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脱硫物料平衡计算


有关计算
物料平衡计算 ? SO2去除率计算 ? 液气比计算 ? 其他参数确定
?

系统物料平衡计算

?湿法烟气脱硫(WFGD)系统物料平衡
的包括以下六个子平衡: 烟气平衡、固平衡、水平衡、氯平衡、 镁平衡、热平衡。 吸收塔物料总平衡

系统物料总平衡图
Qy2净 烟 气


X排出浆液 除雾器冲洗水

G石膏

G浆液
补充水

吸收塔

石膏处理系统

G制浆水
Y废水

P滤液返回 氧化风

Qy1原烟气
冲洗水

制浆系统

1、烟气平衡
?

烟气的平衡与整个系统烟道的布置有很大的关系, 由于钢烟道会有漏风现象的存在,从而伴随着一 定的温降。烟气中酸性物质的存在对系统会有腐 蚀,因此烟气温度的高低对于系统烟道的防腐设 计会有很大影响。如在原烟气侧,经GGH前,温 度较高120 ℃以上,所以不设防腐设计,而在进 塔烟气管道中由于SO2浓度高,温度低;塔出口 烟道中由于温度在系统中最低,水蒸气含量很高, 还有液态水的存在,所以环境条件极恶劣,必须 加强防腐设计。还有烟气中的灰尘物的浓度的高 低,直接影响到烟道和系统设备的磨蚀和防堵的 设计,由于原烟气管路中烟气的粉尘含量大于净 烟气中的粉尘含量,考虑到磨损,其设计的原烟 气气体流速比净烟气的要低。

1、烟气平衡
Qy1 ’ Qy2’ GGH 3%Qy2’ 烟道漏风:Vy+(?l+ ??)Vko(干) 理论空气量:VKO ? 0.0889(Car ? 0.375Sar ) ? 0.256Har ? 0.0333Oar 式中:Vy-原烟气Nm3/kg; ??漏风系数:对于钢烟道, ?取0.01/10 米。 VKO 理论空气量Nm3/kg; Car煤所含基碳; Sar煤所含基硫; Har煤所含基氢;Oar煤所含基氧 Qy2 1%Qy1 Qy1

吸 收 塔

2、固平衡
固平衡(浆液)是脱硫系统中的关键平衡之一,其各 种组分的变化是在吸收塔中进行的,它对于系统的 稳定运行,商品石膏的品质,系统中浆液管道的设计, 石膏旋流器,皮带脱水机的选择等都具有决定性的 作用。 〈1〉计算原理和方法 ? 计算原则:吸收塔内的固体量必须被全部排出系统。 ? 塔内固体主要有:CaCO3,CaSO3· 1/2H2O, CaSO4· 2O ,惰性物质,灰及少量的其它物质。 2H
?

脱硫塔底固体量计算
假设干脱硫产物中CaSO4· 2O与CaSO3· 2O质量比为 2H 1/2H 0.92:0.01, 其摩尔比为:(0.92/172.17):(0.01/129.15)=69.01:1.
脱硫塔底固体中各组分流量 组 分
CaSO4 ? 2H 2 O
CaSO 3 ? 1 H 2O 2

质量流量kg/h
ηMSO2×172.17×69.01÷(69.01+1) ηMSO2×129.15×1÷(69.01+1) ηMSO2×100.09×(Ca/S-1)

W%

CaCO3
杂质
飞灰 合计

ηMSO2×100.09× Ca/S (1-A)
FGD入口灰量×75%

G固体

100

石膏处理系统固平衡
吸 收 塔
X (t ) 15% X ( s)

(1 ? 25.5%) X (t ) (1 ? 25.5%) X 3%(s)

一级旋流器
25.5% X (t ) 25.5% X 50%(s)

(1 ? 25.5%) X ? 0.1778X ? 0.93X (t ) (1 ? 25.5%) X 3% ? 25.5% X 50%1% ? 0.02363 ( s) X

Y (t ) 1.3%Y ( s)

含固率=

0.02363 ? 2.54% 0.93

回用水箱

5.5% X 50%(1 ? 1%) / 2 / 0.9( L)

