撞擊流反應(yīng)器石灰乳法脫除工業(yè)廢氣中SO2

陳夢秋

摘 要 當(dāng)今世界發(fā)展所帶來的環(huán)境問題已呈現(xiàn)越發(fā)嚴(yán)峻的趨勢，較為嚴(yán)重的是硫化合物的排放。本文通過設(shè)計(jì)撞擊流反應(yīng)器脫除工業(yè)廢氣中的SO2，撞擊流吸收塔中以石灰乳法即以Ca（OH）2為吸收劑，處理工業(yè)廢氣中的SO2。濕法脫硫的關(guān)鍵技術(shù)是吸收，在各種吸收劑中，石灰乳廉價(jià)易得，因而應(yīng)用最廣泛。

關(guān)鍵詞 撞擊流反應(yīng)器 吸收劑 石灰乳法 脫硫

0引言

我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國家之一，煤炭在中國能源結(jié)構(gòu)中的比例高達(dá)76.2%，且高硫煤較多，所產(chǎn)生的含硫化合物氣體一般都是具有毒性的物質(zhì)，不僅會(huì)引起儀器設(shè)備、管路腐蝕、催化劑中毒和產(chǎn)品質(zhì)量下降等問題，還會(huì)對(duì)人的健康產(chǎn)生嚴(yán)重的威脅，會(huì)引發(fā)呼吸道等疾病，因此就對(duì)人體的健康、大氣環(huán)境的保護(hù)、延長儀器等設(shè)備與催化劑的有效壽命而言，對(duì)含硫廢氣的污染采取相應(yīng)技術(shù)進(jìn)行脫硫是勢在必行的，同時(shí)如何實(shí)現(xiàn)燃料燃燒后含硫廢氣的處理也是廣大工程研究人員所面臨的共同問題。燃煤產(chǎn)生的SO2污染空氣是全球性重大環(huán)保問題，受到普遍關(guān)注，因此對(duì)SO2污染的控制已經(jīng)成為目前我國大氣污染控制領(lǐng)域最緊迫的任務(wù)。

我國目前應(yīng)用的有燃燒前、燃燒過程中和燃燒煙氣脫硫等幾種不同的處理方案，其中因技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上比較合理而最具有實(shí)用價(jià)值的是煙氣脫硫（flue gas desulfurization-FGD）。已研發(fā)的FGD技術(shù)有干法、半干法和濕法，其中以濕法（堿法、氨法、鈣法）脫硫最為切實(shí)可行，操作費(fèi)用較低、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，目前工業(yè)應(yīng)用的程度也最高。

1撞擊流技術(shù)

1.1撞擊流技術(shù)簡介

撞擊流的概念由Elperin首先提出，但其應(yīng)用可追溯到20世紀(jì)50年代初開發(fā)的 Koppers-Totzek 粉煤氣化爐。撞擊流（Impinging streams，IS）是一種較新穎的技術(shù)方法。以氣-固兩相體系為例，撞擊流的基本原理如圖 1所示。兩股兩相流相向高速流動(dòng)撞擊，結(jié)果在兩加速管之間造成一個(gè)高度湍動(dòng)的撞擊區(qū)。氣流在撞擊面上軸向速度趨于0并轉(zhuǎn)為徑向流動(dòng)。顆?？山鍛T性滲入反向流并在開始滲入的瞬間相間相對(duì)速度達(dá)到極大值；隨后在摩擦阻力作用下減速直到軸向速度衰減為0，隨后又被反向加速向撞擊面運(yùn)動(dòng)，并可能再次滲入原來氣流，在軸線附近的顆粒在兩股相向流體間往復(fù)滲透可多達(dá)6次。于是，撞擊區(qū)高度湍動(dòng)和很大的相間相對(duì)速度提供了極佳的傳遞條件。已經(jīng)證明，撞擊流是強(qiáng)化相間傳遞尤其是外擴(kuò)散控制的傳遞過程最有效的方法之一，傳遞系數(shù)可比一般方法提高數(shù)倍到十幾倍其基本原理是：兩股等量兩相流沿同軸相向流動(dòng)，并在中點(diǎn)處撞擊，如圖1所示。其結(jié)果是在兩根加速管之間造成一個(gè)高度湍動(dòng)的撞擊區(qū)，大大地強(qiáng)化了傳遞過程。

1.2撞擊流脫硫技術(shù)的優(yōu)勢

20 世紀(jì)90 年代中期以前的30 多年間，撞擊流領(lǐng)域有關(guān)傳遞過程的研究最為集中。強(qiáng)化相間傳遞是撞擊流極具吸引力的重要性質(zhì)。Tamir 等對(duì)多種物系和多種單元過程實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果表明，撞擊流中相間傳遞系數(shù)，特別是兩相密度差很大和外擴(kuò)散控制過程的傳質(zhì)系數(shù)，可以比傳統(tǒng)過程提高數(shù)倍到十幾倍。黃凱等所作循環(huán)撞擊流干燥研究，根據(jù)測定容積蒸發(fā)系數(shù)推算傳遞系數(shù)，也得到相同的結(jié)論。Matthias 等較近測定了撞擊流反應(yīng)器中的容積傳質(zhì)系數(shù)，得出：在輸入功率≤0.6 kW/m3 范圍內(nèi)反應(yīng)器各部分對(duì)傳質(zhì)的貢獻(xiàn)相似，但在≥0.7 kW/m3范圍內(nèi)傳質(zhì)系數(shù)主要受撞擊區(qū)及其下面?zhèn)髻|(zhì)過程的影響。唐山三友集團(tuán)興達(dá)化纖公司采用撞擊流氣液反應(yīng)器，脫除化纖生產(chǎn)尾氣中的H2S，結(jié)果表明以NaOH為脫硫劑，經(jīng)二級(jí)撞擊流氣液反應(yīng)器吸收脫硫后，尾氣中H2S含量達(dá)到了國家排放標(biāo)準(zhǔn)。

