超重力旋轉(zhuǎn)填料床中檸檬酸鈉法煙氣脫硫

姜秀平，劉有智，杜彩麗，穆文菲，邵 凡

(中北大學(xué) 山西省超重力化工工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030051)

超重力旋轉(zhuǎn)填料床中檸檬酸鈉法煙氣脫硫

姜秀平，劉有智，杜彩麗，穆文菲，邵 凡

(中北大學(xué) 山西省超重力化工工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030051)

采用檸檬酸－檸檬酸鈉緩沖溶液作為吸收液，在超重力旋轉(zhuǎn)填料床(簡(jiǎn)稱填料床)中進(jìn)行模擬煙氣中SO2的吸收和解吸實(shí)驗(yàn)，考察了吸收液組成及各操作參數(shù)對(duì)SO2吸收率及解吸率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:吸收過程中吸收液的檸檬酸濃度越高、吸收液初始pH越高，SO2吸收率越高;填料床轉(zhuǎn)速增大、液氣比增大，SO2吸收率下降速率增大;解吸過程中吸收富液中檸檬酸濃度越低、吸收富液初始pH越低，SO2解吸率越高。填料床中檸檬酸鈉法脫硫的最佳工藝條件為:檸檬酸濃度1.0 mol/L，吸收液初始pH 4.5，填料床轉(zhuǎn)速700～900 r/min，液氣比5～7 L/m3。

煙氣脫硫;超重力旋轉(zhuǎn)填料床;檸檬酸鈉法;解吸塔;吸收液;液氣比;廢氣處理

煙氣中的SO2對(duì)生態(tài)環(huán)境危害巨大，長(zhǎng)期以來濕法煙氣脫硫技術(shù)一直是治理SO2污染的主要技術(shù)手段［1］。傳統(tǒng)的煙氣脫硫工藝存在設(shè)備體積龐大、占地面積大、運(yùn)行費(fèi)用高、容易造成二次污染等問題。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，在倡導(dǎo)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、合理利用資源的科學(xué)理念下，開發(fā)高效、設(shè)備體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的脫硫裝置以及可回收利用硫資源的煙氣脫硫技術(shù)成為人們研究的熱點(diǎn)［2－14］。超重力旋轉(zhuǎn)填料床(以下簡(jiǎn)稱填料床)是一種新型的高效傳質(zhì)設(shè)備，兼具設(shè)備體積小、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在有害氣體吸收方面表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)［15－16］。檸檬酸鹽法煙氣脫硫技術(shù)由于工藝簡(jiǎn)單、對(duì)SO2吸收效率高、脫硫產(chǎn)物可實(shí)現(xiàn)資源化利用而受到了人們廣泛的關(guān)注［5－9］。目前，采用該法進(jìn)行高濃度SO2的脫除已取得了滿意的效果［7］，但對(duì)于低濃度SO2脫除的相關(guān)研究報(bào)道較少。

本工作以檸檬酸－檸檬酸鈉緩沖溶液作為吸收液(以下簡(jiǎn)稱吸收液)，在填料床中進(jìn)行模擬煙氣中SO2的吸收和解吸，考察了吸收液組成及各操作參數(shù)對(duì)SO2吸收率及解吸率的影響，旨在得出吸收液的最佳配方及該工藝的最佳操作條件，為其工業(yè)化應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑、儀器和設(shè)備

檸檬酸(C6H8O7·H2O):食品級(jí);NaOH:工業(yè)級(jí)。

PHS－3C型精密pH計(jì):上海日島科學(xué)儀器有限公司;KM9106型綜合煙氣分析儀:英國(guó)凱恩公司;填料床、解吸塔均為中北大學(xué)超重力化工工程技術(shù)研究中心自制。

1.2 檸檬酸鈉法吸收SO2的機(jī)理

檸檬酸鈉法吸收SO2的反應(yīng)式見式(1)。式中，Ci表示檸檬酸根。該過程為一可逆過程，SO2被吸收時(shí)，反應(yīng)向右進(jìn)行;解吸時(shí)，反應(yīng)向左進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)了SO2的吸收和解吸。

3SO2(g)+3H2O+Na3Ci■3NaHSO3+H3Ci (1)

1.3 吸收液及模擬煙氣的配制

稱取一定量的檸檬酸溶于去離子水中配成一定濃度的檸檬酸溶液，然后稱取適量的NaOH溶于該檸檬酸溶液中配成檸檬酸－檸檬酸鈉吸收液，調(diào)節(jié)吸收液pH至實(shí)驗(yàn)設(shè)定值，備用。

