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循环半干法脱硫装置效率回归分析

发布日期:2019-02-23 12:40点击:

现有的半干法脱硫装置中,脱硫反应主要表现为含湿Ca(OH)2颗粒与SO2的反应。本文在对含湿Ca(OH)2颗粒内部SO2、HSO3、SO3、Ca等成分传质、扩散和反应机理进行分析的基础上,提出了脱硫反应模型,推导了脱硫效率表达式,对Ca/S、烟气相对湿度(RH)与脱硫效率的关系进行了回归分析,建立了数学模型,从而为循环半干法脱硫装置的设计、运行和脱硫效率的预测提供依据。

1、增湿脱硫反应机理

循环灰和Ca(OH)2在脱硫系统外置的混合器或反应器内加水增湿,脱硫剂的表面形成了一层液膜并与原烟气接触,原烟气中的SO2气体溶于液膜与Ca(OH)2发生反应,同时水分在热烟气的作用下蒸发,至反应器出口时吸收反应和蒸发过程基本结束束。总的反应表现为SO2气体与Ca(OH)2反应生成亚硫酸钙。

整个反应蒸发过程可分为恒速干燥反应和降速干燥反应两个阶段。在恒速干燥反应阶段,增湿脱硫剂有较大的自由液体表面,内部水分很容易扩散到表面,以保持表面饱和。蒸发速率快恒定。由于脱硫剂表面有水分存在,该阶段脱硫剂与SO2呈液相反应,反应速度快,大部分的SO2吸收都在此阶段完成。反应过程为:SO2传递到气/液界面(气相传质),溶解成HSO3、SO3、H,迅速与水中的Ca(OH)2发生反应(液相传质)。生成物CaSO3从反应区扩散出来,反应继续进行。此阶段的持续时间称为临界时间,它与脱硫剂蒸发表面、烟气湿度等因素有关。

随着蒸发继续进行,进入降速干燥反应阶段,此阶段的特点是蒸发速度降低,脱硫剂颗粒温度升高,当接近烟气温度时,水分扩散距离增加,干燥速度继续降低。由于脱硫剂表面含水量下降,SO2吸收反应逐渐减弱。到反应器出口时,脱硫剂含水量达到平衡,蒸发与反应速度极慢。

在恒速干燥反应阶段,脱硫剂表面湿度迅速达到烟气绝热饱和湿度,此湿度与反应器内的烟气温度之差决定了蒸发的驱动力。烟气湿度越高,则脱硫剂干燥达到允许残余水分的时间会越长,可期望达到更高的脱硫效率。一般可用反应器出口烟气相对湿度来分析塔内工况与脱硫率的关系。

2、数学模型的建立

为了推广脱硫效率与主要因素之间的表达形式作如下假设:烟气与粒子在反应器内的流动为柱塞流;反应器内任一截面上粒子的分布都是均匀;考虑到反应器进行了整体保温,认为烟气为绝热冷却过程;SO2与Ca(OH)2在液相的反应为快速暧时反应;喷入混合或反应器的水全部均布在脱硫剂粒子表面;脱硫剂与气体的反应只在液相中进行,蒸发结束后,反应也停止。

在反应器中取一微元段dz,根据物料平衡及气体状态方程:

VdPA=RTdnA (1)

式中PA为SO2气体分压,V为烟气体积流量,R为气体常数,T为烟气温度,nA为SO2的摩尔量。

设单位体积烟气中液膜的表面积为S,断面截面积为A,则在dz微元段中,SO2气体被吸收的摩尔数n可表示为:

dnA= -NASAdz (2)

式中NA为SO2的传质通量。

由(1)式和(2)式得:

VdPA/(RT)= -NASAdz (3)

因为V=U.A(其中U为烟气流速,m/s),所以:

UdPA/(RT)= -NASdz (4)

n n

根据理想气体方程P= --RT,设pm= --为烟气摩尔密度,整理(4)式可得:

v v

pmdPA dz

-----= -(---)S=-Sdt (5)

PNA U

根据双膜传质理论,SO2从气相向气液界面的传质通量计算如下:

NA=kg(PA-Pi) (6)

