鈣硫比和煙氣量對(duì)灰鈣循環(huán)煙氣脫硫反應(yīng)器脫硫效率影響的數(shù)值模擬

于清航

（煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京100013）

為實(shí)現(xiàn)鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性的有效結(jié)合，煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司自主研發(fā)了與高效煤粉工業(yè)鍋爐配套的灰鈣循環(huán)煙氣脫硫技術(shù)。該技術(shù)利用煤粉低溫濃相燃燒為脫硫創(chuàng)造的有利條件，將粉煤灰中的活性鈣作為脫硫劑，在粉煤灰富集、增濕的條件下，脫除煙氣中SO2，通過煤粉燃燒和煙氣凈化的自閉合，提高煙氣脫硫效率、降低脫硫成本[1]。

運(yùn)行參數(shù)的準(zhǔn)確設(shè)置是灰鈣循環(huán)煙氣脫硫技術(shù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵，數(shù)值模擬是研究流場和工藝參數(shù)的主要手段。目前，國內(nèi)外大多模擬研究是關(guān)于循環(huán)流化床脫硫技術(shù)和濕法煙氣脫硫技術(shù)的[2]，關(guān)于灰鈣循環(huán)煙氣脫硫反應(yīng)器的數(shù)值模擬研究較少。邱云龍[3]對(duì)循環(huán)流化床脫硫塔內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬，得出在鈣硫摩爾比1.3左右時(shí)，脫硫率可達(dá)90%。王曉焙等[4]利用數(shù)值模擬對(duì)某330 MW燃煤發(fā)電鍋爐配套的脫硫廢水噴霧干燥塔進(jìn)行研究，分析得出溫度場和流場在塔內(nèi)的分布情況均較好，塔的軸中心處主要受到氣體和液體的傳熱傳質(zhì)的協(xié)同作用。P.TESAREK等[5]利用各種傳質(zhì)理論，建立了大量數(shù)學(xué)模型，來描述石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)內(nèi)SO2吸收過程，并對(duì)其機(jī)理進(jìn)行模擬研究。筆者在脫硫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)額定蒸汽量40 t/h煤粉鍋爐配套的灰鈣循環(huán)煙氣脫硫反應(yīng)器做了數(shù)值模擬研究，同時(shí)將模擬結(jié)果和工業(yè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析鈣硫比和煙氣量對(duì)脫硫效率的影響規(guī)律，以期為灰鈣循環(huán)煙氣脫硫反應(yīng)器數(shù)值模型的開發(fā)、設(shè)備定型設(shè)計(jì)及脫硫參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 原 料

以煤粉鍋爐燃燒生成的粉煤灰作為原料，煤粉的工業(yè)分析、元素分析見表1，粉煤灰的化學(xué)組成見表2。

表1煤粉的工業(yè)分析、元素分析

表2粉煤灰的化學(xué)組成%

2 計(jì)算方法

2.1 幾何建模及網(wǎng)格劃分

利用ICEM CFD 18.0軟件，將額定蒸汽量40 t/h煤粉鍋爐配套的脫硫反應(yīng)器機(jī)械設(shè)計(jì)圖等比例建模，適當(dāng)簡化結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量總計(jì)為1 261 280，網(wǎng)格質(zhì)量檢查結(jié)果均＞0.5（正常網(wǎng)格質(zhì)量在0～1，數(shù)值越大，說明網(wǎng)格質(zhì)量越好），證明網(wǎng)格劃分滿足要求[6]。

2.2 邊界條件

選取工程試驗(yàn)的實(shí)際測量值作為邊界條件，模擬的邊界條件見表3。

表3模擬的邊界條件

3 化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型

3.1 反應(yīng)過程

為了簡化計(jì)算，將反應(yīng)器內(nèi)的主要反應(yīng)步驟總結(jié)為3步：（1）消化反應(yīng)CaO+H2O→Ca(OH)2，（2）脫硫反應(yīng)Ca(OH)2+SO2→CaSO3+H2O，（3）蒸發(fā)反應(yīng)H2O(l)→H2O(g)。

3.2 反應(yīng)模型

組分輸運(yùn)方程見式（1）：

離散相反應(yīng)速率求解方程見式（2）、（3）：

動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速率Rkin,r計(jì)算式見式（4）：

結(jié)合脫硫化學(xué)反應(yīng)過程，得到反應(yīng)器內(nèi)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速率方程見式（5）：

