超重力技術(shù)在煙氣脫硝中的應(yīng)用

姬海剛 李芳芹

（上海電力學(xué)院能源與機械工程學(xué)院 上海 200090）

大氣污染的源頭有許多，其中氮氧化物（NOX）是主要的污染源之一，通常，我們所說的 NOX主要包括 N2O、NO2、NO、N2O3、N2O4、N2O5等，這其中對大氣造成污染的主要是NO與NO2，所以NOX的排放與控制技術(shù)一直是歐美發(fā)達國家關(guān)注的重點[1]。

目前國內(nèi)外減少NOX排放的主要方法是煙氣脫硝，大致可分為干法脫硝和濕法脫硝兩大類。其中干法主要有吸附法、催化法、等離子體法以及光催化氧化法等；濕法脫硝主要包括酸吸收法、堿溶液吸收法、液相還原吸收法、液相絡(luò)合吸收法等[2-3]。近年來濕法脫硝由于其工藝簡單而被廣泛研究[4]，這其中由俄羅斯學(xué)者所研發(fā)的尿素濕法脫銷工藝最具前景與研究價值，因為其產(chǎn)物為氮氣，不會造成二次污染，吸收后的廢液經(jīng)補充尿素即可循環(huán)使用，避免了傳統(tǒng)堿吸收法與選擇性催化氨還原法等工藝造成的副反應(yīng)多、副產(chǎn)品難于回收等問題，比較符合環(huán)保的要求[5]。但濕法脫硝所采用的傳統(tǒng)板式塔與填料塔存在傳質(zhì)效率低，設(shè)備體積大等缺點。

相對傳統(tǒng)塔設(shè)備，超重力旋轉(zhuǎn)填充床因其體積小、能耗低、大大增大傳質(zhì)過程等優(yōu)點[6,7]而被廣泛應(yīng)用化工、環(huán)境、材料等領(lǐng)域中，取得了很不錯的效果。本文主要介紹了超重力技術(shù)在氮氧化物脫除中的應(yīng)用。

1 超重力技術(shù)

超重力指的是在超出地球重力加速度g（g=9.8m·s-2）的環(huán)境下作用在物體上力的作用。在重力加速度大約為零時，兩種相態(tài)接觸過程的動力因素，兩種相態(tài)之間不會因密度差而產(chǎn)生相間流動，此時分子間的表面張力將會起主要作用，液體團聚起來得不到伸展，使得表面積達到最小，從而相間失去充分接觸的條件，相間傳遞作用越來越弱。反之，g越大，流體之間相對速度也就越大，巨大的切應(yīng)力足以克服表面張力，使得相間接觸面積增大，從而傳遞過程得到增強。超重力旋轉(zhuǎn)床正是通過高度旋轉(zhuǎn)，利用離心力使g增大，以此達到了強化傳遞的效果。

高速旋轉(zhuǎn)的超重力床使其中的液膜厚度減小十分明顯。Choen和Dudukovic[8]曾在1985年通過實驗得出：重力場中液膜厚度遠大于旋轉(zhuǎn)床中的液膜厚度，并且隨著旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)速增加，填料中的液膜厚度逐漸減小，當達到某一轉(zhuǎn)速時液膜厚度區(qū)域一個恒定值，不再減小。

超重力旋轉(zhuǎn)床高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的巨大切應(yīng)力使得液體在填料中以液膜、液絲和液滴等形式存在，導(dǎo)致液膜厚度急劇減小，增強了氣液接觸面積，強化了氣液相間傳遞。Burns和Ramshaw[9]利用頻閃照相機拍攝了超重力場中液體的流動狀態(tài)，見圖1（孔隙率為0.95，比表面積為1500，填料為PVC絲網(wǎng)，圖中黑色為填料，白色為液體）。結(jié)果表明，在低轉(zhuǎn)速情況下，液體主要是以徑向孔流的形式通過填料區(qū)，在高轉(zhuǎn)速情況下，液體主要是以液滴流動的形式通過填料區(qū)。

圖1 液體在超重力場中的三種流動形式

2 超重力裝置

2.1 超重力床的結(jié)構(gòu)

超重力旋轉(zhuǎn)床結(jié)構(gòu)如圖2所示[10]。由固定的柱形殼體、轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子以及液體分布器等組成。其核心部分是內(nèi)部圓環(huán)狀的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子內(nèi)部一般情況下都填充有多孔填料。

圖2 超重力旋轉(zhuǎn)床結(jié)構(gòu)圖

2.2 超重力床的工作原理

液體在液泵的作用下由噴水管噴灑在轉(zhuǎn)軸的內(nèi)緣上；氣體由進氣口引入轉(zhuǎn)軸外緣處，由此進入填料；在電機驅(qū)動下，轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，形成一個遠大于重力加速度的超重力場。被填料捕獲或者分割后的液體受到填料的作用，被徑向甩離，向外流動，完成氣液接觸的液體最后被甩離填料，在外殼匯集后經(jīng)排液口排出。氣體從轉(zhuǎn)軸中心處離開轉(zhuǎn)軸，經(jīng)氣體出口管引出。由此完成傳質(zhì)和反應(yīng)過程。在此過程中，填料內(nèi)部的液體被破碎成及其細小的液膜、液滴，因此形成了極大的相界面，增加了表面積；同時，由于填料對液體的不斷捕獲與撞擊，加劇了液體表面的更新，形成了很好的反應(yīng)與傳質(zhì)條件。

