響,對整體脫硫效率均表現(xiàn)出要的CA /秒摩爾飼料的比例,平均初步霧滴大小和意味著石灰顆粒大小。小心控制的最后兩個變量是關鍵,取得了良好的噴霧干燥機性能。