根據(jù)脫硫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和擬合結(jié)果，得到反應(yīng)器內(nèi)脫硫化學(xué)反應(yīng)速率見式（6）：

式中：ρ為物質(zhì)的密度，kg/m3；t為反應(yīng)時(shí)間，s；Yi、Yj為物質(zhì)i、j在顆粒相中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；為物質(zhì)的速度為物質(zhì)i擴(kuò)散導(dǎo)致的濃度變化，mol/（m·3s）；Ri為物質(zhì)的反應(yīng)生成速率，kg/s；Si為離散相中生成物質(zhì)i的反應(yīng)速率，kg/s；Rj,r為顆粒表面消耗速率，kg/s；Ap為顆粒表面積，m2；ηr為效率分?jǐn)?shù)；Rj,r為單位面積顆粒消耗速率，kg/（m2·s）；Rkin,r為化學(xué)反應(yīng)速率，kg/s；Pn為氣相組分壓力，Pa；D0,r為擴(kuò)散效率因數(shù)；N為反應(yīng)指數(shù)；Ar為指前因子；Tp為絕對(duì)溫度，K；βr為溫度因子；Er為反應(yīng)活化能，J/mol；R為氣體常數(shù)，8.314 J/mol·K；α為SO2反應(yīng)級(jí)數(shù)；β為H2O反應(yīng)級(jí)數(shù)；CSO2為SO2質(zhì)量濃度，mg/m3；CH2O為H2O質(zhì)量濃度，mg/m3。

4 結(jié)果與討論

4.1 鈣硫比對(duì)煙氣脫硫效率的影響

在系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性較適合的情況下，分析不同鈣硫比下反應(yīng)器X=0面和反應(yīng)器出口SO2濃度分布情況，結(jié)果見圖1和圖2。

由圖1和圖2可知，從反應(yīng)器底部至頂部，SO2濃度呈先增加后下降的趨勢。在反應(yīng)器中，SO2與活性游離Ca2+反應(yīng)，生成帶液膜的Ca(OH)2等化合物，然后SO2與Ca(OH)2和具有一定水分的顆粒物反應(yīng)，因此活性游離Ca2+是整個(gè)脫硫過程的關(guān)鍵因素之一。在反應(yīng)器的中下部，脫硫劑未能和煙氣中的SO2充分接觸，隨著煙氣進(jìn)入，SO2濃度不斷變大，但沿著反應(yīng)器高度的增加，顆粒物成流化狀態(tài)，活性游離Ca2+和液態(tài)水充滿整個(gè)空間，氣、固兩相間的滑移速度較快，強(qiáng)烈的傳質(zhì)和傳熱發(fā)生在反應(yīng)器內(nèi)部，反應(yīng)速率不斷提高，SO2濃度不斷下降。

圖1不同鈣硫比下反應(yīng)器X=0面的SO2濃度分布情況

圖2不同鈣硫比下反應(yīng)器出口的SO2濃度分布情況

鈣硫比對(duì)煙氣脫硫效率的影響見圖3。

圖3鈣硫比與煙氣脫硫效率的關(guān)系圖

由圖3可見，模擬值和實(shí)測值擬合度良好；隨著鈣硫比的增大，脫硫效率不斷提高，鈣硫摩爾比由0.4升至1.0時(shí)，脫硫效率上升了31.8個(gè)百分點(diǎn)，但在鈣硫摩爾比大于1.0以后，脫硫效率隨鈣硫比的增加無明顯變化，該趨勢與李錦時(shí)等[7]的研究結(jié)論相同，原因是鈣硫比變大，意味著活性Ca2+濃度增加，加速反應(yīng)正向進(jìn)行，從而提高了脫硫效率；另外，隨著活性Ca2+濃度的升高，固體顆粒的平均水分不斷減小，顆粒表面液膜變薄，減弱了液相傳質(zhì)阻力，加速了反應(yīng)速率；但當(dāng)鈣硫比過量后，充足的活性Ca2+加速了硫化物的生成，生成物重新覆蓋到鈣基脫硫劑表面，導(dǎo)致鈣基脫硫劑與SO2接觸面積減少，同時(shí)過多的活性Ca2+顆粒引起單顆粒液態(tài)水含量降低，縮短了有效反應(yīng)時(shí)間，脫硫反應(yīng)變化不顯著，所以過高的鈣硫比對(duì)脫硫效率的提高不明顯，同時(shí)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性較差。研究認(rèn)為試驗(yàn)條件下鈣硫摩爾比最優(yōu)取值約為1.0。

