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1、循环流化床烧结烟气工艺设计1 概述1.1 SO2的污染和控制现况1.1.1 SO2污染状况20世纪60、70年代以来，随着世界经济的发展和矿物燃料消耗量的逐步增加，矿物燃料燃烧中排放的二氧化硫、氮氧化物等大气污染物总量也不断增加，导致了大范围的酸雨的出现，酸雨中绝大部分物质是硫酸和硝酸。我国酸雨中硫酸根和硝酸根的当量浓度之比约为64：1，这表明大量SO2的排放是降水成酸雨的主要原因。 污染最早发生在挪威、瑞典等北欧国家，直至几乎覆盖整个欧洲。美国和加拿大东部也是一大酸雨区，美国是世界上能源消费量最多的国家，消费了全世界近1/4的能源，美国每年燃烧的矿物燃料排出的二氧化硫和氮氧化物也在世界前位。
2、亚洲国家，尤其是中国，已成为全球SO2排放最多的国家和地区之一，1995年我国SO2排放量达2341万吨，超过美国当年的2100万吨，成为世界排放SO2第一大国。冶金行业是我国排放SO2的重点来源之一，约占全国SO2排放总量的5%6%，烧结工艺过程产生的SO2排放量约占钢铁企业年排放量40%60%，控制烧结机生产过程SO2的排放，是SO2污染控制的重点。1.1.2 SO2控制现状为综合控制SO2的污染，国际社会提倡包括煤炭加工、燃烧、转换和烟气净化各个方面技术在内的清洁煤技术。这是解决二氧化硫排放的最为有效的一个途径。美国能源部在20世纪80年代就把开发清洁能源和解决酸雨问题列为中心任务，从1
3、986年开始实施清洁煤计划。日本、西欧国家则比较普遍的采用了烟气脱硫技术。我国是发展中国家，随着全国燃煤和燃油电厂的持续增长，SO2排放量的不断增加。中国环境保护21世纪议程颁布后，对其中的固定源大气污染的控制，建议采取如下以行动方案。（1）推广应用循环流化床燃烧脱硫成套技术和火电厂烟气脱硫技术；（2）发展燃煤电站SO2控制技术，其中包括大型流化床；燃烧脱硫技术、旋转喷雾干燥脱硫技术、路内喷钙技术并建立示范工程；（3）综合控制SO2面源污染（烟囱高度40m），相应技术包括兴煤燃烧成套技术、循环流化床燃烧技术、湿式脱硫除尘技术和颅内喷钙技术等。1.1.3 中国控制SO2污染的政策从20世纪70年
4、代以来，削减燃煤窑炉SO2排放量，一直是我国SO2污染控制技术研究的重点，国家“七五”、“八五”、“九五”科技攻关项目中，将燃煤SO2污染控制列为重点研究课题。1997年1月12日国务院批准了酸雨控制区和SO2污染控制区划分方案，要求各污染企业“在2010年前分期分批建成脱硫设施或采取具有相应效果的减排SO2的措施”。国家环保局全国环境保护工作（19982002）纲要中明确要求“集中优势力量，对烟气脱硫、高浓度有机废水处理和生态退化防治等技术进行攻关；加强环保科技成果筛选和推广，开发污染防治的成套技术设备，建设一批示范工程”。2001年10月，国家经济贸易委员会组织制定了环保产业发展“十五”规
5、划，并对“十五”期间我国环保产业发展做出了具体规定:在大气污染防治领域，“重点发展湿法脱硫工艺，以满足大容量、高参数火电机组烟气脱硫的需要；适当发展烟气循环流化床脱硫、喷雾干燥脱硫、炉内喷钙尾部增湿活化脱硫、电子束脱硫等工艺，以适应中小机组和老机组的烟气脱硫。”1.2 烟气脱硫技术的发展目前国内外较为经济实用的脱硫途径包括：燃烧前脱硫、燃烧中脱硫和燃烧后脱硫即烟气脱硫。各国研究的脱硫方法已经超过一百多种，其中有的进行了中间试验，有的还处于实验室研究阶段，已用于工业生产的只有十余种。目前应用的烟气脱硫方法大致上有三类：干法脱硫、半干法脱硫和湿法脱硫。根据对脱硫生成物是否可以继续使用，脱硫方法还可
