文丘里填料脱硫塔设计与实验研究.pdf

文丘里填料脱硫塔设计与实验研究 * 林奇 福建省环境科学研究院， 福州 350013 摘要 借助非平衡级模型设计了文丘里填料脱硫塔， 并进行了实验验证和分析。实验验证结果显示 设计的文丘里填 料脱硫塔， 在 pH ＞ 6、 L/G ＞ 5 的情况下， 脱硫效率可以达到 72. 9 以上; 经过调优， 在 pH 值为 7、 液气比为 7. 33 的情 况下， 吸收塔脱硫效率最高达 95. 5 。研究结果证实， 与目前的主要中小型脱硫工艺相比， 该工艺在正常运行状态 下， 可以维持较高的脱硫效率， 具有一定的工业推广意义。同时， 提供的研究方法对文丘里填料脱硫塔的工业设计具 有一定的指导作用。 关键词 非平衡级模型;文丘里填料; 脱硫塔;脱硫实验 DOI 10. 7617 /j. issn. 1000 － 8942. 2013. 03. 016 DESIGN AND RESEARCH OF THE VENTURI PACKING DESULFURIZATION TOWER Lin Qi Fujian Research Academy of Environmental Sciences，Fuzhou 350013，China AbstractThe non-equilibrium model was used to design the gas desulfurization technology and the tower with venturi packing，then the experiment on verifying its effect of the desulfurization was done．The result revealed that under the condition of pH ＞ 6，the liquid to gas ratio L/G＞ 5，the desulfurization efficiency could be up to more than 72. 9 ;at the optimal case which keeped pH 7 and L/G 7. 33，the desulfurization efficiency be up to 95. 5 ． The results of this study confirmed that compared with the current desulfurization process using in the small and medium-sized boilers，this process could achieve desulfurization efficiency in the normal operating state． At the same time，the new research provided a guidance for designing a gas desulfurization tower with venturi packing． Keywordsnon-equilibrium stage model;venturi packing;desulfurization tower;desulfuration experiment * 福建省环保科技基金项目 KYJ0703 。 1概述 二氧化硫 SO2 是燃煤过程中释放的重要污染 物之一， 进入自然环境后会形成酸雨， 危害着人类健 康、 自然生态环境、 工农业生产等方面。为了控制酸 雨， 减少 SO2排放， 美国、 德国、 日本普遍采用烟气脱 硫系统 ［1］。我国是产煤大国， 同时也是燃煤大国， 与 欧美不同的是我国不但保持着数目庞大的燃煤电厂， 也存在着大量的中小供热燃煤锅炉。按照脱硫方式 和产物的处理形式划分， 烟气脱硫技术可分为湿法、 半干法、 干法三类， 其中， 湿法脱硫约占脱硫技术的 85 ［2- 3］。已商业化或完成中试的湿法脱硫工艺包括 石灰石 － 石膏法、 碱式硫酸铝法、 双碱法、 氨吸收法、 钠碱法、 氧化镁法等 ［3- 6］。这些方法具有脱硫效率高、 设备运行简单等特点， 但普遍存在吸收装置硫易结 垢、 运行费用高、 有二次污染等问题 ［4- 7］。