喷淋式吸收塔塔塔内流场模拟及优化毕业设计.docx
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喷淋式吸收塔塔塔内流场模拟及优化毕业设计
喷淋式吸收塔塔塔内流场模拟及优化毕业设计
1绪论
SO2是当今人类面临的主要大气污染物之一,其污染源分为两大类:
天然污染源和人为污染源。
天然污染源由于量少、面广、易稀释和净化,对环境的危害不大;而人为污染源由于量大、集中、浓度高,对环境造成严重的危害。
SO2的污染属于低浓度、长期的污染,它的存在对自然生态环境、人类健康、工农业生产、建筑物及材料等方面都造成了一定程度的危害。
SO2的主要来源与能源消耗有关,而经济发展离不开能源的支持。
我国是一个能源生产和消费大国,一次能源消费总量仅次于美国,居世界第二位,但人均消费量还达不到全世界人均的一半,不足美国人均的1/10。
目前我国能源短缺仍然是制约经济发展的重要因素,改革开放以来,随着经济的发展,我国的电力工业持续、稳定的增长。
我国全面小康社会的经济发展目标是,到2020年实现GDP比2000年翻两番,也即2001~2020年GDP年增长速度达到7.2%左右,人均GDP3200美元左右。
这样,在未来20年,我国电力需求增长需要保持较快的发展速度,预计为5.5%~6%左右。
到2010年全社会用电将达到25400~26600亿kw·h,需要装机5.5~5.8亿kw;2020年全社会用电将达到39400~43200亿kw·h,需要装机8.2~9.0亿kw[1]。
根据国际能源署(IEA)2002年9月发布的一份《世界能源展望》报告显示,在2000~2030年期间,中国的能源需求每年平均将增长2.7%,2030年将达到21.33亿t油当量,这一增长率高于其他国家和地区。
中国在此30年期间对煤炭的需求每年将增长2.2%,在2030年达到20亿t。
所增加需求的大多数将来自发电领域。
在我国一次能源和发电能源构成中,煤占据了绝对的主导地位,这与多数工业发达国家的一次能源构成中以石油和天然气为主的特点有很大的不同。
而且在已探明的一次能源储备中,煤炭仍是主要能源,约占一次能源探明总储量的90%。
有关专家预测,到2050年,煤在一次能源中所占比例仍在50%以上,这充分说明在很长的一段时间内,我国一次能源以煤为主的格局不会发生变化。
煤炭是一种低品位化石能源。
我国煤炭中灰份、硫份含量高,大部分煤的灰份在25%~28%,硫份的含量变化范围大,从0.1~10%不等。
我国多数煤种除长焰煤、气煤和不粘结煤外,平均含硫率均超过1.0%,我国SO2的排放量与煤炭消耗量有着密切的关系,《中国环境状况公报》表明,1990年,我国大、中城市大气污染较重,小城镇大气污染有加重的趋势。
全国废气排放量(不包括乡镇工业)为85000亿m3(标准状态下),比上一年增长2.8%。
其中SO2排放量为1495万t,与上一年基本持平。
1995年我国SO2排放量达到2370万t,超过欧洲和美国,使我国成为世界SO2排放第一大国,之后连续多年排放量超过2000万t,由于采取了一系列有效的控制排放政策和措施,目前已取得一定的成效,但SO2的排放仍十分巨大,污染严重。
电力行业是用煤大户,以2000年为例,我国发电装机容量为319321MW,发电量为1368.5TW·h,均为世界第二位,其中火电装机容量为237540MW,约占74.4%,火电的发电最保持在81%左右。
在火电机组的燃料中,煤炭占95%,油气只占5%左右(主要用于少数特殊的电站、机组点火用油、联合循环机组及内燃及发电机组)。
2000年,我国发电总煤耗量约为6亿t,约占煤炭产量的60%,排放SO2800多万t,占全国排放总量的40%以上,是SO2污染的大户,因此削减火电厂的SO2排放是控制SO2排放总量的重点。
削减SO2排放量、控制大气SO2污染、保护大气环境质量,是目前及未来相当长时期内我国环境保护的重要课题之一。
燃煤过程中产生的S02已成为我国大气环境的重要污染源之一。