6、分为抛弃法和回收法两种。根据净化原理和流程来分类，烟气脱硫又可分为下列三种。（1）用各种液体和固体物料吸收和吸附废气中的SO2；（2）将废气中的SO2在气流中氧化为SO3，在冷凝吸收制成硫酸；（3）将废气中的SO2在气流中还原为硫。1.2.1 国外研究动态为了防治SO2污染和酸雨污染，各国均致力于开发先进的烟气脱硫技术。目前已形成工业化运行的烟气脱硫技术主要有：以日本为代表的湿式石灰-石灰石法专利技术，以日本和意大利为代表的湿式氨法专利技术，以美国为代表的氧化镁脱硫工艺技术，以英国为代表的碱式硫酸铝法专利技术，以美国为代表的喷雾干燥法专利技术，以美国和芬兰为代表的喷钙专利脱硫技术，以德国为代表
7、的循环流化床脱硫专利技术，以及以美国为代表达标的荷电干式吸收剂喷射脱硫技术专利技术等。后四种脱硫技术属干法脱硫技术。开发的。该公司是世界上第一台循环流化床锅炉的开发者，现有把循环流化床技术引入烟气脱硫领域，取得了良好的效果，德国的Wulff公司在该技术基础上开发了回流是循环流化床技术，丹麦FLS.Miljo公司开发的气体悬浮吸收技术也得到了工程应用。CFB 工艺是近年来新兴起的具有世界先进水平的脱硫技术。具有干法脱硫的许多优点，如投资少、占地面积小、流程简单，而且可在较低的钙硫比下达到于湿法脱硫技术相近的脱硫效率，并能同时达到除尘效果。国外循化床烟气脱硫(CFB)工艺技术是20世纪80年代末由
8、德国鲁奇公司研究开发的，该公司是世界上第一台循环流化床锅炉的开发者，现又把循环流化床技术引入烟气脱硫领域，取得了良好的效果，德国 公司在该技术的基础上开发了回流式循环流化床技术，丹麦FLS.Miljo公司开发的气体悬浮吸收技术也得到了工程应用。CFB工艺是近年来新兴起的具有世界先进水平的脱硫技术，具有干法脱硫的许多优点，如投资少、占地面积小、流程简单，而且可以在较低的钙硫比下达到与湿法脱硫技术相近的脱硫效率，并能同时达到除尘效果。1.2.2 国内研究动态CFB工艺技术在国际山已趋于成熟。目前国内在这方面的基础工作已经起步。清华大学“煤的高效低污染燃烧”国家重点实验室作了约400m3/h烟气量的
9、机理实验研究，东南大学热能工程研究所也完成了模拟中试试验研究，试验规模200m3/h吸烟建筑科技大学1993年率先在国内开展了CBF研究开发，并两次获原冶金工业部科学研究基金赞助，在完成300m3/h烟气量的实验室机理研究的基础上，1997年与鞍山钢铁公司合作，在鞍钢工业窑炉现场完成了5000m3/h烟气量的半工业性试验，取得了阶段性研究成果，在CFB烟气除尘脱硫技术开发领域，居国内领先水平。2002年又获国家自然科学基金(50174042)赞助，重点研究循环流化床脱硫的工业运行参数。从烟气脱硫技术看，目前国内外的发展趋势是：由湿法向干法、半干法发展，由单一脱硫相同式除尘脱硫发展，由单一托流向
10、同时脱硫脱硝发展。1.3 循环流化床脱硫工艺特点循环流化床烟气脱硫工艺的吸收剂可以用生石灰在现场进行干消化所得到的氢氧化钙细粉，也可用废碱液或电石渣，从而节省费用，减少克能源消耗，是运行费用大为降低。该工艺是一种干法流程，所以不像湿法、半干法那样需要有许多庞大的贮存罐、易磨损的浆液输送泵等组成复杂的吸收剂制备、输送系统，从而大大简化了工艺流程。脱硫产物性质稳定，可以作为建筑材料使用，也可以进一步综合利用。该工艺通过吸收剂的多次再循环，延长吸收剂于烟气的接触时间，提高了吸收剂的利用率，具有流程简单、占地少、投资小等优点，而且能在较低的钙硫比 情况下接近或达到湿法工艺的脱硫效率。1.4循环流化床法
