伞罩型脱硫除尘塔湿法脱硫脱硝实验研究.pdf

烟 气 污 染 治 理 伞罩型脱硫除尘塔湿法脱硫脱硝实验研究 * 刘侃李彩亭路培石霖高宏亮彭文峰 环境生物与控制教育部重点实验室 湖南大学 ， 湖南大学环境科学与工程学院， 长沙 410082 摘要 研究了伞罩型脱硫除尘塔湿法同时脱硫、 脱硝的性能。以 NaClO2溶液为吸收剂， 研究了吸收剂的初始浓度、 液 气比、 模拟烟气入口气速、 反应时间等对 SO2和 NO 脱除效率的影响， 并对比分析了实验结果。实验结果表明 吸收剂 的初始浓度、 液气比、 模拟烟气入口气速以及反应时间对脱除效率均有很大的影响; 溶液的初始 pH 值的升高能够提 高脱硫效率， 但会降低脱硝效率。在最佳实验条件下， 脱硫和脱硝的效率分别为 81. 35 和 67. 07 。 关键词 NaClO2; 伞罩型; 脱硫除尘塔; 同时脱硫脱硝 SIMULTANEOUS REMOVAL OF SO2AND NOxIN DEDUSTING AND DESULPHURIZATION TOWER WITH UMBRELLA PLATES Liu KanLi CaitingLu PeiShi LinGao HongliangPeng Wenfeng Key Laboratory of Environmental Biology and Pollution Control Hunan University ，Ministry of Education， College of Environmental Science and Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China AbstractThe simultaneous desulfurization and denitrification effects of an dedusting and desulphurization tower with umbrella plates DDTUPwere researched in this study. Various factors which could influence the removal efficiency，such as the initial concentration of NaClO2，the ratio of liquid to gas，the gas speed at the entrance and the reaction time，were analyzed and compared in this research by using the solution of NaClO2. The experimental results showed that the experimental factors could greatly influence the removal efficiency of SO2and NO. The removal efficiency of SO2was increased with the increasing of the initial pH value，while that of NO was decreasing.Under the best experimental condition，the efficiency of desulfurization and denitrification were 81. 35 and 67. 07 ，respectively. KeywordsNaClO2; umbrella plates;dedusting and desulphuration tower; simultaneous desulfurization and denitrification * 国家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 50878080 ; 长 沙 市 科 技 重 大 专 项 K0902006 － 31 。 