PDF《环境工程学报》

第13卷第3期2019年 3月 Vol.

13, No.3 Mar.

2019 环境工程学报 Chinese Journal of Environmental Engineering http://www.cjee.ac.cn E-mail: [email protected] (010)

62941074 赵枫, 高哲, 崔政伟. 螺旋切割强化湿法烟气脱硫的传质动力学 [J]. 环境工程学报, 2019, 13(3):686-694. ZHAO Feng, GAO Zhe, CUI Zhengwei. Mass transfer kinetics of wet flue gas desulfurization enhanced by spiral cutting[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2019, 13(3): 685-693. 螺旋切割强化湿法烟气脱硫的传质动力学 赵枫, 高哲, 崔政伟* 江南大学机械工程学院,江苏省食品先进制造装备技术重点实验室,无锡

214122 第一作者:赵枫(1993― ),男,硕士研究生.研究方向:过程强化.E-mail:[email protected] *通信作者:崔政伟(1963― ),男,博士,教授.研究方向:环保装备、过程强化.E-mail:[email protected] 摘要针对开发的新型静态螺旋切割强化湿法烟气脱硫技术,根据双膜理论从动力学角度建立了静态螺旋切割强化 Ca(OH)2 溶液吸收烟气 SO2 的动力学模型,并采用单因素实验探究了烟气 SO2 浓度、烟气流量、脱硫剂浓度以及脱硫剂循 环流量对传质速率的影响.结果表明:模型能较好地描述静态螺旋切割强化湿法烟气脱硫的实际过程,理论计算与实 验数据都发现,烟气 SO2 浓度、烟气流量、脱硫剂浓度以及脱硫剂循环流量的增加均有助于提高传质速率;

但当脱硫剂 浓度大于5%时,传质速率随脱硫剂浓度的增加改变不大. 关键词 烟气脱硫;

静态螺旋切割;

动力学模型;

传质速率 我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国,煤炭资源在能源结构中始终占据着主导地位[1] .煤炭 作为一次能源,最大的缺点在于燃烧过程中排放出的二氧化硫(SO2)、NOx 及粉尘等污染物,给人类健 康、社会生产、生态环境等造成了巨大的危害.我国

2017 年SO2 排放量高达 3.7*107 t,引起的酸雨等 问题日益突出[2-3] .国家 十三五 规划期间明确指出,到2020年底,燃煤锅炉在运行、末端治理等过 程中,采用多种污染物高效协同脱除集成系统技术,使二氧化硫排放浓度不超过

35 mg?m-3 ,基本实现 超净排放改造[4] . 在现有的脱硫技术中,80% 以上的 SO2 排放行业采用的是湿法烟气脱硫 (wet flue gas desulfurization, WFGD).该技术主要采用填料塔作为反应装置,利用多层喷淋来促进脱硫剂与烟气的充分接触反应, 实现脱除烟气中 SO2 的效果;

但其最大缺陷在于设备庞大、基建投资巨大,其本身能耗高、操作费用 大[5-6] ,严重阻碍了在中小规模燃煤锅炉中的应用.我国钢铁产量占世界的 50%、水泥占 60%、平板玻 璃占 50%、电解铝占 65%,分布了 4*105 台燃煤锅炉,量大面广的城中村、城乡结合部以及农村采暖用 煤数量更是惊人. 十三五 期间,非电行业是中国大气污染治理的重点,因此开发一种针对中小规模 燃煤锅炉的高效节能型烟气脱硫设备具有重要意义[7-9] . 静态混合器因为其结构简单、安装方便以及高效的流体混合强化特性被广泛应用于气-液传质强化 领域[10-12] ,但迄今为止,很少有对静态混合器应用于烟气脱硫的研究[13-14] .本研究针对开发研制的一套 基于静态螺旋切割强化气液传质的湿法烟气脱硫系统,建立静态螺旋切割强化湿法烟气脱硫的传质模 型,结合实验探究工艺参数对过程传质速率的影响,为新型的静态螺旋切割强化湿法烟气脱硫技术提 供理论和实验基础. 收稿日期: 2018-08-24;

录用日期: 2018-12-28 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(21606109);

江苏省研究生科研创新计划项目(KYCX18_1844) 文章栏目: 大气污染防治 DOI 10.12030/j.cjee.201808160 中图分类号 X701.3 文献标识码 A 第13卷环境工程学报1材料与方法 1.1 主要仪器与试剂 实验仪器:高压空气压缩机(3KW-4HP 型,艾瑞德斯空压机有限公司);

文丘里水射流器(S-20 型, 杭州滨清水处理公司);

不锈钢气体减压器(Hpb59-1型,泰科爱尔(北京)科技有限公司);

便携式二氧化 硫检测仪(AP-B-SO2-R 型,深圳市安帕尔科技有限公司);