25.5% X+25.5% X 50%(1 ? 1%) / 2 ? 25.5 X 50%(1 ? 1%) / 0.9(t ) 25.5% X 50%1 ( s) %

废 水 旋 流 器

真空皮带机
P ? X ? G石膏冲洗 ? Y ?G制浆水 ?G石膏
G石膏=25.5% X 50%(1 ? 1%) / 90%(t ) 25.5% X 50%(1 ? 1%)(s)

G制浆水 (t )
G制浆水 2.54%( s )

吸收剂需求量计算
烟气中脱除SO2量为?MSO2mol/h,需纯石灰石量为?MSO2mol /h。 需纯度为ACaCO3的石灰石量为: 100 ㎏/h G ? ? ?M ? Ca / S ? A
CaCO 3

64

SO 2

CaCO 3

其中:钙硫比Ca/S<=1.05 CaCO3量为: G石灰石×ACaCO3 kg/h 杂质量为: G石灰石×(1-ACaCO3)kg/h 如使用工业水制备30%含固量浆液,则需水量:G石灰石/0.3×0.7 kg/h 如使用v%含固量的脱硫反应塔塔底浆液旋流分离液制备30%含固量 浆液,设v%含固量旋流分离液中的固体物量为S kg/h,以水平衡可列 下式: S/v%×(1-v%)=(S+ G石灰石)/30%×(1-30%) 计算得到S kg/h,则所需的水量为: G水=S/v%×(1-v%)kg/h 则需v%的塔底浆液旋流分离液为: G制浆水=S+G水kg/h 30%浆液量为:G浆液=G水/(1-30%)kg/h

石膏结晶水计算
CaSO4· 2O中结晶水量为: 2H G1= [ηMSO2×172.17×69.01÷(69.01+1)]÷172.17×2×18.02kg/h

CaSO3· 2O结晶水量为: 1/2H G2=[ηMSO2×129.15×1÷(69.01+1)]÷129.15×0.5×18.02kg/h
反应产物中结晶水量为: G结晶水=G1+G2

石膏带走水计算
G石膏带走水=G石膏×10%

固平衡计算框图
吸收塔底固体量计算 吸收剂需要量计算 石灰石量 吸收塔出口浆液 制浆水 石灰石浆液量 石膏处理系统固平衡 吸收塔返回浆液P 石膏量、冲洗水

石膏带走水 结晶水计算

废水总量 石膏带出总水量

3、水平衡
?

?

?

水平衡是WFGD系统中的重要平衡,水循环率对系统 的稳定,石膏的品质,设备的材料的选择都有重要的 影响。水循环率的大小对吸收塔和管路中的浆液中 的固体组分的含量会有一定的影响,特别是颗粒较 小的组分。 如加大水循环率,即减小废水的排放量,则会加大 液体中Cl离子和硫酸根的含量,对设备管道的材质 要求高,石膏的纯度差。但是如果加大废水的排放 量,则会增加废水处理系统的建造成本及废水处理 的运行成本,同时耗水量增加。 所以合理的选择,确定水平衡对于优化系统设计,降 低成本,及节约用水都有至关重要的作用。

3、水平衡
〈1〉基本假定 ①系统中水无损失; ②系统处于正常稳定运行的工况下; ③进口原烟气中的水蒸气在经过塔时不参与作用。 〈2〉计算原理和方法 ? 原理:进系统水=出系统水,WFGD系统的水 平衡图见图。 ? 进系统水:进口原烟气所带气态水,工艺水 ? 出系统水:出口进烟气所带水(气、液),石膏带 走水,石膏结晶水、废水。

净 烟 气带走水 (气、液态)

石膏结晶水

工艺补充水

FGD SYSTEM

石膏带走水

废水

制浆

石膏浆液 系统滤液

塔进口原烟气带水 (气态)

G烟气入口带入水+G工艺补充水+G返塔水量=G烟气出口带出 水+G废水+G脱硫产物最终带出结晶水+G石膏浆液中返回液水
?

要求的工艺补充水量:公式1

Gw=Y+M zf ?G石膏结晶水 +G石膏带出水 +G烟气带走水
工艺水主要补入点: 除雾器冲洗水:由除雾器设备决定。 滤布滤饼冲洗水=0.5G石膏 石灰石浆液制备水(见固平衡) 吸收塔补充水(备用) 其他冲洗水(备用) G石膏结晶水、G石膏带走水:见固平衡 G烟气带走水:75mg/Nm3烟气。
?