随着近年来 环境管理要求日趋严格， 大型燃煤电厂已经逐步采用 了烟气脱硫技术， 但国内中小锅炉因成本、 技术等因 素脱硫效果不佳， 基本在 75 以下， 甚至只达到 18 左右 ［8］。为了提高中小锅炉的脱硫效率， 降低中小 企业的废气治理成本， 进一步研究新型的脱硫技术和 设备非常重要。 吸收塔内传质吸收和化学反应的研究对于指导 烟气脱硫设备的设计， 具有非常重要的意义。石灰 石 － 石膏湿法烟气脱硫系统中包括了 SO2和石灰石 在液体中的溶解传质及它们的溶解物在液相中的反 应 等 一 系 列 物 理 化 学 过 程。 早 在 1969年， Ramachandran 和 Sharma［9］借助于双膜理论首次导出 了伴有固体溶解的气体吸收反应过程的数学模型。 85 环境工程 2013 年 6 月第 31 卷第 3 期 随后几年这个模型得到了逐步发展， 到 1979 年， 在 Sada 和 Kumazawah［10］等人的努力下， 该模型得到了 扩展和完善。近年来， 国内学者在脱硫方面的各个方 面进行了大量的研究。2008 年， 郝文阁等 ［11］研究了 石灰石湿法喷淋塔的数学模型并通过实验进行验证， 得出了由于石灰石溶解速率的限制吸收区高度的增 加不能 明 显 提 高 脱 硫 效 率 的 结 论。同 年， 田 立 江 等 ［12］在两段式脱硫塔的基础上进行改进并通过正交 实验研究， 得出可为现场脱硫设备的调试和运行参考 的数据和方法。2010 年， 杜云贵等 ［13］采用模拟方法 研究了喷淋塔内的流场情况， 突破了 AEE 公司技术 规范设计 塔形的限 制。2011 年， 四 川 大 学 王 维 忠 等 ［14］采用计算流体力学的方法分析了烟气脱硫反应 器内气 － 液两相流改进了喷射鼓泡脱硫设备。这些 研究主要针对适用于大型锅炉脱硫的石灰石湿法喷 淋塔的研究。2011 年， 浙江大学王潇 ［15］系统研究了 中小燃煤锅炉烟气脱硫脱硝一体化控制技术， 成功实 现了以亚氯酸钠为吸收剂的筛板喷淋塔脱硫脱硝一 体化装置。从目前文献报道来看， 针对中小锅炉的脱 硫塔方面研究较少， 已有的脱硫技术成本居高不下。 且目前的文献中仅从机理分析填料塔与喷淋塔相比 具有较高的脱硫效率， 但鲜有同时分析填料塔实际运 行中容易出现结垢， 造成堵塞的问题。 因此， 为了推动中小锅炉脱硫， 增加脱硫系统运 行效率， 减少脱硫系统结垢堵塞问题， 本文采用具有 不易形成结垢的文丘里棒层作为填料， 采取模型研究 结合优化设计和运行调试的思路， 设计出具有稳定高 效的脱硫塔。 2脱硫塔及脱硫工艺设计 2. 1设计采用的脱硫塔计算模型 一般来说， 填料塔设计计算采用平衡级模型进行 逐级计算， 计算过程需要塔板效率等参数， 但因该系统 中的填料属于新型填料， 且平衡级模型计算精度没有 非平衡级高。因此， 综合考虑模型的优劣性， 本次研究 采用化学吸收过程的非平衡级模型进行脱硫塔设计， 该模型如图 1 所示。传质过程可分为四个阶段 1 从 气相内部到气液相界面的气态反应物质的迁移; 2 反 应物组分在液相中的溶解; 3 溶解反应物从相界面进 入液相内部的迁移; 4 已溶解的反应物的迁移和由反 应引起的浓度梯度产生的反应物的迁移。 将填料塔等分割成 Nt级， 若物料中共有 c 种组 分， 则对第 j 非平衡级可以写出模型方程组如下 图 1非平衡级模型 2. 1. 1物料平衡方程 物料平衡方程见式 1 、 式 2 1 sV j Vjy V i， j － Vj1yV i， j1 － fV i， j Ni， j 0， i 1， 2， 3， ， c 1 式中i 组分次序; j 非平衡级次序; sV j 代表 j 非平衡级上气相侧线采出与级间 流量比， 无量纲; Vj 代表 j 非平衡级上气相摩尔流量， mol/s; yi， j 代表 j 非平衡级上气相 i 组分摩尔分率， 无量纲; fV i， j 代表 j 非平衡级上气相 i 组分进料摩尔 流量， mol/s; Ni， j 代表 j 非平衡级上气液相间 i 组分传质 通量， mol/s。 1 sL j Ljx L i， j － Lj－1xL i， j－1 － fL i， j － Ni， j－ ri， j 0， i 1， 2， 3， ， c 2 式中s L j 代表 j 非平衡级上液相侧线采出与级间 流量比， 无量纲; Lj 代表 j 非平衡级上液相摩尔流量， mol/s; xi， j 代表 j 非平衡级上液相 i 组分摩尔分率， 无量纲; fL i， j 代表 j 非平衡级上液相 i 组分进料摩尔 流量， mol/s; ri， j 代表 j 非平衡级上液相中 i 组分的反应 速率， mol/s。 