0引言 工业燃煤锅炉排放的 SO2和氮氧化物 NOx 是 形成酸雨和光化学烟雾的主要原因， 对生态环境造成 了严重的破坏并给人类带来了巨大的经济损失。自 20 世纪 70 年代起， 西方发达国家在多年烟气 SO2排 放控制技术研究的基础之上， 开始了工业烟气中 SO2 和 NOx同时脱除技术的研究， 到目前为止， 研究的烟 气脱除方法很多， 但能够工业化推广的仅有 10 余种， 且大部分处在半工业化或试验阶段。国内外通常的 做法是在湿式脱硫装置后加装脱硝装置的方式进行 控制， 这种装置不但占地面积大， 而且投资、 管理和运 行费用高， 因此研究烟气同时脱硫脱硝的新技术、 新理论是十分重要的。 目前， 应用 NaClO2为吸收剂进行同时脱硫脱硝 实验取得了较好的效果。为了进一步提高该技术脱 除效率并深入研究其反应机理， 从 20 世纪 90 年代开 始， 国内外研究者分别在不同反应器中应用 NaClO2 作为吸收剂进行了同时脱硫脱销的实验研究。 在前人研究的基础上， 本实验应用伞罩型脱硫除 尘塔 专利号 ZL200420069314. 9 作为反应器， 进口 气量≤400 m3/h， 研究了其同时脱硫脱硝的性能， 并 在前人的基础上研究了液气比， 模拟烟气入口气速和 反应时间等重要因素对同时脱硫脱硝效率的影响。 1实验装置和流程 实验装置主要包括烟气模拟系统、 反应系统及烟 气分析系统， 如图 1 所示。 04 环境工程 2010 年 12 月第 28 卷第 6 期 1 ～ 4钢瓶减压阀; 5 ～ 8玻璃转子流量计 其中 SO2、 NOx流量计具有防腐性能 ; 9玻璃三通阀; 10缓冲瓶; 11玻璃转子流量计; 12气体试样入口; 13进气; 14进气管段采样口; 15溢流阀; 16循环水箱; 17水泵; 18伞罩环; 19伞罩型脱硫除尘塔; 20喷嘴; 21除雾器; 22出口管采样口; 23出口管; 24烟气分析仪 图 1同时脱硫脱硝实验装置示意 伞罩型脱硫除尘塔采用气液逆流的方式， 实验时 模拟烟气从下部进气管进入塔体， 吸收液由喷嘴喷下， 吸收液在伞罩环上形成扩大的液膜， 增大了气液接触 面积。吸收液一次加入， 循环使用并定期更换浆液。 本实验中 NOx、 SO2、 O2和 N2以玻璃转子流量计 控制流量。气体在缓冲瓶中进行混合。混合气体由 气体入口进入塔内部， 以 Testo350 测定 SO2和 NOx 的入口质量浓度。反应后的模拟烟气经除雾器脱水， 以 Testo350 测定出口处 SO2和 NOx的出口质量浓 度。溶液的 pH 值以盐酸或氢氧化钠来调节， 液气比 通过改变喷水管流量及气速调节， 模拟烟气入口气速 以风速仪测定， 反应时间由秒表测得。 2实验结果与讨论 2. 1NaClO2溶液初始浓度对脱除效率的影响 本实验模拟烟气流量为395. 64 m3/h， 反应温度 为25 ℃ ， pH 为 5， 进气管采样口处测得的 NOx质量 浓度为516 mg/m3， SO2质量浓度为2 670 mg/m3。 NaClO2溶液初始浓度对 SO2和 NO 脱除效率的 影响如图 2 所示。 由图 2 可知， SO2和 NOx的脱除效率均随 NaClO2 初始浓度的增大而不断提高， 但当 NaClO2溶液浓度 高于0. 15 mol/L时， SO2和 NOx的脱除效率的增长趋 势趋于平缓。由于目前 NaClO2生产工艺尚未改进， 成本较高， 综合经济性因素和脱除效率， 本实验认为 NaClO2溶液初始浓度为0. 15 mol/L较为合适。 图 2NaClO2溶液浓度对脱除效率的影响 有研究认为 NaClO2的初始浓度对 SO2的脱除效 率没有明显影响， 最佳 NaClO2的初始浓度应选择 0. 005 mol/L。其结果与本实验结果相差甚远， 这种 差异是由于前人的实验是在自行设计的小型反应器 中进行， 其模拟烟气量只有 0. 