湿法烟气脱硫系统数学建模与仿真分析.pdf
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1、湿法烟气脱硫系统数学建模与仿真分析 重庆大学 硕士学位论文 湿法烟气脱硫系统数学建模与仿真分析 姓名:吴记保 申请学位级别:硕士 专业:动力工程及工程热物理 指导教师:唐胜利 2 0 0 6 0 40 1 f i l e : / / / H | / 湿法烟气脱硫系统数学建模与仿真分析-PD F/ Pa p e r / p d f / f m . h t m 2 0 10 -4-5 11: 57 : 34 学位论文 目 录 文摘 英文文摘 1 绪论 2 石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术以及仿真对象简介 3 SO 2 在石灰石浆液中吸收特性的理论分析 4 系统数学模型的建立 5 模型求解及仿真结果分析
2、 6 结论及展望 致 谢 参 考 文 献 附 录 作者在攻读硕士期间发表的论文情况 重庆大学 硕士学位论文 湿法烟气脱硫系统数学建模与仿 真分析 姓名:吴记保 申请学位级别:硕士 专业:动力工程及工程热物 理 指导教师:唐胜利 2 0 0 6 0 40 1 f i l e : / / / H | / 湿法烟气脱硫系统数学建模与仿真分析-PD F/ Pa p e r / p d f / i n d e x . h t m 2 0 10 -4-5 11: 57 : 34 学位论文湿法烟气脱硫系统数学建模与仿真分析 馆藏号:D 0 197 56 论 文 题 目:湿法烟气脱硫系统数学建模与仿真分析 学
3、位授予单位:重庆大学 作 者:吴记保 申请学位级别:硕士 学 科 名 称:动力工程及工程热物理 指 导 教 师:唐胜利 出 版 时 间:2 0 0 6 0 40 1 摘 要: 石灰石石膏湿法烟气脱硫工艺作为一种技术相对成熟、运行稳定可靠、吸收剂资源丰富、副产物 易于综合利用、脱硫效率高的脱硫方法,在大型火力发电厂中得到了广泛的应用。但是由于其初投资 和运行成本高,在小型电厂和工业锅炉中很难接受。因此,如何降低初投资和运行成本,并保持高的 脱硫效率成为了全面推广该技术的关键。本文以此为目的,就石灰石浆液对SO 2 的吸收特性作了理论分 析,并以某电厂36 0 M W 机组的石灰石石膏湿法烟气脱硫
4、系统格栅填料塔为仿真对象,进行了数学建 模和仿真分析。 通过气、液、固三相的平衡理论,分析了石灰石浆液对SO 2 的吸收能力,烟气中CO 2 、SO 2 浓度对 SO 2 吸收容量的影响,烟气温度对SO 2 吸收容量的影响,浆液中SO 42 -离子对SO 2 吸收容量的影响,以及 脱硫过程中所需的最低液气比。为对脱硫系统的建模分析提供理论参考。 采用模块化思想和小室模型相结合的处理方法,建立了石灰石-石膏湿法烟气脱硫(W FG D )系统脱 硫塔的通用模型。该模型包括了吸收塔和氧化槽的反应器模型、氧化空气模型、脱硫剂模型以及净化 烟气中SO 2 、CO 2 浓度模型等,能够描述工艺的主要物理化
5、学过程:SO 2 、CO 2 的吸收,石灰石的溶 解,CO 2 的水解,亚硫酸氢根的氧化以及石膏结晶等。根据模型可求得任意时刻吸收塔中各处以及氧 化槽中浆液各组分的浓度、p H 值和烟气中SO 2 的浓度以及脱硫效率等参数。 以格栅填料塔为对象,对模型进行了静态验证,计算结果与试验数据符合良好。通过改变烟气流 量、流速、烟气中SO 2 浓度、循环浆液流量、吸收浆液p H 值等参数,对系统进行了仿真实验,分析了 它们对系统脱硫效率的影响。 利用本文模型以及所得结论,可以对湿法烟气脱硫系统进行性能分析与系统改进。 分 类 号:X7 0 1. 3 关 键 词:烟气脱硫; 格栅填料吸收塔; 脱硫塔;
6、氧化槽 PD F正文 f i l e : / / / H | / 湿法烟气脱硫系统数学建模与仿真分析-PD F/ Pa p e r / p d f / m l . h t m 2 0 10 -4-5 11: 57 : 34 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 I 摘 要 石灰石石膏湿法烟气脱硫工艺作为一种技术相对成熟运行稳定可靠吸 收剂资源丰富副产物易于综合利用脱硫效率高的脱硫方法在大型火力发电 厂中得到了广泛的应用但是由于其初投资和运行成本高在小型电厂和工业锅 炉中很难接受因此如何降低初投资和运行成本并保持高的脱硫效率成为了 全面推广该技术的关键本文以此为目的就石灰石浆液对 SO2的吸收特性作了