11、的反应机理 1.4.1固体流态化机理固体颗粒的流动性差，若采取某种措施使颗粒也像流体一样成呈流动状态，这种操作就成为固体流态化，进行流态化操作的设备交流化床。当气体自下而上通过床层时，随着床层物料颗粒的特征，床层几何尺寸、气流素等参数改变，其流态化状态不同。当改变空床气速时，固体流态化过程可大致分为固定床、流化床和气力输送三种情况。（1）固定床状态：在一个床内，当空床气速较小时，固体颗粒静止不懂，气体从物料颗粒间的缝隙穿过。（2）流化床状态：当床速增加到一定值后，固体颗粒开始松动，且颗粒位置也在一定区间进行调整，床层略有膨胀，床内空隙率开始增加，但固体颗粒仍保持接触，开始进去流化状态，此时的气
12、流速度称为临界流化速度umf，当空床气速超过umf时，颗粒完全悬浮在向上的气流中，并在床层上形成一明显的上界面，即床层的密相段，这是床内气固两项进行传质与传热的主要区域，在密相段中的固体看起来像沸腾着的液体，并且在很多方向具有液体的性质。（3）气力输送状态：当空床气速升高到一定值后，流化床上界面消失，床层空隙率剧增，颗粒分散悬浮在气流中，被气流带走，其相应气速成为最大气速ut，或称颗粒的终端速度。由上可知，要维持床层处于良好的流化床状态和脱硫效果，气流速度应处于umf与ut之间，且保持足够反应时间和较小的压力损失。1.5化学反应机理（1）SO2被水吸收的化学反应机理 SO2溶于水，发生下列反应
13、SO2(g) + H2O = H-+HSO3- （2）CaO吸收剂的水合反应 流化床内此反应吸收剂CaO与喷入的雾化水之间进行，反应式为CaO(s) + H2O(l) = Ca(OH)2 + 273.21cal/g(1143.11J/g) 56.08 18.016 74.096 g/mol由上式知，每克CaO与0.321g H2O反应生成1.3213g Ca(OH) ，放出273.21cal的热量。CaO的水合反应是一个剧烈放热反应。当CaO与水接触，CaO对水产生剧烈亲和反应，把水吸进固体孔隙中，激发大量的热，在粒子内部产生强大的膨胀力，使颗粒迅速分裂破碎，变为小颗粒。（3）CaO与SO2、
14、O2的反应CaO(s) + SO2(g) + O2 = CaSO4(s)G0 -144.4 -71.65 0 -315.68kal/mol(1320.8kJ/mol)由热力学观点来看，反应速度受反应条件（如温度，浓度）的严格限制，在760以下时，CaO与SO2、O2的反应缓慢，当温度在760以上时，此反应变得显著，温度不断升高，反应速度增加非常缓慢。（4）Ca(OH)2与SO2的反应Ca(OH)2(s) + SO2(g) = CaSO3(s) + H2O(g)此反应在590条件下，可以直接完全进行。对于以除去SO2来说，温度应保持在480650范围内，若反应温度低于480时，反应几乎就无法进行
15、。但是，当气相中存在一定量水分时，即使反应温度小于120时，反应也是可以进行的。KlingSper首先系统研究了温度对脱硫效率的影响，并认为温度是此反应最为重要的影响因素。反应在420以下进行时，脱硫效率受温度影响不大，虽然Ca(OH)2与SO2的反应随温度升高，反应速率有所提高，但温度不超过420时，影响不显著。CaO、SO2的水合反应是个极快的放热反应，只要温度足够，大多数CaO将迅速反应生成Ca(OH)2。SO2在水中溶解受温度限制，但在有碱离子存在时，其溶解度大大增加。在 CFB系统中，水直接吸收SO2的量远远低于Ca(OH)2在湿润状态下吸收SO2的量。SO2与CaO反应在高于800
