基于小型燃煤锅炉氨法脱硫(FGD)技术研究 摘要
本论文从国家环境安全的角度出发，以治理二氧化硫大气污染为主旨，着重研 究了小型燃煤锅炉氨法脱硫(FGD)技术。通过对小型燃煤锅炉实际烟气参数进行理 论计算，建立小型燃煤锅炉氨法脱硫系统理论模型。采用FLUENT 流体力学分析 软件对所建立的理论模型进行数值模拟，进一步校正理论模型的不足之处，进而建 立实际的小型燃煤锅炉脱硫系统。以此脱硫系统为基础，运用实验的手段，结合相 关统计分析软件，最终确定了适用与小型燃煤锅炉氨法脱硫系统的最优运行参数。 首先，氨法脱硫技术以其脱硫效率高、设备占地小、系统易十维护和操作等优 势，适用与小型燃煤锅炉烟气脱硫;
其次，将脱硫过程归纳为多种流体之间的相互作用，通过使用FLUENT 流体 学软件对脱硫系统中的除尘器理论模型和脱硫塔塔体理论模型进行了数值模拟分 析，结果表明，依据理论计算所建立的旋风除尘器模型能够满足实际烟气参数运行 下的除尘要求; 所建立的脱硫塔塔体模型，在脱硫效果上能够满足实际需要但是在 空塔烟气运动的分布上存在不均匀的现象，需要修改校正;
最后，以实际建立的脱硫体系为基础，运用实验的手段对脱硫体系运行参数进 行优化。通过单因素实验，验证了烟气流速、液气比、吸收液初始浓度这二个因素 对系统脱硫效率的影响，结果表明烟气流速对脱硫效率存在最适值是脱硫效率最 大。液气比对脱硫效率的影响是随着液气比的增大脱硫效率逐渐增大，但最终脱硫 效率趋十稳定。吸收初始浓度对脱硫效率的影响亦是吸收液初始浓度越大脱硫效率 越高，但最终脱硫效率趋十稳定。在正交旋转实验中，考察了复合因素对脱硫效率 的影响。使用SAS 数据统计学软件对复合实验结果进行分析，得出了适用与该脱硫 体系的脱硫效率(Y)与烟气流速为(X1)、液气比(X2)、吸收液初始浓度(X})二个因素 之间的二次曲面方程。
进而使用Design-Expert 软件进一步分析复合实验结果，得出模型方程预测值 和! 实际测量值之间的差异，又得出了液气比和吸收液初始浓度共同作用下的响应面 曲面图，进一步验证了二次曲面响应模型方程的合理性。通过实验数据和对实验结 果的分析得出该脱硫体系最优运行参数为:吸收液初始浓度为14%一17%之间，液 气比为1. 5一2. OL/m3之间，烟气流速亦在1.5一2.Om/s之间。
关键词:小型燃煤锅炉，氨法脱硫((FGD)技术，理论模型，数值模拟，参数优化
The Ammonia Flue Gas Desulfurization(FGD) Technology for Small 一scale Coal-fired Boiler
Abstract
The view of this paper from the state environmental safety point.The theme is to
control sulfur-dioxide air pollution,and focused on the ammonia flue gas desulfurization technology for small-scale coal-fired boiler.Established a theory model of the ammonia flue gas desulfurization technology for small-scale coal-fired boiler by the calculation of the actual small coal-fired boiler flue gas parameters. Use the FLUENT(a fluid dynamics analysis software) to simulate the established theoretical model,and further to correct the shortcomings,and then build the desulfurization system for the actual small-scale
coal-fired boiler.Eventually,obtain the optimal operating parameters for themmonia
desulfurization system of the small-scale coal-fired boiler,by means of experiment and combined with statistical analysis software.
First,the ammonia desulfurization technology applicated the small coal-fired boiler flue gas desulfurization by its high efficiency,small footprint device,the system easy to maintain and operate.
Second,divided the desulfurization process into a variety of interactions between fluids,then analysing the of filter systems and the desulfurization tower body use the
FLUENT software.The results show that the theoretical calculations the of filter on
desulfurization can meet the required of the filter system in the actual flue gas
parameters.For the desulfurization tower model,that the desulfurization effect able to
meet the practical needs but there is a phenomenon that the smoke movement in the
empty tower uneven distribution ,so the modify need to correct;
Finally,optimized the desulfurization system operating parameters by means of
experiments on the atually desulfurization system.The desulfurization efficiency of the system by the flue gas flow rate,gas liquid ratio,initial concentration of absorption
solution verified use the single factor experiments,the results show that for the efficiency of flue gas flow rate there existed an optimal value make the desulfurization efficiency maximum.Liquid gas ratio on the desulfurization efficiency is the ratio increases as the liquid gas desulphurization efficiency increases,but eventually stabilize desulfurization efficiency.Absorption of the initial concentration on the desulfurization efficiency is
higher the initial concentration of absorbent higher desulfurization efficiency,but eventually stabilize desulfurization efficiency.Then use
The orthogonal-rotation experiment to explore the effect of the complex factors on the desulfurization.Analyzing the complex experimental results use the SAS software ,and obtaining the secondary surface equation between the factors of the desulfurization
efficiency(Y) and flue gas flow rate(X1),liquid to gas ratio(X2),the initial concentration of absorption solution(X3)and the desulfurization system.
And then analysed the complex experimental results use the Design-Expert software that obtain the difference between the actualy measured values and the model equation predicted,but also come to the response surface maps under the action of liquid
to gas ratio and initial concentration of absorption solution,further verifing the reasonable of the response surface quadratic model equation. Abtaining the desulfurization system optimal operating parameters by analyed the experimental data
and the experimental results that were:initial concentration of absorption solution
between of 14%一17%,and liquid to gas ratio between 1.5-2.OL/m3,the flue gas flow rate also between in the 1 .5-2. Om/s.
Key words :small coal-fired boilers,ammonia flue gas desulfurization (FGD) technology,theoretical model,numerical simulation,parameter optimizati.