將來自鋼瓶的SO2和由風(fēng)機(jī)輸送的空氣按一定比例混合，得到實(shí)驗(yàn)用模擬煙氣。

1.4 實(shí)驗(yàn)工藝流程及方法

吸收反應(yīng)在填料床中進(jìn)行，吸收工藝流程見圖1。模擬煙氣經(jīng)緩沖罐從填料床的進(jìn)氣口由填料層外環(huán)進(jìn)入填料層，沿填料層的徑向向內(nèi)運(yùn)動(dòng);吸收液從吸收液循環(huán)罐由液泵輸出，經(jīng)液體轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量后，經(jīng)填料床的液體進(jìn)口通過轉(zhuǎn)鼓中心的液體分布器均勻噴灑在填料層內(nèi)側(cè)，在超重力作用下沿填料層徑向向外運(yùn)動(dòng)，與沿徑向方向向內(nèi)的模擬煙氣逆流接觸進(jìn)行反應(yīng)。吸收SO2后的溶液由填料床底部的液體出口排出，進(jìn)入循環(huán)罐循環(huán)吸收，凈化后氣體從轉(zhuǎn)鼓中心的氣體出口經(jīng)水循環(huán)式真空泵排空。整個(gè)吸收系統(tǒng)為負(fù)壓操作，在常溫下進(jìn)行，吸收液體積保持4 L不變。在氣體進(jìn)出口管路上分別留有采樣點(diǎn)，用綜合煙氣分析儀測(cè)定填料床進(jìn)出口的SO2質(zhì)量濃度。吸收實(shí)驗(yàn)中，通過變頻器調(diào)節(jié)填料床的轉(zhuǎn)速，固定氣體流量，通過調(diào)節(jié)液體流量來控制液氣比。

圖1 吸收工藝流程

解吸反應(yīng)在解吸塔中進(jìn)行，塔內(nèi)裝有不銹鋼絲網(wǎng)填料。解吸工藝流程見圖2。解吸采用水蒸氣汽提方式，將蒸汽從解吸塔的下部通入，待解吸的吸收富液經(jīng)預(yù)熱后從吸收塔的上部噴入解吸塔內(nèi)，噴淋而下的吸收富液與塔內(nèi)上升的蒸汽在填料層中逆流接觸，富液中的SO2被汽提出來，上升至塔頂?shù)暮琒O2蒸汽經(jīng)冷凝分離SO2和蒸汽，SO2在堿液吸收槽內(nèi)被NaOH溶液吸收。

圖2 解吸工藝流程

1.5 分析方法

采用煙氣分析儀在線測(cè)定填料床進(jìn)、出口煙氣中的SO2質(zhì)量濃度;采用pH計(jì)測(cè)定吸收液的pH;采用直接碘量法［17］分析吸收液中SO2的質(zhì)量濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 檸檬酸溶液初始濃度對(duì)SO2吸收率和解吸率的影響

在吸收液初始pH為5.5、填料床入口煙氣中SO2質(zhì)量濃度為5 085 mg/m3、煙氣流量為3 m3/h、液氣比為7 L/m3、填料床轉(zhuǎn)速為700 r/min的條件下，檸檬酸溶液初始濃度對(duì)SO2吸收率的影響見圖3。由圖3可見:在吸收的初始階段，3種不同初始濃度的檸檬酸溶液的 SO2吸收率均較高，在前60 min內(nèi)SO2吸收率接近100%;隨吸收時(shí)間的延長(zhǎng)，SO2吸收率均呈下降趨勢(shì)，但檸檬酸溶液初始濃度越高，SO2吸收率越高。這是因?yàn)樵谖者^程中，吸收液中SO2的質(zhì)量濃度不斷增加，溶液中H+濃度也不斷增大，檸檬酸溶液初始濃度越高，對(duì)SO2的吸收容量越大。

圖3 檸檬酸溶液初始濃度對(duì)SO2吸收率的影響

在吸收富液pH為5.5、富液中SO2質(zhì)量濃度為35.2 g/L、液體流量為20 L/h、氣體流量為11 m3/h的條件下，檸檬酸溶液初始濃度對(duì)SO2解吸率的影響見圖4。

