旋转填充床技术用于烟气脱硫试验研究

旋转填充床技术用于烟气脱硫试验研究

第9卷2 3期

2001年9月

应用基础与工程科学学报

JOURNALOFBASICSCIENCEANDENGINEERING

y

Vol.9,No.2 3September2001

文章编号:1005 0930(2001) 02 03 0292 05 中图分类号:O175.6 文献标识码:A

旋转填充床技术用于烟气脱硫试验研究

柳来栓, 张艳辉, 刘有智

(华北工学院化学工程系,太原030051)

摘要:以水、氢氧化钙和氢氧化镁悬浮液为吸收剂,在旋转填充床内进行了烟气脱硫实验.着重研究了吸收液流量、吸收剂浓度、进气SO2浓度和旋转床转速对传质速率的影响,分析了各因素对SO2传质速率产生影响的原因.结果表明,在确定的实验条件下,碱性悬浮液吸收SO2的传质速率是纯水的3~4倍,增大吸收液流量和旋转床转速可使SO2的传质速率得到极大的提高.

关键词:旋转填充床,烟气脱硫,吸收,传质

现代工业的迅速发展,使煤炭、石油等能源的消耗日益增加,每年向大气排放的SO2

约为140~150Mt[1],形成的烟雾和酸雨对人类和生态环境造成极其严重的危害.目前,世界各国对烟气脱硫十分重视,已开发的烟气脱硫方法有100多种,而且新的脱硫方法不断涌现,如支撑熔盐吸收法

[2]

、活性炭吸附法

[3~4]

、电子束辐射法

[5]

等 .但这些方法各有利

弊,尚待完善.因此,开发新颖、实用的烟气脱硫新技术一直是国际性的热门研究课题.

旋转填充床(简称RPB,RotatingPackedBed)是20世纪80年代初发展起来的一种强化气 液间传质的新型设备.旋转填充床采用离心力场代替重力场,旋转产生的离心加速度可达200~1000倍的重力加速度,在此离心力场下传质系数得到极大提高,传质单元高度可降低1~2个数量级[6],传质效率增强,单位设备体积的生产强度提高了1~2个数量级.因此,旋转填充床技术被认为是强化传递和多相反应过程的一项突破性技术,它的出现已引起了化工界的广泛关注.

本文采用自行开发的旋转填充床,以水、氢氧化钙、氢氧化镁悬浮液为吸收液,研究了不同吸收剂及各种操作条件对烟气中二氧化硫脱除性能的影响,为旋转填充床技术应用与工业烟气脱硫实际提供理论依据.

1 碱液吸收SO2机理分析

用氢氧化钙、氢氧化镁悬浮液来吸收烟气中的SO2,是一种伴有化学反应的吸收,涉及SO2的溶解、离解和反应,具体反应方程式如下:

y

收稿日期:2001 07 24;修订日期:2001 08 06

基金项目:山西省科技攻关项目资助项目(编号:982168)

作者简介:柳来栓(1968~),男,讲师

王敏,沈忠群,李跟澧.10万千瓦级电厂电子束辐照烟气净化装置.97全国荷电粒子源粒子束学术会议论文集,

旋转填充床技术用于烟气脱硫试验研究

No.2 3 柳来栓等:旋转填充床技术用于烟气脱硫试验研究293

SO2(g)+H2O H2SO3(aq)H2SO3 H++HSO-3HSO-H++SO2-3 3

2+

2HSO- M(HSO3)23+M2+

SO2- MSO33+M

(1)(2)(3)(4)(5)(6)

图1 pH与亚硫酸存在形式的关系Fig.1 FractionoftotalSO2presentastherespective

H++OH- H2O

化学吸收生成盐的形式,与SO2在不同pH下的存在形式有关.在溶液总SO2量一定的条件下,溶解SO2、HSO-SO2-3、3

ionsatvarioushydrogen ionconcentration的比例随pH的变化规律如图1所示.当

水溶液pH值在3~5之间时,主要生成亚硫酸氢盐,此时游离SO2所占比例极小;当溶液

pH值大于7之后,以亚硫酸盐为主,游离SO2在溶液中的浓度几乎为零,与溶解游离SO2对应的平衡分压降到零,因此,采用碱液脱硫,可增大吸收过程推动力.另一方面,SO2用水吸收传质速率为气膜与液膜共同控制,改用碱液吸收后,可变成几乎完全是气膜控制[7],使吸收过程的传质系数有所提高.

