钠碱溶液吸收烟气中低浓度so

钠碱溶液吸收烟气中低浓度so

目前，香烟硫氮（fgd）是控制二氧化硫污染的主要技术手段。虽然硫氮机法已经开发迅速，并且方法很多，但现有的硫氮机法存在着成本高、难以回收的共同问题。因此,开发低成本、资源化、易操作的新型脱硫技术已成为我国脱硫技术领域的一项紧迫任务。为实现烟气脱硫的高效低成本,本课题组开发了一种新型脱硫技术——低价态膜电解钠碱再生循环脱硫工艺,该技术可实现低成本、稳定运行和资源回收的有机结合。其中SO2的钠碱吸收作为该工艺中的关键技术,对其吸收传质特性的研究就成为实现该工艺普及应用的重要基础。与其他吸收剂相比,钠碱吸收SO2具有吸收能力强,生成的钠盐溶解度大,可避免设备结垢和淤塞,以及液气比低,适于处理大量烟气等优点。国外对钠碱吸收SO2研究较早,但较多集中于热力学研究;国内对钠碱烟气脱硫的研究报道较少,且主要作为钠-钙双碱法中的一部分,多采用旋流板塔。本工艺中吸收设备采用结构简单、气液接触效果好,压降较小的填料塔,所用填料为空隙率大、比重小、传质效率高的新型聚丙烯花环填料。对于填料塔体积总传质系数KGa是衡量其传质性能高低的主要指标,也是塔设备设计中的重要参数,对于研究化学吸收过程有着重要意义。本文在实验室进行模拟实验的基础上,对花环填料吸收塔中钠碱吸收SO2工艺作了比较深入的研究,测定并计算出了钠碱溶液吸收烟气中低浓度SO2的体积总传质系数,并研究了进口气体中SO2浓度、气体流量、吸收液喷淋密度以及溶液中Na+浓度对KGa的影响。实验结果可为后期的中试及工业应用提供可靠的设计依据。1so2的平衡分压在气液接触稳态过程中,水溶液吸收SO2的传质速率NA可表示为气相传质分系数(kG)、总压(P)和气相推动力的乘积:NA=kGP(yA-yAi)(1)NA也可以用总传质系数(KG)、总压(P)和平衡推动力表示如下:NA=KGP(yA-y*A)(2)总传质系数与气液相传质系数之间的关系如下:1ΚG=1kG+1ΗEk0L(3)1KG=1kG+1HEk0L(3)由式(3)可以看出,影响总传质系数KG的主要因素有气相传质分系数kG、无化学反应时的液相传质分系数k0L、化学反应增强因子E及亨利系数H,但单独测量kG、k0L及E均较为繁琐。设填料塔单元高度为dz,则物料平衡式为:ΝAadz=G1d(yA1-yA)(4)NAadz=G1d(yA1−yA)(4)将(2)式代入上式得:ΚGaΡ(yA-y*A)dz=G1d(yA1-yA)(5)KGaP(yA−y∗A)dz=G1d(yA1−yA)(5)当气相中SO2的分压较低时,yA/(1-yA)≈yA,G1≈G,且在钠碱水溶液吸收SO2体系中,SO2的平衡分压一般要比烟气中SO2分压小得多,即PyA>>Py*A,即P(yA-y*A)≈PyA,(5)式可变为:ΚGaΡdz=GdyAyA(6)对上式沿塔高积分可得:ΚGaΡz=-Gln(yAoutyAin)(7)定义脱硫率为:η=yAin-yAoutyAin(8)则单位填料体积的总传质系数KGa为:KGa=-Gln(1-η)/Pz(9)式中:a—填料有效相界面积,m2/m3;E—化学吸收增强因子;G,G1—分别为气相总流速、惰性气体流速,kmol/(m2·h);H—亨利系数,kmol/(m3·kPa);kG—气相传质分系数,kmol/(m2·h);k0L—无化学反应时的液相传质分系数,kmol/(m2·h);KG—总传质系数,kmol/(m2·h);NA—SO2吸收速率,kmol/(m2·h);P—气相总压,kPa;yA—组分在气相中的摩尔分率;yAi—在界面处SO2的气相摩尔分率;y*A—与液相主体中SO2浓度成平衡的气相摩尔分率;yAin—吸收塔进口SO2在气相中的摩尔分率;yAout—吸收塔出口SO2在气相中的摩尔分率;z—填料层高度,m。2实验部分2.1填料的范畴和参数实验采用Φ400mm的填料吸收塔,塔体由有机玻璃制成,内装规格为59mm×19mm(直径×高)的聚丙烯加强型花环填料,填料层高度700mm。