7、 理论分析 并以某电厂 360MW 机组的石灰石石膏湿法烟气脱硫系统格栅填料塔 为仿真对象进行了数学建模和仿真分析 通过气液固三相的平衡理论分析了石灰石浆液对 SO2的吸收能力烟 气中 CO2SO2浓度对 SO2吸收容量的影响烟气温度对 SO2吸收容量的影响浆 液中 SO42-离子对 SO2吸收容量的影响以及脱硫过程中所需的最低液气比为对 脱硫系统的建模分析提供理论参考 采用模块化思想和小室模型相结合的处理方法建立了石灰石-石膏湿法烟气 脱硫WFGD系统脱硫塔的通用模型该模型包括了吸收塔和氧化槽的反应器 模型氧化空气模型脱硫剂模型以及净化烟气中 SO2CO2浓度模型等能够描 述工艺的主要物理化
8、学过程SO2CO2的吸收石灰石的溶解CO2的水解亚 硫酸氢根的氧化以及石膏结晶等根据模型可求得任意时刻吸收塔中各处以及氧 化槽中浆液各组分的浓度pH 值和烟气中 SO2的浓度以及脱硫效率等参数 以格栅填料塔为对象对模型进行了静态验证计算结果与试验数据符合良 好通过改变烟气流量流速烟气中 SO2浓度循环浆液流量吸收浆液 pH 值 等参数对系统进行了仿真实验分析了它们对系统脱硫效率的影响 利用本文模型以及所得结论可以对湿法烟气脱硫系统进行性能分析与系统 改进 关键词烟气脱硫格栅填料吸收塔数学模型仿真 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 II Abstract Limestone-gypsum wet
9、flue gas desulfurization (WFGD) technology with mature technology, steady and credible operation and high desulfurization efficiency is being applied widely for coal-fired plant all over the world. But the capital cost and operation cost are too expensive to be accepted by our consumer. In the thesi
10、s detailed researches on WFGD are carried out in order to decrease its capital cost and operation cost. SO2 absorption properties in limestone slurry are studied based on gas-liquid-solid equilibrium theory. The effects of SO2 and CO2 in the flue gas and ion SO42- in the slurry on SO2 absorption cap
11、acity are analyzed based on the theory. And the minimum L/G ratio is obtained, which provides the analysis of desulfurization system with theoretical reference. A universal model of wet flue gas desulfurization has been developed using the idea of module and the method of piecewise processing. The m
12、odel includes mainly two parts: the module of chemical process and the module of reactor. All important rate-determining steps are considered, such as absorption of SO2 and CO2, dissolution of limestone, hydrolysis of CO2, oxidation of sulfite, and crystallization of gypsum. The model can be used fo
