喷淋环栅式除尘脱硫反应器的数学模拟.pdf

degradation of volatile organic compounds in air using thinfilm TiO2 photocatalyst. Appl Catal B Environ, 2002, 35 305 -315. [ 8] Satoru Matsuda , Hiroyuki Hatano , Atsushi Tsutsumi. Ultrafine particle fluidization and its application to photocatalytic NOxtreatment. Chem Eng J, 2001, 82 183-188 . [ 9] 王子银, 张征林. 流化床TiO2光催化降解乙醛气体的研究. 环境 科学与技术, 2003, 26 5 13 -14. [ 10] C Su, B -Y Hong , C -M Tseng. Sol -gel preparation and photocatalysis of titanium dioxide . Catal Today , 2004,96 119 -126. [ 11] SanVicenteG,MoralesA ,GutierrezMT.Preparationand characterization of sol-gel TiO2antireflective coatings for silicon. Thin Solid Films, 2001, 391 133-137. [ 12] 张丽, 张小平, 叶代启. 气固流化床光催化氧化甲苯的研究. 环境 污染治理技术与设备, 2005, 6 9 68 -71 . [ 13] Tak Hyoung Lim, Sang Done Kim. Trichloroethylene degradation by photocatalysis in annular fow and annulus fuidized bed photoreactors. Chemosphere , 2004, 54 3 305 -312. [ 14] 张丽. 气固流化床光催化氧化甲苯的研究. 华南理工大学学报, 2004. 作者通讯处 张小平 510640 华南理工大学环境科学与工程学院 E -mail xpzhang scut. edu. cn 2006- 04-13 收稿 喷淋环栅式除尘脱硫反应器的数学模拟 ＊ 郭三霞 1 李立清 2,1 唐 琳 1 王晓刚 1 孟 蕾 1 刘宗耀 1 1.湖南大学环境科学与工程学院, 长沙 410082; 2.中南大学能源科学与工程学院, 长沙 410083 摘要 研制了一种由内外圈构成的喷淋环栅式除尘脱硫反应装置 , 气、液两相在内外圈之间通向运动, 紊流冲激环栅 时接触传质。 基于溶质渗透理论, 提出了以内塔穿孔速率 V, 液气比 L G, 吸收浆液 pH 值为参数的脱硫效率模型。 对 比某电厂工况条件下测得的一系列实验数据, 显示出该模型与实际情况具有良好的一致性, 表明该模型可以用来作为 工程设计、最优化技术和推测工业数据的理论参考工具。 关键词 湿法烟气脱硫 模拟 数学模型 效率 喷淋环栅式反应装置 ＊国家自然基金项目 No. 20376019, 20576028 湿法除尘脱硫工艺的核心部分为吸收塔 ,烟气中 大部分有害气体在吸收塔内与吸收液接触而被吸收, 不同的反应塔采用不同的吸收区设计 。常用的吸收 设备有 喷淋塔 、 旋流板、筛板塔、 射流鼓泡塔 、 液柱塔 和文丘里等。喷淋环栅式除尘脱硫反应装置 ,具有结 构简单 、 造价低 、 维护方便 、 运行阻力小等优点 [ 1] 。本 研究利用渗透理论对喷淋环栅组合式反应器的传质 过程进行建模, 并以工业参数组建脱硫效率模型, 且 使模型在Matlab 软件平台上实现了三维可见,形象地 量化了各参数与脱硫效率之间的关系, 为以后的工业 运行过程中通过调整参数来提高脱硫效率提供了 参考 。 1 反应器气液传质模型的建立 在喷淋环栅式除尘脱硫反应器内, 气液是在高度 湍流情况下互相接触的, 基于 Higbie 等 [ 2,3] 提出的渗 透理论假定液体微元连续从液相主体到达界面,并停 留某一时间 t 后 ,被带回液相主体并快速混合 。微元 停留在界面的这段时间内发生了不稳定的分子扩散 传质 ,最后在界面上达到平衡 。 对于物理吸收过程的非稳态扩散过程,可用下式 表示 DA d 2 CA dx 2dC A dt 1 边界条件如下 t 0,0 x 0, x 0, CACA,i t 0, x ∞, CACA,L 解传质扩散方程得浓度分布 CACA,L CA,i-CA,L1 -erf x 2DAt 2 进入表面微元的瞬时传质速率 N t 可表示为 N t-DA dCA dx x 0 3 2 式代入 3 式可求得瞬时传质速率 N t DA π C A,i-CA,L 4 反应塔内喷淋而下的浆滴与进入塔内的强制旋 48 环 境 工 程 2006年 12 月第 24卷第 6 期 流烟气之间的接触为强湍流状态, 气体与液滴之间的 接触时间很短, 还来不及形成稳定的浓度梯度 ,即溶 质总是处于由相界面向液内纵深方向逐渐渗透的非 定态过程中。渗透理论与实际情况较为符合 ,故以此 作为研究喷淋环栅式反应器气液传质的理论基础 。 1. 1 传质单元 浆液吸收烟气中的 SO2,可以认为传质的结果导 致浆液浓度的变化 [ 4～ 7] 。 kL CA,i-CA dAiQLdCAdn dt 5 稳态下 ,积分区间为 0, 5 式整理后得到反应器 液相传质单元表达式 NL ∫ CA ,out CA , in dCA CA,i-CA ∫ Aj 0 kLdAi QL 6 浓度的积分有些复杂 ,但用平均浓度切割浓度变 化的方法可以得到近似值 。