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环 境 工 程
2008年10月第26卷第5期
动力波洗涤器脱硫试验研究
陈常蕊 孙国刚 谭华平
(中国石油大学(北京) 化学科学与工程学院, 北京102249)
*
摘要 采用动力波洗涤器冷模试验装置, 在不加脱硫剂的情况下, 考察各操作参数(液气比、p H 值) 及液柱喷射方式(逆喷、顺喷) 对脱硫效率的影响, 并对不同水质的清水(自来水、去离子水) 的脱硫效率进行对比分析。结果表明:自来水的脱硫效率随液气比的增加而增大; 逆喷时的脱硫效率明显高于顺喷; 液气比>7时, 逆喷的脱硫效率在75%以上; 自来水的脱硫效率较去离子水要高; 撞击流有强化吸收的特性。关键词 烟气脱硫 去离子水 传质
0 引言
炼油厂排放的SO X 约占其总排放量的6%~7%, 国内外学者研究开发了多种烟气脱硫技术及设备。动力波(Dyna Wave) 洗涤是工业烟气净化领域的一项先进技术。它利用气液两相在管道中高速逆向对撞, 形成一个高速湍动的泡沫区, 从而充分地利用了气流及液流两相的能量, 具有气液分散混合充分, 能同时完成除尘和脱硫两项任务, 设备尺寸小, 阻力适中, 操作弹性宽, 洗涤排液中C OD(化学需氧量) 低等优点。适用于炼油厂烟气SO 2浓度低的特点。该技术在国外已应用于许多工业过程, 已建造了约300套动力波洗涤装置, 其中用于炼油厂的就有15套
[2-3][1]
距洗涤管上方760mm 。模拟烟气用空气与SO 2钢瓶出来的纯SO 2气体混合而成, 模拟烟气经计量后由洗涤器的顶部进入, 与喷头喷出的洗涤液相遇发生碰撞, 洗涤后的气体与洗涤液一同下行, 洗涤液进入回流槽循环利用, 气体经气液分离器除液后放空。
1 离心风机; 2 SO 2钢瓶; 3 流量计; 4 混合器; 5 循环泵;
6 进口取样口; 7 清水池; 8 清水泵; 9 洗涤器;
10 除雾器; 11 出口取样口。
图1 实验装置流程
。与其他洗涤技术相比, 动力波洗涤具有更高
的净化效率及强化吸收的特性。为了系统的考察动力波洗涤器的吸收特性, 本项目在不加脱硫剂的情况下, 试验考察了操作参数对动力波洗涤脱硫效果的影响。1 试验
1 1 装置及流程
中国石油大学(北京) 过程装备实验室对动力波洗涤器进行一系列研究, 从基本流动规律和流型研究到气液传质和脱硫效果测试等方面获得一些成果。
试验装置及流程如图1, 由模拟烟气发生系统、吸收液循环系统、洗涤器和液沫分离器四部分组成。洗涤器由洗涤管和动力波喷头构成, 洗涤管由 90mm 5mm 聚丙烯有机玻璃制造, 高1800mm; 洗涤管的中部装有一个洗涤液喷头, 结构如图2。喷嘴
*国家重点基础研究发展计划项目(2005CB221201) , 中国石化科技
。
[4]
图2 动力波喷头示意
1 2 液柱喷射方式
试验采用两种液柱喷射方式:顺喷和逆喷。如图3所示, 逆喷时烟气从洗涤管顶部进入, 由上向下流动, 洗涤液由下向上喷射与烟气逆向接触, 形成一个强烈湍动的液膜泡沫区。这种喷射方式是动力波洗涤器最常用的喷射方式。顺喷时, 保持喷嘴出口位置与逆,
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烟气同向接触,
顺喷时不能形成明显的泡沫区。2 2 液气比及喷射方式对脱硫效率的影响
液气比的大小直接影响脱硫装置的投资(如塔、泵、管道) 和运行费用(如电耗) , 是一个重要的操作参数。本试验采用自来水, 分别考察了保持气速不变(15 03m s) 的条件下通过改变液速来改变液气比L G 和保持液速不变(11 06m s) 的条件下通过改变气速来改变液气比L G 两种情况下液气比L G 对脱硫效率的影响。图4是pH=6时的结果。