2. 1. 2能量衡算方程 能量衡算方程见式 3 。 95 环境工程 2013 年 6 月第 31 卷第 3 期 Vj1HV j1 － 1 sV j VjH V j － 1 SL j LjH L j Lj－1HL j－1 Σ c i 1 fi， jHF j eLR j Qj 0 3 式中H V i， j 代表 j 非平衡级上气相 i 组分物料摩 尔焓， J/mol; HL i， j 代表 j 非平衡级上液相 i 组分物料摩 尔焓， J/mol; HF j 代表 j 非平衡级上进料物料摩尔摩尔 焓， J/mol; eLR j 代表 j 非平衡级上液相反应热通量， J/s; Qj 代表 j 非平衡级上热传递通量， J/s。 2. 1. 3传递速率方程 传质 传递速率方程见式 4 、 式 5 。 Ni， j－Σ c－1 i 1 kV i， l， jaj y V l， j － yIi， j－ yV i， jΣ c l 1 Nl， j 0， i 1， 2， 3， ， c － 1 4 式中l 组分次序; kV i， l， j 代表 j 非平衡级上气相 i-l 组分二元传质 系数， mol/ m2s ; aj 代表 j 非平衡级上气液相间有效传质面 积， m2; yV l， j 代表 j 非平衡级上气相主体 l 组分摩尔 分率， 等同于 yl， j， 无量纲; yIl， j 代表 j 非平衡级上气液相界面上气相的 l 组分摩尔分率， 无量纲。 Ni， j－Σ c－1 l 1 kL i， l， jaj x I l， j － xL l， j－ x L i， jΣ c l 1 Nl， j 0， i ， 1， 2， 3， ， c － 1 5 式中k L i， l， j 代表 j 非平衡级上液相 i-l 组分二元 传质系数， mol/ m2s ; xL l， j 代表 j 非平衡级上液相主体 l 组分摩 尔分率， 等同于 xl， j， 无量纲; xIl， j 代表 j 非平衡级上气液相界面上液相 的 l 组分摩尔分率， 无量纲。 2. 1. 4相界面气液平衡方程 相界面气液平衡方程见式 6 Ki， jxIi， j－ yIi， j 0， i 1， 2， 3， ， c 6 式中Ki， j 代表 j 非平衡级上 i 组分相平衡常数， 无量纲。 2. 1. 5归一化方程 归一化方程见式 7 。 Σ c k 1 xk， jΣ c k 1 xIk， jΣ c k 1 yIk， jΣ c k 1 yk， j 1 7 2. 1. 6脱硫反应方程 脱硫过程的反应主要包括 1 SO2由气相主体穿 过气 － 液界面的扩散、 溶解; 2 溶解 SO2的水合反应; 3 碱性介质中的解离; 4 Ca OH 2固体颗粒的溶解 及其后的解离; 5 盐的形成。该过程的反应速率可 描述成见式 8 。 ri， jΣ c m 1Σ m n 1 Ri xm， j， xn， j 8 式中m， n 组分次序; Ri 代表 i 组分的反应速率函数， mol/s。 2. 2脱硫塔设计及脱硫试验工艺 2. 2. 1脱硫塔设计结果 借助上述模型， 结合扩散定律、 溶液电中性方程 等条件， 经过严格的设计计算， 可以计算出适用于工 业中小型锅炉的文丘里填料 SO2吸收塔主要设计参 数， 见表 1。 表 1吸收塔主要设计参数 塔总高 / mm 塔径 / mm 除雾器 高度 /mm 喷淋液流 量 / m3h － 1 空塔流 速 / m s － 1 脱硫液喷淋密度 / m3m － 2h－ 1 观察 窗 /个 文丘里 棒 /层 目标脱硫效 率 / 4 0003001822 ～ 32. 3635. 43670 根据表 1 中的设计参数， 本研究试制了一个脱硫 塔， 其中文丘里棒层采用错位布置方式， 以便形成无 数个文丘里单元， 借助文丘里棒可以减小烟气在塔中 的流通截面的机理， 提高烟气通过时的流速。当脱硫 循环液经喷淋落下时， 文丘里棒层与逆流而上的热烟 气形成强烈湍流， 强烈破碎含石灰石的浆滴， 极大地 增加了气液相之间的传质、 传热表面， 可以达到最佳 的效果。 2. 2. 2脱硫实验工艺设计 为了验证设计的脱硫塔效果， 本次同时设计了一 个实验脱硫工艺， 该工艺主要包括石灰乳制备池、 吸 收塔、 脱硫循环槽、 氧化槽、 废渣处理等系统。