当 CA,i是常数或者与 CA 成线性关系时, 近似值更加精确, 这种情况适用于稀 溶液, 整个过程遵循亨利定律。并且 L G 不随着反应 器内位置的改变而变化。 NL GA,out-CA,in CA,i-CAlm 7 式中 CA,i-CAlm C A,i ,out-CA,out- CA,i ,in-CA,in ln CA,i,out-CA,out CA,i ,in-CA,in 1. 2 气相总传质单元数 NOGK GA Qg 1 N m E Qg QL 1 NL ≈ E m QL QgNL 8 式 8 中 NL由液相传质系数确定, m 是类似于 享利系数的相平衡常数。溶液表面的 SO2平衡分压 可以认为为0, 故反应器模型如下 NOG yin-yout y -y ＊ lm ≈ln yin yout 9 1. 3 脱硫效率 根据以上推导可以假定增强因子 E 随着喷淋浆 液的 pH 值的改变而改变 ,而系统的传质系数由烟气 流速 V 和系统的液气比 L G 决定 。脱硫效率可以由 以下模型推算出 ηy in-yout yin 100 100 1 -exp -0 . 12η 0. 36L G 2. 74 1 0. 2 8 pH- 10 10 2 喷淋环栅式反应器的传质理论研究 2. 1 喷淋环栅式反应器除尘脱硫实验 如图 1 所示 ,实验平台为湘潭钢铁公司热电厂的 具体工程系统, 装置本体采用双圆筒结构 ,烟气切向 进入外塔, 外塔与内塔之间部分的塔顶安装 1 圈喷 嘴,喷淋的浆液分散后形成浆滴, 浆滴在气流的作用 下在外圈湍动并绕着外圈旋转 , 在碰撞的过程中, 使 液膜表面不断更新, 气、 液 、 固三相湍动使传质过程加 强,旋转至塔底 ,高速通过环栅进入内塔的过程中冲 击塔底液层 ,形成泡沫层 ,气相和液相在接触过程中, 气相中的烟尘和二氧化硫在扩散、 碰撞、凝并 、 捕集的 作用下,被捕获截留和吸收。 实验采用 TH- 880V1 型烟气分析仪测量气体流 速、 温度以及烟尘浓度, 德国 KM900 手持式烟气分析 仪测进口和出口二氧化硫浓度 。 图 1 喷淋环栅式脱硫装置系统图 实验工况及相关参数见表 1。 表 1 测试条件下的主要参数表 项目参数项目参数 出口烟道断面面积 m23. 6烟气平均流速 m s- 114. 5 烟气温度 ℃49过量空气系数2. 9 标态烟气量 m3h- 1147 878 热态烟气量 m3h- 1188 028 烟尘浓度 mgm- 33 345SO2浓度 mgm- 3775 . 9 烟气流速 ms- 113～ 17浆液pH值7～ 11 液气比 L G Lm- 30～ 2 2. 2 模型预测结果分析 从图 2 a 中可以看出 ,液气比 L G 为 1. 55 L m 3 时,随浆液 pH 值的升高 , 脱硫效率逐渐升高。主要 原因是 随着内塔入口的穿孔气速的增加 ,塔内的湍 动程度加大 ,气液接触面积增大且表面更新加快, 有 利于 SO2的脱除。在 pH 11 左右的浆液下 ,可达到 脱硫效率为 99。 当 pH 值为 5时 ,内塔穿孔气速 V 和液气比 L G 的变化与脱硫效率之间的关系如图 2 b 所示, 液气 比增大则气液接触更充分 [ 8] , 传质系数高, 且随着喷 淋量增大, 反应器内温度下降,SO2溶解度增大 ,液相 传质阻力减小, 因此脱硫效率随之增高。另一方面由 于循环液 pH 一定 ,L G 越大, 则单位时间进入脱硫装 49 环 境 工 程 2006年 12 月第 24卷第 6 期 置的碱性物质越多, 使脱硫效率也越高 。 烟气流速为定值 13 m s 时 , 改变液气比和浆液 pH 值 , 脱硫效率的变化如图 2 c 所示, 循环浆液的 pH 值与液气比同时影响脱硫效率, 前者较后者对脱 硫效率的影响更显著 。 图 2 液气比、内塔穿孔气速、浆液 pH 值对脱硫效率的影响 图3 表示了外圈喷淋效率与塔的总脱硫效率之 间的关系, 随着参数值的升高, 脱硫效率均有升高的 趋势。 a 中 pH 值 9 的阶段,外圈喷淋效率仅为总 脱硫效率的 97,pH 值为 11 时 , 外圈喷淋效率达到 99,SO2与 OH -的反应是瞬间的 , 绝大部分的 SO 2 在喷淋过程中都被碱液吸收 , 且碱性越强吸收率越 高。 b 中 L G 1. 55 L m 3 , pH 10 时 , 外圈喷淋效 率呈现平行趋势 ,总脱硫效率随着穿孔气速的提高逐 渐增大,这是由于穿孔气速仅增加内塔自激区的湍动 程度 ,提高了内塔的传质吸收速率。 c 表示的是在 V 13 m s,pH 10 情况下 , 液气比的提高对脱硫效 率的影响, 开始阶段液气比较小, 自激区气液两相流 动较平缓,SO2集中在喷淋段被吸收 , 外圈喷淋效率 几乎等于总脱硫效率, 随着液气比的升高 ,自激区的 湍流逐渐加强, 内塔脱硫作用愈加明显 , 外圈喷淋效 率下降到 85。 总之, 外圈喷淋部分对塔的脱硫效果起了主导作 用,工况条件 pH 10、V 13 m s 和 L G 1. 55 L m 3 下,外圈喷淋效率占总塔的97。pH 值越大 ,外圈喷 淋吸收SO2的效果越好 ,故在对该装置进行优化设计 时,应以提高外圈部分的传质吸收效果为主。 图3 外圈脱硫效率与总脱硫效率的比较 3 模型预测与实验测试结果比较 研究者在湘潭钢铁公司热电厂的具体工程系统 上实验验证了模型 ,实验液气比为 1. 55 L m 3 ,不同的 浆液 pH 值和穿孔气速下 ,模型预测结果与实验测试 结果的对比如表 2 所示。 从表 2 中可以看出,工业实验所得结果与模型预 测值吻合较好。 4 结论 通过对效率模型的分析, 详细研究了各工业参数 对脱硫效率的影响 。