16、温度下反应剧烈，在较低温度且没有水分湿润条件下，反应不明显。即使在较低温度下（低于120）。只要存在足够水分，Ca(OH)2与SO2的反应充分。（5）循环流化床脱硫综合反应机理 综上所述，在CFB系统中脱硫的主要化学反应可表示为CaO(s) + H2 O (l) = Ca(OH)2(s)Ca(OH)2 (s) + SO2 (g) + H2 O (l) = CaSO3(s) + 2H2 O(g)CaSO3 + O2 = CaSO4由反应式可以看出，直接影响脱硫效率的因素是氧化钙和水分的含量。该流比较高时，反应是氧化钙过量，二氧化硫就能得到较高的去除率。水含量有利于氢氧化钙生成，能促进二氧化硫吸收
17、。由小试试验结果可知，CFB反应其中喷入的水使氧化钙表面CFB形成氢氧化钙，烟气因为水的蒸发而冷却，氧化钙与水反应很快，床内固体主要是氢氧化钙和脱硫或的产物，气固反应开始发生在吸收剂粒子外表， 随着反应进行，反应向内部移动。由于磨损（特别是在湿润条件下），小粒子不断被烟气带出床外，床中不断发生变化。维持床中的恒定，是CFB反应器正常运行的基础。在喷水条件下，粒子的磨损机理对CFB反应器正常运行具有重要意义，而喷水量对粒子磨损破碎机脱硫效率有重要影响。2 设计方案2.1设计目的本设计着眼于烧结烟气排放二氧化硫的总量控制，力求实现技术上先进，经济上合理，设计出适合我国国情的烧结机和其他工业窑炉的烟
18、气脱硫新工艺和新装备。2.2设计参数装置容量：处理烧结烟气量10000m3/h烟气温度：100200 （本设计按160工况设计）烟气压力：8000Pa烟气中二氧化硫浓度：300500mg/m3烟气中含尘浓度：3.65g/m3烟气中粉尘真密度：4.21 g/m3表2 粉尘粒径分布表 粒径/m40403030202010105511质量分数/%58.510.78.39.64.95.12.9当地气象条件如下。冬季室外采暖计算温度：18；冬季室外通风计算温度：10；冬季室外空气相对湿度：61%；冬季当地大气压力：0.1MPa；冬季室外平均风速：3.5m/s；夏季室外通风计算温度：28；夏季室外相对湿度
19、：76%；夏季当地大气压力：0.099 MPa；夏季室外平均风速：3.1m/s；2.3系统方案确定本设计是在钢铁厂烧结机烟气抽出一部分以后，形成独立的工业性示范子系统，其工艺流程为：烧结烟气 预除尘器 风机 循环流化床 旋风分离器 去除尘器设备本次设计，充分考虑占地面积的合理性和充分利用性。通过初步计算，试验基地的占地面积为140m2。 设计内容的主体为循环流化床系统，主要包括预旋风除尘器，风机，电动机，流化床，进料装置，控制装置（喷雾嘴等），测试装置（压力，温度，湿度等），气流分布板，视孔，旋风除尘器等，还包括在实验过程中要用到的其他必备装置。2.4预期目标本次设计通过对二氧化硫的浓度的控制
20、使二氧化硫总量达标，设计脱硫效率90%以上；在控制二氧化硫达标的同时，也使粉尘排放达到国家标准。3设计计算3.1流化床系统3.1.1空塔气速的确定临界流化气速的计算公式为（m/s） （3 1）式中 umf 临界流化气速，m/s dp 颗粒平均直径，m s 固体颗粒密度，kg/m3 v 气体运动黏度，m2/s上式的使用界定条件是雷诺数Re必须小于10，即 （3 2）当计算出umf的带入式（3 1），计算得Re10 ，则必须进行修正。修正方法是，先计算出Re，代入式 ，则 （3 3）计算出F值后，再将式（3 1）计算出的umf乘以F ，记得所求得临界流化气速。用生石灰作为吸收剂，其主要成分是CaO
21、 。加入流化床的生石灰粒径为23m，可取为2.5m，堆积密度s= 2666.2kg/m3 。在温度为160时，烟气（近似取空气）的密度为f=0.815 kg/m3，黏度 。将上述数据代入式（3 1），得(m/s)此时 所以需要修正。所以，(m/s)对于球形颗粒，Cd与Re的关系及ut的表达式如下。当2Re500时 ， （3 4）其中，Cd为与雷诺数有关的曳力系数。则 (m/s)最大流化速度与临界流化速度的比值ut/umf=14.80，根据umfuf85%，除尘阻力Pa ( 200)。3.2.4 检测系统 烟气循环流化床运行需要测量风量、温度、压力以及烟气成分等参数，需要合理布置测点。烟气循环流