由假设,(4)式中SO2在液相中的传质通量为:

NA=Ek1Ci (7)

式中kg为SO2气相传质系数,k1为SO2液相传质系数,E为化学吸收增强因数。根据亨利定律,Ci=HPi。

由(6)、(7)式可得:

PA

NA=---------=Kc*PA (8)

1 1

--+-----

kg EHkt

把(8)式代入(5)式并积分:(省略)

式中PAin、PAout分别为反应器入、出口处SO2分压,tre为的效反应时间。

烟气沿反应器轴向流动时,水蒸汽的蒸发平衡与SO2传质相似,但随着反应器高度的增加烟气中水蒸汽分压也增大,因此需去掉“一”:

pmdPgas dz

--------=(---)S=Sdt (10)

PFw U

式(10)中Fw为水的蒸发通量。

Fw=Kw(Pw-Pgas) (11)

式(11)中Kw为水的蒸发系数,Pw为烟气湿球温度下的饱和蒸汽压,Pgas为烟气中水蒸汽分压。

将式(11)代入式(10),并积分得:(省略)。

式中Pgas、Pgas out分别为反应器入、出口处水蒸汽分压力,tev为液膜蒸发时间。

根据假设,(9)式中tre=ter,于是得到计算总脱硫率的方程:

PAout EHk1kg Pw-Pgas out

n=1- ----- =1-exp[--------*ln( -----------)] (13)

PAin EHk1+kg Pw-Pgas in

3、回归实例分析

脱硫效率与很多因素在关。魏恩宗等认为,半干法烟气脱硫装置效率的主要因素为反应塔出口的趋近绝热饱和温度,其次是Ca/S比值,其他操作因素对脱硫效率的影响较小,而趋近绝热饱和温度决定于出口烟气的相对温度。从式(13)可以看出,影响脱硫效率的因素有:E、Pgas out、H、kt、kg、Kw、Pw、Pgas in。在H2O-SO2-Ca(OH)2系统中,E是Ca/S的函数出口水蒸汽分压又可通过烟气出口相对湿度来表示。通过权重分析,本文对Ca/S、烟气相对湿度(RH)与脱硫效率之间的关系进行回归分析,其方程形式为:

n=1-exp[f(RH,Ca/S)]

通过对菲达环保公司多套脱硫装置的大量运行数据进行回归分析,得到Ca/S比值为0.8-1.8,反应器出口相对湿度在30%-45%,入口SO2质量浓度1500-4000mg/m3(本文烟气量均为标准状值),进口烟气温度120-160度,进口烟气水分5.0%-7.5%条件下的回归分析结果。

3.1 单元回归

3.1.1 Ca/S-n关系

回归方程:

n=1-exp(1.309-2.666*x1)

式中x1为Ca/S相关系数r=99.95%。

3.1.2 RH-n关系

回归方程为:

n=1-exp(1.8693-0.1004*x2)

式中x2=RH(%),相关系数r=99.91%。

3.2 多元回归

回归方程为:

n=1-exp(-0.948*n1-0.1699*x2+0.13946*x1+0.00184*x2-0.05*x1*x2+5.3)

经方差分析,在显著性水平a=0.01下,该方程显著,有实际指导意义。

当Ca/S=1.4所得的脱硫效率与相对湿度的关系曲线如图2所示。

当RH=40%,所得的脱硫效率与Ca/S的关系曲线如图3所示。

从图2、图3可以看出,回归曲线与实际测试曲线非常接近,可见该脱硫效率计算式是可信的。

4、结语

(1)通过建立数学模型和确定脱硫效率主要影响因素的回归方程,得出了循环半干法烟气脱硫装置脱硫效率的计算公式,从而为该工艺的设计、运行提供了参考依据。

(2)循环半干法脱硫装置的脱硫效率随着烟气相对湿度的增加有明显提高,但相对湿度越高,需干燥的时间就越长,反应器要增高,投资成本将增加。同时,反应器及后续设备的腐蚀危险度增加。从投资及稳定运行考虑,一般相对湿度选40%为宜。

(3)Ca/S比值增加脱硫效率也增加,从经济运行和所需脱硫效率考虑,宜取1.4-1.5。