可以得出如下结论 浆液 pH 值 和液气比 L G 相对于内塔穿孔气速 V 对脱硫效率有 更为明显的作用 ; 在内外塔脱硫效率的比较中发现, 浆液 pH 值和液气比 L G 对外圈喷淋区的脱硫效率 提高较大, 内塔穿孔气速的升高强化了环栅式自激区 的气液传质 ,仅使得内塔部分的脱硫效果加强, 但相 对而言 ,由于二氧化硫属气膜控制的快速不可逆反 应,外圈喷淋区提供了较长的停留时间 , 较大的接触 面积, 较高的传质推动力 ,大部分二氧化硫在此区域 50 环 境 工 程 2006年 12 月第 24卷第 6 期 表 2 模型预测与实验测试结果对照表 浆液 pH 值 穿孔气速 ms- 1 预测脱硫效率 实验脱硫效率 相对误差 91382. 1785. 2 101386. 689- 2. 7 111398. 7980. 7 91483. 3821. 6 101487. 7862. 0 111498. 9980. 9 91584. 5831. 8 101588. 7880. 8 111599. 198. 80. 3 已反应,故外圈喷淋区的脱硫效率占总脱硫效率的绝 大部分。要提高该装置的脱硫效率主要应从提高浆 液pH 值和液气比 L G , 以及有利于增强外圈喷淋区 对SO2的传质速率的参数来考虑 。工业实验所得结 果与模型预测值吻合较好 ,说明本文建立的模型能为 喷淋环栅式除尘脱硫反应器的设计和实际运行的优 化提供一定的理论指导。 符号说明 A 总传质面积 m2; CA 液相中硫分的瞬时浓度 kmol m3; CA ,L 液相初始硫分浓度 kmol m3; CA ,i 相界浓度 kmol m3; CA ,in 浆液的初始浓度 kmol m3; CA ,out 浆液的出口浓度 kmol m3; DA SO2在气相中的扩散系数 m2 s; E 增强因子; KG 总气相传质系数 kmol m2skPa ; NL 液相总传质单元数; NOG 气相总传质单元数; Qg 气体流速 m s; QL 液体流速 m s; kL SO2在液相中的传质系数 m2 s; m 相平衡常数; n 反应的摩尔数 mol; t 液面单元年龄; x 液层深度方向距离 m; yin 进气的SO2浓度 kmol m3; yout 出口的SO2浓度 kmol m3。 参考文献 [ 1] 林枫, 林龙, 胡启迪等. 环栅式动力除尘器的两相流数值模拟. 热能动力工程, 2004, 19 2 134 -137. 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[ 8] 孔华, 施正伦, 高翔等. 喷淋式湿法脱硫装置的试验研究. 动力 工程, 2001, 21 5 1459 -1463. 作者通讯处 李立清 410082 湖南长沙岳麓山 湖南大学环境科 学与工程学院 2006- 05-25 收稿 简讯规定建设项目环境违法最高可罚 100 万 深圳经济特区建设项目环境保护条例 下称“条例” 经深圳市第四届人民代表大会常务委员会第七次会议于 2006 年 7 月 26 日通过, 将于 2006 年 11 月 1日起施行。 该条例明确, 建设项目应当按照发展循环经济的要求进行规划、设计和施工, 节约使用资源, 促进废弃物循环利用, 防止和减少环境污染。 条例的一大创新是明确了对重大建设项目实行“工程环境监理制度” , 这一做法也是借鉴了香港开展“环境监察”的经验。所谓“工程环境监 理” , 就是建设单位应当委托具有专业资质的监理机构, 对项目施工过程中防止和减少环境污染以及生态破坏措施的执行情况进行监督检查, 对 环境保护设施建设施工进行现场检查, 包括减少环境污染、防止生态破坏、保护水土流失等方面的措施, 一旦发现问题, 监理单位必须及时向环保 部门通报, 由环保部门立即对建设单位作出查处。 该条例还大幅提高了对环境违法的处罚力度。据了解, 在深圳市以往的环境违法案件中, 无论建设项目的投资额多大, 最高罚款金额一般 不超过 10万元。此次出台的条例 , 将建设项目环境违法的处罚上限提高到了 100 万元。 以往, 在公众起诉建设项目环境违法的实践中, 受损害的公众往往处于弱势地位, 起诉困难。对此, 条例特别规定 “重大环境污染损害单 位或者个人民事权益的, 检察机关可以支持受损害的单位或者个人向人民法院提起诉讼。 ” 摘自南方日报 51 环 境 工 程 2006年 12 月第 24卷第 6 期 effect of iron ores on the reaction of nitric oxide removing was experimentally studied. At 900 ℃, five different iron ores were respectively applied as packing bedmaterials, andthe gasmixture made upwith two sorts of standard gases and compressed air was used to imitate the sintering exhaust gases. The experimental results showed that the type of iron ores hasimportant influence on the catalytic ability of iron ores. The catalytic ability of the type Diron ore is the strongest and does not become weaker, with the NO conversion rate being almost 100. Comparatively, the rest sorts