1、超重力尿素濕法煙氣脫硝技術(shù)的研究分析 通過(guò)考察氮氧化物濕法吸收機(jī)理,對(duì)NOx液相吸收的傳質(zhì)理論舉行了相關(guān)分析。采用定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器(RSR)作為新型吸收設(shè)備,對(duì)尿素溶液吸收氮氧化物廢氣的工藝條件舉行了實(shí)驗(yàn)研究,考察了液體流量、進(jìn)氣流量、定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器轉(zhuǎn)速、尿素含量及吸收溫度等因素對(duì)NOx脫除率的影響,決定了脫除NOx的最佳條件。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)為SS-RH這種組合,最佳操作參數(shù)為液體流量0.2m3/h、進(jìn)氣流量0.2m3/h、定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器轉(zhuǎn)速1400r/min、尿素溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%、吸收溫度60。在此條件下,NOx的脫除率可達(dá)到63%。 氮氧化物(NOx)是造成大氣污

2、染的主要污染源之一,通常所說(shuō)的NOx主要包括N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4、N2O5等,其中污染大氣的主要是NO和NO2,NOx的排放控制技術(shù)始終是發(fā)達(dá)國(guó)家的關(guān)注重點(diǎn)。 國(guó)內(nèi)外常用的煙氣脫硝技術(shù)大致可分為干法和濕法兩大類。干法煙氣脫硝主要有催化法、吸附法、等離子體治理技術(shù)、微波法和光催化氧化法等;濕法煙氣脫硝主要有酸吸收法、堿溶液吸收法、氧化吸收法、液相還原吸收法、液相絡(luò)合吸收法等。 尿素吸收分解還原法屬于濕法中的液相還原吸收法,吸收完成后的廢液經(jīng)補(bǔ)充尿素循環(huán)使用,不產(chǎn)生污染的廢棄水體,避開(kāi)了傳統(tǒng)水洗法、堿吸收法、抉擇性催化氨還原法等工藝存在的酸性污染、副反應(yīng)多、副產(chǎn)品難于回收等問(wèn)題

3、,比較符合環(huán)保的要求,因此尿素在控制NOx排放中的用途不斷增強(qiáng)。 之前,舉行煙氣脫硝的設(shè)備主要有吸收塔和旋轉(zhuǎn)填充床。定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器7是在綜合旋轉(zhuǎn)填充床的端效應(yīng)區(qū)和空腔區(qū)強(qiáng)化傳質(zhì)作用,以及改善液體的周向分布的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出來(lái)的新型過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備。它發(fā)揮了旋轉(zhuǎn)填充床高效傳質(zhì)和微觀混合性能的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)也克服了其內(nèi)部液體一次性分布及內(nèi)置填料不易清洗的缺點(diǎn)。 目前,定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器的研究主要集中在納米材料的制備、氣液傳質(zhì)及壓降特性、傳熱特性、微觀混合等方面的研究。但是有關(guān)定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器在氣體吸收方面的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。 本文以定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器為吸收設(shè)備,以尿素溶液作為吸收劑,對(duì)液體流量、進(jìn)氣流量、定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器轉(zhuǎn)

4、速、尿素溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)及吸收溫度等因素舉行了考察,從而得出最佳操作參數(shù)。 1、試驗(yàn)部分 1.1、尿素脫硝機(jī)理 NOx通過(guò)分子蔓延和湍流蔓延作用從兩相界面蔓延到液相主體。在液相中形成HNO3和HNO2,分離電離成H+、NO-3和NO-2,生成的NO-2與(NH2)2CO反應(yīng)生成N2和CO2等。尿素溶液吸收NOx的反應(yīng)過(guò)程為 2NO+O22NO2 2NO2N2O4 NO+NO2N2O3 N2O3+H2O2HNO2 N2O4+H2OHNO2+HNO3 2NO2+H2OHNO2+HNO3 2HNO2+(NH2)2CO2N2+CO2+3H2O 化學(xué)反應(yīng)式為 (NH2)2CO+NO+NO22N2+CO2+2

5、H2O 由上述機(jī)理可見(jiàn),NOx的脫除主要是通過(guò)NO氧化,隨后溶于水溶液,與尿素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)達(dá)到脫除的目的。其中的尿素溶液則直接與溶于液相的NOx反應(yīng),而NOx由氣態(tài)轉(zhuǎn)入水相主要是通過(guò)NOx在溶液中的吸收平衡來(lái)實(shí)現(xiàn)。NOx在水相中的存在形態(tài)較為復(fù)雜,溶于水中的NOx可以被液相中氧化劑氧化成NO3-。 1.2、試驗(yàn)裝置及工藝流程 1.2.1、試驗(yàn)裝置 定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其核心部分由定子和轉(zhuǎn)子組成,其中沒(méi)有填料。定子由固定在端蓋上的同心羅列的圓柱構(gòu)成,開(kāi)有圓孔的同心環(huán)通過(guò)螺釘銜接在轉(zhuǎn)子座上構(gòu)成轉(zhuǎn)子。同心環(huán)在圓周上有流體通道,定子上的多層同心環(huán)與轉(zhuǎn)子上的多層同心環(huán)的直徑不等,交錯(cuò)在一起。