3 超重力在煙氣脫硝中的應(yīng)用

超重力技術(shù)在我國起步晚，但是進步比較快。大學(xué)和研究機構(gòu)如北京化工大學(xué)、華中科技大學(xué)、中科院過程所等單位都建立了相應(yīng)的超重力研究小組。1990年，北京化工大學(xué)建立起了我國第一個超重力工程技術(shù)研究所，后來慢慢發(fā)展成為教育部重點實驗室超重力研究中心，并且取得了一系列的超重力創(chuàng)新成果。

北京化工大學(xué)的高文雷[11]通過建立試驗臺考察氮氧化物濕法吸收的機理，對液相吸收的傳質(zhì)理論進行分析，決定采用超重力旋轉(zhuǎn)床作為反應(yīng)設(shè)備，分別用NaOH溶液和H2O2為吸收劑來研究轉(zhuǎn)速對脫硝效率的影響，實驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)速對脫硝效率的影響

由圖3可看出，兩種吸收劑的脫硝效率都隨著旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)速的增加而增大；但當轉(zhuǎn)速大于某一數(shù)值時（此處為800r·min-1），脫硝效率開始降低。因為轉(zhuǎn)速越高，填料對吸收液體的切割力度也越大，也就是說可以把液體分割成更加細小的液膜、液滴和液絲，從而表面更新速率大大加快，使得更多的NOX被吸收，但是隨著轉(zhuǎn)速的再度提高，會使得液體在床內(nèi)停留時間迅速下降并且造成的影響已經(jīng)不能忽略，部分吸收液還沒來得及與氣相接觸反應(yīng)就被甩出了填料層，導(dǎo)致脫硝效率降低。同樣來自北京化工大學(xué)的楊暉采用超重力技術(shù)與尿素濕法脫硝相結(jié)合來展開研究，得出了同樣的結(jié)論，旋轉(zhuǎn)床的轉(zhuǎn)速不能無節(jié)制的增加，需要綜合能耗，效率等多方面去選定。

4 結(jié)語

干法脫硝主要存在投資以及運行維護費用高等問題，而濕法脫硝技術(shù)則具有工藝簡單，能耗低，無污染等優(yōu)勢，但是濕法脫硝中氣液傳質(zhì)速率低成為影響其效率不高的關(guān)鍵因素。超重力技術(shù)是一種強化了三傳一反的新技術(shù)，最主要的有點久在于傳質(zhì)效率高，同時還擁有設(shè)備體積小、能耗低等優(yōu)點。我國的酸雨類型已不單單是硫酸型，硝酸成份所占比重越來越大，脫硝任重道遠，勢在必行。超重力技術(shù)脫硝是結(jié)合了超重力與化學(xué)吸收的新型脫硝技術(shù)，由于強化了傳質(zhì)性能，吸收效率提高，對降低單位生產(chǎn)能耗具有重要意義。

[1]任曉莉.常壓濕法治理化學(xué)工業(yè)中氮氧化物廢氣的研究 [J].天津:天津大學(xué)化工學(xué)院,2006．

[2]王海強,吳忠標．煙氣氮氧化物脫除技術(shù)的特點分析[J]．能源工程,2004(3）:27-30．

[3]王艷芳.煙氣氮氧化物的治理技術(shù)現(xiàn)狀研究[J].中國科技信息,2007(24）:24-25．

[4]張金龍,辛志玲.濕法煙氣脫硝技術(shù)研究進展[J].上海電力學(xué)院學(xué)報,2010,26(2）:151-156.

[5]王仲霞.干法氮氧化物脫除技術(shù)的發(fā)展及其工業(yè)應(yīng)用[J].河北化工,2005(4）:31-33.

[6]Reddy K J，Gupta A．Process intensification in a HIGEE with split packing[J].AIChE，2006，45(12）:4270-4277.

[7]Chen Y，Lin C．Mass transfer in a rotating-packed bed with viscous Newtonian and non-Newtonian fluids[J].AIChE，2005，44(4）:1043-1051.

[8]Cohen.Y,Dudukovicm．Mass-Transfer in centrifugal Gas/Liquid Contaction[J]．AIChE，1985(10）：22.

[9]Burns JR，RamshawC.Visual study of liquid maldistribution in rotatingpacked beds[J]．ChemEngSci，1996，51：1347-1352.

[10]渠麗麗,劉有智,楚素珍,等.超重力技術(shù)在氣體凈化中的應(yīng)用[J].天然氣化工,2007(2）：55-59.

[11]高文雷,曾澤泉.旋轉(zhuǎn)填充床中濕法脫硝的研究[J].高?；瘜W(xué)工程學(xué)報,2014(28）：1161-1165.