22、化床应设置三个控制回路来控制系统的正常运行。（1）根据流化床进口烟气量和烟气中二氧化硫浓度控制消石灰粉的给料量，以保证脱硫效率。（2）根据流化床出口的烟气温度直接控制流化床底部的喷水量，以保证烟气出口温度的t尽可能的小；（3）根据进料量、扬析量和回料量控制流化床床重稳定。本次设计中，主要的检测系统如下。（1）温度自动检测系统 流化床内温度计采用WZPBA2型热电偶三个和DBW-120热电阻温度变送器三个，分别设在流化床底部、中部和顶部测孔处，自动检测烟气从进口到出口的温度变化。在显示屏上显示任一时刻烟气的温度。（2）二氧化硫自动采集监测系统 本试验系统流化床进出口烟气中二氧化硫浓度采用KW91
23、06自动测定仪监测，该仪表精度为1mg/m3。在试验过程中，连续监测、自动打印纪录。（3）压力检测系统 沿流化床高分别设置16个压力检测孔，回料器立管上设置两个测孔，用皮管将其与U形管压力计相连，定时读数，连续监测记录流化床内的压力分布情况。（4）烟气参数检测系统 循环流化床烟气脱硫管道系统设有五个测点，其测点位置分别为：预除尘进口管道、预除尘出口管道、流化床进口管道、流化床出口管道和气固分离器出口管道。这五个测点将进行烟气温度、粉尘浓度、二氧化硫浓度、烟气湿度、烟气压力和流速、气量等烟气参数的测试。3.2.5 喷水量的确定和喷嘴的选择3.2.5.1喷水机理喷水量不仅是脱硫反应发生的前提条件，
24、也是CFB反应器利用湿法原理实现干法操作的关键所在。在Ca/S一定的条件下，系统的脱硫效率随着喷水量的增加而上升。喷水量较低时，由于流化床内的高度混合作用使水分一进入流化床床体就很快被蒸发，来不及在脱硫剂表面形成液膜，这时喷水的作用仅仅是增加了烟气湿度，对提高烟气脱硫效果有一定的效果，但不很明显。随着喷水量的增加，烟气温度降低，使喷入的水政法时间延长，从而在脱硫剂表面形成一定厚度的稳定的液膜，使氢氧化钙与水的反应从速率较慢的气固反应变成快速的离子反应，脱硫效果得以大幅度提高。但随着喷水量的增加，脱硫效率上升的幅度渐渐变小。3.2.5.2喷水量的确定（1）水量平衡和热量平衡 流化床工艺属于干法脱
25、硫，所以喷入的水与干的生石灰反应，还要用来冷却热的烟气，本身完全蒸发。总的来说，水的喷入量和蒸发量是相等的。循环流化床内生石灰与水反应放出的热与烟气冷却时放出的热要喝水蒸发时需要的热量相等。（2）最大喷水量的计算 最大喷水量L由两个方面的因素决定，一是系统放热决定的喷水量L1。系统放热包括物理放热和化学放热；另一个是氧化钙过量决定的水量L2 。L1和L2之和即为系统所能容纳的最大喷水量 。计算L1 热量平衡方程式如式（12）所示 （3 12）式中 G 烟气质量流量，kg/hL1 水气质量流量，kg/hH1 、H2 烟气在t1 、t2温度下的焓值，h1、 h1 水在t1 、t2温度的焓值，且h1
26、=4.19 t1，h2=1.84t1+2500q CaO与水反应时放热量，q=1142kJ/kgCaO烟气起始温度为t0，由原始资料可知t0 为200。水的起始温度是t1，取4。为系统饱和温度，根据处理要求，200下烟气的密度是0.7445 kg/h，则 得L1=330.32 kg/h ，即L1=330.32 L/h 计算L2 （3 13）式中 m 氧化钙质量，kg/hm1 二氧化硫质量，kg/h1 物料真密度，kg/m3将m=6.3 kg/h，m1=4kg/h，=1000kg/m3，代入式（3 13），得计算LL=L1+L2=330.32+0.9=331.22 (L/h)=5.52 ( L/
