超重力尿素湿法烟气脱硝技术的研究分析

通过考察氮氧化物湿法吸收机理,对NOx液相吸收的传质理论进行了相关分析。采用定-转子反应器(RSR)作为新型吸收设备,对尿素溶液吸收氮氧化物废气的工艺条件进行了试验研究,考察了液体流量、进气流量、定-转子反应器转速、尿素含量及吸收温度等因素对NOx脱除率的影响,确定了脱除NOx的最佳条件。

试验结果表明,对定-转子反应器内部结构为SS-RH这种组合,最佳操作参数为液体流量0.2m3/h、进气流量0.2m3/h、定-转子反应器转速1400r/min、尿素溶液质量分数20%、吸收温度60℃。在此条件下,NOx的脱除率可达到63%。

氮氧化物(NOx)是造成大气污染的主要污染源之一,通常所说的NOx主要包括N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4、N2O5等,其中污染大气的主要是NO和NO2,NOx的排放控制技术一直是发达国家的关注重点。

国内外常用的烟气脱硝技术大致可分为干法和湿法两大类。干法烟气脱硝主要有催化法、吸附法、等离子体治理技术、微波法和光催化氧化法等;湿法烟气脱硝主要有酸吸收法、碱溶液吸收法、氧化吸收法、液相还原吸收法、液相络合吸收法等。

尿素吸收分解还原法属于湿法中的液相还原吸收法,吸收完成后的废液经补充尿素循环使用,不产生污染的废弃水体,避免了传统水洗法、碱吸收法、选择性催化氨还原法等工艺存在的酸性污染、副反应多、副产品难于回收等问题,比较符合环保的要求,因此尿素在控制NOx排放中的用途不断增加。

之前,进行烟气脱硝的设备主要有吸收塔和旋转填充床。定-转子反应器[7]是在综合旋转填充床的端效应区和空腔区强化传质作用,以及改善液体的周向分布的基础上设计出来的新型过程强化设备。它发挥了旋转填充床高效传质和微观混合性能的优点,同时也克服了其内部液体一次性分布及内置填料不易清洗的缺点。

目前,定-转子反应器的研究主要集中在纳米材料的制备、气液传质及压降特性、传热特性、微观混合等方面的研究。但是有关定-转子反应器在气体吸收方面的研究尚未见报道。

本文以定-转子反应器为吸收设备,以尿素溶液作为吸收剂,对液体流量、进气流量、定-转子反应器转速、尿素溶液质量分数及吸收温度等因素进行了考察,从而得出最佳操作参数。

1、实验部分

1.1、尿素脱硝机理

NOx通过分子扩散和湍流扩散作用从两相界面扩散到液相主体。在液相中形成HNO3和HNO2,分别电离成H+、NO-3和NO-2,生成的NO-2与(NH2)2CO反应生成N2和CO2等。尿素溶液吸收NOx的反应过程为

2NO+O2→2NO2

2NO2→N2O4

NO+NO2→N2O3

N2O3+H2O→2HNO2

N2O4+H2O→HNO2+HNO3

2NO2+H2O→HNO2+HNO3

2HNO2+(NH2)2CO→2N2+CO2+3H2O

化学反应式为

(NH2)2CO+NO+NO2→2N2+CO2+2H2O

由上述机理可见,NOx的脱除主要是通过NO氧化,随后溶于水溶液,与尿素发生化学反应达到脱除的目的。其中的尿素溶液则直接与溶于液相的NOx反应,而NOx由气态转入水相主要是通过NOx在溶液中的吸收平衡来实现。NOx在水相中的存在形态较为复杂,溶于水中的NOx可以被液相中氧化剂氧化成NO3-。

1.2、实验装置及工艺流程

1.2.1、实验装置

定-转子反应器的结构如图1所示。其核心部分由定子和转子组成,其中没有填料。定子由固定在端盖上的同心排列的圆柱构成,开有圆孔的同心环通过螺钉连接在转子座上构成转子。同心环在圆周上有流体通道,定子上的多层同心环与转子上的多层同心环的直径不等,交叉在一起。

定子通过端盖固定在壳体上,转子通过转子座与电机转轴连接,电机转动带动转子旋转。流体在定子和转子之间流动的过程中受到高度剪切,被破碎分散并不断地进行再分布,相当于旋转填充床中多个端效应区和空腔区的叠加,增加了表面更新速率及流体的湍流程度,促进了两相之间的传质。

实验所使用的定子和转子内部结构为SS-RH这种组合,该定子径向开直槽-转子径向开孔的传性能相对于其他结构比较好,具体结构如图2所示。

本文所用的定子的4个同心环的内径分别为66,94,122,150mm;转子的5个同心环的内径分别为52,80,108,136,164mm。在径向上转子环与定子环是相互交错排列的,每个环的厚度为6mm,径向上转子环与定子环有1mm的间隙。定-转子层的轴向高度为20mm。

1.2.2、工艺流程

采用定-转子反应器进行尿素湿法烟气脱硝的实验流程如图3所示。

将预先配制的一定质量分数的尿素溶液置于循环罐中,经循环泵输送,由流量调节阀调节并经流量计计量后,由液体进口处进入定-转子反应器中,经喷头喷至转子中心处,在离心力的作用下经过多层定子和转子向外甩出,在重力作用下从液体出口排出并且重新流入循环罐中。

空气由空气压缩机经转子流量计进入气体缓冲瓶中,并且与从NO钢瓶出来的NO气体在气体缓冲瓶中相互混合,混合后的气体在气体检测口处对其进行取样分析,之后从气体入口处进入定-转子反应器壳体,混合气自转子外圈向内运动,与尿素溶液逆流接触并进行传质。在气体出口检测口处对从定-转子反应器中排出的废气进行取样分析,之后用NaOH溶液对其进行回收处理。

