蔡雨陽,劉敦禹,李 偉,金 晶,許開龍
(1.上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,上海 200093;2.上海市動力工程多相流動與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200093)
富氧燃燒技術(shù)是目前主流的直接實(shí)現(xiàn)燃煤CO2減排的技術(shù)之一[1]。富氧燃燒技術(shù)可以有效降低單位質(zhì)量燃料的NO和SO2排放量,并實(shí)現(xiàn)煙氣中CO2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到80%,但是煙氣中NO和SO2體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)高于空氣燃燒[2-3]。煤質(zhì)不同,富氧燃燒過程中的NO和SO2體積分?jǐn)?shù)在300×10-6~2 000×10-6[4]。如果不對煙氣中NO、SO2等雜質(zhì)氣體加以脫除,會對后續(xù)CO2的資源化利用有不利影響[5]。因此,富氧燃燒煙氣的凈化十分重要。
總結(jié)以往的研究發(fā)現(xiàn),在協(xié)同脫除過程存在的反應(yīng)機(jī)理、SO2和NO的脫除順序以及兩者之間的影響規(guī)律等方面仍存在很大爭議。因此,筆者借助高壓鼓泡反應(yīng)器研究了SO2和NOx聯(lián)合吸收到水中以及不同濃度酸中的過程,借助電化學(xué)煙氣分析儀、差分吸收光譜儀以及拉曼分析儀測量氣液產(chǎn)物,揭示兩者的相互作用機(jī)制及該機(jī)制對聯(lián)合吸收的影響。同時(shí)提出了一種利用傳統(tǒng)濕法(鈣基)脫硫技術(shù)聯(lián)合吸收NO和SO2的高壓洗滌方法,有望實(shí)現(xiàn)SO2和NO分別以CaSO4·2H2O沉淀和Ca(NO3)2溶液形式進(jìn)行脫除和分離,以此通過低成本吸收劑和回收最終產(chǎn)品來降低脫硫脫硝成本。本研究可為富氧燃燒高壓聯(lián)合脫硫脫硝技術(shù)的應(yīng)用和開發(fā)提供參考。
由圖1所示,實(shí)驗(yàn)裝置主要包括質(zhì)量流量計(jì)、高壓鼓泡反應(yīng)器、光源、透鏡、吸收腔、光譜儀和電化學(xué)煙氣分析儀等。質(zhì)量流量計(jì)用于控制模擬煙氣進(jìn)入高壓鼓泡反應(yīng)器的總體積流量,煙氣組分包括O2/N2/CO2(純度>99.999%)、φ(SO2)/φ(N2)為3%和φ(SO2)/φ(N2)為1%的5種氣體。316不銹鋼管用于氣體傳輸,煙氣的總體積流量控制在2 L/min。煙氣從反應(yīng)器頂部通過1/8英寸管引入至反應(yīng)器底部,使得煙氣在反應(yīng)器中的停留時(shí)間最大化。反應(yīng)器內(nèi)部壓力由減壓閥控制,且反應(yīng)器體積為1 L,并填充有不同類型的吸收液。煙氣以氣泡的形式從反應(yīng)器底部流到反應(yīng)器出口,在此期間煙氣中可溶性氣體被吸收液吸收。流出反應(yīng)器的混合氣體一部分進(jìn)入吸收腔,通過光譜儀(利用差分吸收光譜法)測量出口NO2質(zhì)量濃度[14];一部分被抽吸到電化學(xué)煙氣分析儀中以測量出口SO2和NO質(zhì)量濃度。
圖1 實(shí)驗(yàn)裝置流程圖
為了研究NO和SO2聯(lián)合吸收到水中的反應(yīng)機(jī)理以及相互作用,將670 mg/m3NO和5 714 mg/m3SO2分別單獨(dú)和聯(lián)合吸收到200 mL去離子水中,此外還需引入體積分?jǐn)?shù)為5%的O2和75%的N2。實(shí)驗(yàn)壓力為2 MPa,吸收時(shí)間為1 h。結(jié)果如圖2所示,其中L表示單獨(dú)吸收,C表示聯(lián)合吸收。
(a)
在所有實(shí)驗(yàn)組中,出口SO2體積分?jǐn)?shù)均為0%,這說明SO2均能被全部吸收。由圖3可知,實(shí)驗(yàn)組S0、S1、N0和N1中,NOx吸收率達(dá)到80%以上,而S10實(shí)驗(yàn)組中,NOx吸收率仍有60%以上。N10實(shí)驗(yàn)組中,前6 min NOx吸收率急劇下降至16%,之后在6~45 min NOx吸收率緩慢降至0%。值得注意的是,對于N10實(shí)驗(yàn)組中,在45 min后,NOx吸收率降至負(fù)值,這是由于HNO3會分解為NOx,說明在該階段只存在鉛室機(jī)理。
圖3 酸溶液濃度對NOx吸收率的影響