3、水平衡
废水量Y的确定:公式2 根据水中氯离子浓度确定:
?

Gw ? Cl水+BgCl煤=Y ? 20g / l+G石膏带出水 Cl石膏
CL水:工艺水中氯离子含量50mg/L CL煤:煤中氯离子含量0.037% CL石膏:石膏中氯离子含量100mg/L Bg耗煤量

4、吸收塔总物料平衡
Qy2净 烟 气

X排出浆液

除雾器冲洗水

G浆液 补充水

吸收塔

P滤液返回
Qyk氧化风

Qy1原烟气

4、吸收塔总物料平衡
?

公式3

Qy1+Qyk ? (Gw-G皮带冲洗水 )+G浆液+P=Qy 2+X
G皮带冲洗水:0.5t/t石膏 G浆液:见吸收剂需求量计算 G制浆水:见吸收剂需求量计算 X:塔底排除浆液总量 X=(G固体+P中含固量+G制浆水中含固量)/15% G固:见脱硫塔底固体量计算

P ? X ? G石膏冲洗水 ? Y ?G制浆水 ?G石膏

5、热平衡

?热平衡是WFGD系统物料平衡中的主要平衡
之一,它在相当程度上决定着水平衡。热平 衡中的蒸发水是系统的主要水耗。

?由于烟气中含有腐蚀性的酸性气体和水蒸
气的存在,烟气温度的高低,对于系统烟道 的防腐有着直接的影响,它决定了防腐材料 及措施的选择。而烟气温度的高低与吸收塔 的热平衡有很大的关系。

系统热平衡示意图
净 烟 气热 (处理后的烟气) 散 热

进塔水热
氧化空气热 吸收剂热

FGD 吸收塔 反应热

石膏浆液 带走热

石膏处 理系统

石膏带走热

废水带走 热 返回热 原烟气热 (处理前的烟气)

5。热平衡

?热平衡是WFGD系统物料平衡中的主要平衡
之一,它在相当程度上决定着水平衡。热平 衡中的蒸发水是系统的主要水耗。

?由于烟气中含有腐蚀性的酸性气体和水蒸
气的存在,烟气温度的高低,对于系统烟道 的防腐有着直接的影响,它决定了防腐材料 及措施的选择。而烟气温度的高低与吸收塔 的热平衡有很大的关系。

由于FGD系统的传质传热过程主要是在吸收塔中完成的, 所以选定吸收塔为热平衡的研究对象:
净 烟 气热 (处理后的烟气)

工艺水热

氧化空气热

吸收剂热

FGD SYSTEM 反应热
原烟气热 (处理前的烟气)

石膏浆液带走热

返回液带 入热

5、热平衡
?目的:

计算出口烟温--选择GGH; 烟道防腐材料; 蒸发水量--确定耗水量。 ?〈1〉基本假定 热平衡的计算基于以下几个基本假定: ① 脱硫塔反应系统是一个绝热反应; ② 烟气的进出口动能忽略不计; ③ 反应塔传热迅速完全; ④ 氧化风的进口压力小于0.1Mpa,温度和压力可以 近似为理想气体的处理范围,焓值同样取各组分的 焓值之和。

5、热平衡
〈2〉计算原理和方法
?
? ? ? ?

进塔烟气热+进塔水热+氧化空气热+吸收剂热+ 返回热+反应热=出塔烟气热+石膏浆液带走热
吸收剂热包括石灰石磨机研磨能量和吸收剂物理热, 由于吸收剂量小,吸收剂热量忽略; 进塔水包含氧化空气冷却水、冲洗水、塔补充水、制 浆用工艺水等新补充的工艺水; 可将石膏带出塔的热量和处理系统返回热转换成石膏 带走热和废水带走热。 热分为潜热和显热,在整个系统中,只有蒸发的水有 相变,其他组分只有温度的变化而没有相变,所以潜 热只有通过蒸发的水表现出来。