6、 定子通過(guò)端蓋固定在殼體上,轉(zhuǎn)子通過(guò)轉(zhuǎn)子座與電機(jī)轉(zhuǎn)軸銜接,電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。流體在定子和轉(zhuǎn)子之間流淌的過(guò)程中受到高度剪切,被破裂凝聚并不斷地舉行再分布,相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)填充床中多個(gè)端效應(yīng)區(qū)和空腔區(qū)的疊加,增強(qiáng)了表面更新速率及流體的湍流程度,促進(jìn)了兩相之間的傳質(zhì)。 試驗(yàn)所使用的定子和轉(zhuǎn)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)為SS-RH這種組合,該定子徑向開(kāi)直槽-轉(zhuǎn)子徑向開(kāi)孔的傳性能相對(duì)于其他結(jié)構(gòu)比較好,詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。 本文所用的定子的4個(gè)同心環(huán)的內(nèi)徑分離為66,94,122,150mm;轉(zhuǎn)子的5個(gè)同心環(huán)的內(nèi)徑分離為52,80,108,136,164mm。在徑向上轉(zhuǎn)子環(huán)與定子環(huán)是互相交叉羅列的,每個(gè)環(huán)的厚度為6mm,徑向

7、上轉(zhuǎn)子環(huán)與定子環(huán)有1mm的間隙。定-轉(zhuǎn)子層的軸向高度為20mm。 1.2.2、工藝流程 采用定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器舉行尿素濕法煙氣脫硝的試驗(yàn)流程如圖3所示。 將預(yù)先配制的一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的尿素溶液置于循環(huán)罐中,經(jīng)循環(huán)泵輸送,由流量調(diào)整閥調(diào)整并經(jīng)流量計(jì)計(jì)量后,由液體進(jìn)口處進(jìn)入定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器中,經(jīng)噴頭噴至轉(zhuǎn)子中心處,在離心力的作用下經(jīng)過(guò)多層定子和轉(zhuǎn)子向外甩出,在重力作用下從液體出口排出并且重新流入循環(huán)罐中。 空氣由空氣壓縮機(jī)經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)入氣體緩沖瓶中,并且與從NO鋼瓶出來(lái)的NO氣體在氣體緩沖瓶中互相混合,混合后的氣體在氣體檢測(cè)口處對(duì)其舉行取樣分析,之后從氣體入口處進(jìn)入定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器殼體,混合氣自轉(zhuǎn)子外圈向內(nèi)

8、運(yùn)動(dòng),與尿素溶液逆流接觸并舉行傳質(zhì)。在氣體出口檢測(cè)口處對(duì)從定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器中排出的廢氣舉行取樣分析,之后用NaOH溶液對(duì)其舉行回收處理。 1.3、檢測(cè)方法 進(jìn)出口氣體采用儀器檢測(cè)方法。檢測(cè)儀器為德國(guó)ecom-CN產(chǎn)品S/N-259型煙氣分析儀。NOx的脫除率(D)計(jì)算公式為 2、結(jié)果與爭(zhēng)論 2.1、液體流量、進(jìn)氣流量對(duì)NOx脫除率的影響 液體流量以及模擬煙氣進(jìn)氣流量的大小,對(duì)NOx的脫除率有較大的影響。采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的尿素溶液作為吸收液,吸收溫度控制在60左右,定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器的轉(zhuǎn)速為1200r/min,模擬煙氣中NOx的質(zhì)量濃度也許在1000mg/m3。分離考察了液體流量為0.2,0.3,

9、0.4,0.5和0.6m3/h時(shí),NOx的脫除率隨不同進(jìn)氣流量的變化趨勢(shì)以及進(jìn)氣流量為0.2,0.4,0.6,0.8和1.0m3/h時(shí),NOx的脫除率隨不同液體流量的變化趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。 從圖4可以看出,在NOx濃度不變時(shí),在同一進(jìn)氣流量下,隨著液體流量的增強(qiáng),NOx的脫除率變化不顯然。這是因?yàn)樵谳^小進(jìn)氣流量的狀況下,可以認(rèn)為氣液徹低接觸,此時(shí)NOx的脫除率已經(jīng)達(dá)到了最值。隨著液體流量的增強(qiáng),當(dāng)液氣比增大到一定的程度后,相比于該系統(tǒng)下較小的進(jìn)氣流量,因?yàn)橐后w流量大大過(guò)量,因此NOx脫除率的增強(qiáng)程度有限?？紤]到吸收效率和處理能力兩方面的問(wèn)題,本工藝流程下較合適的液體流量為0.2m3/h