压力计(Y-100A-Z 型,上海仪表(集团)有限公 司);

流量计(LZBYM 型,上海仪表(集团)有限公司);

立式搅拌器(KD-100 型,上海阔思电子有限公司);

静态螺旋切割器(自制). 实验试剂:钙基脱硫剂(Ca(OH)2,98.2%)、高纯二氧化硫(SO2,99.99%)、氢氧化钠(NaOH,分 析纯). 1.2 实验装置 实验烟气脱硫系统如图

1 所示,系统主要由模拟烟气发生系统、雾化反应系统以及测量系统等部 分组成.空气与纯 SO2 气体通过体积流量计调控配比后进入缓冲罐,充分混合后模拟 SO2 烟气.模拟烟 气通过空压机送入文丘里射流器,与雾化脱硫剂进行初步混合反应后,送入静态螺旋切割器进行强化 反应;

反应后尾气由气液分离罐上端排放口导入烟气分析仪,检测后排至吸收池内,用烧碱完全吸收. 整个系统采用内径为25 mm的无缝钢管连接,运行动力由空气压缩机提供. 1.3 静态螺旋切割器 相对于传统的湿法喷淋脱硫工艺,新型的螺旋切割强化湿法烟气脱硫系统主要依靠加压烟气自身 的动力和文丘里射流器的自吸实现烟气与脱硫剂的混合,将加压后的烟气引入并通过螺旋切割器来强 化烟气脱硫过程.自制的静态螺旋切割装置如图 2所示,主要是由厚度为 0.08 mm的不锈钢叶片按照螺 旋线方程串联叠加而成,表面呈阶梯状. 图1 实验系统示意图 Fig.1 Schematic of experimental system

687 第3期 赵枫等: 螺旋切割强化湿法烟气脱硫的传质动力学 具体的螺旋线方程如下: ì í ? ? ? ? ? ? ? ? ? x = Rcosθ y = Rsinθ z = l ? θ 2π (1) 式中:θ 为旋转角,θ ∈ [ ] 0,2π ;

R 为旋转半径,R=12.5 mm;

l为轴向长度,l=280 mm. 经初步混合后的气液两相流体通过导流锥进入固定在腔体内的流道时,会受到强烈的湍流和剪切 作用.尤其是在流动的轴向形成的螺距不断减小的螺旋曲面,会使两相流中的脱硫剂雾滴受到阶梯状 表面 xyz 3个方向的剪切,在轴向压缩力作用下,腔体内部也会形成高度湍流旋流场,从而实现雾滴的 微纳米化和高度分散混合[10,15-16] ,增大接触面积,提高反应效率,进而促进脱硫效率[17] . 1.4 实验步骤 以模拟烟气为研究对象,在反应温度为

25 ℃的条件下,通过文丘里射流器向系统内连续通入 Ca(OH)2脱硫剂实现SO2的脱除. 1) 反应前,首先开启系统末端的烟气分析仪进行预热,并打开模拟烟气发生系统中的空气压缩机, 观察其出口处的流量计以及压力表示数. 2) 待管路中气体流量及压力稳定后,通过 SO2 气瓶的减压阀和流量计调配纯 SO2 气体与压缩空气的 体积流量比,从而得到所需浓度的模拟烟气. 3) 观察出口处烟气分析仪示数,待产生的模拟烟气浓度稳定后,记录下此时的烟气进口 SO2 浓度. 然后开启雾化反应系统中的空压机,将模拟烟气引入反应系统内,并通过储液罐下方的阀门调节脱硫 剂流量至所需数值. 4) 反应开始后,烟气分析仪进行在线检测并观察其示数,当检测数值下降至波动幅度≤3 mg?m-3 (烟气分析仪精度)时,即认为反应趋于稳定并记录下此时烟气出口SO2浓度.

2 动力学模型 2.1 SO2 吸收法净化理论 Ca(OH)2 溶液作为脱硫剂吸收 SO2 是一种典型的伴有化学反应的气液传质过程.气相 SO2 与液相 Ca(OH)2 的传质根据双膜理论可归纳为

4 个步骤[18] :气相反应物 SO2 从气相本体通过气膜向气-液相界面 传递;

气相反应物 SO2 从气-液相界面向液相传递;

SO2 在液膜或者液相本体中与 Ca(OH)2 进一步反应;

反应液相产物留在液相中(气相产物向相界面扩散). 该传质过程中发生的主要化学反应[19] 如下. SO2的水解反应: SO2 + H2O → HSO-

3 + H+ (2) Ca(OH)2的电离反应: Ca ( ) OH

2 → Ca2 + + 2OH- (3) 氧化反应: 2HSO-

3 + O2 → 2SO2 -

4 + 2H+ (4) 酸碱中和反应: H+ + OH- → H2O (5) 图2 静态螺旋切割器三维示意图 Fig.2 Three-dimensional image of static spiral cutter