of iron ores are poorer in catalytic ability . Their catalytic abilities become remarkably weaker as time lasts but reach quickly to a stable condition, at which the NO conversion rate was between 60 and 70. Keywords denitrification of sintering exhaust gases, NO conversion rate, iron ores and catalytic effects PHOTOCATALYTIC DEGRADATION OF TOLUENE BY TiO2IN A FLUIDIZED -BED Liao Cong Zhang Xiaoping 45 Abstract In a self-made fludized-bed, TiO2 silica gel preparedin laboratory was used asphotocatalyst to degrade toluene -air mixed gas. The effect of operating parameters including initial concentration. UV light intensity, operating gas velocity and bedheight stable height on degradation rate of toluene was probed into in this research. The results show that the degradation rate of toluene didn t change with concentration, reaching 100, under low concentration level 20～ 55 mg m3; but decreased with higher concentration. The degradation rate of toluene increased slightly with stronger UV light intensity. The lower the initial concentration was, the longer the highest degradation rate could be sustained for. And there was a best gas velocity value 3. 98 cm s, degradation rate reached the maximum value under this circumstance. The results also show that the degradation rate of toluene increased linearly with increase in bed height. Keywords fluidization, photocatalytic oxidation and titanium dioxide MATHEMATICAL MODELING OF DEDUSTING AND DESULFURIZING REACTOR WITH SPRAY AND CASCADE -RINGGuo Sanxia Li Liqing Tang Lin et al 48 Abstract A dedusting and desulfurizing scrubber with spray and cascade -ring was developed, Gas and llquid flow freely across two addendum circles. Mass transfer occurred when turbulence swash cascade -ring . Based on the penetration theory , a model for desulfurization efficiency has been brought forwardwhich tookflue gas inlet velocity V, liquid -gas ratio L G and absorbent spH value as parameters. A series of experimental data come from a electric power plant show that the model get well along with the practical condition, which can be used as a reference for design, optimization technology and for extrapolation of measured pilot plant data. Keywords wet flue -gas desulphurizaiton, simulation, mathematicalmodel, desulphurization efficiency and reactor with spray and cascade - ring THE PERANCE CONTRAST OF MSW BIOREACTORS AT DIFFERENT pH WITH DIFFERENT BUFFERSWang Hao Wang Hongtao ZhaoYongsheng