10、。 從圖4還可以看出,在同一液體流量下,NOx的脫除率隨著進(jìn)氣流量的增強(qiáng)而下降。這是因?yàn)樵撨^(guò)程非傳質(zhì)控制過(guò)程,而是反應(yīng)控制過(guò)程。隨著進(jìn)氣流量的增強(qiáng),NOx在尿素吸收液中的停歇時(shí)光將減短,氣液接觸時(shí)光削減,NOx的脫除率下降。因此在實(shí)際操作中,應(yīng)控制一定的進(jìn)氣流量,以保證達(dá)到預(yù)期的凈化效果。綜合處理能力和吸收效率兩方面因素來(lái)考慮,本工藝流程下較合適的進(jìn)氣流量為0.2m3/h。 2.2、定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器轉(zhuǎn)速對(duì)NOx脫除率的影響 定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器轉(zhuǎn)速也是一個(gè)重要的操作條件。采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的尿素溶液作為吸收液,模擬煙氣進(jìn)氣流量為0.2m3/h,液體流量為0.2m3/h,吸收溫度控制在60左右,模擬煙

11、氣中NOx的質(zhì)量濃度也許在1000mg/m3。分離考察了定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器轉(zhuǎn)速分離為400,600,800,1000,1200和1400r/min時(shí)NOx脫除率的變化趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。 由圖5可以看到,隨著定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器轉(zhuǎn)速的增強(qiáng),NOx的脫除率有所增大。這是強(qiáng)化傳質(zhì)的結(jié)果,因?yàn)樵撐者^(guò)程為反應(yīng)控制過(guò)程,因此NOx脫除率的增強(qiáng)程度有限?？紤]到電機(jī)額定功率的限制,定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器轉(zhuǎn)速不能無(wú)限地增大,因此需要按照要求決定適宜的轉(zhuǎn)速范圍。綜合考慮,本實(shí)驗(yàn)定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器轉(zhuǎn)速控制在1400r/min左右較為合適。 2.3、尿素含量對(duì)NOx脫除率的影響 通過(guò)轉(zhuǎn)變尿素含量來(lái)研究其對(duì)NOx脫除率的影響。模擬

12、煙氣進(jìn)氣流量為0.2m3/h,液體流量為0.2m3/h,吸收溫度控制在60左右,定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器的轉(zhuǎn)速為1400r/min,模擬煙氣中NOx的質(zhì)量濃度也許在1000mg/m3?？疾炝四蛩厝芤旱馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)分離為5%,10%,15%,20%和25%時(shí)NOx脫除率的變化趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。 從圖6可以看出,隨著尿素含量的增強(qiáng),NOx的脫除率漸漸增強(qiáng)。用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的尿素溶液吸收NOx,其脫除率臨近56%;當(dāng)吸收液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增強(qiáng)到25%時(shí),脫除率臨近61%。尿素溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)20%后對(duì)NOx脫除率的提高不是很顯著。 由尿素溶液還原分解氮氧化物的反應(yīng)機(jī)理可以看出,尿素含量的多少對(duì)NOx的脫除率有一定

13、的關(guān)系。增強(qiáng)溶液中尿素的含量有利于反應(yīng)向正方向舉行,但是在實(shí)際應(yīng)用中考慮到煙氣脫硝的經(jīng)濟(jì)性,尿素含量越高,運(yùn)行成本也越高,因此尿素含量是不能無(wú)限制地提高的,從脫硝效率和經(jīng)濟(jì)性兩方面綜合考慮,在后續(xù)試驗(yàn)研究其他工藝條件對(duì)尿素脫硝效果的影響時(shí),可采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的尿素溶液作為吸收液。 2.4、吸收溫度對(duì)NOx脫除率的影響 吸收溫度是尿素濕法脫硝的影響因素之一。一般濕法吸收反應(yīng)的溫度在2070之間,因此,控制吸收溫度在常溫到70之間。 其他的試驗(yàn)條件為模擬煙氣進(jìn)氣流量為0.2m3/h,液體流量為0.2m3/h,定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器的轉(zhuǎn)速為1400r/min,尿素溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%,模擬煙氣中NOx的質(zhì)量濃度也許在1000mg/m3?？疾煳諟囟葘?duì)NOx脫除率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。 從圖7可以看出,在溫度較低時(shí),NOx的脫除率隨著吸收溫度的上升而增強(qiáng);當(dāng)溫度上升至60后,NOx的脫除率隨著吸收溫度的上升變化不顯然。 這是由于在低溫時(shí),反應(yīng)速率常數(shù)隨溫度的升高而增大,總效果是NOx的脫除率增強(qiáng)。當(dāng)溫度連續(xù)上升達(dá)到60后,由亨利定律可知,NOx的溶解度減小,未溶于尿素溶液的NOx難以得到脫除,另一方面還可能因?yàn)镹O氧化成NO2的反應(yīng)速率下降,反應(yīng)生成的HNO2削減,NOx的脫除