绪论
环境安全是指避免由十人类不当活动和自然因素等造成环境破坏，威胁经济社 会发展和人类健康，因此环境安全是国家安全的重要组成部分[y。国家环境安全出 现危机是指水、空气、土地、生物等环境要素遭到严重破坏或受到严重污染，维持 生命系统的生态功能严重衰退，造成自然灾害频发，资源支撑能力大为削弱，人民 生活质量下降，甚至危及民族存亡和国家安全，有可能激化国际冲突，酿成更大范 围的安全问题。
当前影响我国环境安全的问题较多，其中大气环境安全问题尤其较为突出，
SOZ 的污染又是大气污染的主要原因。在我国燃煤锅炉是排放SOZ 的第一大污染源， 随着我国经济持续迅速发展，工业化进程加快，人口不断增加，燃煤锅炉给我们提 供大量热能动力的同时也给我国环境带来了严重的污染，其中以二氧化硫和烟尘污 染最为严重，直接导致了我国部分地区环境安全问题的产生，对人民健康、生态环 境和I 经济发展造成了巨大的损失。因此可见，控制燃煤锅炉SOZ 污染，对控制我国 大气环境污染具有极其重要的意义，燃煤锅炉烟气脱硫是我国当前发展经济、解决 大气环境安全问题的重大任务[f2l。由此可知，发展经济合理、技术可靠、环境达标、 资源可回收利用的烟气脱硫工艺是目前函待解决的重要问题。
1.1我国燃煤锅炉现状
随着低碳经济的发展，世界各国均在逐步取消高耗能燃煤锅炉的使用，但广泛 存在的燃煤锅炉作为支撑我国经济持续迅速发展、量大面广的热能动力设备，它虽 然严重污染我国大气环境、制约我国经济发展，带来大量的SOZ 污染，然而在一段 时间完全取缔是不现实的。众所周之，在我国除了大规模火力发电厂及广大北方地 区的取暖设备是燃煤锅炉以外，在广大的金属冶炼行业、装备制造行业和国防军工 行业都依然大量的使用着燃煤锅炉。我国燃煤锅炉的特点：
①锅炉容量小，70%以上的锅炉为容量小十4T/h的低压小锅炉，平均单台容 量不到2.ST/h, 而美国和口本的平均单台容量为5-14T/h，最大的高中压锅炉可达 400T/h。
②锅炉以燃煤为主，约占锅炉总容量的90%左右，燃油、燃气锅炉很少。国
外燃油、燃气的工业锅炉及商业锅炉占85-95%以上，锅炉容量越小，燃油燃气的 比例越高。例如，美国工业锅炉和商业锅炉共有130多万台，燃煤的仅占5%左右， 其他燃柴油和天然气等。
③锅炉用煤炭的品质低劣，灰分及硫分含量高。灰分通常高十22%，有时能达 到40%以上; 硫分一般高十1%，平均为1.7%，有时高达3-5%或更高。国外工
业锅炉及商业锅炉燃用煤炭通常为工业固硫型煤和低灰低硫优质煤。
④锅炉燃烧方式落后，多为层燃式，燃烧效率低，污染物排放强度高。我国锅 炉烟尘排放浓度一般为2000mg/m3, 国外为50-100mg/m3 0
⑤锅炉热效率低，一般为50-55%, 国外工业锅炉和商业的热效率为80-85%, 相差30%。
⑥锅炉烟囱低矮，一般低于30m ，含硫烟气多为低空排放，对大气污染贡献率 高，通常为45-65% o
⑦锅炉布局相当分散，遍及全国各地。
⑧锅炉烟气量大、烟气温度高、压力低、含有腐蚀性气体，净化操作难度大， 费用高。
根据国家发改委和国家环保总局要求，我国在“十一五”期间将实现全国二氧 化硫排放总量削减10%的目标[f}l。按照这个要求全国范围内开展整治燃煤锅炉的活 动，根据“以大压小，上大下小”的指导方针，在大中城市中取缔、改造了一大批 不达标中小锅炉，并实施了并网运行，集中供热的冬季供暖方式。但是在广大小城 镇，以及广大的农村地区和部分重工企业、国防军工企业还是存在着数量巨大的小 型锅炉，这些锅炉容量小，锅炉的热效率低，生成的烟尘量较大，基本上没有安装 除尘脱硫设施，大气污染严重。当然，锅炉容量越小，锅炉的自动化、机械化、仪 表化也越差，煤炭燃烧愈不完全，锅炉工作也愈不稳定。1982年全国小十2T/h的锅 炉有12.6万台，共10. 5 X 10`}T/h，分别占工业锅炉(包括采暖锅炉) 总数和总蒸气量的 53.0%和28.4，热效率仅40%左右。要对这些锅炉进行改造，其困难程度和成
本投入是不可估量的，又由十其分散性无法进行集中并网处理，将其取缔更是不可 能。所以如何减少小锅炉的二氧化硫排放已成为目前治理燃煤锅炉二氧化硫污染的
重点之一，对燃煤锅炉烟气进行脱硫处理无疑是目前治理小型燃煤锅炉二氧化硫 污染最有效的方法。
1.2二氧化硫的危害及其防治
1.21二氧化硫的危害
SO:是一种无色具有强烈刺激性气味的有毒腐蚀性气体。其对人体健康，动 植物生长发育以及生态环境都存在严重危害，它是目前污染数量最大，影响程度最 深的大气环境污染物质。它具有腐蚀刺激性，空气中只要含量达0.1 X 10-6g/m3，就 对人体健康存在潜在威胁，由十气体本身的毒性作用，能刺激呼吸道，引起支气管 痉挛，可能造成呕吐、呼吸困难和意识障碍，当浓度较高时即可造成支气管炎、 哮喘病等，继引发酸中毒现象，破坏糖类和蛋白质的代谢，抑制肝、脾、)J) L肉的 工作过程，降低维生素B 和C 的含量，并能刺激造血器官，引起内分泌器官及骨组 织的改变，甚至破坏生殖系统功能，当环境浓度大十0.3mg/L的时候，就可能会引 起死亡。
二氧化硫在危害人类健康的同时它还给人类带来另一个严重的环境安全问题 —酸雨。大气中的SOZ 受到空气中氧气的氧化，继与降水混合形成酸雨。酸雨
对生态系统的影响及破坏主要表现在使土壤酸化和贫痔化，农作物及森林生长减 缓，湖水酸化，鱼类生长受到抑制，对建筑物和材料有腐蚀作用，加速风化过程等。 此外，许多用十建筑结构、桥梁、水坝、工业装备、供水管网、地下贮罐、水轮发 电机组、电力和通讯设备等材料也均不同程度的受到了酸雨的腐蚀。
我国每年因酸雨直接或者间接经济损失高达1000亿兀以上。近年来酸雨污染 状况在部分地区呈现加重趋势，对森林、古迹、水生生物等都造成了严重的破坏， 使土壤酸化和贫痔化不断加速。
按照我国目前污染控制方式和经济发展速度，预计到2020年全国SOZ 排放量将 达2800万吨左右，远远超过大气环境容量1600万吨，这将对生态环境和人体健康造 成严重影响。因此采取有效脱硫方式来控制SOZ 的排放和制定严格的大气污染物 排放标准成为解决当前我国环境安全问题的首要任务。
1.2. 2二氧化硫的来源
随着我国社会主义市场经济的发展，不断增加的煤炭消费，同时导致了SOZ 排 放的不断增长。1983至1991年间，全国以年均增长3.84%的速度来排放SO2} 1990 至1995年间，我国SOZ 排放总量年均增长速度达4.81%，从1495万吨增至1891万吨， 年均增长量为79.2万吨，口本1990年全国SOZ 排放量为110万吨，之以后其总的 SOZ 排放量与1990年比基本持平目_有微降，也就是说我们一年的SOZ 增长量等十口 本一年的SOZ 排放量。目前我国已成为世界最大的SOZ 排放国，SOZ 排放量己经超 过了世界其他各国。表1.1为1999年一2006年我国年二氧化硫排放量，根据《中国 2007年环境状况公报》, 2007年全国废气中SOZ 排放量为2668.1万吨。其中生活
SOZ 排放量犯328.1万吨，占SOZ 排放总量的12.3%;工业SOZ 排放量2340万吨，占SOZ 排放总量的87.7%。工业生产SOZ 达标率和燃料燃烧SOZ 排放达标率分别为81.8%和 87.4%。由此可知，在我国治理SOZ 污染依然困难重重，SOZ 控制水平仍需继续提高。
电，发电机组装机容量中76%以上为火电装机，火电机组又以燃煤机组为主，存在 大量燃煤锅炉。据统计，2006年全国燃煤电厂SOZ 排放量为1300万吨，全国SOZ 排 放总量为2588.8万吨，燃煤电厂排放的占排放总量的50.2% 。
在我国以煤炭为主的能源格局在未来相当长的时期内不会发生变化。预测到
2010年，我国煤炭产量将达到23亿吨，到 2020年，我国SOZ 排放量将达到每年3400 万吨。根据有关的研究结果，每排放1吨SOZ 造成直接和间接经济损失高达5000 兀，推算到2010年我国经济损失的累计数字将达到2万多亿兀，其中每年因燃煤锅 炉所排放的SOZ 所造成的经济损失占我国GDP 的7%^'8%，严重地制约了我国社会 主义市场经济的发展。二氧化硫在一定条件下形成酸雨，因酸雨污染给我国造成的 经济损失每年超过1100亿兀，目_近年来我国的酸雨污染区正在口益扩大。国家发展 和改革委员会在2004年下发了《关十燃煤电站项目规划和建设有关要求的通知》[15] (发改能源(2004)864号) 。通知中规定:除燃用特低硫煤的发电项目要预留脱硫场地 外，其他新建、扩建燃煤电厂项目均应同步建设烟气脱硫设施。要求凡是新建火力 发电厂必须配套脱硫设施; 扩建电厂的同时，应对该电厂中未加装脱硫设施的已投 运燃煤机组同步建设脱硫设施。
因此实现环境与经济的双赢，不断削减燃煤锅炉二氧化硫的污染是我国能源和 环境保护部门面临的严峻挑战。
1.2. 3二氧化硫的防控政策
近年来随着二氧化硫的污染不断威胁到人类的健康带同时又带来了一系列的 灾难，越来越多的国家开始意识到治理二氧化硫污染迫在眉睫。世界许多国家在继 口本和美国等率先实施控制SOZ 排放战略之后也相继制定了严格的排放标准和中长 期抓„制战略，大大促进了有关控制技术的发展，在短短的十多年间使二氧化硫的排 放得到了大幅度的削减。从1872年英国科学家史密斯首先在工业城市发现了酸
雨，到1972年德国施瓦兹瓦鲁特等地发生松树枯损，尤里希一提出酸雨学说; 从1968 年瑞典欧登指出北欧酸雨的原因是来自英国等国的SOZ 越境污染，到1979年欧美等 国缔结远程越界空气污染公约(1983年生效) 从1984年加拿大一欧洲部长会议
发表硫氧化物30%削减宣言，到1988年欧共体环境部长会议和联合国欧洲经济委员 会缔结的“索非业议定书”承诺到2003年欧共体12个国家的SOX 的排放量比1980年 减少60，世界各国特别是发达国家为抑制口益严重的二氧化硫污染进行了长期不 解的努力。
在国际公约方面，欧盟与30多个国家在1979年签署了长距离跨越国界大气污染 物公约，该公约十1983年生效，公约中做如下规定:1985年21个国家承诺从
1980一1993年期间，至少消减30%的二氧化硫。此后，经26个国家在1994年达成并 签署了第二次硫化物议定书，设定了每个国家的最高限值，到2000年，欧洲在1980 年的水平上，可消减45%的SOZ ，到2010年，消减51%。
为遏制二氧化硫污染的继续恶化，从20世纪70年代末我国开始了二氧化硫污染 的监测，80年代中期开展了典型区域酸雨攻关研究，90年代初开展了全国酸雨沉降 研究并着手进行二氧化硫污染防治，先后通过了《中华人民共和国大气污染防治法》
1995年8月) 、2000重新修订后出台了《大气污染防治法》2000年4月29日) ，规定 了数项重大的大气污染防治法律制度和措施。为了进一步削减燃煤锅炉造成的二氧 化硫的大量排放，防治空气污染，遏制酸雨污染恶化趋势，国家环境保护部、科学 技术部、国家经济贸易委员会等部门先后颁布了《2002年全国环境保护工作要点》、 《国家环境保护“十五”规划》、《燃煤二氧化硫排放污染防治技术政策》等一系 列关十二氧化硫治理的相关政策和规定，其中新的火电厂排放标准规定，排放浓度 限值是400mg/ml。新的火电厂大气污染排放标准的出台，要求新建、扩建、改