688 第13卷环境工程学报Ca2 + + 2HSO-

3 → Ca ( ) HSO3

2 (6) 2Ca2 + + 2SO2 -

4 → 2CaSO4 (7) 2.2 数学模型的推导 静态螺旋切割器内,烟气与Ca(OH)2溶液充分混合后,发生剧烈反应,且反应瞬时即可完成,传质阻 力比化学反应阻力大得多,整个脱硫过程可视为瞬时不可逆的稳态反应过程.由于Ca(OH)2溶解度较低, 当由气相扩散至相界面的烟气 SO2 组分的量超过由液相扩散至相界面的 Ca(OH)2 完全反应所需的量时, 相界面上的 Ca(OH)2 消耗殆尽,即COH- ,i =0.过剩的 SO2 继续向液膜扩散并与脱硫剂反应,所以反应面随 之向液相移动,Ca(OH)2吸收SO2的反应示意图[20] 如图3所示. 设气膜界面 G-G 距气液相界面的距离为气膜厚度 ZG;

气液 相界面 P-P距反应面 R-R的距离为 ZR;

液膜界面 L-L距气液相界 面P-P的距离为液膜厚度 ZL.在稳态过程下,对于液膜侧 SO2 和 脱硫剂做物料衡算[20] 可得: DOH- L d2 COH- dZ2 =

0 ZR <

Z <

ZL DSO2L d2 CSO2 dZ2 =

0 0 <

Z <

ZR (8) 式中:DSO2L 为SO2 在水中的扩散系数,m2 ?s-1 ;

DOH- L 为OH- 在水 中的扩散系数,m2 ?s-1 ;

COH- 为OH- 在溶液中的浓度,kmol?m-3 . 由微分方程(8)和边界条件可解出液相中SO2浓度分布: CSO2 = CSO2,i é ? ê ê ù ? ú ú

1 - ( )

1 + DOH- L COH- L DSO2LCSO2, i Z ZL (9) SO2传质速率: NSO2 = -DSO2L dCSO2 dZ | Z =

0 = DSO2L Z CSO2,i ( )

1 + DOH- LCOH- L DSO2LCSO2, i = kSO2LCSO2,i ( )

1 + DOH- LCOH- L DSO2LCSO2, i (10) 式中:kSO2L 为SO2 的液相传质系数,m?s-1 ;

HSO2 为SO2 的溶解度系数,kmol?(m3 ?Pa)-1 ;

CSO2,i 为相界面处 SO2浓度,kmol?m-3 ;

COH- L 为OH- 在液相主体中的浓度,kmol?m-3 . 稳态过程下,气膜侧传质速率方程[21] : NSO2 = DSO2G ZG ( ) PSO2G - PSO2,i = kSO2G ( ) PSO2G - PSO2,i (11) 式中:DSO2G 为SO2 在烟气中的扩散系数,m2 ?s-1 ;

kSO2G 为SO2 的气相传质系数,m?s-1 ;

PSO2,i 为相界面处 SO2分压,Pa. 根据相界面处亨利定律,将式(11)代入式(10)可得出总传质速率方程: NSO2 = PSO2G +

1 HSO2 DOH- L DSO2L COH- L

1 kSO2G +

1 HSO2 kSO2L = KSO2 ( ) PSO2G +

1 HSO2 DOH- L DSO2L COH- L (12) 注: G-G 气相主体与气膜界面;

P-P 气液相界 面;

R-R反应界面;

L-L液相主体与液膜界面. 图3 Ca(OH)2溶液吸收SO2的反应示意图 Fig.3 Schematic diagram of SO2 absorption reaction by Ca(OH)2 solution

689 第3期 赵枫等: 螺旋切割强化湿法烟气脱硫的传质动力学 式中:KSO2G 为SO2总传质系数,即KSO2 =

1 1 kSO2G +

1 HSO2 kSO2L . 在实际的应用过程中,一方面由于 Ca(OH)2 的溶解度较低,脱硫剂为悬浮液;

另一方面,剧烈的反 应会导致石膏沉淀的大量产生,并覆盖在脱硫剂颗粒的表面,影响反应效率.因此,为了提高模型的 准确性,考虑固体粒子的存在对传质速率的影响,式(12)中引入修正系数 α 对模型进行进一步修正,α 实际上是对化学反应体积的校正[22] : NSO2 = αKSO2 ( ) PSO2G +

1 HSO2 DOH- L DSO2L COH- L (13) 式中:α为修正系数,α = ( )

1 - W ρb ;

其中 W 为脱硫剂悬浮液中 Ca(OH)2 的浓度,kg?m-3 ;