05 m3/h， 并且没有考 虑液气比对吸收剂用量的影响。而在工业实际应用 中液气比一般在 10 左右。根据流体力学吸收塔操作 线方程见式 1 X L V Y － Y0 X0 1 图 3初始 pH 值对 SO2 和 NOx脱除效率的影响 式中 X 为溶液初始浓度; X0为溶液反应平衡浓度; L/V 为液气比; Y 为气体初始浓度; Y0为气体反应平衡 浓度。 可以看出当气体初始浓度相同，并且平衡浓度 相差不大的时候， 液气比越小所需要的吸收剂初始浓 度越大。并且本实验中采用的反应器高达3 m， 实验 工况远比小型反应器复杂， 为达到相同的脱除效率所 需吸收剂的量也远大于小型反应器研究结果。 2. 2吸收溶液初始 pH 值的影响 吸收溶液初始 pH 值对脱除效率的影响如图 3 所 示， 其中 NaClO2浓度为 0. 15 mol/L， 反应温度为25 ℃， 模拟烟气总流量为 395. 64 m3/h， NOx的初始质量浓度 为 500 mg/m3， SO2初始质量浓度为 2675 mg/m3。 14 环境工程 2010 年 12 月第 28 卷第 6 期 由图 3 可以看出， 随着 pH 的不断增高， SO2的脱 除效率持续增加， 并在 pH 值从 4 升到 5 时脱除效率 有一个明显的提高。这主要是因为 NaClO2在 pH 值 3 ～ 4 时， 会生成大量黄绿色的 ClO2气体， 该气体具 有很强的氧化性， 能够迅速把 SO2氧化成 SO3， SO3在 水中的溶解度更高， 因而加速了吸收。 同时可以看出， NO 的脱除效率随初始 pH 值的增 大而降低， 并在 pH 为 3 ～ 4 时达到最大值。这是因为 NO 在 NaClO2的吸收过程主要是依靠 ClO2的氧化作 用。而 ClO2的产生主要是当溶液 pH 值在 3 ～ 4 的 时侯。 由上分析可知， 当模拟烟气成分主要为 SO2并对 脱硝效率要求不高时， 应适当提高溶液的 pH 值。当 pH 值为 10 时， 脱硫效率可达到 85 以上， 脱硝效率 在 40 以上; 若想获得较好的同时脱硫脱硝效果， 吸 收液的 pH 值应控制在 5 左右， 此时脱硫效率可达到 80. 5 ， 脱硝效率可达到 62. 3 。 2. 3模拟烟气入口气速的影响 模拟烟气入口气速对脱除效率的影响如图 4 所 示， 其 中 NaClO2溶 液 浓 度 为 0. 15 mol/L， 温 度 为 25 ℃ ， pH 值为 5， NOx质量浓度为522 mg/m3， SO2质 量浓度为2685 mg/m3。 图 4模拟烟气入口气速对脱除效率的影响 从图 4 可以看出， 当入口风速达到 11m/s 时， 脱 硫效率达到最大值， 这是由于当气流速度从小到大 时， 气流的湍流程度加大， 气液搅动和接触加强， 强化 了气液传质效果， 使脱除效率有所提高。当气流速度 大到一定程度， 入口气速使 SO2和 NOx在吸收剂中 的停留时间缩短， 将导致 SO2和 NOx与吸收剂中活 性组分的接触反应时间缩短， 从而导致 SO2和 NOx的 脱除效率出现下降。 2. 4液气比的影响 液气比对 SO2和 NOx脱除效率的影响如图 5 所 示， 其 中 NaClO2溶 液 浓 度 为 0. 15 mol/L， 温 度 为 25 ℃ ， pH 值为 5， NOx初始质量浓度为 522 mg/m3， SO2初始质量浓度为 2690 mg/m3。 图 5液气比对脱除效率的影响 从图 5 可以看出， SO2的脱除效率随着液气比的 升高逐渐上升， 当液气比达到1. 2 L/m3的时候， 其脱 除效率达到最大值; 液气比小于1 L/m3时， 其脱除效 率效率不到 50 。液气比小于1 L/m3时， 由于当液 气比小于1 L/m3时， 伞罩型脱硫除尘塔的喷嘴所形成 的液面尚无法完全均匀的覆盖塔面， 气体从喷淋面与 塔 壁 之 间 的 缝 隙 中 大 量 漏 出。 当 液 气 比 超 过 1. 