圖4 檸檬酸溶液初始濃度對(duì)SO2解吸率的影響

由圖4可見，檸檬酸溶液初始濃度越高，SO2解吸率越低。這是因?yàn)闄幟仕崛芤撼跏紳舛容^高時(shí)，吸收富液中有更多的檸檬酸根與SO2發(fā)生反應(yīng)，從而使吸收富液結(jié)合SO2的能力升高，SO2解吸率下降。綜合考慮，吸收富液中檸檬酸溶液初始濃度以1.0 mol/L為宜，此時(shí)，可以達(dá)到較高的SO2吸收率和解吸率。由圖4還可見，SO2的解吸主要發(fā)生在前10 min，之后繼續(xù)延長(zhǎng)解吸時(shí)間，則SO2解吸率上升速率減慢，而解吸時(shí)間過長(zhǎng)又會(huì)帶來副反應(yīng)增多、吸收富液變質(zhì)等問題，故解吸時(shí)間宜控制在20 min以內(nèi)。

2.2 吸收液初始pH對(duì)SO2吸收率和解吸率的影響

在檸檬酸溶液初始濃度為1.0 mol/L、填料床入口煙氣中SO2質(zhì)量濃度為5 085 mg/m3、煙氣流量為3 m3/h、液氣比為7 L/m3、填料床轉(zhuǎn)速為700 r/min的條件下，吸收液初始pH對(duì)SO2吸收率的影響見圖5。由圖5可見:在吸收的前60 min內(nèi)，3種初始pH的吸收液對(duì)SO2的吸收率均能保持在90%以上;隨吸收時(shí)間延長(zhǎng)，初始pH高的吸收液SO2吸收率的下降速率較初始pH低的吸收液小。這是因?yàn)樵谖者^程中，隨著氣相SO2不斷溶解進(jìn)入液相，吸收液中H+的濃度不斷加大，在吸收的初始階段，吸收液可以有效地結(jié)合離解出的H+，所以吸收液的pH對(duì)SO2的吸收率影響不大;隨著吸收時(shí)間的延長(zhǎng)，SO2不斷溶解進(jìn)入液相，檸檬酸根不斷消耗，則pH低的吸收液結(jié)合H+的能力下降，而pH高的吸收液仍有較大的結(jié)合H+的能力，因此吸收液初始pH越高，SO2吸收率越高。

圖5 吸收液初始pH對(duì)SO2吸收率的影響

在檸檬酸溶液初始濃度為1.0 mol/L、吸收富液中SO2質(zhì)量濃度為35.2 g/L、液體流量為20 L/h、氣體流量為11 m3/h的條件下，吸收富液初始pH對(duì)SO2解吸率的影響見圖6。由圖6可見，吸收富液初始pH越高，SO2解吸率越低。這是因?yàn)槲崭灰撼跏紁H較低時(shí)，溶液中H+濃度較高，可以抑制SO2在溶液中的溶解度，所以SO2的解吸率較高。對(duì)于SO2吸收過程，pH過高，容易產(chǎn)生亞硫酸氫鈉及亞硫酸鈉沉淀，造成設(shè)備堵塞;對(duì)于解吸過程，過低的pH容易引起設(shè)備腐蝕，且吸收液初始pH為4.5時(shí)，前20 min內(nèi)SO2解吸率已接近90%。綜合考慮，本實(shí)驗(yàn)適宜的吸收液初始pH為4.5。

圖6 吸收富液初始pH對(duì)SO2解吸率的影響

2.3 填料床轉(zhuǎn)速對(duì)SO2吸收率的影響

在檸檬酸溶液初始濃度為1.0 mol/L、吸收液初始pH為4.5、填料床入口煙氣中SO2質(zhì)量濃度為5 085 mg/m3、煙氣流量為3 m3/h、液氣比為7 L/m3的條件下，填料床轉(zhuǎn)速對(duì)SO2吸收率的影響見圖7。

圖7 填料床轉(zhuǎn)速對(duì)SO2吸收率的影響

由圖7可見，隨填料床轉(zhuǎn)速增大，SO2吸收率下降速率增大。這是因?yàn)椋S填料床轉(zhuǎn)速增大，產(chǎn)生的離心力越大，使物料在填料層中被剪切成極細(xì)小的液滴、液絲及液膜，顯著增加了氣液接觸面積及表面更新速率，傳質(zhì)過程不斷得到強(qiáng)化，從而有利于SO2吸收過程的進(jìn)行，導(dǎo)致吸收液中SO2的質(zhì)量濃度增加速率增大，SO2吸收率下降速率增大。但在實(shí)際應(yīng)用中，增大填料床轉(zhuǎn)速會(huì)增加設(shè)備能耗，本實(shí)驗(yàn)中填料床轉(zhuǎn)速以700～900 r/min為宜。