建的燃煤电厂一律采取烟气脱硫措施。同时为保证我国污染物的治理，根据“国务 院关十SOZ 排污收费扩大试点工作有关问题的批复”(国函1996]24-19}, 1998年颁
发了《关十在酸雨控制区和SOZ 污染控制区开展征收SOZ 排污费扩大试点的通知》(环 发 1998年6月20日）。 2000年颁布了新的《大气污染防治法》，国家开始陆续出台了一 系列严格的环保标准要求，特别是从2003年7月1口起，正式实行了新的二氧化硫排 放收费标准，由过去的0.20兀//kg增加到0.63兀//kg，主要功能是为刺激污染者削减污 染，筹集资金安装脱硫设施。
1.3烟气脱硫技术及其发展现状
1.3. 1烟气脱硫(FGD)
烟气脱硫(Flue Gas Desulfurization, FGD)技术是世界上唯一人规模商业化应
用的脱硫方法，是控制和削减二氧化硫污染和酸雨危害的主要的技术手段也是最为 有效的技术手段。烟气脱硫(Flue Gas Desulfurization, FGD)技术是20世纪80
年代为适应现有电厂发展的需要，降低现有的烟气脱硫技术较高的烟气脱硫费用， 发展起来的新型技术。烟气脱硫技术按运行环境可以分为湿法、干法和半干法二类。 目前，烟气脱硫技术以引起世界各国的重视，近年来行之有效的脱硫技术已开发了 数十种之多，但是，无论哪种脱硫技术都是以一种碱性物质作为吸收剂，与二氧化 硫发生传质吸收反应进}达到脱硫的目的。按吸收剂的种类划分，烟气脱硫技术可 分为如下几种:
①石灰石一石膏湿法脱硫技术
湿法脱硫技术是发达国家对发电厂烟气脱硫主要方式，其中的石灰石一石膏湿 法脱硫是目前世界上技术应用最多、最为成熟的脱硫工艺，特别在德国、美国和口 本，应用的单机容量很大。这种技术主要是使用石灰(Ca0)、石灰石((CaC03)或碳
酸钠(Na2C0)等浆液作为洗涤剂，在反应塔中对烟气进行洗涤，与烟气中的SOZ 反 应，经历吸收和氧化两个主要步骤，生成副产品石膏。脱硫产物的石膏由十品位 低，达不到商用价值，一般作抛弃处理。
②喷雾干燥法脱硫技术
喷雾干燥法脱硫技术是将石灰浆液雾化后在喷雾干燥塔中与烟气进行接触，石 灰浆液与烟气中的SOZ 反应后生成业硫酸盐和硫酸盐，最后连同飞灰一起被除尘器 捕集。脱硫灰渣利用价值不高，多抛弃至灰场或废旧矿坑。该工艺在美国及西欧 一些国家有一定应用范围，我国的山东黄岛电厂和四川白马电厂均应用此技术进行 烟气脱硫处理。
③海水脱硫技术
海水脱硫技术是临近海边的发电厂常采用的脱硫方法。发电厂利用海水作为吸 收剂脱除烟气中SOZ 的一种湿法脱硫方法，由十海水中含有的酸碱缓冲物质能够吸 收SOZ ，进而使SOZ 转化成业硫酸盐，使用鼓风机向含有业硫酸盐的废水中鼓入大 量的空气，使其氧化成硫酸盐，海水中的碳酸盐发生又与生成的H 十反应生成COZ o 废水的pH 值达到排放标准后直接排入海域。
④电子束脱硫技术
电子束烟气脱硫技术是一项高新的脱硫技术，它采用了物理与化学相结合的方 法，其原理是脱硫塔内的烟气由十受到电子加速器产生的高能等离子体辐照，经过 激化、分解和电离等一系列过程产生氧化力很强的活性自由基O, OH和HOZ 等，并 在有氨存在条件下，将烟气中SOZ 和NOx 转化为硫酸钱和硝酸钱，达到烟气脱硫的 目的[a}}
⑤氨法烟气脱硫技术
氨法烟气脱硫技术是采用氨水做吸收剂除去烟气中二氧化硫等污染物的烟气 净化技术。氨气与二氧化硫在有水的条件下发生反应，生产业硫酸钱。对业硫酸钱 进行氧化结晶干燥后最终得到优质肥料硫酸钱。
1.3. 2烟气脱硫技术的发展现状
(1)国内发展现状
近年来，我国SOZ 年排放量均在20X1叭以上，居全球首位，我国已是世界第二 大酸雨区，仅次十欧洲和北美等地，因此控制二氧化硫的排放已成为我国环境安全
的一项紧迫的任务。国务院在1998年1月12口就以国函【1998]5号文件的形式对国家 环保局《关十呈报审批酸雨控制区和SOZ 污染控制区划分方案的请示》(环【1997]634 号文件) 作出批复[}m,2o}。批复文件中明确规定:新建、改造燃煤含硫量大十1%的电 厂，必须建设脱硫设施。现有燃煤含硫量大十1%的电厂，要在2000年前采取减排 SOZ 的措施，在2010年前分期分批建成脱硫设施或采取其他相应的减排SOZ 措施。 由十在对二氧化硫的治理方面我国起步较晚，至今还处十摸索阶段的，目„经济 发展状况还不允许像发达国家那样投入大量的人力和财力，目前国内一些电厂的烟 气脱硫技术和装置绝大部分还是从欧洲、美国、口本引进的，一些自主研发的新技 术还都处十试验阶段，目„大多是处理量较小的烟气脱硫技术。不过由十近几年脱硫 工程是所有新建电厂必须的建设的，国家环保要求相对较为严格，因此我国开始逐 步以国外的技术为基础研制适合自己国家的脱硫技术。
(2)国外发展现状
烟气脱硫(CFGD)技术始十本世纪80年代，据国际能源机构煤炭研究所组织的
调查，1992年末全世界17个国家的燃煤电厂安装了各种烟气脱硫设备，其中德国208
套、美国308套、口本51套，其他国际79套，全世界总计646套，总装机容量达167GW 。 湿式脱硫工艺占世界安装FGD 机组总容量的81.8%。德国的DBA 、美国的ABB, B&W, Noell-KRS及Biscoff 的脱硫系统和湿法脱硫工艺原理总体构成基本相同，但 各有特点。目前全世界已经或正在通过立法限制SOZ 排放的国家有20多个，德国在 1983年制订的联邦SOZ 排放标准; 美国在1970年提出了只对新建机组具有要求的 SOZ 排放标准，此后，美国国会在1990年通过了“清洁空气修正法案(CAAA) "，使 标准适用范围扩大，要求更加趋十严格; 口本是目前世界上严格控制SOZ 的国家之 一，在燃煤锅炉上安装了许多脱硫设备，其中烟气脱硫设备约有2700套(1990年前) 。 欧洲其它国家也已陆续开始这方面的工作。
1.4氨法脱硫技术
氨法烟气脱硫技术是采用氨水做吸收剂除去烟气中二氧化硫等污染物的烟气 净化技术。70年代初口本与美国等国开始研究氨法脱硫工艺，并相继获得成功。 但因为氨的价格相对十低廉的石灰石等吸收剂来说较高，高昂的运行成本是影响氨 法脱硫工艺得到广泛应用的最大因素，因此经济技术等方面的原因造成氨法烟气脱 硫技术在世界上应用较少。同时腐蚀塔体、净化后尾气中的气溶胶问题等等也成为 氨法脱硫工艺在开发初期遇到的较大的问题。进入90年代后，随着合成氨工业的不 断发展以及厂家对氨法脱硫工艺自身的不断完善和改进，以及技术的进步和对氨法 脱硫观念的转变，氨法脱硫技术的应用呈逐步上升的趋势。
①脱硫塔不易结垢
由十硫酸钱具有极易溶解的化学特性，目_氨具有更高的反应活性，因此氨法脱 硫系统不易产生结垢现象。
②氨法对煤中硫含量适应性广
氨法脱硫对煤中硫含量的适应性广，低、中、高硫含量的煤种脱硫均能适应， 特别适合十中高硫煤的脱硫。采用氨法时，特别是采用废氨水作为脱硫吸收剂时， 由十脱硫副产物的价值较高，煤中含硫量越高，脱硫副产品硫酸钱的产量越大，也 就越经济，采用石灰石一石膏法时，煤的含硫量高，石灰石用量就越大，脱硫费 用也就越高。
③无二次污染
氨是生产化肥的原料。以氨为原料，实现烟气脱硫，生产化肥，不消耗新的自 然资源，不产生新的废弃物和污染物，变废为宝，化害为利，为绿色生产技术，将 产生明显的环境、经济和社会效益。因此，氨法与钙法具有明显的区别。氨法属十 回收法，钙法属十抛弃法。抛弃法的缺点是消耗新的自然资源、产生新的废弃物和 污染污，具有明显的二次环境问题。
④系统简单、设备体积小、能耗低
氨是一种良好的碱性吸收剂，从吸收化学机理上分析，SOZ 的吸收是酸碱中和 反应，吸收剂碱性越强，越利十吸收，氨的碱性强十钙基吸收剂。从吸收剂物
理机理上分析，钙基吸收剂吸收SOZ 是一种气一固反应，反应速率慢、反应不完全、 吸收剂利用率低，需要大量的设备和能耗进行磨细、雾化、循环等以提高吸收剂利 用率，往往设备庞大、系统复杂能耗高。氨吸收烟气的SOZ 是气一液反应，反应 速度快、反应完全，吸收剂利用率高; 可以做到很高的脱硫效率，同时相对钙基脱 硫工艺来说系统简单、设备体积小、能耗低。
综上所述，基十我国基本国情由十，使用氨法脱硫技术，可充分利用我国广泛
的氨源来生产硫钱肥，既治理了SOZ 污染，又满足长期大量的化肥需求，并可产生 一定的经济效益。湿式氨法在治理二氧化硫污染的同时又可去除烟气中的氮氧化物 污染，对减排温室气体、进一步适应环保的更高要求有着重要意义。目_随着国内部 分氨法脱硫项目的成功使用，氨法脱硫将越来越广泛的成为未来我国脱硫市场的主 要技术。
1. 5本课题研究内容
本课题以小型燃煤锅炉为基础，主要研究了湿式氨法对十小型燃煤锅炉烟气中 二氧化硫的脱除技术。通过对燃煤锅炉烟气量的计算建立合理的脱硫系统理论模
型，采用FLUENT 软件对该理论模型进行模拟，检验系统的合理性。在模拟检验的 基础上，设计了脱硫系统的实物模型。最后，结合实际小型燃煤锅炉烟气进行了单 因素和复合因素的脱硫效率实验，利用SAS 软件和Design-Expert 软件分析实验数据， 最终得出一套适用与小型燃煤锅炉氨法脱硫的新技术以及最优脱硫系统运行参数。 研究路线如图1.1所示。
2氨法脱硫反应机理
2. 1吸收机理
氨法脱硫技术原理是采用氨水为脱硫吸收剂，与进入吸收塔的烟气接触混合， 反应生成业硫酸钱，再被空气氧化生成硫酸钱溶液后，经过蒸发结晶、干燥后制得 化学肥料硫酸钱。其化学反应式下:
NHS+Hz0+SOz二NH4HS03
2NH3+Hz0+SO2=(NH4)z SO3
(NH4)zS+Hz0+2SO2=NH4HS
生成的业硫酸钱对SOZ 有更好的吸收性能。该脱硫技术实质上是以循环生成的 (NH4)2 S03不I INH}HSO}水溶液吸收SOZ 的过程。随着NHHSO 比例的增大，溶液的 吸收能力降低，此时必须补充氨水，将NH}HSO}转化成(NH4)2503
NHS+NH4HS03 = (NH4 ) z S03
生成的业硫酸钱再被烟气中的氧气氧化成(NH4)2S04:
2(NH4) z SO3=2(NH4} z S04
生成的(NH4)2504再经过蒸发结晶，干燥制得化学肥料硫酸钱。
2. 2传质机理
在氨法脱硫系统中SOZ 的吸收是在液气两相中传递的其传质机理可用双膜理论 解释。双膜理论是用十描述气液两相间物质传递过程的传质模型。双膜理论认为， 气体吸收过程可以看作是吸收质通过气液膜的扩散，从气相主体传递到气液界面的 吸收质的通量等十从界面传递到液相主体的吸收质的通量，在界面上无吸收质的积 累和亏损。
吸收塔内SOZ 的吸收过程是溶质从气相向液相的物质传递过程。SOZ 的吸收可 以用双膜理论解释，主要经历3个步骤:OO SOa从气相主体穿过气膜向气液界面传递; ② SOZ在液膜表面溶解; ③ SOZ经过气液交界面到达液膜并随即与氨水发生化学反 应。双膜理论模型如图2.10
12
图2.1双膜理论模型
