2002超重力旋转填料床在燃煤尾气处理上的应用进展.doc

第3卷第2期 20022环境污染治理技术与设备TechniquesandEquipmentforEnvironmentalPollutionControlVol.3,No.2Feb.,2002 超重力旋转填料床在燃煤尾气 处理上的应用进展 潘朝群1 董 洁2 1.华南理工大学化工研究所,广州510640; 2.南京工业锅炉工程成套公司,南京210017 摘 要 本文指出了我国燃煤尾气脱硫进展缓慢的原因,超重力旋转脱硫床的工作原理、传质特性及在低浓度的废气处理上的广阔应用前景关键词 脱硫 超重力旋转填料床 Theofhighgravityrotatingpacked2bed totreatmentofcoalburningfluegas PanZhaoqun1 DongJie2 1.ChemicalEngineeringInstituteofSouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510064; 2.NanjingIndustrialBoilerFacilitiesCompany,Nanjing210017 Abstract Inthispaper,thebottle2deckofpoorimprovementinFGDhasbeenpointedout.Anewinstrumentappliedinfluegasdesulfurizationrotatingpacked2bedhasbeenreportedindetails,suchasprinciple,characteristicinmasstransferandapromisingfutureinlowconcentrationwastegas. Keyworks fluegasdesulfurization;highgravityrotatingpacked2bed 我国是以煤为主要能源的国家,大气中的SO2 87来自燃煤。据近年统计,我国SO2排放总量平技术推广的关键。 均年递增率为3.8,1994年SO2排放量为 1825万t,2000年达2400万t,为世界第一。燃煤1 超重力旋转填料床的出现20世纪70年代末至80年代初,美国国家宇航尾气的脱硫方法分为干法、半干法和湿法等三大类,局在太空进行了气-液两相间的传质实验,结果发其中以湿法为主占85以上。湿法脱硫工艺的现在完全失重g0的条件下,气-液间传质不能主体设备为吸收塔,有板式塔、填料塔和喷淋塔等几实现。受此传质实验的启发,英国帝国化学工业公 种形式。在吸收塔中,烟气和吸收剂液体逆流接触,司经过数年的研制,设计出了新型的传质设备 “Higee”的多项专烟气中的SO2从气相扩散到液相中,来实现气液两超重力旋转填料床,申请了被称为 [1]相传质的。传质效果的好坏,除与气液接触面积大利,结构如图1所示。 小、气液流动状况、气液自身物化性质等因素有关气相经气体进口管由切向引入转子外腔,在气外,还与重力加速度g的大小有关。由于重力场较体压力的作用下由转子外缘处进入填料。液体由液弱,液膜流动缓慢,单位体积内有效接触面积小、由体进口管引入转子内腔,经喷头淋洒在转子内缘上,液膜控制的传质过程的体积传质系数低,故这类设在离心力的作用下到转子外缘。在此过程中,液体 破碎形成极大的、不断更新的表面积,备体积庞大,空间利用率和设备生产强度低,设备投被填料分散、 资大。曲折的流道加剧了液体表面的更新。液体在高分高湍动、强混合以及界面急速更新的情况下与气以我国目前的经济实力来说,烟气脱硫技术的散 、 推广,要求脱硫装置能实现快速设备尺寸小、投资体以较大的相对速度在弯曲孔道中逆向接触,极大少、高效脱硫效率高,运行费用低的传质反应。地强化了传质过程。传质单元高度降低了12个因此,新型高效传质设备的开发成了烟气脱硫控制数量级,并且显示出许多传统设备所完全不具备的 84 环境污染治理 技术与设备3卷 可视研究发现在低转速300600r/min下为填料空隙中作线状流动的线状流、填料空隙之间的孔道流和液膜在填料表面流动的膜状流的三种形态;在高转速下超过600800r/min液相为填料空隙中以液滴形式运动的滴状流、液膜在填料表面上流动的膜状流的二种形态。 Choen和Dudukovic[4]于1985年得出了旋转床 中液膜厚度与转速的变化关系图,见图2所示。