为降低燃煤造成的S02污染,已开发了多种脱硫技术[2-4]。
可以预见,未来的几年将是烟气脱硫技术飞速发展和应用的一个重要时期[5]。
“十五”期间,预计将有近30GW的火电厂装设烟气脱硫(FGD)设施,并在“十五”期间会有更大的发展[6]。
烟气脱硫国产化是降低工程造价,治理SO2,发展环保产业的需要。
1.1脱硫技术概述
SO2污染控制技术颇多,诸如改善能源结构、采用清洁燃料等,烟气脱硫就是有效削减SO2排放量不可替代的技术。
据美国环保署(EPA)1984年统计,世界各国开发、研制、使用的SO2控制技术已达184种,而目前的数量已超过200种。
这些技术概括起来可分为三大类:
燃烧前脱硫、燃烧中脱硫及燃烧后脱硫(烟气脱硫FGD)。
1.1.1燃烧前脱硫
燃烧前脱硫技术主要包括煤炭的洗选、煤炭转化(煤气化、液化)、水煤浆技术。
洗选煤是采用物理、化学或生物方式对锅炉使用的原煤进行清洗,将煤中的含硫部分除掉,使煤得以净化并生产出不同质量、规格的产品。
其中煤的物理净化技术是目前世界上应用最广泛的燃烧前脱硫技术,该法可以从煤中除去泥土、页岩和黄铁矿硫。
化学脱硫多数针对煤中有机硫,主要利用不同的化学反应,包括生物化学反应,将煤中的硫转变为不同形态的硫而使之分离。
微生物脱硫技术虽然本质上讲也是一种化学法,但由于其自身的特殊性可把它单独归为一类。
它是把煤粉悬浮在含细菌的汽泡液中,细菌产生的酶能促进硫氧化成硫酸盐,从而达到脱硫的目的。
煤的汽化,是指用水蒸汽、氧气或空气作氧化剂,在高温下与煤发生化学反应,生成H2、CO、CH4等可燃混合气体的过程。
煤的液化是将煤转化为清洁的液体燃料(汽油、柴油、航空煤油等)或化工原料的一种先进的洁净煤技术。
水煤浆是将灰份小于10%,硫份小于0.5%、挥发分高的原料煤,研磨成250~300um的细煤粉,按65%~70%的煤、30%~35%的水和约1%的添加剂的比例配置而成。
水煤浆存很大的市场潜力。
1.1.2燃烧中脱硫
燃烧中脱硫(即炉内脱硫)是在煤粉燃烧的过程中同时投入一定量的脱硫剂,脱硫剂一般利用炉内较高温度进行自煅烧,煅烧产物与燃烧过程产生的SO2、SO3反应,生成硫酸盐和亚硫酸盐,以灰的形式排出炉外,减少SO2、SO3向大气的排放,达到脱硫的目的。
燃烧中脱硫技术主要有型煤固硫技术、直接喷锈脱硫技术、硫化床燃烧脱硫技术。
1.1.3燃烧后脱硫
燃烧后脱硫(即烟气脱硫)是在烟道处加装脱硫设备,典型的技术有石灰石/石膏法、喷雾干燥法、电子束法、氨法等。
湿法烟气脱硫(WetFlueGasDesulfurization,WFGD)是世界上主流商业化应用的脱硫方法,是控制酸雨和SO2污染的最为有效的和主要的技术手段。
目前,世界各国对烟气脱硫都非常重视,已有数十种行之有效的脱硫技术被广泛应用。
根据脱硫过程是否有水参与及脱硫产物的干湿状态可以分为湿法(WFGD)、半干法(SDFGD)和干法(DFGD)烟气脱硫。
目前,湿法烟气脱硫技术占85%左右,其中石灰石/石膏法约占36.7%,其它湿法脱硫技术约占48.3%;喷雾干燥脱硫技术约占8.4%;吸收剂再生脱硫技术约占3.4%;炉内喷射吸收剂及尾部增湿活化脱硫技术约占1.9%;其它烟气脱硫形式有电子束脱硫、脉冲等离子体脱硫、海水脱硫技术、循环流化床脱硫技术等。
湿法脱硫在日本约占98%、美国约占92%、德国约占90%[7]。
1.2课题研究背景
吸收塔是烟气脱硫系统的核心装置,要求气液接触面积大,气体的吸收反应良好,压力损失小,并且适用于大容量烟气处理。
吸收塔主要有喷淋塔、填料塔、液柱塔和喷射鼓泡塔等类型。
喷淋塔脱硫是传统的脱硫方式中的一种,吸收塔的吸收区高度为5~15m,区内设置3~6层喷淋层(本文取4层),每个喷淋层都装有多个雾化喷嘴,交叉布置,覆盖率达200%~300%,喷嘴出口流速为10m/s,雾液直径为1320~2950um,烟气流速为3~4m/s,大液滴在塔内的滞留时间为3~8s[8]。