图中pa 认表示组分气相主体中的分压，pai 表示在界面上的分压，Ca 及Cai ，则分 别表示组分在液相主体及界面上的浓度，气体的吸收可简化为经气液两膜层的分子 扩散，这两薄膜构成了吸收过程的主要阻力，溶质以一定的分压及浓度差克服两膜 层的阻力，膜层以外几乎不存在阻力[[40]氨水吸收SOZ 的反应为快速反应，SOZ 在 液膜内的溶解为快速反应，所以①、③为吸收控制步骤。通过双膜理论可以得出: ①SOZ 的吸收速率受到多种因素的影响，这些因素的影响可以用气液传质的双 膜理论模型来解释;
② SOZ的吸收速率随着烟气入口浓度的增大而提高，但提高的幅度逐渐变小; ③ SOZ的吸收速率随着烟气人口温度升高而下降。
2. 3工艺流程
锅炉排出的烟气通过引风机增压后首先进入除尘设备，净化后的烟气进入吸收 塔脱硫系统，引风机用来克服整个FGD 系统的压降。吸收塔分为二个区域:分别为 吸收区、浆池区及除雾区，烟气向上通过脱硫塔，从脱硫塔内喷淋管组喷出的悬浮
液滴向下降落，烟气与氨一硫酸钱浆液液滴逆流接触，发生传质与吸收反应，以脱 除烟气中的SOZ 。脱硫后的烟气经除雾器去除烟气中火带的液滴后，从顶部离开脱 硫塔，通过原烟道进入烟囱排放。脱硫塔下部浆池中的氨一硫酸钱浆液由循环泵循 环送至浆液喷雾系统的喷嘴，产生细小的液滴沿脱硫塔横截面均匀向下喷淋o SOZ和
SOS 与浆液中的氨反应，生成业硫酸铰和硫酸铰。在脱硫塔浆池中鼓入空气将生成 的业硫酸氧化成硫酸，由十充分吸收了烟气中的热量，脱硫塔中硫酸由十水
蒸发过饱和析出硫酸铰结晶，抽出的硫酸铰浆液进入母液罐，经过离心机进一步 脱水，最后经干燥后得到硫酸铰产品。同时在塔底加入新鲜氨水，恢复吸收液吸收 能力。吸收液从塔底抽出一部分作为循环吸收液; 一部分进入后续的过滤单兀和结 晶单兀进行过滤和结晶，最终得到硫酸铰颗粒。通过测定反应溶液的pH 值来计算 通入的氨水的量，达到充分反应的目的，提高SOZ 的吸收及硫酸铰的转化率。工艺
流程如图2.2所
示
:
图2.2湿式氨法脱硫工艺流程图
3建立脱硫系统模型
所谓建立脱硫系统模型是指，在设计脱硫系统之前，通过考察锅炉功率，确定 锅炉燃煤煤质，计算锅炉产生的烟气量，分析烟气中所含成分。进而设计脱硫系统 的主要设备尺寸，包括脱硫系统烟气除尘设备和脱硫塔塔体。
3. 1锅炉烟气量计算
本课题中以0. 5 T/h的小型燃煤锅炉为脱硫系统模型设计标准，所烧燃煤成分如 表3.1所示，煤的产热量为5000大卡每千克，即20. 92MJ/kg。
3.1.1锅炉燃煤量的计算
0. 5 T/h的锅炉功率为0.35MW 锅炉的热效率一般为60%-70%在此取验
值为63%。
则每小时锅炉的燃煤量为:0. 35⨯3600=95. 6kg/h 20. 92⨯0. 63
3. 1. 2锅炉每小时产生烟气量的计算
煤在锅炉中燃烧生成产物(假设充分燃烧) 见表3.2所示。
表3.2煤燃烧产物
元素 产物
C COz
N NO
O
S SOz
H Hz0
已知煤的成分，则假设燃烧含有1 mol碳的煤，则煤中其他物质的摩尔含量如3.3所示
表3.3含有1mol 碳的煤中所有元素的含量
根据上表可知:
①含有1 mol碳的此种煤的质量为15.43g
②对十该种煤，其纲_成可表示为CHo.BOZNo.ol3so.ono.os}
根据煤燃烧的理论可以知道，燃煤生成的烟气量是由煤燃烧生成的产物加上剩 余氮气的量以及过量的空气组成。因此燃烧15.43g 该种煤所生成产物的摩尔数为 1+0.401+0.0065+0.01=1.4175mo1
通过计算又可知剩余氮气的量为4.49253mo1，过剩空气的量为1.7043mo1(在此 取空气过剩系数为1.3)0
则15.43g 该种煤所生成的烟气量为
1.4175+4.49253+1.7043=7.61433mo1
综上所述可以知道，在标准状态下((1.01325X105Pa} 200C) 燃烧lkg 该种煤所生 成的烟气的量为
7. 6143322. 4⨯⨯1000=11. 054m 3 15. 431000
根据理想气体状态方程，将该状态气体转化为锅炉烟气出口出温度下的体积，
则有
ν0
T0
即 =ν1T1 11. 054ν1= 273273+150
则在实际温度下(实测锅炉烟气出口温度为1500C) ，燃烧lkg 该种煤所生成的烟
气的量为17.13m3。
那么，可以算出0. 5 T/h的锅炉一小时实际所产生的烟气量为
Q=95.6 x 17.13=1637.63m
3. 1. 3初始烟气中污染物的浓度
(1)SOZ的浓度
1000⨯0. 61⨯64⨯1000/17. 13=2421mg /m 3 15. 43
⑵烟尘的浓度
1000⨯1. 22⨯0. 99⨯1000/17. 13=4569mg /m 3 15. 43
3. 3脱硫塔模型设计
脱硫塔模型设计是基十本设计所选的脱硫塔类型和烟气速度、流量所确定的， 本设计中选用脱硫塔类型为喷淋塔，塔内无填料。塔内气液两相对流接触，烟气自 塔底部分进入，氨水自上喷淋，脱硫后烟气由塔顶出气管道排除。
3. 3. 1脱硫塔直径
本研究中预设塔内烟气流速为1. Om/s那么根据Q=sv有
S=πr 2=Q
ν=0. 455m 2
塔体半径r=0.3 8 lm
即，脱硫塔塔体直径为0.762m.
3.3.2烟气进口位置的选择
根据锅炉高度和设计要求烟气进口的位置距塔底位置为0.5m ，进烟管道沿水平
线方向进入塔内。烟气进气口的直径为80mm 。
3.3.3塔釜段设计
根据吸收传质原理可以知道，该脱硫技术实质上是以循环生成的(NH4)2SO4
(NH)4HSO3水溶液吸收SO2的过程。随着(NH)4HSO3比例的增大，溶液的吸收能力降低， 此时必须补充氨水，将NH}HSO}转化成(NH4)2503。也就是说往塔内注入的氨水主 要作用就是用来中和生成的NH}HSO:中的H 。
根据前述计算已知，假设在脱硫塔内的脱硫效率可达90% ,那么每小时烟气寸 二氧化硫被脱除的量为
2421⨯1637. 63⨯0. 9=3568. 2g 1000
假设设备运行12小时清渣一次，那么12小时脱除的二氧化硫的量为42.8184kg, 脱除这些二氧化硫所需要的NH:的量为
42818. 4⨯2⨯17=22747. 3g 64
假设所用氨水的浓度为17%，又知浓度为17%的氨水密度为0.96kg/L,那么12 小时应向塔内补充的氨水的体积为
22747. 3=0. 139m 3 0. 17⨯0. 96
设训一塔釜区距塔底高度为O. 5m,那么塔内储液区的体积为:
0.381x0.381x3.14x0.5=0.228m3≥0.139 m
故满足设计要求。
3.3.4塔体高度设计
塔体总高度应包括:塔釜区高度、Z 见液按触段高度、除雾区高度、通风区高度
及塔体烟Z 见出口高度。在本设计中结合烟Z 见流速和所选择的Z 见液按触反应时间，假 设Z 见液按触高度范围为0.75m 一1.5m, 设计中取最大值1.5 m;除雾区高度设为0.3m; 通风区高度设为0.2m; 烟气出口高度为0.1mol 那么塔体总高度为2.6m 。
3. 4脱硫塔模型设计尺寸
脱硫塔模型设计尺寸如图3.2所示
5. 1脱硫辅助系统
所谓的脱硫辅助系统其实是一个完整的FGD 系统所不能或缺的部分，这些系 统包括; 氨水补给系统、喷淋系统、通风系统、除雾系统以及防腐系统。这些系 统加上脱硫塔塔体构成了一个完整的脱硫塔模型。如图5.1所示。
5.1.1氨水补给系统
本系统主要为整个脱硫体系提供脱硫剂(氨水) 。系统主要由储液槽、氨气钢 瓶(实验室用高浓度氨水代替) 、自来水添加管道、搅拌器、液位仪组成。
①储液槽的设计:
设计储液槽储液供应量为3分钟，又知初始假定液气比为1.2，则可知每秒钟所 需吸收液的量为1. 2⨯1637. 63=0. 546L /s 即每秒需喷淋0.546L 吸收液。储液量为3 3600
3600
分钟，所以储液槽的体积至少为0.098 m3。故设计体积如下:
储液槽为立方体构造长、宽、高分别为0.5m,0.5m, 0.5 m，其体积为
0.5x0.5x0.5=0.125m3≥0.098m3，故满足设计要求。
设计槽体材料为304号不锈钢，槽壁厚为2mm 。
②搅拌器的选择:
储液槽容积为125L ，储液槽宽度为0.5 m，故设计选择搅拌器为，山东淄博华星变 速传动机械厂生产的HG/T2052-91型搅拌器。
5.5本章小结
通过完善整个脱硫体系，并在此基础上分别对吸收液初始浓度、液气比、烟 气流速这二个因素对脱硫效率的影响展开研究。通过单因素实验得出，初始吸收液 浓度、液气比对脱硫效率的影响趋势是先增大}fu后趋十稳定值，烟气流速的影响趋 势是先增大到达最高点后又迅速降低; 通过正交旋转实验得出，在复合作用的条件 下，液气比和吸收液初始浓度的相互作用对脱硫效率影响较大。同时，又对正交旋 转实验结果使用SAS 软件分析，得出了二次曲面响应模型方程。并利用
Design-Expert 软件进一步分析实验结果，得出模型方程预测值和实际测量值之间的 差异，又得出了液气比和吸收液初始浓度共同作用下的响应面曲面图，进一步验证 了二次曲面响应模型方程的合理性。
总而言之，通过上述实验和分析可以得出该脱硫系统的最优运行参数是:吸 收液初始浓度为14%一17%之间，液气比为1. 5一2.OL/m3之间，烟气流速亦在
1.5一2.0m/s之间。
结论
本课题从国家环境安全问题着眼，以治理小型燃煤锅炉二氧化硫污染为主旨， 研究了基十小型燃煤锅炉氨法脱硫((FGD)技术。通过建立适用十小型燃煤锅炉的脱 硫体系理论模型，采用FLUENT 软件模拟分析了脱硫体系理论模型的性能，以改 进后的理论模型为基础建立实际脱硫系统，并以该系统为基础，通过实验的手段， 进一步分析和优化了基十小型燃煤锅炉氨法脱硫系统的运行参数，最终得出一整套 能够用十小型燃煤锅炉氨法脱硫的新技术。本研究得出主要结论如下:
(1)氨法脱硫技术以其脱硫效率高、设备占地小、系统易十维护和操作等优势， 适用与小型燃煤锅炉烟气脱硫;
(2)以小型燃煤锅炉实际运行中的烟气参数为基础，通过精确、缤密的理论计算， 所建立的脱硫系统理论模型具有较高的科学性和合理性;
(3)FLUENT流体学软件能够科学的、精确的对流体类运动和流体间化学反应 进行数值模拟分析，因此通过使用FLUENT 流体学软件对脱硫系统理论模型进行 数值模拟分析，能够得出科学的、合理的分析结果，进而指导理论模型的修改和完 善。
(4)以理论计算模型为基础所建立的实际脱硫体系具有很高的实际应用价值，以 实际脱硫体系为基础，通过实验的手段所得出的脱硫体系优化参数具有科学依据和 理论基础;
(5)通过单因素实验，验证了烟气流速、液气比、吸收液初始浓度这二个因素对 系统脱硫效率的影响，结果表明烟气流速对脱硫效率存在最适值是脱硫效率最大; 液气比对脱硫效率的影响是随着液气比的增大脱硫效率逐渐增大，但最终脱硫效率 趋十稳定; 吸收初始浓度对脱硫效率的影响亦是吸收液初始浓度越大脱硫效率越 高，但最终脱硫效率趋十稳定，但是单独考察该项实际意义不大，因此实验中结合 最佳循环时间综合考察，吸收液初始浓度越低最佳循环时间越短;