2.4 液氣比對(duì)SO2吸收率的影響

在檸檬酸溶液初始濃度為1.0 mol/L、吸收液初始pH為4.5、填料床入口煙氣中SO2質(zhì)量濃度為5 085 mg/m3、煙氣流量為3 m3/h、填料床轉(zhuǎn)速為700 r/min的條件下，液氣比對(duì)SO2吸收率的影響見圖8。由圖8可見，隨液氣比增大，SO2吸收率下降速率增大。這是因?yàn)樵谶M(jìn)氣量一定的條件下，液氣比增大即進(jìn)液量增加，則填料的潤(rùn)濕程度增加，致使有效傳質(zhì)比表面積增大，增加了氣液接觸的機(jī)會(huì)，加強(qiáng)了吸收液對(duì)SO2氣體的吸收，吸收液中SO2的質(zhì)量濃度增加速率增大，使SO2吸收率下降速率增大。實(shí)際生產(chǎn)中，增大液氣比，整個(gè)脫硫系統(tǒng)的壓降和能耗隨之增大，因此不適宜用過大的液氣比。在本實(shí)驗(yàn)的條件下，當(dāng)液氣比大于7 L/m3后，液氣比對(duì)SO2吸收率的影響逐漸變小。綜合考慮，液氣比以5～7 L/m3為宜，比傳統(tǒng)吸收塔液氣比5～10 L/m3有所降低［12］，從而降低了系統(tǒng)能耗。

圖8 液氣比對(duì)SO2吸收率的影響

3 結(jié)論

a)以檸檬酸－檸檬酸鈉溶液作為吸收液，在填料床中進(jìn)行模擬煙氣中SO2的吸收和解吸。吸收過程中吸收液的檸檬酸溶液初始濃度越高、吸收液初始pH越高，則SO2吸收率越高;填料床轉(zhuǎn)速越大、液氣比越大，SO2吸收率下降速率越大，解吸過程中吸收富液中檸檬酸溶液初始濃度越低、吸收富液初始pH越低，則SO2解吸率越高。

b)填料床中檸檬酸鈉法脫硫最佳工藝條件為:檸檬酸溶液初始濃度1.0 mol/L，吸收液初始pH 4.5，填料床轉(zhuǎn)速700 ～900 r/min，液氣比5 ～7 L/m3。

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Flue Gas Desulfurization by Sodium Citrate in High Gravity Rotating Packed Bed

Jiang Xiuping，Liu Youzhi，Du Caili，Mu Wenfei，Shao Fan

(High Gravity Chemical Engineering and Technology Research Center of Shanxi Province，North University of China，Taiyuan Shanxi 030051，China)

The experiments on absorption and desorption of SO2in simulated flue gas were carried out in the high gravity rotating packed bed using citric acid-sodium citrate buffer solution as absorption liquor.The effects of buffer solution compositions and performance parameters on SO2absorption efficiency and desorption efficiency were studied.The experimental results show that:In the absorption process，SO2absorption efficiency increases with the increase of citric acid concentration and initial solution pH，and the decreasing rate of the SO2absorption efficiency increases with the increase of packed bed rotation speed and liquid-gas ratio;In the desorption process，SO2desorption efficiency increases with the decrease of citric acid concentration and initial solution pH.The optimum process conditions for desulfurization are as follows:citric acid concentration 1.0 mol/L，initial buffer solution pH 4.5，packed bed rotation speed 700 －900 r/min，liquid-gas ratio 5 －7 L/m3.

flue gas desulfurization;high gravity rotating packed bed;sodium citrate process;desorption tower;buffer solution;liquid-gas ratio;waste gas treatment

X511

A

1006－1878(2011)05－0409－05

2011－04－05;

2011－05－27。

姜秀平(1971—)，女，山西省忻州市人，博士生，主要研究方向?yàn)闊煔饷摿?。電?13834681246，電郵jiangxiupingzhbuty@163.com。

山西省青年科技研究基金資助項(xiàng)目(2010021007－2)。

(編輯 祖國(guó)紅)