27、min)3.2.5.3喷嘴的选择采用两相流喷嘴，两相流喷嘴于气流分布板上方400m处，其作用是保证床内处于流化态状态的吸收剂粒子表面充分湿润。选用HPZ系列气水雾化喷嘴，它的特点如下：（1）冷却均匀，水不会在小区与局部集中，而是在整个喷射面内均匀分布；（2）水量的调节范围大，最小水量与最大水量之比一般喷嘴可达1：10，特殊喷嘴可达1：25；（3）喷雾水滴的直径小，在Rwa=35以下时，平均体面积直径均在100m以下，大大提高了冷却效率，故在相同的冷却条件下可节水30%50%；（4）喷嘴不易堵塞，使用寿命长，在相同的条件下，可减少喷嘴的数量和现场维修量。考虑到喷嘴的喷射面的形状对流化床的影响，不
28、选用喷淋形式为扁平状的喷嘴而选用喷淋形式为圆形喷嘴。又考虑到喷射角度和覆盖面积的因素，本次设计选用三个喷嘴，安装时排成正三角形。则每个喷嘴的最大喷水量为 (L/min)选定的喷嘴型号为：HPZ2.0-80QZ2，喷射角度为80，性能参数见表（3）。表3 HPZ2.0-80QZ2型喷嘴性能参数气压/MPa0.150.20.250.3水压/MPa水量/Lmin-1气量/m3h-1水压/MPa水量/Lmin-气量/m3h-1水压/MPa水量/Lmin-气量/m3h-1水压/MPa水量/Lmin-气量/m3h-10.22.38.20.22.012.10.32.712.70.32.36.40.33.66
29、.30.32.99.50.43.710.40.43.513.80.44.27.60.54.79.00.54.311.64 系统阻力计算与风机的选择4.1阻力计算4.1.1 管道阻力计算 （1）直管的阻力计算对圆形风管的单位摩擦阻力 (Pa/m) （4 1）式中 R0 比摩阻，Pa/m 摩擦阻力系数d 圆形风管直径，m 烟气密度，kg/m3u 管道中气流速度，m/s 动压，Pa沿程阻力损失计算公式 （4 2）式中 沿程阻力损失，PaL 风管长度，m本次设计风量为10000m3/h，管道内风速应控制在1525m/s范围内。本次设计的管道直径主要为400mm，直管长度为50.684m，管道内风速为2
30、2.12m/s；流化床进口直径为300mm，直管长度为1.220m，管道内风速为39.32m/s（特殊要求）。管道材质选用普通钢材，则=0.02。 (Pa) (Pa)所以 (Pa)（2）局部阻力损失的计算局部阻力损失计算公式为 (Pa) （4 3）式中 局部阻力损失，Pa 局部阻力系数u 管道中气流速度，m/s 90弯头的阻力查供暖通风设计手册， 圆形弯头（共六个）的局部阻力系数，当 时，代入式（4 3），得 (Pa) 天圆地方的阻力 该阻力可视为变径管的阻力。查供暖通风设计手册的圆形风道锥形扩散管的阻力。本设计中天圆地方有四个。BL=540540，DN=400，A1/A0=2.3，角度为16
31、，用内插法可得0=0.16 ，u取其平均速度16.0m/s。代入式（4 3），得 (Pa)总局部阻力损失为 (Pa)4.1.2设备阻力计算（1）旋风除尘器的阻力由西安市未央区秦川环保设备厂提供的晓晨牌XCY-4-2型两筒旋风除尘器的阻力。所以，两个旋风除尘器的总阻力为： (Pa)（2）流化床主体的阻力由试验得知流化床的总压力损失为3000Pa。 (Pa)本设计中系统总阻力损失为 (Pa)4.2风机型号的选择根据阻力计算结果，总压力为5849.2Pa，所选风机的压头应为 (Pa)风量为Q=100001.1=11000 (m3/h)故风机可选用9-266.3型，与其配套的电动机型号为Y225M-2，功率为45kw。5除尘设备5.1确定除尘设备根据设计要求，不仅脱硫效率要
