降膜式錯流洗滌的濕式脫硫反應(yīng)器的傳質(zhì)和反應(yīng)過程外文翻譯

1、降膜式錯流洗滌的濕式脫硫反應(yīng)器的傳質(zhì)和反應(yīng)過程Juncong Sai, Shaohua Wu, Rui Xu, Rui Sun, Yan Zhao and Yukun QinSchool of Energy Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, P. R. China(Received 22 August 2006 accepted 6 November 2006)摘要：在目前的研究中，一系列的濕法煙氣脫硫?qū)嶒?yàn)已通過不同的進(jìn)料漿方式，即：通過串聯(lián)和并聯(lián)，通過橫向氣流洗滌與降膜進(jìn)行了比較。實(shí)

2、驗(yàn)結(jié)果表明，串聯(lián)是具有最佳的脫硫性能的進(jìn)料漿的方式。液體側(cè)的傳質(zhì)反應(yīng)模型和脫硫傳質(zhì)的錯流洗滌模式已被開發(fā)。反應(yīng)器出口處漿液的pH值，以及沿管的軸向方向分布的H2SO3，HSO3-和SO32-的離子濃度都已通過分析和計(jì)算模型獲得，且計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值吻合的很好。它表明：模型可以很好的預(yù)測沿著管的軸向方向上的離子濃度的分布。關(guān)鍵詞：錯流洗滌 降膜 傳質(zhì)反應(yīng)過程引言隨著裝機(jī)容量的增加，經(jīng)濟(jì)快速起飛發(fā)展，二氧化硫（SO2）的排放量增加【1】。煙氣脫硫（FGD）是控制SO2最有效的方法之一，其中濕法煙道氣脫硫（WFGD）是最廣泛使用和開發(fā)的煙氣脫硫技術(shù)【2,3】。兩種氣 - 液接觸的方法：逆流和并流，都已在

3、傳統(tǒng)的降膜反應(yīng)器中應(yīng)用，降膜和煙道氣之間的交叉流動的接觸方式以及液體側(cè)傳質(zhì)和反應(yīng)過程都還未被研究【4-10】。本文最初提出了濕法煙氣脫硫反應(yīng)器下降由橫流洗滌和研究膜的傳質(zhì)和反應(yīng)的過程。在反應(yīng)器中，以翅片管作為降膜的載體以確保均勻性、連續(xù)性、穩(wěn)定和不被破壞性。 實(shí)驗(yàn)原理和方法1、 實(shí)驗(yàn)原理煙道氣穿過翅片管束的工作原理如圖1，實(shí)驗(yàn)中用石灰漿液作為吸收劑。該漿液是分布式的，通過漿料分配器上有序排列的導(dǎo)向管。因此，漿液沿著管子的外表面以均勻的降膜式落下（如在圖1中所示的被剖面部分）。翅片管上的降膜是由具有一定速度的交叉煙道洗滌氣體形成，二氧化硫通過降膜被吸收，從而實(shí)現(xiàn)除去二氧化硫的目的。圖1 翅片管的

4、煙氣通道示意圖降膜可以覆蓋整個管的表面，而且由翅片管引起的表面能和安裝面積使得其不易被煙道氣破壞。因此，可以減少夾帶的液滴，然后設(shè)備背面的侵蝕問題也可以減輕。實(shí)驗(yàn)是在一個實(shí)驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行的。翅片管是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心部分。翅片管的的外徑和有效長度分別是16mm和500mm。翅片的高度是5mm。分配器的小孔的內(nèi)徑為18mm。入口煙道氣體的溫度的范圍是28至100。入口煙道氣體速度的范圍是從2.4米/ s到4.9米/秒。漿料流率的范圍是從6立方米/小時至8立方米/小時。當(dāng)煙道氣速和煙氣入口溫度保持在3.2米/ s和60，分別在漿料漿率為6立方米/小時，7立方米/ h和8立方米/小時進(jìn)行試驗(yàn)。2、 試驗(yàn)方