2 L/m3时， 脱除效率略微下降， 这主要是由于液体 流量的增加， 提高了喷淋液体的初始速度， 导致一部 分液体在伞型环表面发生了一定反弹， 破坏了伞型环 上气液传质液膜的均匀性。 2. 5反应时间对脱硫效率的影响 实验中， NaClO2溶液的浓度为0. 15 mol/L， 温度 为 25 ℃ ， pH 值为 5， 模拟烟气总流量为 395. 64 m3/ h。从 NaClO2加入塔内部开始计时， 当脱除效率低于 50 时停止计时， 获得反应时间对 SO2脱除效率的影 响如图 6 所 示。可 以 看 出 在 刚 加 入 NaClO2的 前 3 min， SO2的脱除效率随反应时间的增加而增加; 当 反应时间为3 min时， SO2的脱除率达到最大值; 当反 应时间为3 ～ 5 min时， 反应脱除效率保持相对稳定， 并维持最大值。而当反应时间超过5 min时， 脱硫效 率开始迅速下降。当反应时间超过12 min时， 脱硫效 率基本无变化， 达到最小值。 脱硫效率随反应时间呈先增加后下降的趋势。 分析其原因主要是反应刚开始时生成了大量具有强 氧化性的 ClO2， 而 NaClO2在酸性环境中的脱硫主要 依靠 ClO2氧化 SO2成为 SO3。在反应前3 min 内， 24 环境工程 2010 年 12 月第 28 卷第 6 期 ClO2的产生速率大于 ClO2反应消耗速率， ClO2浓度 的增加进一步增加了气液传质的浓度梯度， 因而在反 应开始的3 min内， 脱硫效率持续升高。 随着反应继续进行3 ～ 5 min时， ClO2的产生速率 小于 ClO2反应消耗速率， 使得脱硫效率开始下降。 当反应进行到8 min后， NaClO2开始大量消耗， ClO2 在反应器中的浓度迅速降低， 脱硫过程基本已无化学 促进作用， 只剩纯粹的物理作用， 脱硫效率降低至 50 。 1未进行吸收剂补充的 SO2脱除效率; 2在8 min时添加吸收剂的 SO2脱除效率 图 6反应时间对 SO2 脱除效率的影响 从图 6 可见， 在反应进行 7 ～ 8 min 的时候加入 新的 NaClO2溶液能够较好保持脱除效率的稳定。 从本实验可以发现， 用 NaClO2进行脱硫时， 应注 意控制反应时间， 并在反应中选择适当的时间补充吸 收剂以保证脱硫效率的稳定。综合考虑经济性和效 率， 在本实验中， 应在反应8 min左右时及时补充吸收 剂是较好的选择。 3结论 1 吸收剂初始浓度的提高和初始 pH 的降低能 够提高脱硝效率; 吸收剂初始浓度的提高和初始 pH 的升高能够提高脱硫效率。 2 SO2和 NOx的脱除效率随入口模拟烟气流速 的升高而略微升高， 在 11m/s 时脱除效率达到最大 值， 当流速继续增加时， 脱除效率明显降低。 3 SO2和 NOx的脱除效率随着液气比的升高而 迅速升高， 在液气比为 1. 2 L/m3的时候达到最大值， 当液气比继续升高时， 脱除效率稍有降低。 4 SO2的脱除效率在反应3 min之后达到最大 值， 反应持续8 min后， 其脱除效率迅速下降。 5 在伞罩型脱硫除尘塔内最佳的试验条件如 下 吸收液浓度为0. 15 mol/L， 反应温度为25 ℃ ， 初 始 pH 值为 5， 模拟烟气总流量为395. 64 m3/h， 入口 模拟烟气流速为11 m/s， 液气比为1. 2 L/m3。同时为 使脱除效率保持稳定， 应在7 ～ 8 min的时候对吸收剂 进行补充。 参考文献 ［1 ］ 戴树桂. 环境化学［M］ . 北京高等教育出版社，2003. ［2 ］李俊华. 陈建明. 郝克明. 控制大气污染化工技术的研究进展 ［J］ . 化工进展，2005，24 7 1- 7. ［3 ］ 赵毅， 马双忱. 烟气循环流化床同时脱硫脱氮试验研究［J］ . 中国电机工程学报，2005，25 2120 - 124. ［4 ］ Abboun N E，Chaaban F B，Tabanji W E. 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