烟气冷凝中SO2行为分析及实验研究

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1、烟气冷凝中so?行为分析及实验研究摘要本文采用Nusselt凝结理论分析了套筒式冷却换热器内烟气冷凝过程中水蒸气的凝结机理，利用膜模型分析烟气冷凝过程中SO?气体组分的行为。实验研究了烟气雷诺数、换热壁面温度及烟气中水蒸汽浓度等因素对脱硫效果的影响。关键词烟气，凝结过程，SO?气体，脱硫对于纯蒸汽凝结和含有少量不凝性气体的水蒸气的凝结，国外已利用Nusselt凝结理论开展了大量有益的工作一役国内对循环流化床烟气脱硫3】、湿法烟气脱硫处】已进行了大量研究工作；对于液滴吸收S02的理论研究也取得很多有益的成果：7_10]o近年來，我们对锅炉烟气中凝结换

2、热进行了大量研究工作，同时对烟气中二氧化硫气体组分的行为过程进行了分析。烟气的凝结换热属于含有人塑不凝性气体的凝结过程，凝结液对二氧化硫的吸收使得这一过程变得复杂。本文釆用Nusselt凝结理论分析了套筒式冷却换热器内水蒸气的凝结过程，并利用修正的膜模型研究了烟气中二氧化硫气体组分的行为过程。1.物理模型竖直套筒内烟气的冷却换热过程如图1所示，烟气在内筒中自上而下流动，冷却水在内外筒Z间夹层自下而上流动，烟气与冷却水进行逆流换热。如杲内筒内壁而温度低于烟气的露点温度，烟气中水蒸气将会在该壁面凝结，致使烟气中部分水蒸汽在管内侧形成厚度为6的凝结液膜。

3、图1烟气冷凝过程物理模型示意图在烟气与凝结液膜之间存在一个气-液分界面，根据膜模型理论，气-液界面附近存在气相和液相滞流膜层；烟气与气-液界面的换热为显热换热和凝结换热的复合；液膜内温度分布呈线性，烟气释放的热量以导热方式通过液膜层，显热换热以对流换热方式传递给气-液界面,凝结换热直接发生在气-液界面上。同时，烟气屮的易溶性气体二氧化硫以分子扩散的方式通过气相和液相滞流膜层，被水吸收并发生水解反应：S02+H2O^^H++HSO3该过程为可逆反应，主体的二氧化硫分压力与气-液界面处的二氧化硫分压力之差是S02气体传质的驱动势。2.数学分析2.1水蒸

4、汽的凝结液量由界面能量平衡可知，烟气显热换热量与水蒸气的凝结换热量等于通过液膜导热换热量,即:£(—一4)=hg(tg-f,)+mL°i式中加为水蒸气的质量流率，L为水蒸气汽化潜热，力＜为烟气与液膜间对流换热系数，。为气-液界面处的温度，几,为内筒内壁面温度，0为烟气主流平均温度，①为液膜厚度，k为液膜导热系数。水蒸气凝结液量：M=2%J："（y）（尺一y）dy（2）式屮，5为凝结液密度，R为内筒半径。2.2气膜中二氧化硫浓度分布气膜中二氧化硫浓度微分方程：(3)式中C、•为S02的摩尔份额，£＞、•为S02的扩散系数，S0?气体扩散和水蒸汽凝结引

5、起的诱导-D^dyv=--c式中D为水蒸汽的扩散系数。(4)边界条件为：q(y=O)=qjcs(y==cgs整理方程（3）得:變-Rin(匕)坐=0dy~3DS-cicly(5)令"-务宀1一c:dy2(6)解得S02浓度的分布为°gs°is八-句、5二5_沪i(1_幺)€—1(7)2.3二氧化硫的吸收量二氧化硫的吸收过程根据亨利定理有:(8)式中的Csq为二氧化硫的摩尔份额；H为亨利常数"3〃为二氧化硫的分压力。由轴向质量平衡可知：M$(兀+Ax)=Ms(x)+dMs式中，Ms为二氧化硫吸收量。凝结液内吸收的二氧化硫量应等于气相主流向界而扩散

6、的二氧化硫量。根据微元段的凝结液量可求出二氧化硫气体的吸收量。1.实验系统本实验重点研究垂直管内湿烟气中水蒸汽冷凝与SO?吸收共存的情况，水蒸汽浓度在8-30%,SO?的浓度在15()()-5()0()mg/Nm3范禺内。实验系统图如图2所示。烟气出口'6冷却水进入图2实验系统图1——锅炉岀口烟道；2——烟气流量调节阀；3——碱液泵4——竖直单管冷却换热器；5——引风机；6——凝结液接收器本实验采用82KW天然气锅炉产生烟气，使用SO?标气罐在烟气道加入SO?气体。与S02气充分混合后的烟气进入竖直单管，烟气与冷却水进行非接触式逆流换热，烟气温度降

7、低，烟气中水蒸汽凝结形成的凝结水进入凝结液收集器；被冷却后的烟气经引风机排出。实验过程中使用烟气分析仪测定冷却换热器前后烟气成分的变化。为了获得水蒸汽浓度较大的湿烟气，釆用蒸汽加湿器对烟气增湿。为了对比研究碱液脱硫的情况，雾化碱液由反应段顶部喷嘴喷入，其中雾化风是由空压机提供的压缩空气。2.实验结果与讨论烟气在内筒中流过，烟气中的水蒸气凝结形成凝结液，烟气中的二氧化硫通过扩散进入凝结液，这一过程受多种因素影响，如烟气中水蒸气浓度、烟气雷诺数、内筒内壁而温度等。4.1烟气雷诺数对脱硫效果的影响实验过程中，通过调节进入内筒的烟气量来改变烟气在内筒的流速

8、，从而使得雷诺数在较大范围内变化。实验结果见图3。4035302520151050203010506d/X图3沿无量纲长度