ρb 为Ca(OH)2 固 体粒子的密度,2.24*103 kg?m-3 . 2.3 传质过程物料衡算 2.3.1 液相 SO2 物料衡算 对反应过程中的SO2做物料衡算,模拟烟气中SO2的脱去量等于吸收剂吸收的SO2的量: -QG dCSO2 = kSO2L ( ) CSO2,i - CSO2L ndA (14) 式中:QG 为烟气流量,m3 ?s-1 ;

CSO2 为烟气中 SO2 浓度,kmol?m-3 ;

CSO2L 为液相中 SO2 浓度,kmol?m-3 ;

n 为螺旋切割器叶片数量;

A为垂直于流动方向的截面积,m2 . 气相与液相间质量守恒: QG dCSO2 = QL dCSO2L (15) 式中:QG 为烟气流量,m3 ?s-1 ;

CSO2 为烟气中 SO2 浓度,kmol?m-3 ;

CSO2L 为液相中 SO2 浓度,kmol?m-3 ;

QL为脱硫剂循环流量,m3 ?s-1 . 对式(15)两边积分,由反应器入口处边界条件可得: CSO2L = QG QL ( ) CSO2 - CSO2,in (16) 在气液相界面处,根据亨利定律,将式(16)代入式(14),两边积分得: kSO2L = mQGQL nA( ) mQG - QL ln ( ) QL - mQG QL ? CSO2,out CSO2,in + mQG QL (17) 2.3.2 气相 SO2 物料衡算 假设烟气沿螺旋切割器流动方向上 SO2 浓度逐渐降低,且在垂直于流动方向的横截面上 SO2 浓度是 均匀的.对气相SO2作质量守恒: -QG dCSO2 = kSO2GCSO2 ndA (18) 对式(18)积分: kSO2G = QG nA ln ( ) CSO2,in CSO2,out (19) 2.4 模型参数求解 2.4.1 SO2 组分的扩散系数 SO2 在烟气中的运动,可用 SO2 在烟气中的扩散系数 DSO2G 表示,由修正的吉利兰方程(Gilliland)[20] 给出:

690 第13卷环境工程学报DSO2G = 1.8 * 10-4 T VSO2 + VF ? MSO2 ρSO2

1 MSO2 +

1 MF (20) 式中:T为反应温度,K;

ρSO2 为SO2 气体密度,标准状况下约为 0.002

86 g?cm-3 ;

MSO2 、MF 分别为 SO2 与 烟气气体摩尔质量,g?mol-1 ;

VSO2 、VF 分别为 SO

2、烟气在沸点下呈液态时的摩尔容积,cm3 ?mol-1 .常 见气体沸点条件下的液态摩尔容积见表1. SO2在水中的扩散系数可由手册[20] 查得: DSO2L = 7.4 * 10-10 T λMH2O μH2O VSO2 0.6 (21) 式中:λ为溶剂的缔结因子,水的缔结因子取 2.6;

μH2O 为 溶剂水的动力黏度,25 ℃时为0.008

95 g?(cm?s)-1 . 经上述计算,可得SO2的扩散系数见表2. 2.4.2 溶液中液相扩散系数 Stokes-Einstein温度计算扩展方程[23] 如下: Dμ T = C (22) 根据式(22),计算可得

25 ℃溶液液相组分的 OH- 扩散 系数DOH- L = 5.273 * 10-9 m2 ? s-1 . 2.4.3 SO2 溶解度系数 溶解度系数与亨利系数的关系: HSO2 = ρ MESO2 (23) 式中:ρ 为溶液中纯溶剂的密度,25 ℃时水的密度为

997 kg?m-3 ;

M 为纯溶剂的分子质量,kg?kmol-1 ;

ESO2 为SO2组分的亨利系数,查资料[24] 可知,常压25 ℃下,SO2的亨利系数ESO2 = 4.13 *

106 Pa. 相平衡常数: m = ESO2 p =

4 130

101 = 40.9 (24)

3 结果与讨论 3.1 烟气流量对传质速率的影响 采用浓度为 15% 的脱硫剂,在烟气 SO2 浓度为

3 000 mg?m-3 、脱硫剂循环流量为

300 mL?min-1 时, 对流量为 6~20 m3 ?h-1 的烟气进行了实验探究.将测得的系统出口烟气 SO2 浓度代入模型,并将计算得 出的传质速率与实验所得的传质速率进行比较,结果见图4. 由图

4 可以看出,理论值与实验值具有较好的一致性.模型和实验结果同时表明,传质速率随着 烟气流量的提高而不断提高.当烟气流量低于9 m3 ?h-1 时,传质速率随烟气流量的提高变化大;

而当烟 气流量大于9 m3 ?h-1 时,传质速率随烟气流量的上升速度有所降低.这种现象可能与螺旋切割器的切割 能力有关,由于螺旋切割器的切割能力有限,在一定时间内只能将一定量................