由。,填料中, 图1 超重力旋转填料床的结构示意图 优点。因此,超重力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,被誉为“化学工业的晶体管”。 理论分析表明,在微重力条件下,由于g→0,浮ρ力因子Δg→0,两相不会因为密度差而产生相间流动。此时分子间力如表面张力将会起主要作用,液体团聚至表面积最小的状态、不得伸展,相间接触 ρ面积小,质量传递效果很差。反之“,g”越大,Δg越大,流体相对滑动速度也越大,巨大的剪切应力克服了表面张力,可使液体伸展出巨大的相际接触界面,从而极大地强化传质过程。 超重力旋转填料床是利用高速旋转的转子所产 生强大的离心力超重力来强化传递过程的新设备;与传统的离心机或离心分离所用的离心力场的根本区别在于它是将不同相间物料作强制性的逆流接触运动,达到对传递过程进行强化的目的。“超重力”是指超过常规重力的离心力,其实质是一种离心力强化技术。 图2 超重力场中液膜厚度与转速变化关系 2 超重力旋转填料床的理论及实验研究 2.1 超重力场中液体的运动形态 对于不同的模型导出的膜厚公式不同,但随着 δ与ω有下列比例转速增大,膜厚减薄,按文献[5]关系 162 不含变界层厚度为 h∝ 超重力场下的液体流动形式非常复杂,且与填料结构有密切的关系。Burns与Nelson[2]采用不规则的金属丝网作填料,用照相机对超重力旋转填料床的液体流动规律进行了拍照,发现旋转填料床中液体的流动有液膜流动,但主要是间隙流与喷射流。Burns与Ramshaw[3]对逆流型旋转床液体流动进行 n n∝ 0.030.04cm;旋转床中旋转盘上的液膜在转速为1000r/min时,液膜厚度为0.0080.01cm;在转速 为2000r/min时,液膜厚度为0.0030.005cm。而 2期潘朝群等超重力旋转填料床在燃煤尾气处理上的应用进展 85 与重力场条件相比,当转速为3000r/min,液膜表面流速提高的倍数为12,由此可见,在离心力场下液膜平均流速可大幅度提高。2.2 超重力场的传质特性 3 超重力旋转填料场在燃煤尾气脱硫、除尘 上的应用 超重力旋转填料床极大地强化了传递过程,传质单元高度仅13cm,极大地缩小了设备尺寸与重 从理论上精确地预期旋转床的传质膜系数KL 与转速ω的关系是困难的。Dudukovic和Cohen[4]量;物料在设备内能实现快速而均匀的微观混合,停 100ms;气体通过设备的压降与传通过实验颗粒状填料,根据重力场中填料床的液留时间极短1 维护方便、安装膜传质系数模型,建立了旋转床中的液膜传质模型,统设备相近;此外,还具有易于操作、 忽略与液流垂直方向的液流速度分量,气-液间传方便的优点。,由流体力学 ,质膜系数KL与转速关系 KL∝3 2[1115]晚,但也取得了显著的成果,主要应用在液相中溶解气体的脱吸,如油田注水脱氧[16];气相中低浓度组分的吸收与净化,如废气中SO2、CO2的脱除;纳米 这与SaratManjal[5]与重力场相比,KLKf2 K1 g 2 3 [1719] ;强化除尘过程等方面。当转速为3000r/min,Rm180mm时,两种情材料的制备 超重力旋转填料场在燃煤尾气脱硫上的应用况下的气-液传质膜系数之比K为4,即超重力旋3.1 转填料床的传质膜系数是重力场中的4倍。传质膜 万冬梅[25]等利用北京化工大学开发出的采用 系数大的原因是由于旋转床旋转时,产生强大的离丝网填料的超重力旋转填料床进行燃煤尾气脱硫实 心力使得液膜表面的流速增大、液膜变薄、表面更新验,用氨或碳铵溶液作吸收剂,脱除硫酸厂尾气中时间缩短、有效比表面积增加、湍流程度加剧等因素造成的。 SO2,吸收后得到的亚硫酸铵产品可用作化肥、药厂 的原料和造纸代替烧碱制草浆的原料。进行的工业 超重力场的液侧传质系数与转速ω、填料的性在线试验条件及结果为入口气体流量为150m/h, 质及结构,还与操作条件有关。SaralManjal与SO2浓度为5000mg/m,用浓度为0.244mol/L的 Dudukovic[6]在旋转床中用金属丝网填料做了氢氧NH4HCO3作吸收液,在气液比600800,吸收温度 化钠吸收二氧化碳的实验,在转速Nr900为2831℃的条件下,尾气出口SO2浓度为 1550r/min、液体流量为0.139kg/s溶液的NaOH100mg/m3,脱硫效率达98。