基于小型燃煤锅炉氨法脱硫(FGD)技术研究 摘要
本论文从国家环境安全的角度出发，以治理二氧化硫大气污染为主旨，着重研 究了小型燃煤锅炉氨法脱硫(FGD)技术。通过对小型燃煤锅炉实际烟气参数进行理 论计算，建立小型燃煤锅炉氨法脱硫系统理论模型。采用FLUENT 流体力学分析 软件对所建立的理论模型进行数值模拟，进一步校正理论模型的不足之处，进而建 立实际的小型燃煤锅炉脱硫系统。以此脱硫系统为基础，运用实验的手段，结合相 关统计分析软件，最终确定了适用与小型燃煤锅炉氨法脱硫系统的最优运行参数。 首先，氨法脱硫技术以其脱硫效率高、设备占地小、系统易十维护和操作等优 势，适用与小型燃煤锅炉烟气脱硫;
其次，将脱硫过程归纳为多种流体之间的相互作用，通过使用FLUENT 流体 学软件对脱硫系统中的除尘器理论模型和脱硫塔塔体理论模型进行了数值模拟分 析，结果表明，依据理论计算所建立的旋风除尘器模型能够满足实际烟气参数运行 下的除尘要求; 所建立的脱硫塔塔体模型，在脱硫效果上能够满足实际需要但是在 空塔烟气运动的分布上存在不均匀的现象，需要修改校正;
最后，以实际建立的脱硫体系为基础，运用实验的手段对脱硫体系运行参数进 行优化。通过单因素实验，验证了烟气流速、液气比、吸收液初始浓度这二个因素 对系统脱硫效率的影响，结果表明烟气流速对脱硫效率存在最适值是脱硫效率最 大。液气比对脱硫效率的影响是随着液气比的增大脱硫效率逐渐增大，但最终脱硫 效率趋十稳定。吸收初始浓度对脱硫效率的影响亦是吸收液初始浓度越大脱硫效率 越高，但最终脱硫效率趋十稳定。在正交旋转实验中，考察了复合因素对脱硫效率 的影响。使用SAS 数据统计学软件对复合实验结果进行分析，得出了适用与该脱硫 体系的脱硫效率(Y)与烟气流速为(X1)、液气比(X2)、吸收液初始浓度(X})二个因素 之间的二次曲面方程。
进而使用Design-Expert 软件进一步分析复合实验结果，得出模型方程预测值 和! 实际测量值之间的差异，又得出了液气比和吸收液初始浓度共同作用下的响应面 曲面图，进一步验证了二次曲面响应模型方程的合理性。通过实验数据和对实验结 果的分析得出该脱硫体系最优运行参数为:吸收液初始浓度为14%一17%之间，液 气比为1. 5一2. OL/m3之间，烟气流速亦在1.5一2.Om/s之间。
关键词:小型燃煤锅炉，氨法脱硫((FGD)技术，理论模型，数值模拟，参数优化
The Ammonia Flue Gas Desulfurization(FGD) Technology for Small 一scale Coal-fired Boiler
Abstract
The view of this paper from the state environmental safety point.The theme is to
control sulfur-dioxide air pollution,and focused on the ammonia flue gas desulfurization technology for small-scale coal-fired boiler.Established a theory model of the ammonia flue gas desulfurization technology for small-scale coal-fired boiler by the calculation of the actual small coal-fired boiler flue gas parameters. Use the FLUENT(a fluid dynamics analysis software) to simulate the established theoretical model,and further to correct the shortcomings,and then build the desulfurization system for the actual small-scale
coal-fired boiler.Eventually,obtain the optimal operating parameters for themmonia
desulfurization system of the small-scale coal-fired boiler,by means of experiment and combined with statistical analysis software.
First,the ammonia desulfurization technology applicated the small coal-fired boiler flue gas desulfurization by its high efficiency,small footprint device,the system easy to maintain and operate.
Second,divided the desulfurization process into a variety of interactions between fluids,then analysing the of filter systems and the desulfurization tower body use the
FLUENT software.The results show that the theoretical calculations the of filter on
desulfurization can meet the required of the filter system in the actual flue gas
parameters.For the desulfurization tower model,that the desulfurization effect able to
meet the practical needs but there is a phenomenon that the smoke movement in the
empty tower uneven distribution ,so the modify need to correct;
Finally,optimized the desulfurization system operating parameters by means of
experiments on the atually desulfurization system.The desulfurization efficiency of the system by the flue gas flow rate,gas liquid ratio,initial concentration of absorption
solution verified use the single factor experiments,the results show that for the efficiency of flue gas flow rate there existed an optimal value make the desulfurization efficiency maximum.Liquid gas ratio on the desulfurization efficiency is the ratio increases as the liquid gas desulphurization efficiency increases,but eventually stabilize desulfurization efficiency.Absorption of the initial concentration on the desulfurization efficiency is
higher the initial concentration of absorbent higher desulfurization efficiency,but eventually stabilize desulfurization efficiency.Then use
The orthogonal-rotation experiment to explore the effect of the complex factors on the desulfurization.Analyzing the complex experimental results use the SAS software ,and obtaining the secondary surface equation between the factors of the desulfurization
efficiency(Y) and flue gas flow rate(X1),liquid to gas ratio(X2),the initial concentration of absorption solution(X3)and the desulfurization system.
And then analysed the complex experimental results use the Design-Expert software that obtain the difference between the actualy measured values and the model equation predicted,but also come to the response surface maps under the action of liquid
to gas ratio and initial concentration of absorption solution,further verifing the reasonable of the response surface quadratic model equation. Abtaining the desulfurization system optimal operating parameters by analyed the experimental data
and the experimental results that were:initial concentration of absorption solution
between of 14%一17%,and liquid to gas ratio between 1.5-2.OL/m3,the flue gas flow rate also between in the 1 .5-2. Om/s.
Key words :small coal-fired boilers,ammonia flue gas desulfurization (FGD) technology,theoretical model,numerical simulation,parameter optimizati.
