超重力尿素湿法烟气脱硝技术的研究分析.doc

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1、超重力尿素湿法烟气脱硝技术的研究分析通过考察氮氧化物湿法吸收机理,对NOx液相吸收的传质理论进行了相关分析。采用定-转子反应器(RSR)作为新型吸收设备,对尿素溶液吸收氮氧化物废气的工艺条件进行了试验研究,考察了液体流量、进气流量、定-转子反应器转速、尿素含量及吸收温度等因素对NOx脱除率的影响,确定了脱除NOx的最佳条件。试验结果表明,对定-转子反应器内部结构为SS-RH这种组合,最佳操作参数为液体流量0.2m3/h、进气流量0.2m3/h、定-转子反应器转速1400r/min、尿素溶液质量分数20%、吸收温度60。在此条件下,NOx的脱除率可达到63%。氮氧化物(NOx)是造成大气污染的主

2、要污染源之一,通常所说的NOx主要包括N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4、N2O5等,其中污染大气的主要是NO和NO2,NOx的排放控制技术一直是发达国家的关注重点。国内外常用的烟气脱硝技术大致可分为干法和湿法两大类。干法烟气脱硝主要有催化法、吸附法、等离子体治理技术、微波法和光催化氧化法等;湿法烟气脱硝主要有酸吸收法、碱溶液吸收法、氧化吸收法、液相还原吸收法、液相络合吸收法等。尿素吸收分解还原法属于湿法中的液相还原吸收法,吸收完成后的废液经补充尿素循环使用,不产生污染的废弃水体,避免了传统水洗法、碱吸收法、选择性催化氨还原法等工艺存在的酸性污染、副反应多、副产品难于回收等问题,比较符合

3、环保的要求,因此尿素在控制NOx排放中的用途不断增加。之前,进行烟气脱硝的设备主要有吸收塔和旋转填充床。定-转子反应器7是在综合旋转填充床的端效应区和空腔区强化传质作用,以及改善液体的周向分布的基础上设计出来的新型过程强化设备。它发挥了旋转填充床高效传质和微观混合性能的优点,同时也克服了其内部液体一次性分布及内置填料不易清洗的缺点。目前,定-转子反应器的研究主要集中在纳米材料的制备、气液传质及压降特性、传热特性、微观混合等方面的研究。但是有关定-转子反应器在气体吸收方面的研究尚未见报道。本文以定-转子反应器为吸收设备,以尿素溶液作为吸收剂,对液体流量、进气流量、定-转子反应器转速、尿素溶液质量

4、分数及吸收温度等因素进行了考察,从而得出最佳操作参数。1、实验部分1.1、尿素脱硝机理NOx通过分子扩散和湍流扩散作用从两相界面扩散到液相主体。在液相中形成HNO3和HNO2,分别电离成H+、NO-3和NO-2,生成的NO-2与(NH2)2CO反应生成N2和CO2等。尿素溶液吸收NOx的反应过程为2NO+O22NO22NO2N2O4NO+NO2N2O3N2O3+H2O2HNO2N2O4+H2OHNO2+HNO32NO2+H2OHNO2+HNO32HNO2+(NH2)2CO2N2+CO2+3H2O化学反应式为(NH2)2CO+NO+NO22N2+CO2+2H2O由上述机理可见,NOx的脱除主要是

5、通过NO氧化,随后溶于水溶液,与尿素发生化学反应达到脱除的目的。其中的尿素溶液则直接与溶于液相的NOx反应,而NOx由气态转入水相主要是通过NOx在溶液中的吸收平衡来实现。NOx在水相中的存在形态较为复杂,溶于水中的NOx可以被液相中氧化剂氧化成NO3-。1.2、实验装置及工艺流程1.2.1、实验装置定-转子反应器的结构如图1所示。其核心部分由定子和转子组成,其中没有填料。定子由固定在端盖上的同心排列的圆柱构成,开有圆孔的同心环通过螺钉连接在转子座上构成转子。同心环在圆周上有流体通道,定子上的多层同心环与转子上的多层同心环的直径不等,交叉在一起。定子通过端盖固定在壳体上,转子通过转子座与电机转

6、轴连接,电机转动带动转子旋转。流体在定子和转子之间流动的过程中受到高度剪切,被破碎分散并不断地进行再分布,相当于旋转填充床中多个端效应区和空腔区的叠加,增加了表面更新速率及流体的湍流程度,促进了两相之间的传质。实验所使用的定子和转子内部结构为SS-RH这种组合,该定子径向开直槽-转子径向开孔的传性能相对于其他结构比较好,具体结构如图2所示。本文所用的定子的4个同心环的内径分别为66,94,122,150mm;转子的5个同心环的内径分别为52,80,108,136,164mm。在径向上转子环与定子环是相互交错排列的,每个环的厚度为6mm,径向上转子环与定子环有1mm的间隙。定-转子层的轴向高度为

7、20mm。1.2.2、工艺流程采用定-转子反应器进行尿素湿法烟气脱硝的实验流程如图3所示。将预先配制的一定质量分数的尿素溶液置于循环罐中,经循环泵输送,由流量调节阀调节并经流量计计量后,由液体进口处进入定-转子反应器中,经喷头喷至转子中心处,在离心力的作用下经过多层定子和转子向外甩出,在重力作用下从液体出口排出并且重新流入循环罐中。空气由空气压缩机经转子流量计进入气体缓冲瓶中,并且与从NO钢瓶出来的NO气体在气体缓冲瓶中相互混合,混合后的气体在气体检测口处对其进行取样分析,之后从气体入口处进入定-转子反应器壳体,混合气自转子外圈向内运动,与尿素溶液逆流接触并进行传质。在气体出口检测口处对从定-