5、法脫硫?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)由四個子系統(tǒng)組成：煙道氣的系統(tǒng)，漿料漿回路系統(tǒng)，氧化和吹塑式系統(tǒng)和石灰漿液進(jìn)料系統(tǒng)。本文介紹了兩種如圖2所示的基于不同的進(jìn)料漿過程，進(jìn)料漿的串聯(lián)方式和并聯(lián)方式的進(jìn)料漿計(jì)劃。串聯(lián)連接操作條件下的料漿進(jìn)料方式的進(jìn)料數(shù)量是并聯(lián)連接的一半，即在相同的煙道氣流率下串聯(lián)連接的液氣比是并聯(lián)連接的一半。圖2 雙回路濕法煙氣脫硫降膜系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)示意圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論首先，進(jìn)行了串聯(lián)連接的進(jìn)料漿方式雙循環(huán)降膜濕法煙氣脫硫?qū)嶒?yàn)（如圖2a中所示）。然后，進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)比較進(jìn)料漿串聯(lián)連接方式和并聯(lián)連接。1、影響脫硫效率的入口煙氣溫度和速度圖3表明：入口氣體溫度的增加作為第一個提高煙氣脫硫效率的因素。當(dāng)溫度

6、達(dá)到約60時，獲得最高的效率。然后效率隨著氣體溫度的增加而減小。一方面，根據(jù)氣液平衡原理，漿料溫度隨著煙道氣體溫度增加而增加。漿料溫度的增加會引起SO2和Ca(OH)2溶解度的降低，這將會引起效率的降低。另一方面，隨著漿料溫度的增加，液體中離子的擴(kuò)散系數(shù)也增加，然后，吸收SO2的能力增強(qiáng)。因此，可以看出，煙氣溫度不是一個獨(dú)立的因素。一般來說，入口煙氣溫度的范圍為59-600C【11】。該圖還顯示，隨著進(jìn)樣口煙道氣體速度的增加，脫硫效率有下降的趨勢。一方面，隨著煙道氣速度的增加氣-液傳質(zhì)增強(qiáng)。湍流由降膜組成，這使得煙道氣和降膜很好的混合在一起。另一方面，煙道氣的增加降低了煙道氣在反應(yīng)器中的停留時

7、間，從而降低了效率。對于這種情況下，煙道氣的停留時間是占主導(dǎo)地位的因素。圖3 入口的煙道氣的溫度對脫硫效率的影響2、入口煙氣的SO2濃度對脫硫效率的影響圖4示出了脫硫效率隨著入口處煙道氣中二氧化硫濃度的增加而減少。由于SO2分壓隨著二氧化硫的濃度的增加而增加，根據(jù)傳質(zhì)動力學(xué)，傳質(zhì)阻力減少，化學(xué)吸收能力增強(qiáng)。但是，當(dāng)SO2濃度變得更高，吸收能力可以很容易地達(dá)到最大值，這會導(dǎo)致SO2的吸收能力相對減弱。下面的公式可以通過圖4中的曲線獲得： = 0.45055 + 3.42251× 104Cin 2.15101× 107 Cin2 （1）然后不同Cin值的漿料的吸收率可以表示為：

8、VSO2= QCin = VinAinCin （2） 即，VSO2= 3.2×0.09×（0.45055Cin+3.42251×104Cin22.15101× 107Cin3 ) （3）其中，Vin等于3.2米/秒， Ain等于0.09平方米。圖4 入口SO2濃度對脫硫效率的影響脫硫效率和漿料吸收率VSO2可以由式（3）得到,結(jié)果列于表1中。表1 入口SO2濃度對脫硫效率和吸收率的影響Cin(mg/Nm3) 2499.64 3472.04 4135.56 0.585 0.549 0.496VSO2(mg/s) 421.40 549.00 590.38它顯