1.3、检测方法

进出口气体采用仪器检测方法。检测仪器为德国ecom-CN产品S/N--259型烟气分析仪。NOx的脱除率(D)计算公式为

2、结果与讨论

2.1、液体流量、进气流量对NOx脱除率的影响

液体流量以及模拟烟气进气流量的大小,对NOx的脱除率有较大的影响。采用质量分数为15%的尿素溶液作为吸收液,吸收温度控制在60℃左右,定-转子反应器的转速为1200r/min,模拟烟气中NOx的质量浓度大概在1000mg/m3。分别考察了液体流量为0.2,0.3,0.4,0.5和0.6m3/h时,NOx的脱除率随不同进气流量的变化趋势以及进气流量为0.2,0.4,0.6,0.8和1.0m3/h时,NOx的脱除率随不同液体流量的变化趋势。试验结果如图4所示。

从图4可以看出,在NOx浓度不变时,在同一进气流量下,随着液体流量的增加,NOx的脱除率变化不明显。这是由于在较小进气流量的情况下,可以认为气液完全接触,此时NOx的脱除率已经达到了最值。随着液体流量的增加,当液气比增大到一定的程度后,相比于该系统下较小的进气流量,由于液体流量大大过量,因此NOx脱除率的增加程度有限。考虑到吸收效率和处理能力两方面的问题,本工艺流程下较合适的液体流量为0.2m3/h。

从图4还可以看出,在同一液体流量下,NOx的脱除率随着进气流量的增加而下降。这是由于该过程非传质控制过程,而是反应控制过程。随着进气流量的增加,NOx在尿素吸收液中的停留时间将减短,气液接触时间减少,NOx的脱除率下降。因此在实际操作中,应控制一定的进气流量,以保证达到预期的净化效果。综合处理能力和吸收效率两方面因素来考虑,本工艺流程下较合适的进气流量为0.2m3/h。

2.2、定-转子反应器转速对NOx脱除率的影响

定-转子反应器转速也是一个重要的操作条件。采用质量分数为15%的尿素溶液作为吸收液,模拟烟气进气流量为0.2m3/h,液体流量为0.2m3/h,吸收温度控制在60℃左右,模拟烟气中NOx的质量浓度大概在1000mg/m3。分别考察了定-转子反应器转速分别为400,600,800,1000,1200和1400r/min时NOx脱除率的变化趋势。试验结果如图5所示。

由图5可以看到,随着定-转子反应器转速的增加,NOx的脱除率有所增大。这是强化传质的结果,由于该吸收过程为反应控制过程,因此NOx脱除率的增加程度有限。考虑到电机额定功率的限制,定-转子反应器转速不能无限地增大,因此需要根据要求确定适合的转速范围。综合考虑,本试验定-转子反应器转速控制在1400r/min左右较为合适。

2.3、尿素含量对NOx脱除率的影响

通过改变尿素含量来研究其对NOx脱除率的影响。模拟烟气进气流量为0.2m3/h,液体流量为0.2m3/h,吸收温度控制在60℃左右,定-转子反应器的转速为1400r/min,模拟烟气中NOx的质量浓度大概在1000mg/m3。考察了尿素溶液的质量分数分别为5%,10%,15%,20%和25%时NOx脱除率的变化趋势。试验结果如图6所示。

从图6可以看出,随着尿素含量的增加,NOx的脱除率逐渐增加。用质量分数为5%的尿素溶液吸收NOx,其脱除率接近56%;当吸收液质量分数增加到25%时,脱除率接近61%。尿素溶液质量分数超过20%后对NOx脱除率的提高不是很显著。

由尿素溶液还原分解氮氧化物的反应机理可以看出,尿素含量的多少对NOx的脱除率有一定的关系。增加溶液中尿素的含量有利于反应向正方向进行,但是在实际应用中考虑到烟气脱硝的经济性,尿素含量越高,运行成本也越高,因此尿素含量是不能无限制地提高的,从脱硝效率和经济性两方面综合考虑,在后续实验研究其他工艺条件对尿素脱硝效果的影响时,可采用质量分数为20%的尿素溶液作为吸收液。

2.4、吸收温度对NOx脱除率的影响

吸收温度是尿素湿法脱硝的影响因素之一。一般湿法吸收反应的温度在20~70℃之间,因此,控制吸收温度在常温到70℃之间。

其他的实验条件为模拟烟气进气流量为0.2m3/h,液体流量为0.2m3/h,定-转子反应器的转速为1400r/min,尿素溶液的质量分数为20%,模拟烟气中NOx的质量浓度大概在1000mg/m3。考察吸收温度对NOx脱除率的影响。试验结果如图7所示。

从图7可以看出,在温度较低时,NOx的脱除率随着吸收温度的升高而增加;当温度升高至60℃后,NOx的脱除率随着吸收温度的升高变化不明显。

这是因为在低温时,反应速率常数随温度的上升而增大,总效果是NOx的脱除率增加。当温度继续升高达到60℃后,由亨利定律可知,NOx的溶解度减小,未溶于尿素溶液的NOx难以得到脱除,另一方面还可能由于NO氧化成NO2的反应速率下降,反应生成的HNO2减少,NOx的脱除率下降。综合考虑,本试验的吸收温度控制在60℃左右。

3、结论

(1)NOx的脱除率随着定-转子反应器转速、尿素溶液质量分数、吸收温度的增加而增大,随着进气流量的增加而减小,随着液体流量的增加变化较平稳。

(2)在本文试验条件下,对定-转子反应器内部结构为SS-RH这种组合,最佳操作条件为液体流量0.2m3/h、进气流量0.2m3/h、定-转子反应器转速1400r/min、尿素溶液质量分数20%、吸收温度60℃。