13、r predicting the SO2 removal efficiency for process parameters, e.g., height of the absorption section, flux of gas and liquid, initial concentration of SO2, solid content of the slurry, liquid concentration, and liquid pH profiles. The simulation experiments based on the grid packed tower have been
14、 done, and the simulation results are in agreement with data from the power plant. The effects of gas fluxvelocity of gas flow, initial concentration of SO2, L/G ratio and liquid pH profiles are analyzed. Performance analysis and system improving can be done by use of the model and results in the th
15、esis. Keywords: flue gas desulfurizationgrid packed towermathematical model simulation 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 绪论 1 . 1 SO2的危害及其排放现状 1 . 1 . 1 SO2的危害 环境是人类赖以生存的基础随着世界经济的飞速发展特别是工业的快速 进展使能源的消耗日益增加导致大气污染也越来越严重根据经济合作与发 展组织统计1每年向大气排放的 SO2约为 140150Mt 1988 年世界卫生组织和 联合国环境规划署公布的调查报告指出2根据 15 年来 60 多个国家监测获得的 统计资料显
16、示SO2的年排放量超过了烟尘等悬浮粒子成为了大气环境的第一 大污染物 SO2给人类带来最严重的问题是酸雨它对人类生存的生态环境造成严重影 响 其潜在的危害主要表明在以下 4 个方面3 1对水生系统的危害 丧失鱼类和其它生物群落改变营养物和有毒物的循环使有毒金属溶解于 水中并进入食物链使物种减少和生产力下降据报道千湖之国瑞典因酸 雨从 20 世纪 70 年代初到 80 年代中有 118 万个湖泊酸化国内报道重庆南 山等地水体酸化pH 值小于 4.7鱼类不能生存农户多次养鱼均无收获 2对陆地生态系统的危害 重点表现在土壤和植物 对土壤的影响 包括抑制有机物的分解和氮的固定 淋洗钙镁钾等营养元素使土
17、壤贫瘠化酸雨损害新生的植物叶芽影响其 生长发育导致森林生态系统的退化报道欧洲每年有 6500 万 hm2森林受害 其中意大利有 9000hm2森林因酸雨而死亡我国重庆南山 1800hm2松林因酸雨 已死亡过半 3对人体的影响 主要是通过呼吸道系统进入人体作用于呼吸器官在呼吸道黏膜上形成亚 硫酸和硫酸刺激人体组织引起分泌物增加发生炎症引起或加重器官的疾 病 在大气相对湿度较大且有粉尘颗粒和存在时 会发生催化反应使 SO2生成SO3 和硫酸酸雾其毒性要比 SO2大 10 倍以上 4对建筑物机械和市政设施的腐蚀 SO2及其在大气环境中转化成的硫酸雾可被吸附在建筑物材料的表面会使 金属设备建筑物等遭受
18、腐蚀大大降低其使用寿命据报道仅美国因酸雨对 建筑物和材料的腐蚀损失每年达 20 亿美元据估算我国仅川黔和两广 4 省 1998 年因酸雨造成森林死亡农作物减产金属受腐蚀的经济损失总计在 140 亿 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 2 元 在历史上曾经发生了一些与 SO2有关的震惊世界的公害事件如 1930 年 12 月的比利时马斯河谷烟雾事件 1948 年 10 月美国多诺拉事件 1952 年 12 月英国 伦敦烟雾事件等 比利时马斯河谷烟雾事件 1930 年 12 月 1 日至 5 日在比利时的马斯河谷工业区电厂炼焦厂炼 钢厂 硫酸厂和化肥厂等许多工厂排放出的有害气体 在逆温的条件下大量积累
