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《太原理工大学》 2014年
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旋转填料床—磷酸钠湿式再生烟气脱硫基础研究

袁志国  
【摘要】:论文分析了我国SO2污染、硫资源需求及世界各国烟气脱硫技术研究进展和应用情况。其中,湿式再生烟气脱硫技术具有净化效率高、可降低PM2.5来源、吸收剂循环使用和回收S02资源等特点,更适合解决我国硫资源短缺和需求不断增长的矛盾。但是,因为该类技术还存在工艺流程长、投资大、再生能耗和成本高,亚硫酸盐易氧化成热稳定性硫酸盐和吸收剂稳定性差而导致消耗大、脱硫率和S02回收率低、设备结垢和堵塞等系列问题,目前的应用比例还不到5%。因而,选择或开发合适的可再生脱硫剂,改进工艺和装备将是提升再生烟气脱硫技术的根本出路,也将是我国今后烟气脱硫发展的一个主要方向。为此,本文选用了热稳定性和化学稳定性好、廉价易得、可再生的磷酸钠盐缓冲溶液作为烟气脱硫剂,以强化传质、传热效果显著的旋转填料床为吸收和解吸设备,进行了旋转填料床-磷酸钠盐缓冲溶液烟气脱硫的理论和实验研究,为其工业化应用提供理论依据和科学数据。在脱硫理论方面,论文通过分析磷酸钠盐缓冲溶液烟气脱硫机理,结合多元缓冲溶液理论、化学平衡和相平衡原理,建立了磷酸钠盐及其脱硫溶液中离子的分布系数、缓冲容量、理论硫容量和相平衡等方程;借助MATLAB软件的数值计算,从理论上计算并分析了脱硫溶液的酸浓度、pH值和气相SO2分压等对分布系数、缓冲容量和理论硫容量的影响;通过实验测定磷酸钠盐溶液的缓冲容量随pH值的变化规律,实验结果与理论计算接近,不过溶液实际的缓冲pH值范围变宽,更符合烟气脱硫的要求;确定了溶液实现S02吸收与解吸良性循环的pH值范围为4.5-7,溶液中主要起缓冲作用的是NaH2PO4和Na2HPO4,为磷酸钠盐溶液烟气脱硫实验和优化提供了理论指导。在传质性能研究方面,论文通过对磷酸钠盐溶液脱硫机理以及脱硫过程传质分析,得出吸收SO2的速率主要受传质速率控制,需要通过创新脱硫设备和工艺来提高强化传质和脱硫效率。为此,分别以高效传质设备——旋转填料床和高效填料塔作为吸收设备,磷酸钠盐缓冲溶液为吸收剂,进行了模拟烟气脱硫过程的传质和脱硫性能实验,研究了工艺参数(β、U、u、CP和初始pH值、y1等)、气液接触方式、吸收装置、填料类型和结构等对气相总体积传质系数Kya的影响。结果表明:在相同条件下,旋转填料床的Kya比高效填料塔提高了1个数量级,其强化传质效果显著;分层填料旋转床的Ky比充满填料的提高了50%以上;0环填料旋转床的Kya比波纹丝填料的提高15%左右;逆流吸收工艺的Kya略高于并流吸收工艺,但在较高喷淋密度(7 m3/m2-h)下,前者的Kya略低于后者。应用MATLAB软件中的非线性回归程序,对旋转床充满填料和分层填料分别在并流和逆流吸收工艺下的实验数据进行了拟合,得到本试验范围内旋转床脱硫的Kya与β、u和U等操作参数的关联式:Kya=mβaubUc,模型的平均误差为(2.82-7.85)%,能够较好的反应操作参数对旋转填料床中磷酸钠脱硫过程的传质系数的影响规律。在脱硫工艺研究方面,重点考察了旋转填料床中并流吸收和逆流吸收两种工艺下的脱硫率η受工艺参数(β、L/G、u、CP、初始pH值、C1和t等)、填料类型和结构等因素的影响规律。结果表明:吸收液的初始pH值、L/G和β对η的影响均较为显著;两种吸收工艺下的η均随初始pH值、L/G、β和Cp的增大而增大,且增加速率逐渐减小;随吸收液温度的升高而降低;在较高U(7 m3/m2·h)下,随C1和u的升高先是略微增加后降低,且变化幅度较小,而在较低U(4 m3/m2·h)下,随C1和u的升高而降低,且并流的η呈快速下降趋势。在相同工艺条件下,并流的η低于逆流,但随着L/G、β、初始pH值的增加,两者的差距逐渐缩小;θ环填料旋转床的η高于波纹丝填料旋转床。吸收工艺的适宜条件:初始pH值5.5-6,t50℃,并流:L/G=(2~3)L/m3,β=80~100,Cp=1.5 mol/L左右,逆流:L/G=(1.5~2) L/m3,β=80左右,Cp=(1~1.5)mol/L,在u=(0.3~1.2)m/s,C1低于14g/m3下,两种工艺的η高于98%,C2可低于200mg/m3或100 mg/m3,甚至50 mg/m3,达到国家新的排放标准。在再生工艺研究方面,以旋转填料床和填料塔两种设备进行了脱硫富液再生实验,重点考察了两种设备的再生工艺参数对解吸率的影响,并在相近条件下进了行对比实验研究。结果表明:两种设备均能够对磷酸钠脱硫富液进行有效解吸,其解吸率可达到88%以上,旋转填料床的解吸率要高于后者4%以上,且富液预热温度可降低5℃;两者的解吸率随富液的预热温度、S02浓度、汽液比的增加而增加,随富液pH值、富液流量和磷酸浓度的增加而下降。塔再生工艺的适宜参数:富液pH5、L=30 L/h左右、汽液比1000m3/m3左右、Gp≤2 mol/L、t≥95℃,其解吸率可达88%以上。旋转床再生工艺的适宜参数:β=60~80,富液pH5、L=20 L/h左右、汽液比800 m3/m3左右、Cp≤3 mol/L、t=90℃左右,解吸率可达91%以上。旋转填料床中10次重复吸收与解吸实验表明:脱硫率衰减仅为0.05%,而解吸率略有上升,亚硫酸钠盐的氧化速率只有0.003 mol/(L·h),仅为填料塔中磷酸钠法和亚硫酸钠循环法的7.9%和1.7%。在并流吸收和解吸的适宜条件下,旋转填料床-磷酸钠湿式再生脱硫工艺连续运行5h的实验结果表明,脱硫率和解吸率分别稳定在98.2%和81.1%左右,出口SO2浓度稳定在100 mg/m3左右,优于烟气排放标准。
【学位授予单位】:太原理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:X701;TQ028.17

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