2 实验装置与实验方法

实验中所用的水为去离子水,氢氧化钙和氢氧化镁等试剂皆为分析纯.实验中使用的模拟烟气是用液化SO2(>99.9%)和新鲜空气按一定比例配制而成的.实验中SO2浓度的测定采用德国B 25型MSI150CS二氧化硫测定仪进行,系统压降采用补偿式微压力计测量,全部实验在25~26 下进行.

模拟烟气通过旋转填充床的实验装置与流程见图2.旋转填充床是由外壳与内部的转轱组成,外壳直径700mm、宽300mm.转轱外径300mm、内径150mm、厚70mm,内部装有不锈钢丝网填料,在电机的带动下高速旋转,转速可由电机的变频调速装置调节.吸收液经过加压、计量,由静止的液体分布器均匀喷洒向旋转的填料.由罗茨风机来的空气与钢

图2 旋转填料床脱硫实验装置

1.旋转填充床; 2.变频调速电机; 3.转子流量计; 4.罗茨鼓风机; 5.SO2钢瓶; 6. 储液槽; 7.吸收液槽; 8.水泵; 9.补偿式微压计

瓶减压后的SO2按一定配比混合,控制SO2的体积浓度在1.95 10-7~11.7 10-7mol/m之间,模拟烟气进入RPB的外壳后,与吸收液在填料层内逆流接触,经质量传递后的气体从吸收器的中央集气管排出,吸收液从

3

Fig.1 SchematicdiagramofRPBsystem

外壳下部的排液口流至回收槽.

实验在稳定条件下操作,当压降、进出口SO2浓度稳定后开始测试.SO2稳态通过旋转填充床的传质速率的计算公式为:

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294应用基础与工程科学学报 Vol.9

NSO2=3.6101.3T

Yi-YOAav

QG22.3 结果与讨论

3.1 吸收剂种类及其喷淋量对脱硫效果的影响

分别以水、氢氧化钙和氢氧化镁为吸收剂,控制氢氧化钙和氢氧化镁悬浮液的质量百

分浓度近似相等,其它操作条件不变,对模拟

烟气进行脱硫效果比较实验,结果如图3所示.结果表明,在固定转速下,以水为吸收剂时,旋转填料床中SO2的传质速率随着液体流速的增加呈线性递增,即单位液体流速的脱硫量为一常数,达到0.012mol L-1.而采用碱液吸收后,SO2的传质速率比水吸收时提高近3~4倍,且随着吸收液流量的增加,SO2的传质速率的增加变缓,氢氧化钙悬浮液的

图3 不同吸收剂对SO2传质速率的影响Fig.3 Influenceofabsorbentsonthemass transfer

fluxofSO2

脱硫效果高于同质量百分浓度氢氧化镁的脱硫效果.产生以上结果的原因是:随着吸收液

OH-浓度的增加,气体吸收过程由物理吸收

转变为化学吸收,液相中OH-浓度越高,SO2因反应而被消耗掉,液相中SO2的平衡分压越低,吸收推动力越大,化学吸收的促进作用越明显,实验中吸收液进出旋转填料床的pH值由表1给出.因此,在旋转填料床用于工业烟气脱硫除尘时,以采用来源广泛、价格低廉的熟石灰较为合适.

表1 吸收液种类和吸收液流速与吸收液出口pH值的关系Table1 ThevariationofsolutionpHwiththetypeandtheflowrateofabsorbent

吸收剂H2O

进口pH

7

QL,L h-1

30

1202003012020030120200

出口pH4.25.36.210.213.213.46.29.49.7

Ca(OH)2

13.4

Mg(OH)2

10.4

3.2 转速对SO2传质速率的影响

控制氢氧化钙悬浮液质量百分浓度为0.02%,进口烟气SO2浓度4.59 10--3

3

-1

-1

2

mol m,气体流速QG=60m h,在液体流速分别为QL=60、120、200L h条件下,测定了SO2吸收传质速率随转速的变化,如图4所示.液体流速较小时,SO2传质速率随着旋;,SO2,但并

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