绪论
环境安全是指避免由十人类不当活动和自然因素等造成环境破坏，威胁经济社 会发展和人类健康，因此环境安全是国家安全的重要组成部分[y。国家环境安全出 现危机是指水、空气、土地、生物等环境要素遭到严重破坏或受到严重污染，维持 生命系统的生态功能严重衰退，造成自然灾害频发，资源支撑能力大为削弱，人民 生活质量下降，甚至危及民族存亡和国家安全，有可能激化国际冲突，酿成更大范 围的安全问题。
当前影响我国环境安全的问题较多，其中大气环境安全问题尤其较为突出，
SOZ 的污染又是大气污染的主要原因。在我国燃煤锅炉是排放SOZ 的第一大污染源， 随着我国经济持续迅速发展，工业化进程加快，人口不断增加，燃煤锅炉给我们提 供大量热能动力的同时也给我国环境带来了严重的污染，其中以二氧化硫和烟尘污 染最为严重，直接导致了我国部分地区环境安全问题的产生，对人民健康、生态环 境和I 经济发展造成了巨大的损失。因此可见，控制燃煤锅炉SOZ 污染，对控制我国 大气环境污染具有极其重要的意义，燃煤锅炉烟气脱硫是我国当前发展经济、解决 大气环境安全问题的重大任务[f2l。由此可知，发展经济合理、技术可靠、环境达标、 资源可回收利用的烟气脱硫工艺是目前函待解决的重要问题。
1.1我国燃煤锅炉现状
随着低碳经济的发展，世界各国均在逐步取消高耗能燃煤锅炉的使用，但广泛 存在的燃煤锅炉作为支撑我国经济持续迅速发展、量大面广的热能动力设备，它虽 然严重污染我国大气环境、制约我国经济发展，带来大量的SOZ 污染，然而在一段 时间完全取缔是不现实的。众所周之，在我国除了大规模火力发电厂及广大北方地 区的取暖设备是燃煤锅炉以外，在广大的金属冶炼行业、装备制造行业和国防军工 行业都依然大量的使用着燃煤锅炉。我国燃煤锅炉的特点：
①锅炉容量小，70%以上的锅炉为容量小十4T/h的低压小锅炉，平均单台容 量不到2.ST/h, 而美国和口本的平均单台容量为5-14T/h，最大的高中压锅炉可达 400T/h。
②锅炉以燃煤为主，约占锅炉总容量的90%左右，燃油、燃气锅炉很少。国
外燃油、燃气的工业锅炉及商业锅炉占85-95%以上，锅炉容量越小，燃油燃气的 比例越高。例如，美国工业锅炉和商业锅炉共有130多万台，燃煤的仅占5%左右， 其他燃柴油和天然气等。
③锅炉用煤炭的品质低劣，灰分及硫分含量高。灰分通常高十22%，有时能达 到40%以上; 硫分一般高十1%，平均为1.7%，有时高达3-5%或更高。国外工
业锅炉及商业锅炉燃用煤炭通常为工业固硫型煤和低灰低硫优质煤。
④锅炉燃烧方式落后，多为层燃式，燃烧效率低，污染物排放强度高。我国锅 炉烟尘排放浓度一般为2000mg/m3, 国外为50-100mg/m3 0
⑤锅炉热效率低，一般为50-55%, 国外工业锅炉和商业的热效率为80-85%, 相差30%。
⑥锅炉烟囱低矮，一般低于30m ，含硫烟气多为低空排放，对大气污染贡献率 高，通常为45-65% o
⑦锅炉布局相当分散，遍及全国各地。
⑧锅炉烟气量大、烟气温度高、压力低、含有腐蚀性气体，净化操作难度大， 费用高。
根据国家发改委和国家环保总局要求，我国在“十一五”期间将实现全国二氧 化硫排放总量削减10%的目标[f}l。按照这个要求全国范围内开展整治燃煤锅炉的活 动，根据“以大压小，上大下小”的指导方针，在大中城市中取缔、改造了一大批 不达标中小锅炉，并实施了并网运行，集中供热的冬季供暖方式。但是在广大小城 镇，以及广大的农村地区和部分重工企业、国防军工企业还是存在着数量巨大的小 型锅炉，这些锅炉容量小，锅炉的热效率低，生成的烟尘量较大，基本上没有安装 除尘脱硫设施，大气污染严重。当然，锅炉容量越小，锅炉的自动化、机械化、仪 表化也越差，煤炭燃烧愈不完全，锅炉工作也愈不稳定。1982年全国小十2T/h的锅 炉有12.6万台，共10. 5 X 10`}T/h，分别占工业锅炉(包括采暖锅炉) 总数和总蒸气量的 53.0%和28.4，热效率仅40%左右。要对这些锅炉进行改造，其困难程度和成
本投入是不可估量的，又由十其分散性无法进行集中并网处理，将其取缔更是不可 能。所以如何减少小锅炉的二氧化硫排放已成为目前治理燃煤锅炉二氧化硫污染的
重点之一，对燃煤锅炉烟气进行脱硫处理无疑是目前治理小型燃煤锅炉二氧化硫 污染最有效的方法。
1.2二氧化硫的危害及其防治
1.21二氧化硫的危害
SO:是一种无色具有强烈刺激性气味的有毒腐蚀性气体。其对人体健康，动 植物生长发育以及生态环境都存在严重危害，它是目前污染数量最大，影响程度最 深的大气环境污染物质。它具有腐蚀刺激性，空气中只要含量达0.1 X 10-6g/m3，就 对人体健康存在潜在威胁，由十气体本身的毒性作用，能刺激呼吸道，引起支气管 痉挛，可能造成呕吐、呼吸困难和意识障碍，当浓度较高时即可造成支气管炎、 哮喘病等，继引发酸中毒现象，破坏糖类和蛋白质的代谢，抑制肝、脾、)J) L肉的 工作过程，降低维生素B 和C 的含量，并能刺激造血器官，引起内分泌器官及骨组 织的改变，甚至破坏生殖系统功能，当环境浓度大十0.3mg/L的时候，就可能会引 起死亡。
二氧化硫在危害人类健康的同时它还给人类带来另一个严重的环境安全问题 —酸雨。大气中的SOZ 受到空气中氧气的氧化，继与降水混合形成酸雨。酸雨
对生态系统的影响及破坏主要表现在使土壤酸化和贫痔化，农作物及森林生长减 缓，湖水酸化，鱼类生长受到抑制，对建筑物和材料有腐蚀作用，加速风化过程等。 此外，许多用十建筑结构、桥梁、水坝、工业装备、供水管网、地下贮罐、水轮发 电机组、电力和通讯设备等材料也均不同程度的受到了酸雨的腐蚀。
我国每年因酸雨直接或者间接经济损失高达1000亿兀以上。近年来酸雨污染 状况在部分地区呈现加重趋势，对森林、古迹、水生生物等都造成了严重的破坏， 使土壤酸化和贫痔化不断加速。
按照我国目前污染控制方式和经济发展速度，预计到2020年全国SOZ 排放量将 达2800万吨左右，远远超过大气环境容量1600万吨，这将对生态环境和人体健康造 成严重影响。因此采取有效脱硫方式来控制SOZ 的排放和制定严格的大气污染物 排放标准成为解决当前我国环境安全问题的首要任务。
1.2. 2二氧化硫的来源
随着我国社会主义市场经济的发展，不断增加的煤炭消费，同时导致了SOZ 排 放的不断增长。1983至1991年间，全国以年均增长3.84%的速度来排放SO2} 1990 至1995年间，我国SOZ 排放总量年均增长速度达4.81%，从1495万吨增至1891万吨， 年均增长量为79.2万吨，口本1990年全国SOZ 排放量为110万吨，之以后其总的 SOZ 排放量与1990年比基本持平目_有微降，也就是说我们一年的SOZ 增长量等十口 本一年的SOZ 排放量。目前我国已成为世界最大的SOZ 排放国，SOZ 排放量己经超 过了世界其他各国。表1.1为1999年一2006年我国年二氧化硫排放量，根据《中国 2007年环境状况公报》, 2007年全国废气中SOZ 排放量为2668.1万吨。其中生活
SOZ 排放量犯328.1万吨，占SOZ 排放总量的12.3%;工业SOZ 排放量2340万吨，占SOZ 排放总量的87.7%。工业生产SOZ 达标率和燃料燃烧SOZ 排放达标率分别为81.8%和 87.4%。由此可知，在我国治理SOZ 污染依然困难重重，SOZ 控制水平仍需继续提高。
电，发电机组装机容量中76%以上为火电装机，火电机组又以燃煤机组为主，存在 大量燃煤锅炉。据统计，2006年全国燃煤电厂SOZ 排放量为1300万吨，全国SOZ 排 放总量为2588.8万吨，燃煤电厂排放的占排放总量的50.2% 。
在我国以煤炭为主的能源格局在未来相当长的时期内不会发生变化。预测到
2010年，我国煤炭产量将达到23亿吨，到 2020年，我国SOZ 排放量将达到每年3400 万吨。根据有关的研究结果，每排放1吨SOZ 造成直接和间接经济损失高达5000 兀，推算到2010年我国经济损失的累计数字将达到2万多亿兀，其中每年因燃煤锅 炉所排放的SOZ 所造成的经济损失占我国GDP 的7%^'8%，严重地制约了我国社会 主义市场经济的发展。二氧化硫在一定条件下形成酸雨，因酸雨污染给我国造成的 经济损失每年超过1100亿兀，目_近年来我国的酸雨污染区正在口益扩大。国家发展 和改革委员会在2004年下发了《关十燃煤电站项目规划和建设有关要求的通知》[15] (发改能源(2004)864号) 。通知中规定:除燃用特低硫煤的发电项目要预留脱硫场地 外，其他新建、扩建燃煤电厂项目均应同步建设烟气脱硫设施。要求凡是新建火力 发电厂必须配套脱硫设施; 扩建电厂的同时，应对该电厂中未加装脱硫设施的已投 运燃煤机组同步建设脱硫设施。
因此实现环境与经济的双赢，不断削减燃煤锅炉二氧化硫的污染是我国能源和 环境保护部门面临的严峻挑战。
1.2. 3二氧化硫的防控政策
近年来随着二氧化硫的污染不断威胁到人类的健康带同时又带来了一系列的 灾难，越来越多的国家开始意识到治理二氧化硫污染迫在眉睫。世界许多国家在继 口本和美国等率先实施控制SOZ 排放战略之后也相继制定了严格的排放标准和中长 期抓„制战略，大大促进了有关控制技术的发展，在短短的十多年间使二氧化硫的排 放得到了大幅度的削减。从1872年英国科学家史密斯首先在工业城市发现了酸
雨，到1972年德国施瓦兹瓦鲁特等地发生松树枯损，尤里希一提出酸雨学说; 从1968 年瑞典欧登指出北欧酸雨的原因是来自英国等国的SOZ 越境污染，到1979年欧美等 国缔结远程越界空气污染公约(1983年生效) 从1984年加拿大一欧洲部长会议
发表硫氧化物30%削减宣言，到1988年欧共体环境部长会议和联合国欧洲经济委员 会缔结的“索非业议定书”承诺到2003年欧共体12个国家的SOX 的排放量比1980年 减少60，世界各国特别是发达国家为抑制口益严重的二氧化硫污染进行了长期不 解的努力。
在国际公约方面，欧盟与30多个国家在1979年签署了长距离跨越国界大气污染 物公约，该公约十1983年生效，公约中做如下规定:1985年21个国家承诺从
1980一1993年期间，至少消减30%的二氧化硫。此后，经26个国家在1994年达成并 签署了第二次硫化物议定书，设定了每个国家的最高限值，到2000年，欧洲在1980 年的水平上，可消减45%的SOZ ，到2010年，消减51%。
为遏制二氧化硫污染的继续恶化，从20世纪70年代末我国开始了二氧化硫污染 的监测，80年代中期开展了典型区域酸雨攻关研究，90年代初开展了全国酸雨沉降 研究并着手进行二氧化硫污染防治，先后通过了《中华人民共和国大气污染防治法》
1995年8月) 、2000重新修订后出台了《大气污染防治法》2000年4月29日) ，规定 了数项重大的大气污染防治法律制度和措施。为了进一步削减燃煤锅炉造成的二氧 化硫的大量排放，防治空气污染，遏制酸雨污染恶化趋势，国家环境保护部、科学 技术部、国家经济贸易委员会等部门先后颁布了《2002年全国环境保护工作要点》、 《国家环境保护“十五”规划》、《燃煤二氧化硫排放污染防治技术政策》等一系 列关十二氧化硫治理的相关政策和规定，其中新的火电厂排放标准规定，排放浓度 限值是400mg/ml。新的火电厂大气污染排放标准的出台，要求新建、扩建、改