所用填料外形如图1所示。其技术参数为:堆积个数17500n/m3,堆积重度64.7kg/m3,比表面积150m2/m3,空隙率92%。实验装置见图2,从钢瓶出来的SO2与风机送来的空气混合配成一定浓度的模拟烟气,由吸收塔底部进入,与由塔上部流下的吸收液逆流接触,使气体中SO2逐步脱除,最后经塔顶部的除雾器除雾后从塔顶排出,吸收塔底部排出的脱硫液(吸收液)流入储液槽。2.2脱硫过程中so2的测定本实验选用工业用无水Na2SO3作为吸收剂,因为钠碱脱硫中无论起始吸收剂是NaOH还是Na2CO3,在稳定吸收循环过程中,能够吸收SO2的主要成分均是Na2SO3。用Na2SO3作吸收剂,既可以节省吸收剂消耗,又可模拟生产实际中的脱硫过程。配制一系列不同浓度的Na2SO3吸收液至液体贮槽内,贮槽内的液体经恒流泵进入塔体。在室温下,混有一定量SO2的空气以一定的流速进入填料塔与吸收液接触。进出塔烟气中SO2浓度用TESTO-350XL烟气分析仪测定。实验中,分别改变进口气体中SO2浓度、气体流量以及吸收液喷淋密度等条件,达到稳定状态后,测量进出填料塔气体中SO2浓度,根据式(8)和式(9)可求出不同状况下的体积总传质系数。3结果与讨论3.1进口so2浓度的影响图3为在气体流量144.8kmol/(m2·h),进塔吸收液pH=6,气温30℃,吸收液温度25℃的条件下得出的总传质系数KGa随进口气体中SO2浓度的变化关系。由图3可以看出,在不同吸收液的喷淋密度下,随着进口气体中SO2浓度增大,KGa均大幅下降,这表明进口气体中SO2浓度即SO2分压对体积传质总系数的影响较大,当进口SO2浓度较小时,反应受气相阻力控制;进口SO2浓度增加,即气相中SO2的分压增大,吸收反应逐渐由气液界面向液相移动,液相阻力增加,导致总传质系数逐渐降低。总之,在钠碱烟气脱硫中,传质阻力主要集中在气膜中,这也与Schultes得到的填料塔中钠碱溶液吸收SO2的结论相似。3.2气体流量对传质系数的影响气体流量对总传质系数的影响见图4。实验条件为:进气中SO2浓度1500×10-6(V/V),吸收液喷淋密度3.6m3/(m2·h),进塔吸收液pH=6,气温34℃,吸收液温度27℃。气体流量决定了吸收塔的空塔气速,而空塔气速是吸收塔重要的操作条件之一,它对传质系数有很大的影响。从图4可以看出,传质系数随流量的增加而增加。这是因为单位时间内流过吸收塔的气体体积量增加,会导致气液两相接触面积增大;同时较大的流速还可以增加液相的湍流程度,使系统中的液膜变得更薄,从而提高了液相传质分系数,加强了传质过程,总传质系数提高。由此可知,可通过减小界面处气膜层的厚度降低气相传质阻力而有效地提高吸收速率。3.3吸收液喷淋密度的确定图5表示在气体流量144.8kmol/(m2·h),SO2浓度1500×10-6(V/V),气温26℃,吸收液温度23℃的条件下,吸收液喷淋密度即液体流量对KGa的影响。由图5可见,液体流量对KGa的影响较大;随着液体流量的增大,KGa显著增加。这是因为液体流量的增大引起在相同操作条件下的液滴流速、液膜更新速度及填料表面的润湿程度的增大,加之在SO2浓度不变时,参与反应的碱液增加,液相中SO2的浓度降低,吸收推动力增大,强化了气液间的传质速率,使得KGa增大。3.4na+浓度对kba和ga含量测定的影响图6所示为在气体流量144.8kmol/(m2·h),SO2浓度1500×10-6(V/V),气温30℃,吸收液温度26℃条件下溶液中Na+浓度对KGa的影响,可见在高pH及低pH时KGa均随Na+浓度的增加而增高,但与以上讨论的几个因素相比,Na+浓度对KGa的影响较小。这也说明SO2的吸收在很大程度上由气相控制,当吸收液中Na+浓度高于0.5mol/L时,传质系数增加较少,此时再提高碱液浓度,对SO2