浓度为0.030.05N时,其液侧传质系数为KL湘潭大学化工系的陈昭琼等[26]利用内部开有0.0880.105cm/s。M.PraveenKumar和D.PrahladaRao [7] 许多狭长的小孔的转鼓作转子,开发出了一种超重 在用金属丝网填料作氢氧化钠吸收力场强化传质的旋转吸收器,应用于烟气脱硫。在二氧化碳的实验时,采用转速Nr为610与1140烟气的进口浓度为3000mg/m3,转子的转速为r/min、液体流量为0.070.10kg/s时,体积传质 1220r/min,气液比为1016L/m3的条件下,用清 系数在KLα为0.090.14s-1。陈昭琼等人[8,9]用水吸收时的脱硫率达7082;用含有催化剂转鼓填料作了CO2-NaOH的传质实验,对CO2-Mn2的水溶液吸收时的脱硫率达9095 。而NaOH物系,在转速为Nr为12501369r/min、液 在直径300mm的“旋风水膜旋流塔板”二级脱硫设备中,用清水作脱硫实验,脱硫率为3036。 体流量为0.33kg/s时,其体积传质系数KLα为0.520.66s-1,传质系数 KL 为0.0863.2 超重力旋转填料场在尾气除尘上的应用0.110cm/s,是B-25型旋流塔板的20倍。华南理粉尘是重要的污染源之一,燃煤锅炉排出的尾工大学简弃非[10]等采用规整填料同心环波纹气中含有大量的二氧化硫、氮氧化物,还含有大量的碟片作旋转床的填料时,采用转速Nr为1638r/烟尘。燃煤锅炉尾气的净化处理过程中,脱硫、脱氮min、液体流量为0.111kg/s时,体积传质系数可达2.5s-1。 的同时,必须考虑除尘。传统的工业除尘器在除尘效率和处理量方面随着工业除尘标准的提高,已不 86 环境污染治理技术与设备3卷 能满足环境保护的要求。张健等[15]将采用丝网填 实验结果表明多级离心雾化旋转填料床的传 10-410.010-4m/s,体积料的超重力旋转填料床应用于除尘,取得了初步的质系数KL可达8.0 实验结果,综合考虑平均压降、分离效率、切割直径传质系数KLα为0.210.44s-1,随液流量增大 等指标,与传统除尘设备相比,显示出一定的优势,而稳定增大, 比传统填料塔的高一个数量级,但比逆见表1。流型旋转填料床中稍低[29]。错流型填料床气相压 超重力场将除尘和脱硫结合在一起,在燃煤尾降仅100Pa左右。多级离心雾化旋转填料床开拓了气的处理时,除尘和脱硫一起进行,与传统的技术相新的气液错流传热传质途径。该设备可用于低密 度、大流量且要求压降小的工业废气处理,如二氧化比将会有更明显的经济效益。 表1 超重力场除尘设备与传统设备的比较 平均压降分离效率 Pa 5999999.999.9 切割粒径 10-6m512 碳、。 ,1m的多级离心雾SO2的尾气处理上。体流量为2000m3/h,SO2浓度为2000mg/m3,气液比2.4L/m3,吸收温度为2831℃的条件下,尾气出口SO2浓度为300mg/m3,脱 高效旋片分离器 喷淋塔干式电除尘器湿式电除尘器高效文丘里洗涤器旋转床除尘器 120015080001100 0.010.020.10.20.020.03 硫效率可达85。 4 多级离心雾化旋转填料床的出现 超重力旋转填料床这种新型的传质设备用于尾气脱除SO2,具有投资省、脱硫效率高的优点,但是在工业应用上没有取得进展。其原因在于现有的超重力旋转填料床均为逆流型旋转填料床,内外环流体通道横截面积相比悬殊,气速变化过大,气体形体阻力高;气体由旋转床的外环沿径向流向内环,需克服离心阻力。这两个因素造成气相流阻过大,不适于大流量、低密度、低浓度、燃煤尾气的处理。 华南理工大学在国外研究的逆流型超重力旋转填料场的基础上,已在实验室开发研制出了一种超低气阻的错流型超重力场多级离心雾化旋转填料床[27,28],结构如图3所示。在该旋转床中气体沿轴向流动,无需克服离心阻力,气阻极低,液体沿径向流动,在多层同心环填料层的离心加速作用下可不断雾化分散,在这一区域维持高且较均匀的扩展传质系数可保持高而均匀。多级离心雾化可通过对 图3 错流型超重力旋转填料床 1、2、3.第1、2、3级填料;4.铃子;5.喷洒式进水管;6.轴流 性风扇;7.电机;8.排气口;9.进水管;10.进气口;11.排水管 结 语相界表面以及液滴速度,使得气液传质区域的体积5 超重力技术是一种新兴的强化传递过程的技 液体沿径向作多级雾化分散,使液滴速度、粒径以及术,是化学工程学科的新分支。