建的燃煤电厂一律采取烟气脱硫措施。同时为保证我国污染物的治理，根据“国务 院关十SOZ 排污收费扩大试点工作有关问题的批复”(国函1996]24-19}, 1998年颁
发了《关十在酸雨控制区和SOZ 污染控制区开展征收SOZ 排污费扩大试点的通知》(环 发 1998年6月20日）。 2000年颁布了新的《大气污染防治法》，国家开始陆续出台了一 系列严格的环保标准要求，特别是从2003年7月1口起，正式实行了新的二氧化硫排 放收费标准，由过去的0.20兀//kg增加到0.63兀//kg，主要功能是为刺激污染者削减污 染，筹集资金安装脱硫设施。
1.3烟气脱硫技术及其发展现状
1.3. 1烟气脱硫(FGD)
烟气脱硫(Flue Gas Desulfurization, FGD)技术是世界上唯一人规模商业化应
用的脱硫方法，是控制和削减二氧化硫污染和酸雨危害的主要的技术手段也是最为 有效的技术手段。烟气脱硫(Flue Gas Desulfurization, FGD)技术是20世纪80
年代为适应现有电厂发展的需要，降低现有的烟气脱硫技术较高的烟气脱硫费用， 发展起来的新型技术。烟气脱硫技术按运行环境可以分为湿法、干法和半干法二类。 目前，烟气脱硫技术以引起世界各国的重视，近年来行之有效的脱硫技术已开发了 数十种之多，但是，无论哪种脱硫技术都是以一种碱性物质作为吸收剂，与二氧化 硫发生传质吸收反应进}达到脱硫的目的。按吸收剂的种类划分，烟气脱硫技术可 分为如下几种:
①石灰石一石膏湿法脱硫技术
湿法脱硫技术是发达国家对发电厂烟气脱硫主要方式，其中的石灰石一石膏湿 法脱硫是目前世界上技术应用最多、最为成熟的脱硫工艺，特别在德国、美国和口 本，应用的单机容量很大。这种技术主要是使用石灰(Ca0)、石灰石((CaC03)或碳
酸钠(Na2C0)等浆液作为洗涤剂，在反应塔中对烟气进行洗涤，与烟气中的SOZ 反 应，经历吸收和氧化两个主要步骤，生成副产品石膏。脱硫产物的石膏由十品位 低，达不到商用价值，一般作抛弃处理。
②喷雾干燥法脱硫技术
喷雾干燥法脱硫技术是将石灰浆液雾化后在喷雾干燥塔中与烟气进行接触，石 灰浆液与烟气中的SOZ 反应后生成业硫酸盐和硫酸盐，最后连同飞灰一起被除尘器 捕集。脱硫灰渣利用价值不高，多抛弃至灰场或废旧矿坑。该工艺在美国及西欧 一些国家有一定应用范围，我国的山东黄岛电厂和四川白马电厂均应用此技术进行 烟气脱硫处理。
③海水脱硫技术
海水脱硫技术是临近海边的发电厂常采用的脱硫方法。发电厂利用海水作为吸 收剂脱除烟气中SOZ 的一种湿法脱硫方法，由十海水中含有的酸碱缓冲物质能够吸 收SOZ ，进而使SOZ 转化成业硫酸盐，使用鼓风机向含有业硫酸盐的废水中鼓入大 量的空气，使其氧化成硫酸盐，海水中的碳酸盐发生又与生成的H 十反应生成COZ o 废水的pH 值达到排放标准后直接排入海域。
④电子束脱硫技术
电子束烟气脱硫技术是一项高新的脱硫技术，它采用了物理与化学相结合的方 法，其原理是脱硫塔内的烟气由十受到电子加速器产生的高能等离子体辐照，经过 激化、分解和电离等一系列过程产生氧化力很强的活性自由基O, OH和HOZ 等，并 在有氨存在条件下，将烟气中SOZ 和NOx 转化为硫酸钱和硝酸钱，达到烟气脱硫的 目的[a}}
⑤氨法烟气脱硫技术
氨法烟气脱硫技术是采用氨水做吸收剂除去烟气中二氧化硫等污染物的烟气 净化技术。氨气与二氧化硫在有水的条件下发生反应，生产业硫酸钱。对业硫酸钱 进行氧化结晶干燥后最终得到优质肥料硫酸钱。
1.3. 2烟气脱硫技术的发展现状
(1)国内发展现状
近年来，我国SOZ 年排放量均在20X1叭以上，居全球首位，我国已是世界第二 大酸雨区，仅次十欧洲和北美等地，因此控制二氧化硫的排放已成为我国环境安全
的一项紧迫的任务。国务院在1998年1月12口就以国函【1998]5号文件的形式对国家 环保局《关十呈报审批酸雨控制区和SOZ 污染控制区划分方案的请示》(环【1997]634 号文件) 作出批复[}m,2o}。批复文件中明确规定:新建、改造燃煤含硫量大十1%的电 厂，必须建设脱硫设施。现有燃煤含硫量大十1%的电厂，要在2000年前采取减排 SOZ 的措施，在2010年前分期分批建成脱硫设施或采取其他相应的减排SOZ 措施。 由十在对二氧化硫的治理方面我国起步较晚，至今还处十摸索阶段的，目„经济 发展状况还不允许像发达国家那样投入大量的人力和财力，目前国内一些电厂的烟 气脱硫技术和装置绝大部分还是从欧洲、美国、口本引进的，一些自主研发的新技 术还都处十试验阶段，目„大多是处理量较小的烟气脱硫技术。不过由十近几年脱硫 工程是所有新建电厂必须的建设的，国家环保要求相对较为严格，因此我国开始逐 步以国外的技术为基础研制适合自己国家的脱硫技术。
(2)国外发展现状
烟气脱硫(CFGD)技术始十本世纪80年代，据国际能源机构煤炭研究所组织的
调查，1992年末全世界17个国家的燃煤电厂安装了各种烟气脱硫设备，其中德国208
套、美国308套、口本51套，其他国际79套，全世界总计646套，总装机容量达167GW 。 湿式脱硫工艺占世界安装FGD 机组总容量的81.8%。德国的DBA 、美国的ABB, B&W, Noell-KRS及Biscoff 的脱硫系统和湿法脱硫工艺原理总体构成基本相同，但 各有特点。目前全世界已经或正在通过立法限制SOZ 排放的国家有20多个，德国在 1983年制订的联邦SOZ 排放标准; 美国在1970年提出了只对新建机组具有要求的 SOZ 排放标准，此后，美国国会在1990年通过了“清洁空气修正法案(CAAA) "，使 标准适用范围扩大，要求更加趋十严格; 口本是目前世界上严格控制SOZ 的国家之 一，在燃煤锅炉上安装了许多脱硫设备，其中烟气脱硫设备约有2700套(1990年前) 。 欧洲其它国家也已陆续开始这方面的工作。
1.4氨法脱硫技术
氨法烟气脱硫技术是采用氨水做吸收剂除去烟气中二氧化硫等污染物的烟气 净化技术。70年代初口本与美国等国开始研究氨法脱硫工艺，并相继获得成功。 但因为氨的价格相对十低廉的石灰石等吸收剂来说较高，高昂的运行成本是影响氨 法脱硫工艺得到广泛应用的最大因素，因此经济技术等方面的原因造成氨法烟气脱 硫技术在世界上应用较少。同时腐蚀塔体、净化后尾气中的气溶胶问题等等也成为 氨法脱硫工艺在开发初期遇到的较大的问题。进入90年代后，随着合成氨工业的不 断发展以及厂家对氨法脱硫工艺自身的不断完善和改进，以及技术的进步和对氨法 脱硫观念的转变，氨法脱硫技术的应用呈逐步上升的趋势。
①脱硫塔不易结垢
由十硫酸钱具有极易溶解的化学特性，目_氨具有更高的反应活性，因此氨法脱 硫系统不易产生结垢现象。
②氨法对煤中硫含量适应性广
氨法脱硫对煤中硫含量的适应性广，低、中、高硫含量的煤种脱硫均能适应， 特别适合十中高硫煤的脱硫。采用氨法时，特别是采用废氨水作为脱硫吸收剂时， 由十脱硫副产物的价值较高，煤中含硫量越高，脱硫副产品硫酸钱的产量越大，也 就越经济，采用石灰石一石膏法时，煤的含硫量高，石灰石用量就越大，脱硫费 用也就越高。
③无二次污染
氨是生产化肥的原料。以氨为原料，实现烟气脱硫，生产化肥，不消耗新的自 然资源，不产生新的废弃物和污染物，变废为宝，化害为利，为绿色生产技术，将 产生明显的环境、经济和社会效益。因此，氨法与钙法具有明显的区别。氨法属十 回收法，钙法属十抛弃法。抛弃法的缺点是消耗新的自然资源、产生新的废弃物和 污染污，具有明显的二次环境问题。
④系统简单、设备体积小、能耗低
氨是一种良好的碱性吸收剂，从吸收化学机理上分析，SOZ 的吸收是酸碱中和 反应，吸收剂碱性越强，越利十吸收，氨的碱性强十钙基吸收剂。从吸收剂物
理机理上分析，钙基吸收剂吸收SOZ 是一种气一固反应，反应速率慢、反应不完全、 吸收剂利用率低，需要大量的设备和能耗进行磨细、雾化、循环等以提高吸收剂利 用率，往往设备庞大、系统复杂能耗高。氨吸收烟气的SOZ 是气一液反应，反应 速度快、反应完全，吸收剂利用率高; 可以做到很高的脱硫效率，同时相对钙基脱 硫工艺来说系统简单、设备体积小、能耗低。
综上所述，基十我国基本国情由十，使用氨法脱硫技术，可充分利用我国广泛
的氨源来生产硫钱肥，既治理了SOZ 污染，又满足长期大量的化肥需求，并可产生 一定的经济效益。湿式氨法在治理二氧化硫污染的同时又可去除烟气中的氮氧化物 污染，对减排温室气体、进一步适应环保的更高要求有着重要意义。目_随着国内部 分氨法脱硫项目的成功使用，氨法脱硫将越来越广泛的成为未来我国脱硫市场的主 要技术。
1. 5本课题研究内容
本课题以小型燃煤锅炉为基础，主要研究了湿式氨法对十小型燃煤锅炉烟气中 二氧化硫的脱除技术。通过对燃煤锅炉烟气量的计算建立合理的脱硫系统理论模
型，采用FLUENT 软件对该理论模型进行模拟，检验系统的合理性。在模拟检验的 基础上，设计了脱硫系统的实物模型。最后，结合实际小型燃煤锅炉烟气进行了单 因素和复合因素的脱硫效率实验，利用SAS 软件和Design-Expert 软件分析实验数据， 最终得出一套适用与小型燃煤锅炉氨法脱硫的新技术以及最优脱硫系统运行参数。 研究路线如图1.1所示。
2氨法脱硫反应机理
2. 1吸收机理
氨法脱硫技术原理是采用氨水为脱硫吸收剂，与进入吸收塔的烟气接触混合， 反应生成业硫酸钱，再被空气氧化生成硫酸钱溶液后，经过蒸发结晶、干燥后制得 化学肥料硫酸钱。其化学反应式下:
NHS+Hz0+SOz二NH4HS03
2NH3+Hz0+SO2=(NH4)z SO3
(NH4)zS+Hz0+2SO2=NH4HS
生成的业硫酸钱对SOZ 有更好的吸收性能。该脱硫技术实质上是以循环生成的 (NH4)2 S03不I INH}HSO}水溶液吸收SOZ 的过程。随着NHHSO 比例的增大，溶液的 吸收能力降低，此时必须补充氨水，将NH}HSO}转化成(NH4)2503
NHS+NH4HS03 = (NH4 ) z S03
生成的业硫酸钱再被烟气中的氧气氧化成(NH4)2S04:
2(NH4) z SO3=2(NH4} z S04
生成的(NH4)2504再经过蒸发结晶，干燥制得化学肥料硫酸钱。
2. 2传质机理
在氨法脱硫系统中SOZ 的吸收是在液气两相中传递的其传质机理可用双膜理论 解释。双膜理论是用十描述气液两相间物质传递过程的传质模型。双膜理论认为， 气体吸收过程可以看作是吸收质通过气液膜的扩散，从气相主体传递到气液界面的 吸收质的通量等十从界面传递到液相主体的吸收质的通量，在界面上无吸收质的积 累和亏损。
吸收塔内SOZ 的吸收过程是溶质从气相向液相的物质传递过程。SOZ 的吸收可 以用双膜理论解释，主要经历3个步骤:OO SOa从气相主体穿过气膜向气液界面传递; ② SOZ在液膜表面溶解; ③ SOZ经过气液交界面到达液膜并随即与氨水发生化学反 应。双膜理论模型如图2.10
12
图2.1双膜理论模型