由图4中可见, 两种情况下, 脱硫效率均随液气比L G 的增加而增大, 且两者变化的过程基本相同, 在液气比较小时(L G7以后, 随着液气比的增加变得较缓慢。
固定气速, 液气比L G 增加, 实际上气速不变而液速增加。液速增加一方面使气液接触表面积增加, 降低了液相阻力, 有利于增加吸收速率。另一方面因洗涤液的量一定, 吸收SO 2的能力一定, 随着试验的进行, 吸收SO 2的能力减弱, 脱硫率增加的趋势变缓。
图3 洗涤段气液两相流接触方式示意
1 3 主要试验参数分析方法
试验在常温下进行, 测得试验用清水的水温为20 。试验中气速用皮托管测量, 循环洗涤液流量用转子流量计测量, 洗涤液pH 值用F20-A 型便携式酸度计测定, 精度为0 02。模拟烟气进出口浓度采用英国Kane 公司生产的KM900CS 型手持式烟气分析仪测定, 测量范围为0~14300mg m 。根据洗涤管进出口烟气中的SO 2浓度计算脱硫效率: =1-C out
100%。试验的洗涤液采用清水(自来C in
3
3
3
水、去离子水) , 试验气流量50~900m h 。进气的SO 2质量浓度1200~1310mg m , pH 为6时将洗涤液排放, 改变被洗涤的烟气流量、循环洗涤液流量、喷射方式、不同水质清水, 考察各因素对脱硫效率的影响。2 结果分析2 1 清水脱硫机理
SO 2溶于水是一个可逆过程, 当水进入脱硫装置时, 由于烟气中的SO 2浓度比水中高, 因此SO 2就会溶解到水里, 同时溶解在水中的SO 2也会挥发至烟气中, 这一过程为可逆过程。在初始阶段溶解速度大于挥发速度, 随着水中SO 2浓度升高, 这一过程最终将达到平衡。溶解在水中的SO 2电离出氢离子和亚硫酸氢根离子, 同时氢离子和亚硫酸氢根离子又会合成亚硫酸, 该过程也为可逆过程。同样, 随着水中氢离子浓度增加, 这一过程也会达到平衡。当水的碱度较高时, 水中含有的C O 3和HCO 3会消耗氢离子, 促使H 2SO 3电离, 从而使SO 2进一步溶解, 提高了SO 2溶解度。当水从脱硫装置中排出时, 溶解在水中的SO 2
[5]
--
1 逆喷, 脱硫效率; 2 顺喷, 脱硫效率; 3 逆喷, 压降。
a -表观气速15 03m s; b -表观液速1 06m s 。图4 脱硫效率、压降与液气比的关系
固定液速, 液气比L G 增加, 实际上是液速不变而气速减小。气速减小, 气液碰撞程度降低, 气液接触表面积减小, 因此吸收速率减小, 但是由于气速减小, 洗涤气量减小, 洗涤气体中SO 2绝对量就减少, 尽,
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不变, 因此当液气比增加时, 也就是处理气量减小时, 脱硫效率将增加, 这在液气比较小时表现更加明显, 图4b 中的转折点就说明了这个问题。
同时, 从图中可看出, 在相同工况下, 逆喷时的脱硫效率明显高于顺喷时的脱硫效率。这由于一方面逆喷时撞击面上滴粒间的碰撞和气流对滴粒的剪切力作用, 原来的滴粒可能再雾化, 从而增加传质面积并促进液滴表面更新; 另一方面, 因滴粒间碰撞、滴粒变形、剪切力和表面张力(Marangoni 效应)
[6]
试验结果表明, 在不加任何脱硫介质的情况下, 撞击流用于自来水脱硫具有较高的脱硫效率。尤其在新水中刚通入SO 2气体时, 其脱硫效率最高, 尔后随着时间的延长, 脱硫效率逐步下降。与烟气净化器纯水水浴脱硫试验相比较, 撞击流洗涤器中溶液达到饱和的时间很短, 说明撞击流确实强化了传质过程。
2 4 不同水质的脱硫性能比较