上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明,鉛室反應(yīng)隨酸濃度的增加逐漸增強(qiáng),NOx吸收率顯著降低。10 mol/L的H2SO4溶液NOx吸收率為60%;10 mol/L HNO3溶液在45 min前仍會吸收少量NOx,而在45 min后不吸收NOx,該階段只存在鉛室機(jī)理,但均不能實(shí)現(xiàn)HNO3和H2SO4的單獨(dú)回收利用。
從2.1節(jié)和2.2節(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,采用上述方法聯(lián)合吸收SO2和NO,產(chǎn)物H2SO4和HNO3處于同一個(gè)體系中,因此很難實(shí)現(xiàn)H2SO4和HNO3的單獨(dú)回收利用,這對于最終產(chǎn)品的進(jìn)一步利用是不利的。而采用添加CaO的溶液聯(lián)合吸收SO2和NO的方法,有望實(shí)現(xiàn)所生成的H2SO4和HNO3分別以CaSO4·2H2O沉淀和Ca(NO3)2溶液形式進(jìn)行單獨(dú)回收利用。
2.3.1 CaO物質(zhì)的量對聯(lián)合吸收的影響
為了研究CaO物質(zhì)的量對聯(lián)合吸收SO2和NO過程的影響,將1 340 mg/m3NO、5 714 mg/m3SO2、體積分?jǐn)?shù)為5%的O2和75%的CO2聯(lián)合吸收到500 mL含不同物質(zhì)的量CaO(0 mol、5.1×10-3mol和1.5×10-2mol)溶液中。實(shí)驗(yàn)壓力為2 MPa,吸收時(shí)間為1 h。
由圖4(a)可知,出口NOx與入口NO體積分?jǐn)?shù)比值增加,而入口NO體積分?jǐn)?shù)恒定,表明出口NOx體積分?jǐn)?shù)增加,所以NOx吸收率隨時(shí)間的增加逐漸降低。前10 min內(nèi),NOx吸收率較高,而在10 min后,NOx吸收率緩慢降低,這是因?yàn)镹Ox與水之間存在復(fù)雜反應(yīng)。NOx吸收到溶液中主要形成HNO3和HNO2[17],而溶液中HNO2和HNO3的比例取決于pH,HNO3在溶液中非常穩(wěn)定,而HNO2能進(jìn)一步分解成HNO3、NO和H2O[11]。在NOx吸收過程中,溶液中HNO2濃度隨pH的降低而增大,使得HNO2向HNO3和NO的分解增強(qiáng),導(dǎo)致NOx吸收率降低。但是NOx吸收率隨CaO物質(zhì)的量的增加有所提高,這表明水中加入CaO有利于NOx吸收,這是因?yàn)镃aO與水反應(yīng)生成的Ca(OH)2會增強(qiáng)吸收液的堿性,堿性條件有利于酸性氣體NOx的吸收。上述實(shí)驗(yàn)在反應(yīng)器出口處均未觀察到SO2,這表明所有SO2都可被吸收。
(a) 出口NOx與入口NO體積分?jǐn)?shù)比值的影響
(b) pH和液相產(chǎn)物的影響圖4 添加CaO對氣相與液相產(chǎn)物的影響
2.3.2 吸收時(shí)間對聯(lián)合吸收的影響
為了研究吸收時(shí)間對聯(lián)合吸收的影響,將1 340 mg/m3NO、5 714 mg/m3SO2、體積分?jǐn)?shù)為5%的O2和75%的CO2聯(lián)合吸收到500 mL、1.5×10-2mol 的CaO溶液中。實(shí)驗(yàn)壓力為2 MPa,吸收時(shí)間分別為40 min、60 min、180 min和240 min。
2.3.3 鈣硫物質(zhì)的量比對分離過程的影響
(a) pH、液相產(chǎn)物的影響
(b) 沉淀物XRD圖譜的影響圖5 吸收時(shí)間對液相產(chǎn)物和沉淀物的影響
(a) pH、液相產(chǎn)物的影響
(b) 沉淀物XRD圖譜圖6 鈣硫物質(zhì)的量比對液相產(chǎn)物和沉淀物的影響
(1) SO2和NO聯(lián)合吸收到水中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該過程同時(shí)存在鉛室和Raschig機(jī)理,鉛室反應(yīng)隨時(shí)間的增加而增強(qiáng),表現(xiàn)為SO2吸收率增加,而NOx吸收率降低;采用拉曼光譜儀證明該過程產(chǎn)生的N-S化合物主要為HADS。
(2) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,SO2和NO聯(lián)合吸收到不同濃度酸溶液中時(shí),鉛室反應(yīng)隨酸濃度的增加而增強(qiáng),NOx吸收率顯著降低;10 mol/L H2SO4溶液的NOx吸收率為60%;10 mol/L HNO3溶液在45 min前仍會吸收少量NOx,而在45 min后不吸收NOx,該階段只存在鉛室機(jī)理,但均不能實(shí)現(xiàn)HNO3和H2SO4的單獨(dú)回收利用。