本文以喷淋式湿法烟气脱硫塔作为研究对象,对塔内烟气与液滴的两相流动的流体动力学特性进行研究,通过数值计算得到塔内气液两相流动的流动规律,为脱硫塔安全、经济运行提供设计和运行参数,同时也为我国自主开发具有我国自主知识产权的脱硫技术提供技术支持。
研究内容主要包括试验研究和数值计算两个方面。
烟气脱硫喷淋塔其内部两相流动状态直接影响压降,除雾效率,汽液传质及脱硫效率等重要的设计参数。
因此对塔内流场的模拟研究成为设计技术国产化的研究热点[8-11]。
目前,研究流体问题的方法有模型试验,理论分析和数值模拟3种[12]。
数值模拟方法具有经济,高效的特点,且排除了模拟试验方法中存在的缩小误差的问题及安全问题[13]。
利用计算流体力学(CFD)通过软件对塔内流场进行数值模拟,在秉承数值模拟方法优点的同时回避了编程工作的复杂性,是研究流场的有力工具。
以气液两相流体力学及化学反应动力学的观点来看,脱硫塔内流体流动的目的是强化气液两相的混合与质量传递、延长气液两相在塔内的接触时间、增大气液两相接触面积并尽量降低吸收塔阻力[14]。
为此,脱硫塔内的流场及SO2的吸收过程的数值模拟方面,前人进行了大量的研究工作。
塔内流场研究方面,过小玲等[15]利用Fluent软件考察了托盘式烟气脱硫喷淋塔的烟气入口角度以及多孔合金托盘的安装高度对塔内流场的影响;Dudek等[16]利用CFX软件对喷淋塔内的气液两相流场进行了模拟,给出了不同入口几何形状下的塔内流场分布情况:
赵毅等[17]则利用CFD方法分析了除雾器高度、转折角、高度、烟气流速等因素对其压降的影响。
在塔内SO2吸收过程的模拟方面,Kill等[18]双膜理论模拟了格栅填料塔内的SO2吸收过程并提出了强化传质吸收的措施;Brorgen等[19]用渗透理论来模拟了喷淋塔内SO2的吸收过程,指出了塔内SO2的吸收很大程度是一个液相传质控制过程,仅在吸收塔顶部区域SO2浓度很低的情况下为气相传质所控制;Gerbec等[20]采用表面更新理论模拟了喷淋塔内SO2的吸收过程,认为液滴的内循环对传质过程有重要影响;Amokrane等[21]采用界面大涡模型来模拟SO2吸收过程中石灰石浆液液滴内部的循环,认为界面更新由液滴内的大涡来完成,更新速度通过表面相对速度来表征。
综上所述,前人的研究大都侧重于塔内流场分布或SO2的吸收过程模拟方面。
对于传统的喷淋塔,在塔壁区域,由于喷淋浆液的覆盖率不高,使得烟气沿塔壁逃逸从而降低了脱硫效率。
因此,作者在烟气流场模拟中采用Fluent软件中的k-ε双方程模型作为湍流模型,浆液流场的模拟采用Lagrangian离散相模型,方程离散格式选用二阶差分格式,用SIMPLE算法进行压力—速度耦合;SO2吸收的模拟是根据双膜理论吸收模型的计算结果,编写用户自定义程序(userdefinedfunctions,UDF),作为相互作用的质量源项加载到Fluent软件中来实现的。
1.3本文主要研究内容
(1)利用GAMBIT软件进行流场计算所需的网格构造;
(2)对脱硫反应塔内流场气相湍流流动数值模拟;
(3)利用FLUENT软件模拟计算并分析在不同工况和不同烟气入口角度下塔内流场、温度场的情况;
(4)模拟结果与实际运行数据比较,得出结论,并对喷嘴布置位置和数量进行改进,以便得到更好的脱硫效果,指导实际运行和设计。
2常见的湿法脱硫技术介绍
2.1石灰/石灰石一石膏法
石灰/石灰石一石膏法烟气脱硫技术最早是由英国皇家化学工业公司提出的,该方法脱硫的基本原理是用石灰或石灰石浆液吸收烟气中的SO2,先生成亚硫酸钙,然后将亚硫酸钙氧化为硫酸钙。
副产品石膏可抛弃也可以回收利用。
2.1.1反应原理
用石灰石或石灰浆液吸收烟气中的二氧化硫分为吸收和氧化两个工序,先吸收生成亚硫酸钙,然后再氧化为硫酸钙,因而分为吸收和氧化两个过程。
1)吸收过程在吸收塔内进行,主要反应如下:
石灰浆液作吸收剂:
Ca(OH)2+SO2=CaSO3·1/2H2O(2-1)
石灰石浆液吸收
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