5、热平衡
计算公式如下:公式4
不含蒸发水的烟气热量
氧化空气热量 工艺水热量

Qy1C p1T 1?Qy 2C p 2T2 ? Qyk (Ck1T 3?C k 2T2 ) ? Gw (Cw1T w1?C w2T2 )
? +?H m ? M zf (h2 ? h1)+G石膏C石膏T2+YCwT2

反应热计算:
1 SO 2 ? CaCO 3 ? O2 ? H 2 O ? CaSO 4 ? 2 H 2 O ? CO2-430.82kJ/mol 2

公式1为T2的函数,假设一个出口温度T2,查出该温度下的饱和蒸 汽压;利用公式1算出蒸发水量Mzf,通过(Mzf+原烟气中水 蒸汽量)计算出实际饱和蒸汽分压/烟气全压=计算饱和蒸汽压 与假设值相同时的温度即为出口烟温T2。

公式4中:

5、热平衡

Qy1原烟气量(已知)kg/h, Qy2 净 烟 气 量 = Qy1+(Qyk-QO2)+GCO2 ; Qyk=?mSO2×1/2÷0.21×28.86×3(kg/h) 消耗的氧气量QO2=?mSO2×1/2×32kg/h 反应产生的二氧化碳QCO2=?mSO2×44.01kg/h G石膏见固平衡计算(含水) Y:废水量见水平衡计算 C-在某一温度下的平均定压比热容kJ/kgK; h1-
液态水比焓kJ/kg;h2-水蒸气比焓kJ/kg;

烟气比重1.3~1.4kg/Nm3
氧化风入塔冷却到吸收塔浆液温度

热平衡计算框图
计算入口物料流量、组成、温度、热量

计算出口物料流量、组成、温度、热量 假设出口温度T2
计算蒸发水量 计算饱和蒸汽压

不相同

与该压力温度下的 真实饱和蒸汽压比 较 相同 输出结果

计算框图
输入已知条件
烟气平衡计算 计算塔入、出口烟气流量、摩尔组成、温度、热量,脱硫量

氧化风量计算

固平衡计算

石灰石耗量 石膏量 工艺水量 废水量

水平衡计算

吸收塔物料平衡计算

热平衡计算

蒸发水量 塔出口烟温

烟气平衡计算

SO2 去除效率计算
L/G = f ( Number x Flowrate Circulation Pumps )液气比选循环泵流量
tResidence = f ( Number of spray levels, vGas )

?SO2 = f ( L/G , AExchange, tResidence , ?pAbsorber )
?pAbsorber = f ( vGas, ?Absorber )

AExchange = f ( dDroplets ) dDroplets = f ( pNozzle )

SO2 去除率的计算

?SO2 = 1 - e
k = La Gb Fc Hd Re (pH, d, ?)

-

k

R = pH1.47 df ? -g ?
L: G: F: H: 循环浆液量 烟气流量 吸收塔截面积 反应区高度 pH: d: ?: ?: pH 值 液滴直径 化学剂量比 石灰石粒径

液气比L/G计算
G 1. 物料衡算: B ?Y1 ? Y ? ? LS ? X 1 ? X ?

操作线方程: ? LS X ? ? Y ? LS X ? ? 1 ? Y 1? ? G G
S

?

S

?

操作线与平衡线的关系:操作线必须处于平衡线之上; 操作线与平衡线之间的距离反映了吸收推动力的大小; 操作线与平衡线不能相交或相切。 2. 最佳液气比的确定:
? LS ? ?G ? B ? ? Y ? Y2 ? ?? 1 ? ? ? min ? X * ? X 2 ? ? ? ?

液膜厚度计算
2 ? 3vL ? ? L ? 0.369? ? g ? ? ? ? 1/ 3

Re1/ 2 L

1.?L液膜厚度(0.6mm)

的雷诺数。

,vL液体的运动粘度;ReL液体

流体在塔内平均停留时间计算
?A ?
内径。

?d t hA? L
L
,L液体量L/min;hA塔高,dt塔

1.?L液膜厚度(0.6mm)

PH值
氧化区4~5 吸收区4.5~5.5 低利于氧化和结晶、石灰石溶解。 高利于吸收

气体在塔内流速
一般为3.5~4m/s ,在塔内脱硫时间4~5S。


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