关于它的基础理论 气液相传质比表面积基本保持均恒,从而可获得较研究取得了一定的成果;工业应用方面,也取得了较高的传热传质系数,和良好的气液错流传热传质强大的进展,但其应用潜力还有待于进一步挖掘。由化效果。这种装置不仅低阻节能、传热传质效率高,于它的广泛的适用性以及具有传统设备所不具有的而且体积非常紧凑,重量轻,设备投资省。更小、更精、更安全、更高品质的优点,使它有着远大 2期潘朝群等超重力旋转填料床在燃煤尾气处理上的应用进展 1989,405635639 87 的发展前途及广阔的应用前景。超重力多级离心雾 化旋转填料床这种气阻低、传质效率高、体积紧凑、[12]朱惠铭.超重力场传质过程的研究及其在核潜艇内空气净化中的应用[学位论文].天津天津大学,1991 重量轻、设备投资省,能够实现快速、高效的传质反 [13]Burns,J.R.,Ramshaw,C.Processintensification 应,有良好的发展前景。对我国二氧化硫排放的控 visualstudyofliquidmaldistributioninrotatingpacked 制、酸雨危害的治理将有积极的促进作用。 参考文献 [1]MallinonR,RamshawC.EuropeanPatent,2568B,1979[2]Ramshaw,C.,Burns,J,R.Author’sreplytothe commentsofA.BasicandM.P.Mudukovic.ChemicalEngineeringScience,1997,523455 [3]Burns,J.R.,Ramshaw,C.ProcessstudyofliquidChemical,51[4]Cohen.Y,,P.2transferincentrifugal gas/liquidcontacting.AIChE,1985,31102211-2218[5]Munjal.S,Dudukovic.P.Mass2transferinrotatingpacked2 bed2Ⅰdevelopmentofgas2liquidandliquid2solidmasstransfercorrelations.ChemicalEngineeringScience,1989,441022452256 [6]Munjal.S,Dudukovic.P.Mass2transferinrotatingpacked2 bed2Ⅱexperimentalresultsandcomparisionwiththeoryandgravity.ChemicalEngineeringScience,1989,441022452256 [7]Rao.D,Prahlada,Kumar,M.Studiesonahigh2gravity gas2liquidcontactor.Industrial,etal.Hydrodynamicsand cross2flowrotatingpackedbed.ChemicalEngineeringScience,1997,52738533859[16]周绪美等.超重力场技术用于油田注水脱氧的工业研 究.石油化工,1994,2312807811 [17]王玉红等.旋转填充床新型反应器中合成纳米CaCO3 过程特性研究.化学反应工程与工艺,1997,132 141146 [18] 王玉红等.超重力场中合成超微细CaCO3的粒度控制 研究.材料科学与工程,1998,1626567 [19]陈建峰等.超重力场中合成立方形纳米CaCO3颗粒与 表征.化学物理学报,1997,105457460 [20]万冬梅.超重机技术用于工业尾气脱硫化学吸收过程 的研究[学位论文].北京北京化工大学,1995 [21]陈昭琼等.螺旋型旋转吸收器烟气脱硫.环境工程, 1996,1422124 [22]张建军.超重力场下气液两相错流传热传质强化研究 [学位论文].广州华南理工大学,1998 [23]邓先和.气体轴流型旋转填料床气液传热传质装置.中 国专利,97212054.8 [24]陈海辉,邓先和.化学吸收法测定多级离心雾化旋转填 料床有效相界面积及体积传质系数.华南理工大学学报,1999,1539196 责任编辑郑晓梅 力学与传质特性研究[学位论文].广州华南理工大学,1998 [11]陈文炳等.新型离心机传质设备的研究.化工学报,