8、转子反应器中排出的废气进行取样分析,之后用NaOH溶液对其进行回收处理。1.3、检测方法进出口气体采用仪器检测方法。检测仪器为德国ecom-CN产品S/N-259型烟气分析仪。NOx的脱除率(D)计算公式为2、结果与讨论2.1、液体流量、进气流量对NOx脱除率的影响液体流量以及模拟烟气进气流量的大小,对NOx的脱除率有较大的影响。采用质量分数为15%的尿素溶液作为吸收液,吸收温度控制在60左右,定-转子反应器的转速为1200r/min,模拟烟气中NOx的质量浓度大概在1000mg/m3。分别考察了液体流量为0.2,0.3,0.4,0.5和0.6m3/h时,NOx的脱除率随不同进气流量的变化趋势

9、以及进气流量为0.2,0.4,0.6,0.8和1.0m3/h时,NOx的脱除率随不同液体流量的变化趋势。试验结果如图4所示。从图4可以看出,在NOx浓度不变时,在同一进气流量下,随着液体流量的增加,NOx的脱除率变化不明显。这是由于在较小进气流量的情况下,可以认为气液完全接触,此时NOx的脱除率已经达到了最值。随着液体流量的增加,当液气比增大到一定的程度后,相比于该系统下较小的进气流量,由于液体流量大大过量,因此NOx脱除率的增加程度有限。考虑到吸收效率和处理能力两方面的问题,本工艺流程下较合适的液体流量为0.2m3/h。从图4还可以看出,在同一液体流量下,NOx的脱除率随着进气流量的增加而下

10、降。这是由于该过程非传质控制过程,而是反应控制过程。随着进气流量的增加,NOx在尿素吸收液中的停留时间将减短,气液接触时间减少,NOx的脱除率下降。因此在实际操作中,应控制一定的进气流量,以保证达到预期的净化效果。综合处理能力和吸收效率两方面因素来考虑,本工艺流程下较合适的进气流量为0.2m3/h。2.2、定-转子反应器转速对NOx脱除率的影响定-转子反应器转速也是一个重要的操作条件。采用质量分数为15%的尿素溶液作为吸收液,模拟烟气进气流量为0.2m3/h,液体流量为0.2m3/h,吸收温度控制在60左右,模拟烟气中NOx的质量浓度大概在1000mg/m3。分别考察了定-转子反应器转速分别为

11、400,600,800,1000,1200和1400r/min时NOx脱除率的变化趋势。试验结果如图5所示。由图5可以看到,随着定-转子反应器转速的增加,NOx的脱除率有所增大。这是强化传质的结果,由于该吸收过程为反应控制过程,因此NOx脱除率的增加程度有限。考虑到电机额定功率的限制,定-转子反应器转速不能无限地增大,因此需要根据要求确定适合的转速范围。综合考虑,本试验定-转子反应器转速控制在1400r/min左右较为合适。2.3、尿素含量对NOx脱除率的影响通过改变尿素含量来研究其对NOx脱除率的影响。模拟烟气进气流量为0.2m3/h,液体流量为0.2m3/h,吸收温度控制在60左右,定-转

12、子反应器的转速为1400r/min,模拟烟气中NOx的质量浓度大概在1000mg/m3。考察了尿素溶液的质量分数分别为5%,10%,15%,20%和25%时NOx脱除率的变化趋势。试验结果如图6所示。从图6可以看出,随着尿素含量的增加,NOx的脱除率逐渐增加。用质量分数为5%的尿素溶液吸收NOx,其脱除率接近56%;当吸收液质量分数增加到25%时,脱除率接近61%。尿素溶液质量分数超过20%后对NOx脱除率的提高不是很显著。由尿素溶液还原分解氮氧化物的反应机理可以看出,尿素含量的多少对NOx的脱除率有一定的关系。增加溶液中尿素的含量有利于反应向正方向进行,但是在实际应用中考虑到烟气脱硝的经济性

13、,尿素含量越高,运行成本也越高,因此尿素含量是不能无限制地提高的,从脱硝效率和经济性两方面综合考虑,在后续实验研究其他工艺条件对尿素脱硝效果的影响时,可采用质量分数为20%的尿素溶液作为吸收液。2.4、吸收温度对NOx脱除率的影响吸收温度是尿素湿法脱硝的影响因素之一。一般湿法吸收反应的温度在2070之间,因此,控制吸收温度在常温到70之间。其他的实验条件为模拟烟气进气流量为0.2m3/h,液体流量为0.2m3/h,定-转子反应器的转速为1400r/min,尿素溶液的质量分数为20%,模拟烟气中NOx的质量浓度大概在1000mg/m3。考察吸收温度对NOx脱除率的影响。试验结果如图7所示。从图7

14、可以看出,在温度较低时,NOx的脱除率随着吸收温度的升高而增加;当温度升高至60后,NOx的脱除率随着吸收温度的升高变化不明显。这是因为在低温时,反应速率常数随温度的上升而增大,总效果是NOx的脱除率增加。当温度继续升高达到60后,由亨利定律可知,NOx的溶解度减小,未溶于尿素溶液的NOx难以得到脱除,另一方面还可能由于NO氧化成NO2的反应速率下降,反应生成的HNO2减少,NOx的脱除率下降。综合考虑,本试验的吸收温度控制在60左右。3、结论(1)NOx的脱除率随着定-转子反应器转速、尿素溶液质量分数、吸收温度的增加而增大,随着进气流量的增加而减小,随着液体流量的增加变化较平稳。(2)在本文试验条件下,对定-转子反应器内部结构为SS-RH这种组合,最佳操作条件为液体流量0.2m3/h、进气流量0.2m3/h、定-转子反应器转速1400r/min、尿素溶液质量分数20%、吸收温度60。8