9、示出，雖然隨著入口SO2濃度的增加，脫硫效率降低，但其VSO2吸收率隨之增加。這可以通過以下定性分析進(jìn)行解釋。VSO2=NAin=K(CinC0)Ain （4）進(jìn)行定性分析，設(shè)C0= 0，因此式（4）可以簡化為： VSO2=NAin=KCinAin （5）（2）式帶入（5）式可以得到（6）式： K = （Q/Ain） （6）當(dāng)在實(shí)驗(yàn)條件固定時，（Q/Ain）是一個常數(shù), 因此,可以近似地認(rèn)為，K正比于，即：K （7）根據(jù)上式（7），的變化可以表示K的變化。從圖4和表1可以看出，如果入口處SO2的分壓隨著SO2濃度的增加而增加時，它會使反應(yīng)表面由氣-液相變成液-固相。因此，總的反應(yīng)速率從氣膜控制

10、變化到液膜控制，這導(dǎo)致了K和的降低。另一方面，從方程（4）可以看出，進(jìn)氣口的SO2濃度增加，驅(qū)動力（Cin-CO）也增加。然而，隨著入口處SO2濃度的增加，K減小到一定值。根據(jù)方程（4），VSO2正比于K和（C-CO）。作為一個等式，驅(qū)動力（CIN-C0）的增加在傳質(zhì)過程中占主導(dǎo)地位，而且，由表1所列的結(jié)果可得，VSO2隨Cin的增加而增加。3、 氣液比對脫硫效率的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果示于圖5中，脫硫效率隨L/ Q的增加而提高。究其原因，如下：隨著漿料速率的增加，降膜的厚度增加，它可以增加氣 - 液接觸面積。這將導(dǎo)致傳質(zhì)速率的增加。同時，隨著進(jìn)料速率的增加塔架內(nèi)的溫度降低，從而提高了二氧化硫的溶解，并

11、降低了質(zhì)量在液體側(cè)傳遞阻力。 圖5 液-氣比對脫硫效率的影響4、 進(jìn)料漿的串聯(lián)連接與并聯(lián)連接方式的試驗(yàn)比較串聯(lián)連接的進(jìn)料漿速度是7立方米/h，而并聯(lián)連接的是14立方米/h（圖2b中所示）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于圖6。從圖中可以看出，兩種方式的脫硫效率隨進(jìn)氣口的煙道氣速度的增加而減少。兩個方案之間的差異并不明顯，這表明，兩種脫硫方法的性能大致相同。同時，串聯(lián)的進(jìn)料漿方式不僅能滿足除去二氧化硫的需求，同時也降低了氣-液比，從而降低了投資和運(yùn)營成本。圖6 入口的煙道氣體的速度在不同的兩個實(shí)驗(yàn)方案下的比較.(Vol.24, No.3) 圖7 入口的煙道氣的溫度在兩個不同的實(shí)驗(yàn)方案下的比較圖7表明，兩種連接方式的

12、變化趨勢基本上是相同的，即，進(jìn)氣口煙氣溫度增加至600C時，脫硫效率增加至最大值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與圖3十分吻合。從圖7還可以看出，在相同的入口煙道氣溫度下，進(jìn)料漿串聯(lián)連接的脫硫效率略高于并聯(lián)連接的脫硫效率。圖2中兩種進(jìn)料漿方式的比較表明，在相同的煙道氣率下，串聯(lián)連接的氣-液比是并聯(lián)連接的一半，但塔中的料漿容量卻是相同的。因?yàn)椴⒙?lián)連接方式進(jìn)料漿的停留時間是串聯(lián)連接的一半，所以大多數(shù)石灰進(jìn)料系統(tǒng)不容易溶解。此外，從圖2還可以得出，中間的循環(huán)罐中的攪拌器，它幫助攪拌和氧化從塔頂流下的CaSO3 ，同時提高了反應(yīng)物和產(chǎn)品的混合，并提高了脫硫效率。因此，存在氣液比降低的可能性，并且，可以得出結(jié)論，串聯(lián)連接的脫