et al 52 Abstract The stabilization period of municipal solidwaste can be shortened greatly in bioreactor landfill. Leachate recycling, however. is an effective approach to bioreactor. The operation efficiencies are distinct in different pH conditions. Two kinds of pH buffers, lime and fly ash were used to adjust pH in the leachate, and the impacts on leachate recycle and waste stabilization were discussed. The differences imposed by two reagents were also analyzed at the same time. It is proved that the degradation of organic pollutants in enhanced in the environment altered, but the removal of metal ion and salts is ambiguous. Two ways are both accessible and economically practical. Keywords leachate recycling, pH adjustment, municipal solidwaste and stabilization PERANCE AND PREPARATION OF CATALYST CARRIER FOR BIOMASS PYROLYSIS BY INDUSTRIAL WASTE RESIDUELi Jianfen Xiao Bo Yang Jiakuan et al 56 Abstract The catalyst carrier for biomass pyrolysis was prepared by red mud, fly ash and anhydrous sodium carbonate. Meanwhile, the roasting process, the optimum proportion and the highest roasting temperature of carrier were discussed, and perance of the carrier, which was prepared under optimum conditions, was tested. Keywords industrial solid waste, red mud, preparation and catalyst carrier PREPARATION OF GRAIN ADSORBENT OF RECTORITE AND FLY ASHAND PERANCE OF Cu Ⅱ REMOVALWang Hukun Gong Wenqi Mo Feng 59 Abstract The preparation technological conditions of grain adsorbent of rectorite and fly ash and the treatment of CuⅡ -containing wastewater of copper smelter have been studied. The experimental results show that under the conditionswith the ratio of the rectorite and fly ash of 7∶ 3, the amount of the additive Stof 15, the amount of 50water, and the roasting temperature of 500 ℃, the efficiency of grain adsorbent is the best, whereas the ratio of spallation loss is lower. Under the conditions without adjusting the pH, the amount of the train adsorbent of 0. 01 g mL, the reaction time of60minutes, and the temperature of25 ℃, the efficiency for grain adsorbent to remove CuⅡfrom copper smelter wastewater is 99. 5, and the quality inds of the wastewater after treatment con with the first -order of national discharge standards GB8978 -1996. Keywords rectorite -fly ash, adsorbent, granulation and CuⅡ -containing wastewater of copper smelter 4 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 24, No. 6, Dec . , 2006