4.2 煙氣量對(duì)煙氣脫硫效率的影響

選取整個(gè)系統(tǒng)（包括前端煤粉鍋爐）正常、穩(wěn)定運(yùn)行負(fù)荷下（62%～100%）的煙氣量進(jìn)行模擬和試驗(yàn)。不同煙氣量時(shí)，反應(yīng)器X=0面和反應(yīng)器出口SO2濃度分布見圖4和圖5。

圖4不同煙氣量下反應(yīng)器X=0面的SO2濃度分布情況

圖5不同煙氣量下反應(yīng)器出口的SO2濃度分布情況

由圖4和圖5可知，不同煙氣量下，從反應(yīng)器底部到頂部，SO2濃度在降低。同一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)，調(diào)整煙氣量后，代表著煙氣流速在改變，反應(yīng)器內(nèi)湍流強(qiáng)度在變化。煙氣量增加后，有利于煙氣、脫硫劑以及液態(tài)水間的充分接觸和反應(yīng)，進(jìn)而提高了SO2脫除率。

煙氣量對(duì)脫硫效率的影響見圖6。

圖6煙氣量與煙氣脫硫效率的關(guān)系圖

由圖6可知，脫硫效率受煙氣量的影響較小，脫硫效率隨煙氣量的升高微降，模擬結(jié)果稍高于工業(yè)實(shí)測結(jié)果。初期煙氣量增加15 000 m3/h時(shí)（從25 000 m3/h增加到40 000 m3/h），脫硫效率只減小了約5個(gè)百分點(diǎn)。結(jié)合圖4分析認(rèn)為，煙氣量的增加，加快了氣、固兩相間的移動(dòng)和摩擦速度，脫硫劑在氣流作用下快速上升、下降，發(fā)生劇烈的混合作用，提高了湍流強(qiáng)度，加速了反應(yīng)速率，降低了SO2濃度，但反應(yīng)器尺寸固定不變，所以煙氣量增大導(dǎo)致氣體流速過快，從而減小了煙氣中SO2的停留反應(yīng)時(shí)間，阻礙了脫硫反應(yīng)的發(fā)生。因此，煙氣量增加和流速增快綜合導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)參加脫硫反應(yīng)的SO2含量變化不大，在脫硫劑一定的情況下，增加煙氣量，脫硫效率的下降趨勢不明顯。該模擬值高于工業(yè)實(shí)測值，可能是因?yàn)槟Ｐ秃雎粤朔磻?yīng)器內(nèi)脫硫劑黏壁和結(jié)垢損耗[8]，以及試驗(yàn)中煙氣溫度的變化[9]等原因。但是過小的煙氣量、過低的氣速，又會(huì)惡化反應(yīng)器內(nèi)脫硫劑等顆粒物的流化效果，導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)部脫硫劑床層倒塌，進(jìn)口堵塞，從而影響整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。因此，研究得出30 000 m3/h～40 000 m3/h為系統(tǒng)運(yùn)行的適宜煙氣量。

5 結(jié) 論

5.1隨著鈣硫比的變化，反應(yīng)器內(nèi)SO2濃度隨反應(yīng)器高度的增加先升高再減小。

5.2鈣硫摩爾比小于1.0時(shí)，隨著鈣硫比的增大，煙氣脫硫效率升高；鈣硫摩爾比為1.0～1.4時(shí)，脫硫效率無明顯變化，由此，建議鈣硫摩爾比最佳取值約為1.0。同時(shí)，模擬結(jié)果和工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果的擬合程度比較高。

5.3不同煙氣量下，反應(yīng)器內(nèi)SO2濃度都隨著反應(yīng)器高度的增加而減小。

5.4煙氣量對(duì)脫硫效率的影響較小，脫硫效率隨著煙氣量的大幅提高微減，初期當(dāng)煙氣量增加15 000 m3/h時(shí)，脫硫效率降低了5個(gè)百分點(diǎn)左右。煙氣量最佳設(shè)置范圍為30 000 m3/h～40 000 m3/h。