本实验 脱硫工艺如图 2 所示。 3脱硫塔的脱硫实验及效果验证 3. 1脱硫塔实验结果 本次研究首先实验考察了 pH 值、 液气比两个主要 06 环境工程 2013 年 6 月第 31 卷第 3 期 图 2烟气脱硫工艺流程 因素对脱硫效率的影响， 以烟气流量 250 m3/h 为例。 实验结果显示， pH 在 4 ～ 9 的范围内， 脱硫效率 随着液气比的提高和 pH 值的升高从 27. 27 上升至 96. 36 。当 pH 值小于 6 时， 脱硫效率随着 pH 值的 提高迅速提高; 当 pH 值大于 7 时， 随着 pH 值的提 高， 脱硫效率的增幅显著减小， 最后趋于稳定， 如图 3 所示。 图 3不同液气比下的 pH 值与脱硫效率关系 实验结果显示， 当液气比小于 5. 0 时， 脱硫效率 随着液气比的提高而迅速提高; 当液气比达到 6. 67 时， 脱硫效率增长幅度开始逐步缩小。相对而言， 液 气比的增加将使系统运行能耗相应增大， 同时系统压 降也随之增大， 因此， 在满足脱硫效率要求的前提下， 液气比不宜超过 7. 33， 如图 4 所示。 综合对比图 3 和图 4 中的脱硫效率曲线， 可以基 本确定液气比 L/G ＞ 5， 且 pH ＞ 6 的条件下， 吸收效率 变化不大， 且脱硫效率可以稳定达到 72. 9 以上， 达 到设计要求。 图 4液气比与脱硫效率关系 3. 2正交实验结果 为了进一步研究脱硫效率的最有效控制参数， 本 文进一步采用正交实验进行分析。正交实验主要考 察吸收液 pH 值、 烟气流速、 液气比为烟气脱硫主要 的影响因素， 每个因素选择 3 个水平， L9 34 正交表 进行实验， 详细情况见表 2。 表 2实验结果分析 实验号 因素 pH 值 液气比 / L m － 3 烟气流速 / m s － 1 空列 ABCD 实验结果 脱硫效 率 / 1651. 18172. 9 266. 670. 98288. 2 367. 330. 79389. 2 4750. 98390. 3 576. 670. 79194. 4 677. 331. 18295. 5 7850. 79288. 0 886. 671. 18395. 4 987. 330. 98196. 0 K1250. 3251. 2263. 8263. 3 K2280. 2278. 0274. 5271. 7 K3279. 4280. 7271. 6274. 9 k183. 483. 787. 987. 8 k2 93. 492. 791. 590. 6 k393. 193. 690. 591. 6 极差 R10 9. 93. 63. 8 主次顺序A ＞ B ＞ C 优水平 A2B3C2 优组合 A2B3C2 本次实验比较分析了 pH 值、 液气比与烟气流速 对脱硫效率影响， 由表 2 极差结果表明， 影响最大的 是 pH 值， 其次为液气比， 而烟气流速在其考察范围 内影响最小。通过比较极差 R 大小可知， 各因素的 最优水平组合为 A2B3C2。 从表 3 中方差分析结果显示， 其各因素最优水平 组合为 A2B3。经 F 检验， pH 值、 液气比对脱硫效率 16 环境工程 2013 年 6 月第 31 卷第 3 期 表 3方差分析表 变异来源SS df MSF Fa 显著 水平 A193. 50296. 758. 73F0. 05 2， 4 6. 94* B177. 31288. 658. 00F0. 01 2， 4 18. 0* C△ 20. 42210. 21 误差 e23. 93 211. 96 误差 e△44. 35411. 09 注 SS 为偏差平方和; df为自由度; MS 为均方。 影响较大， 其达到了显著性水平 P ＜ 0. 05 ， 而烟气 流速对脱硫效率影响不显著。综合以上极差与方差 分析显示， 当 pH 值为 7， 液气比为 7. 33 时， 该吸收塔 脱硫效率最高， 脱硫效率高达 95. 5 ， 可以达到火电 厂中大型锅炉湿法脱硫系统的脱硫效率。 4结论 利用非平衡级模型设计了湿式文丘里填料脱硫 塔的研究思路对工业脱硫塔的一般设计具有一定的 指导意义。本文采用这种方法设计了湿式文丘里填 料脱硫塔， 并进行了必要的实验验证。通过一般实验 和正交实验， 本文得出了以下结论 1 本研究搭建的本脱硫工艺系统配套试制的脱 硫塔， 在 pH ＞ 6、 L/G ＞ 5 的情况下， 脱硫效率可以达 到 72. 