图中pa 认表示组分气相主体中的分压，pai 表示在界面上的分压，Ca 及Cai ，则分 别表示组分在液相主体及界面上的浓度，气体的吸收可简化为经气液两膜层的分子 扩散，这两薄膜构成了吸收过程的主要阻力，溶质以一定的分压及浓度差克服两膜 层的阻力，膜层以外几乎不存在阻力[[40]氨水吸收SOZ 的反应为快速反应，SOZ 在 液膜内的溶解为快速反应，所以①、③为吸收控制步骤。通过双膜理论可以得出: ①SOZ 的吸收速率受到多种因素的影响，这些因素的影响可以用气液传质的双 膜理论模型来解释;
② SOZ的吸收速率随着烟气入口浓度的增大而提高，但提高的幅度逐渐变小; ③ SOZ的吸收速率随着烟气人口温度升高而下降。
2. 3工艺流程
锅炉排出的烟气通过引风机增压后首先进入除尘设备，净化后的烟气进入吸收 塔脱硫系统，引风机用来克服整个FGD 系统的压降。吸收塔分为二个区域:分别为 吸收区、浆池区及除雾区，烟气向上通过脱硫塔，从脱硫塔内喷淋管组喷出的悬浮
液滴向下降落，烟气与氨一硫酸钱浆液液滴逆流接触，发生传质与吸收反应，以脱 除烟气中的SOZ 。脱硫后的烟气经除雾器去除烟气中火带的液滴后，从顶部离开脱 硫塔，通过原烟道进入烟囱排放。脱硫塔下部浆池中的氨一硫酸钱浆液由循环泵循 环送至浆液喷雾系统的喷嘴，产生细小的液滴沿脱硫塔横截面均匀向下喷淋o SOZ和
SOS 与浆液中的氨反应，生成业硫酸铰和硫酸铰。在脱硫塔浆池中鼓入空气将生成 的业硫酸氧化成硫酸，由十充分吸收了烟气中的热量，脱硫塔中硫酸由十水
蒸发过饱和析出硫酸铰结晶，抽出的硫酸铰浆液进入母液罐，经过离心机进一步 脱水，最后经干燥后得到硫酸铰产品。同时在塔底加入新鲜氨水，恢复吸收液吸收 能力。吸收液从塔底抽出一部分作为循环吸收液; 一部分进入后续的过滤单兀和结 晶单兀进行过滤和结晶，最终得到硫酸铰颗粒。通过测定反应溶液的pH 值来计算 通入的氨水的量，达到充分反应的目的，提高SOZ 的吸收及硫酸铰的转化率。工艺
流程如图2.2所
示
:
图2.2湿式氨法脱硫工艺流程图
3建立脱硫系统模型
所谓建立脱硫系统模型是指，在设计脱硫系统之前，通过考察锅炉功率，确定 锅炉燃煤煤质，计算锅炉产生的烟气量，分析烟气中所含成分。进而设计脱硫系统 的主要设备尺寸，包括脱硫系统烟气除尘设备和脱硫塔塔体。
3. 1锅炉烟气量计算
本课题中以0. 5 T/h的小型燃煤锅炉为脱硫系统模型设计标准，所烧燃煤成分如 表3.1所示，煤的产热量为5000大卡每千克，即20. 92MJ/kg。
3.1.1锅炉燃煤量的计算
0. 5 T/h的锅炉功率为0.35MW 锅炉的热效率一般为60%-70%在此取验
值为63%。
则每小时锅炉的燃煤量为:0. 35⨯3600=95. 6kg/h 20. 92⨯0. 63
3. 1. 2锅炉每小时产生烟气量的计算
煤在锅炉中燃烧生成产物(假设充分燃烧) 见表3.2所示。
表3.2煤燃烧产物
元素 产物
C COz
N NO
O
S SOz
H Hz0
已知煤的成分，则假设燃烧含有1 mol碳的煤，则煤中其他物质的摩尔含量如3.3所示
表3.3含有1mol 碳的煤中所有元素的含量
根据上表可知:
①含有1 mol碳的此种煤的质量为15.43g
②对十该种煤，其纲_成可表示为CHo.BOZNo.ol3so.ono.os}
根据煤燃烧的理论可以知道，燃煤生成的烟气量是由煤燃烧生成的产物加上剩 余氮气的量以及过量的空气组成。因此燃烧15.43g 该种煤所生成产物的摩尔数为 1+0.401+0.0065+0.01=1.4175mo1
通过计算又可知剩余氮气的量为4.49253mo1，过剩空气的量为1.7043mo1(在此 取空气过剩系数为1.3)0
则15.43g 该种煤所生成的烟气量为
1.4175+4.49253+1.7043=7.61433mo1
综上所述可以知道，在标准状态下((1.01325X105Pa} 200C) 燃烧lkg 该种煤所生 成的烟气的量为
7. 6143322. 4⨯⨯1000=11. 054m 3 15. 431000
根据理想气体状态方程，将该状态气体转化为锅炉烟气出口出温度下的体积，
则有
ν0
T0
即 =ν1T1 11. 054ν1= 273273+150
则在实际温度下(实测锅炉烟气出口温度为1500C) ，燃烧lkg 该种煤所生成的烟
气的量为17.13m3。
那么，可以算出0. 5 T/h的锅炉一小时实际所产生的烟气量为
Q=95.6 x 17.13=1637.63m
3. 1. 3初始烟气中污染物的浓度
(1)SOZ的浓度
1000⨯0. 61⨯64⨯1000/17. 13=2421mg /m 3 15. 43
⑵烟尘的浓度
1000⨯1. 22⨯0. 99⨯1000/17. 13=4569mg /m 3 15. 43
3. 3脱硫塔模型设计
脱硫塔模型设计是基十本设计所选的脱硫塔类型和烟气速度、流量所确定的， 本设计中选用脱硫塔类型为喷淋塔，塔内无填料。塔内气液两相对流接触，烟气自 塔底部分进入，氨水自上喷淋，脱硫后烟气由塔顶出气管道排除。
3. 3. 1脱硫塔直径
本研究中预设塔内烟气流速为1. Om/s那么根据Q=sv有
S=πr 2=Q
ν=0. 455m 2
塔体半径r=0.3 8 lm
即，脱硫塔塔体直径为0.762m.
3.3.2烟气进口位置的选择
根据锅炉高度和设计要求烟气进口的位置距塔底位置为0.5m ，进烟管道沿水平
线方向进入塔内。烟气进气口的直径为80mm 。
3.3.3塔釜段设计
根据吸收传质原理可以知道，该脱硫技术实质上是以循环生成的(NH4)2SO4
(NH)4HSO3水溶液吸收SO2的过程。随着(NH)4HSO3比例的增大，溶液的吸收能力降低， 此时必须补充氨水，将NH}HSO}转化成(NH4)2503。也就是说往塔内注入的氨水主 要作用就是用来中和生成的NH}HSO:中的H 。
根据前述计算已知，假设在脱硫塔内的脱硫效率可达90% ,那么每小时烟气寸 二氧化硫被脱除的量为
2421⨯1637. 63⨯0. 9=3568. 2g 1000
假设设备运行12小时清渣一次，那么12小时脱除的二氧化硫的量为42.8184kg, 脱除这些二氧化硫所需要的NH:的量为
42818. 4⨯2⨯17=22747. 3g 64
假设所用氨水的浓度为17%，又知浓度为17%的氨水密度为0.96kg/L,那么12 小时应向塔内补充的氨水的体积为
22747. 3=0. 139m 3 0. 17⨯0. 96
设训一塔釜区距塔底高度为O. 5m,那么塔内储液区的体积为:
0.381x0.381x3.14x0.5=0.228m3≥0.139 m
故满足设计要求。
3.3.4塔体高度设计
塔体总高度应包括:塔釜区高度、Z 见液按触段高度、除雾区高度、通风区高度
及塔体烟Z 见出口高度。在本设计中结合烟Z 见流速和所选择的Z 见液按触反应时间，假 设Z 见液按触高度范围为0.75m 一1.5m, 设计中取最大值1.5 m;除雾区高度设为0.3m; 通风区高度设为0.2m; 烟气出口高度为0.1mol 那么塔体总高度为2.6m 。
3. 4脱硫塔模型设计尺寸
脱硫塔模型设计尺寸如图3.2所示
5. 1脱硫辅助系统
所谓的脱硫辅助系统其实是一个完整的FGD 系统所不能或缺的部分，这些系 统包括; 氨水补给系统、喷淋系统、通风系统、除雾系统以及防腐系统。这些系 统加上脱硫塔塔体构成了一个完整的脱硫塔模型。如图5.1所示。
5.1.1氨水补给系统
本系统主要为整个脱硫体系提供脱硫剂(氨水) 。系统主要由储液槽、氨气钢 瓶(实验室用高浓度氨水代替) 、自来水添加管道、搅拌器、液位仪组成。
①储液槽的设计:
设计储液槽储液供应量为3分钟，又知初始假定液气比为1.2，则可知每秒钟所 需吸收液的量为1. 2⨯1637. 63=0. 546L /s 即每秒需喷淋0.546L 吸收液。储液量为3 3600
3600
分钟，所以储液槽的体积至少为0.098 m3。故设计体积如下:
储液槽为立方体构造长、宽、高分别为0.5m,0.5m, 0.5 m，其体积为
0.5x0.5x0.5=0.125m3≥0.098m3，故满足设计要求。
设计槽体材料为304号不锈钢，槽壁厚为2mm 。
②搅拌器的选择:
储液槽容积为125L ，储液槽宽度为0.5 m，故设计选择搅拌器为，山东淄博华星变 速传动机械厂生产的HG/T2052-91型搅拌器。
5.5本章小结
通过完善整个脱硫体系，并在此基础上分别对吸收液初始浓度、液气比、烟 气流速这二个因素对脱硫效率的影响展开研究。通过单因素实验得出，初始吸收液 浓度、液气比对脱硫效率的影响趋势是先增大}fu后趋十稳定值，烟气流速的影响趋 势是先增大到达最高点后又迅速降低; 通过正交旋转实验得出，在复合作用的条件 下，液气比和吸收液初始浓度的相互作用对脱硫效率影响较大。同时，又对正交旋 转实验结果使用SAS 软件分析，得出了二次曲面响应模型方程。并利用
Design-Expert 软件进一步分析实验结果，得出模型方程预测值和实际测量值之间的 差异，又得出了液气比和吸收液初始浓度共同作用下的响应面曲面图，进一步验证 了二次曲面响应模型方程的合理性。
总而言之，通过上述实验和分析可以得出该脱硫系统的最优运行参数是:吸 收液初始浓度为14%一17%之间，液气比为1. 5一2.OL/m3之间，烟气流速亦在
1.5一2.0m/s之间。
结论
本课题从国家环境安全问题着眼，以治理小型燃煤锅炉二氧化硫污染为主旨， 研究了基十小型燃煤锅炉氨法脱硫((FGD)技术。通过建立适用十小型燃煤锅炉的脱 硫体系理论模型，采用FLUENT 软件模拟分析了脱硫体系理论模型的性能，以改 进后的理论模型为基础建立实际脱硫系统，并以该系统为基础，通过实验的手段， 进一步分析和优化了基十小型燃煤锅炉氨法脱硫系统的运行参数，最终得出一整套 能够用十小型燃煤锅炉氨法脱硫的新技术。本研究得出主要结论如下:
(1)氨法脱硫技术以其脱硫效率高、设备占地小、系统易十维护和操作等优势， 适用与小型燃煤锅炉烟气脱硫;
(2)以小型燃煤锅炉实际运行中的烟气参数为基础，通过精确、缤密的理论计算， 所建立的脱硫系统理论模型具有较高的科学性和合理性;
(3)FLUENT流体学软件能够科学的、精确的对流体类运动和流体间化学反应 进行数值模拟分析，因此通过使用FLUENT 流体学软件对脱硫系统理论模型进行 数值模拟分析，能够得出科学的、合理的分析结果，进而指导理论模型的修改和完 善。
(4)以理论计算模型为基础所建立的实际脱硫体系具有很高的实际应用价值，以 实际脱硫体系为基础，通过实验的手段所得出的脱硫体系优化参数具有科学依据和 理论基础;
(5)通过单因素实验，验证了烟气流速、液气比、吸收液初始浓度这二个因素对 系统脱硫效率的影响，结果表明烟气流速对脱硫效率存在最适值是脱硫效率最大; 液气比对脱硫效率的影响是随着液气比的增大脱硫效率逐渐增大，但最终脱硫效率 趋十稳定; 吸收初始浓度对脱硫效率的影响亦是吸收液初始浓度越大脱硫效率越 高，但最终脱硫效率趋十稳定，但是单独考察该项实际意义不大，因此实验中结合 最佳循环时间综合考察，吸收液初始浓度越低最佳循环时间越短;