在應(yīng)用中其主要優(yōu)勢為：（1）降低設(shè)備投資成本。撞擊流氣液反應(yīng)器充分利用了本身具有良好的微觀混合、可大大強(qiáng)化傳遞過程的特點(diǎn)，因而使其結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備尺寸小，可節(jié)省設(shè)備投資。如武漢鋼鐵公司焦化廠，焦化尾氣量140萬m3/h，SO2的含量為1500～2000 mg/m3，采用中鋼設(shè)備有限公司的塔式氨法脫硫技術(shù)，其設(shè)備投資達(dá)1.2億元，若采用撞擊流脫硫技術(shù)，估計(jì)設(shè)備投資可降至7000萬元。（2）降低運(yùn)行成本。撞擊流氣液反應(yīng)器，由于在導(dǎo)氣管內(nèi)裝有壓力漩渦噴嘴，可將脫硫液分散成幾十微米的液滴，可大大增加氣液接觸面積，再加上其良好的微觀混合，強(qiáng)化傳質(zhì)和脫硫反應(yīng)過程，因而可大大降低液氣比；其次，由于塔式法的脫硫液循環(huán)量大，使得整個(gè)物料輸送的電耗都會(huì)不同程度的增大。（3）氣相阻力小。相對(duì)塔式濕法脫硫裝置而言，撞擊流氣液反應(yīng)器的氣相阻力要低，一般塔式設(shè)備阻力約為1500～2000 Pa。（4）安全性高、占地面積小、操作彈性大。目前很多環(huán)保工程公司，除了脫硫塔主體設(shè)備外，其余如乳化槽、再生槽、沉降池均為地槽，既不衛(wèi)生，更不安全，且將上述土建投資留給業(yè)主。而采用本撞擊流脫硫技術(shù)，所有設(shè)備均為地上結(jié)構(gòu)，無地槽，操作方便，環(huán)境衛(wèi)生，安全性高，并可為業(yè)主節(jié)省大量的土建資金。

2石灰乳法脫硫工作原理

石灰乳法使用氫氧化鈣溶液吸收尾氣中的SO2，生成SO32-與SO42-，反應(yīng)方程式如下：

（1）脫硫過程

（2） 氧化過程

石灰乳法脫硫工藝以石灰粉作為主脫硫劑，氫氧化鈣不斷循環(huán)利用。因在吸收過程中以氫氧化鈣作吸收液，系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)結(jié)垢堵塞現(xiàn)象，故運(yùn)行安全可靠，可達(dá)到較高的二氧化硫脫除率。

3撞擊流脫硫工藝流程

3.1 氣體流程

尾氣通過進(jìn)氣總管進(jìn)入反應(yīng)器，然后通過分氣管在撞擊流反應(yīng)器中與霧化后的氫氧化鈣液充分接觸混合，除去尾氣中的二氧化硫氣體，由吸收塔頂部引入煙囪排放。反應(yīng)過程為：

（1） 脫硫過程

（2） 氧化過程

3.2液體流程

將濃度約5%的氫氧化鈣送至吸收劑儲(chǔ)槽，由高壓泵送至反應(yīng)器內(nèi)，從導(dǎo)流筒中的旋渦壓力噴嘴噴出，在吸收區(qū)內(nèi)吸收尾氣中的SO2后，送入再生槽，部分清液回流，再生槽中與新加入的吸收劑一起進(jìn)入沉降池出去固體顆粒，避免堵塞管道，沉降后的清液由泵輸入混合槽與回流的清液進(jìn)行混合，然后一起送至反應(yīng)器內(nèi)，從導(dǎo)流筒中的旋渦壓力噴嘴噴出，在吸收區(qū)內(nèi)吸收尾氣中的氣溶膠顆粒后，回流至循環(huán)儲(chǔ)槽，如此循環(huán)，當(dāng)吸收液循環(huán)吸收。

石灰乳法脫硫工藝以氫氧化鈣為脫硫劑，不斷循環(huán)利用。由于氫氧化鈣吸收液與二氧化硫反應(yīng)的速率快，加之撞擊流氣液反應(yīng)器良好的微觀混合，強(qiáng)化了傳遞過程，故能在較小的液氣比條件下，可實(shí)現(xiàn)脫硫工藝。

4小結(jié)

撞擊流反應(yīng)器石灰乳法脫除工業(yè)廢氣中SO2主要依據(jù)撞擊流反應(yīng)器的主要特性，以及其能夠極大地增強(qiáng)氣液之間傳質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，以氫氧化鈣為吸收液吸收工業(yè)廢氣中二氧化硫，將石灰乳法與撞擊流反應(yīng)器相結(jié)合，能在較小的液氣比條件下，可達(dá)到較高的二氧化硫脫除率。

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