13、硫效率可能會大于并聯(lián)連接，正如圖7所示。液相傳質(zhì)和反應(yīng)過程的研究1、液側(cè)傳質(zhì)和反應(yīng)模型SO2和Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，即泥漿是連續(xù)的、不逆流的。SO2和Ca（OH）2之間的反應(yīng)只發(fā)生在液膜內(nèi)因此，總的反應(yīng)過程表明SO2與Ca（OH）2反應(yīng)，形成CaSO3【12,13】。如圖8所示，在雙膜理論基礎(chǔ)上，從SO2氣體到液態(tài)的傳質(zhì)速率可以表示為：N=kG(PGPi) （8）相平衡在相界面處相關(guān)性滿足：Ci=HPi （9）SO2氣體到液態(tài)的傳質(zhì)速率通過液體參數(shù)可表示為：N=kL，Ci=EkLCi （10）增強(qiáng)系數(shù)E可以表示為：E =1+rCBL/bCi （11）通過聯(lián)立消除式（8）-（12）中的未知變量

14、得出SO2由氣體到液態(tài)的傳質(zhì)速率：N =(HPG+rCBL/b)/(H/kG+1/kL) （12）因此，SO2的氣體和液體之間發(fā)生不可逆和連續(xù)性反應(yīng)時，傳質(zhì)速率方程成立。 圖8 不可逆的瞬時反應(yīng)的濃度分布示意圖2、建立降膜錯流式洗滌脫硫的傳質(zhì)模型本文研究的降膜式錯流洗滌脫硫的傳質(zhì)模型如圖9所示，其中降膜是用斜線所表示的，在這個俯視圖中，翅片未表示出，為了研究錯流洗滌的傳質(zhì)過程，假定：（1）氣相和液相均為連續(xù)相。（2）煙道氣可以充滿管，每個方向上的降膜的吸收能力是相同的。（3）降膜可以沿管的軸線均勻分布且不被打破。（4）沿管的軸向方向的傳質(zhì)速率不變。（5）在脫硫過程中入口料漿的pH值保持在9左右

15、。降膜在管中停留的時間是：t =L/uL （13）因此，通過降膜吸收的范圍內(nèi)的總的摩爾質(zhì)量SO2t是：Q=NAt （14）吸收二氧化硫的水泥漿體積的t是:V=A'uLt （15）其結(jié)果是，吸收SO2的摩爾濃度可以表示為：M'=Q/V=Nat/A'uLt =NA/A'uL =N2(r + )4×0.001L/uL r+)24×0.001× （16）SO2和Ca（OH）2淤漿的反應(yīng)之間的產(chǎn)品在降膜主要作為3種硫的化合物的存在，即SO2（溶液），HSO3-和SO32- 。產(chǎn)品的總濃度可以被表示為： M = SO2(aq) + HSO3 +

16、 SO32 （17）用于淤漿的電中性方程為：H+ + 2Ca2 + 0 = OH +HSO3 + 2SO32 （18）假定的原Ca（OH）2溶液pH值為0，據(jù)H2SO3的電離平衡，得吸收Ca（OH）2淤漿和某些二氧化硫的方程： Kw/H+0 H+0+ H+=Kw/H+MKS1(2KS2+H+)/KS1KS2+KS1H+H+2 （19）變量M可以由式（18）分離，式（18）可以簡化為：M =Kw(1/H+01/H+)+H+H+0KS1KS2+KS1 H+H+2/KS1(2KS2+H+) （20）因此，基于質(zhì)量守恒，可得M'=103M之間的關(guān)聯(lián)。注意：乘以103的目的是統(tǒng)一的摩爾單位。根據(jù)以上的分析，已知?dú)潆x子的濃度H +，即該溶液的pH值，可以解決SO2傳質(zhì)速率。 圖9 脫硫工藝的傳質(zhì)模型示意圖3、計(jì)算結(jié)果與分析3-1計(jì)算條件的確定假設(shè)降膜錯流洗滌脫硫試驗(yàn)裝置成立。設(shè)置的條件是：有效高度降膜為0.5m，入口煙道氣的溫度是30，和入口煙氣速度3.2米/ s。由實(shí)驗(yàn)測量得，二氧化硫在入口的平均濃度CIN1,058L/ L和出口Cout的SO2的濃度是583L/ L，漿料溫度為30，Ca（OH）2淤漿初始p