19、 使 60 多人中毒死亡几千人患呼吸道疾病许多家禽死亡 美国多诺拉烟雾事件 1948 年 10 月 26 日至 31 日美国宾夕法尼亚州匹兹堡市南面的多诺拉镇 因地处河谷工厂林立大气受反气旋和逆温的控制持续有雾大气污染物在 近地层积累4 天内使得 5911 人患病死亡 400 人 英国伦敦烟雾事件 1952 年 12 月 5 日至 9 日发生在英国伦敦市大气中的污染物不断积蓄不 能扩散许多人都感到呼吸困难眼睛刺痛流泪不止仅仅 4 天时间死亡人 数达4000多人 就连当时举办的一场盛大的得奖牛展览中的350头牛也惨遭劫难 一头牛当场死亡52 头严重中毒其中 14 头奄奄待毙2 个月后又有 800
20、0 多 人陆续丧生 1 . 1 . 2 我国 SO2排放现状 我国的能源结构是以煤为主煤炭在中国能源结构中的比重高于 70%而且 中高硫煤也较多4 我国 SO2排放量与煤炭消耗量有密切的关系1995 年我国 SO2排放量达到 2370 万 t成为世界上第一排放大国且连续三年超过 2000 万 t虽然之后几年 回落到 2000 万 t 以下但 2003 年又超过了 根据中国 2004 年环境状况公报 5 2004 年我国 SO2排放量为 2254.9 万吨其中工业排放量为 1891.4 万吨生活排放量为 363.5 万吨 如图 1.1 和图 1.2 所示与上年相比2004 年出现酸雨的城市比例增
21、加了 2.1 个百分点降水年均 pH 值5.6 的城市比例上升了 4 个百分点其中 pH 值小于 4.5 的城市比例增加了 2 个百分点 酸雨频率超过 80%的城市比例上升了 1.6 个百 分点降水年均 pH 值低酸雨频率高的城市比例均比上年增加表明本年度酸 雨污染较上年加重 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 3 图 1.1 不同降水酸度城市比例 Fig.1.1 The proportion of city of different precipitation acidity 图 1.2 不同酸雨频率城市比例 Fig.1.2 The proportion of city of different
22、 acid rain frequency 图 1.3 2004 年全国降水酸度分布 Fig.1.3 The precipitation acidity distributing in our country in 2004 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 4 我国 SO2排放具有明显的地域性如图 1.3 所示2004 降水年均 pH 值小于 5.6酸雨的城市主要分布在华中西南华东和华南地区华中酸雨区污染最 为严重降水年均 pH 值5.6为酸雨的城市占 58.3%酸雨频率大于 80%的城 市比例达 21.4%湖南和江西是华中酸雨区酸雨污染最严重的区域华南酸雨区 主要分布在广东以珠江三角洲为中心的
23、东南部和广西东部西南酸雨区以四川的 宜宾南充贵州的遵义和重庆为中心降水年均 pH 值小于 5.6 的城市比例为 49.0%与上年相比酸雨污染有所缓和华东酸雨区分布范围较广覆盖江苏 省南部浙江全省福建沿海地区和上海高酸雨频率80%和高酸度降水 pH?4.5的城市比例仅次于华中酸雨区分别为 21.0%和 14.6%北方城市中 的北京天津河北的秦皇岛和承德山西的侯马辽宁的大连丹东锦州 阜新铁岭葫芦岛吉林的图们陕西的渭南和商洛甘肃的金昌降水年均 pH 值小于 5.6 我国目前每年因酸雨和SO2污染对生态环境损害和人体健康影响造成的经济 损失在 1100 亿元左右今后这种污染损失还将持续不断地增加6研究
24、表明我 国基本消除酸雨污染所允许的最大 SO2排放量为 1200 万吨至 1400 万吨按照我 国目前经济发展模式和污染控制方式力度预计 2020 年全国 SO2排放量将达 到 2800 万吨左右超过大气环境容量 1600 万吨将对生态环境和人体健康造成 严重影响因此制定严格的大气污染物排放标准采取有效脱硫方式来控制二氧 化硫的排放成为了当务之急 1 . 2 SO2控制技术概述 SO2控制技术的研究从上世纪初至今已有 90 多年历史自 20 世纪 60 年代 起一些工业化国家相继制定了严格的法规和标准限制煤炭燃烧过程中 SO2等 污染物的排放这一措施极大地促进了 SO2控制技术的发展进入 70
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