从上述逆喷洗涤器清水脱硫试验中可以看出清水具有较高的脱硫效率, 为进一步了解自来水的水质对洗涤器脱硫性能的影响, 实验室进行了去离子水脱硫的冷模试验, 试验采用昌平化庄自来水厂水质分析见表1, 保持2 3中的试验条件, 结果见图6、图7。 从图6、图7可以看到, 无论是采用自来水还是采用去离子水, 相同工况下, 脱硫效率、pH 值随反应时间的变化趋势一致, 高液速时, 脱硫效率随反应时间急剧下降, 低液速时, 脱硫效率随反应时间的变化比较平缓。高、低液速下pH 值变化趋势基本一致, 但低液速较高液速时pH 值随反应时间的变化要快一些, 说明泡沫流确实强化了传质。采用去离子水时洗涤器的脱硫效率较采用自来水时要低, 同时, 反应时间也明显缩短。采用去离子水时反应前段时间pH 值下降速度较采用自来水时明显要快。以上结果表明:自来水的碱度(指自来水中含有的碳酸钙、碳酸镁等) 对脱硫效率的影响较大。
表1 自来水厂出厂水化学指标检验结果 mg L
测试指标
pH
耗氧量(以氧气计)
硫酸盐氯化物溶解性总固体总硬度(以碳酸钙计)
总铁锰铜锌
[1**********]500 30 11 01 00 2国家标准6 5~8 5
测定结果
7 61 0638 135 4430303
[7]
引起界面和滴粒内
部环流。这些因素都使得传质过程得到强化, 因此逆喷时的脱硫率明显高于顺喷时的脱硫率。2 3 脱硫率、pH 值随时间的变化
图5是自来水脱硫效率、pH 值随时间的变化曲线, 本试验考察了气速15 03m s 、液速5 53m s 和气速15 03m s 、液速16 59m s 两种工况下的脱硫效率和pH 值随反应时间的变化情况。从图中可以看出, 脱硫率和pH 值均随反应时间下降; 这是因为, 在气-液撞击流体系中, 相间或滴粒间碰撞产生的剪切力可导致滴粒破碎, 增大其表面积并促进表面更新, 从而增大传质速率。这些因素都强化了SO 2
的吸收。
-气速15 03m a s; 液速5 53m s; b -气速15 03m s; 液速16 59m s 。图5 脱硫率、pH 值随时间的变化
铝亚硝酸盐
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3 结论
(1) 动力波洗涤器的清水脱硫效率随液气比的增加而增大。
(2)逆喷时脱硫效率明显高于顺喷时的脱硫效率; 常温下当pH=6, 液气比>7时, 逆喷的脱硫率高于75%。
(3) 在SO 2气体冷态纯水试验过程中, 初始脱硫率较高(在气速15 03m s 、液速16 59m s 的情况下, 初始脱硫效率可达到95%以上) , 尔后随着洗涤液吸收SO 2趋于饱和而迅速下降。
1 自来水, 气速15 03m s, 液速16 59m s; 2 自来水, 气速15 03m s, 液速5 53m s; 3 去离子水, 气速15 03m s, 液速16 59m s; 4 去离子水, 气速15 03m s, 液速5 53m s 。
图6
两种水质的脱硫效率比较
(4) 自来水的脱硫效率明显高于去离子水, 说明碱度对脱硫效率的影响较大。
参考文献
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1 自来水, 气速15 03m s, 液速5 53m s; 2 去离子水, 气速15 03m s, 液速16 59m s; 3 自来水, 气速15 03m s, 液速16 59m s; 4 去离子水, 气速15 03m s, 液速5 53m s 。
图7 两种水质的pH 值比较
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2008-02-28收稿
(上接第82页)
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2
ENVIR ONMENTAL ENGINEERING
Vol 26, No 5, Oc tober, 2008
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