9 以上， 达到设计目标 70 的要求。 2 本研究借助正交实验发现， 当 pH 值为 7、 液气 比为 7. 33 时， 该吸收塔脱硫效率最高达 95. 5 ， 达 到火电厂中大型锅炉湿法脱硫系统的效率水平。 因此， 与目前的主要中小型脱硫工艺相比， 本工 艺在正常运行状态下， 可以稳定保持较高的脱硫效 率， 若文丘里填料脱硫塔在中小锅炉中推广可以较大 地改善目前脱硫效率低的现状， 为我国环境管理和二 氧化硫的减排提供一定的技术基础。 参考文献 ［1］郝吉明，王书肖，陆永琪． 燃煤二氧化硫污染控制技术手册 ［M］． 北京化学工业出版社， 2001 245- 299． ［2］江霞，蒋文举， 朱晓帆． 微波改性活性炭的脱硫性能研究［J］． 环境工程，2003， 21 3 36- 38． ［3］梁勇，杨婷婷，周宇． 钠 － 钙双碱法工艺在高温焦炉烟气脱硫 中的应用［J］． 环境工程， 2011， 29 3 66- 68． ［4］蔡如钰． 火电湿法烟气脱硫流程优化的实现方案研究［J］． 环 境工程， 2012， 30 6 69- 74． ［5］邵申， 孙在柏， 万皓． 氨法烟气脱硫技术的工艺研究［J］． 环境 工程， 2011， 29 5 71- 74． ［6］齐笑言，宋宝华， 刘安安， 等． 提高镁法烟气脱硫副产物氧化 速率的实验研究［J］． 环境工程， 2011， 29 S1 409- 411． ［7］李广超． 大气污染控制技术［M］． 北京化学工业出版社， 2001 24- 25． ［8］潘鲁萍，杨乾铭． 中小锅炉烟气除尘脱硫技术简述［J］． 氯碱 工业，2004 5 32- 35． ［9］Rmachandran P H， Sharmamm M． Absorption with fast reaction in a slurry containing sparingly soluble fine particle［J］． Chem Eng Sci， 1969， 24 1681． ［ 10］Sada E，Kumazawah Buttma．Chemical absorption into a finite slurry［J］． Chem Eng Sci，1979，34 715． ［ 11］郝文阁，赵光玲，王东鹏， 等． 石灰石湿法脱硫过程中 SO2吸 收数学模型［J］． 环境工程学报，2008， 2 7 969- 972． ［ 12］田立江，张洁，王丽萍． 改进型两段式湿法脱硫塔设计和性能 研究［J］． 苏州科技学院学报． 工程技术版，2008， 21 1 34- 37． ［ 13］杜云贵，邓佳佳，冯治云， 等． 湿法烟气脱硫塔设计与优化 ［J］． 环境工程， 2010， 28 2 69- 71． ［ 14］王维忠，蒋文涛，苏仕军， 等． 软锰矿浆烟气脱硫反应器内 气 － 液两相流的数值模拟［J］． 环境工程， 2011， 29 5 92- 97． ［ 15］王潇． 中小锅炉燃煤烟气脱硫脱硝一体化控制技术试验研究 ［D］． 杭州 浙江大学， 2011． 作者通信处林奇350013福建省福州市晋安区茶园小区环北三 村 10 号 电话 0591 87739507 E- mailfzlinqi qq． com 2012 － 12 － 17 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 27 页 ［2］刘刚． 弱碱型三元复合驱采出水稳定性及反相破乳剂的应用 ［J］． 石油与天然气化工， 2006 2 140- 141. ［3］宋永吉， 梁克民． 复合配方絮凝剂处理炼油厂含油废水的研究 ［J］． 环境工程， 2005， 23 2 26- 27. ［4］吴迪． 化学驱采出液破乳剂的研究和应用进展［J］． 精细化工， 2009 1 82- 93. ［5］吴迪． 微乳液型反相破乳剂的研制及应用［J］． 精细与专用化 学品， 2006 6 10- 13. ［6］王方林． 三元复合驱采出水处理试验研究［J］． 工业水处理， 2006 10 17- 19. 作者通信处徐闯257000山东省东营市西三路 306 号采油院 电话 0546 8557248 E- mailxmelanie gmail． com 2012 － 09 － 13 收稿 26 环境工程 2013 年 6 月第 31 卷第 3 期