并流旋轉填料床中磷酸鈉法脫除煙氣中SO2

袁志國，劉有智，宋衛，康小鋒，王濤，彭博

（1中北大學超重力化工山西省重點實驗室，山西 太原 030051；2太原理工大學化學化工學院，山西 太原030024）

我國是以煤為主要能源消耗的國家，近十年來，年排放SO2超過2100多萬噸，居世界首位，減排壓力巨大[1-3]。2012年執行的火電廠大氣污染物排放標準中[4]，要求SO2濃度降至50～200mg/m3，遠低于之前400～1200mg/m3的標準[5]，甚至高于發達國家的標準。這使得目前廣泛使用的濕式石灰石/石灰-石膏法煙氣脫硫技術很難達標治理或不能經濟運行，且存在投資大，設備易結垢、堵塞，副產物利用率低，易二次污染等問題[6-9]。傳統的濕法脫硫技術處理能力大、脫硫率高、技術成熟的優勢需要重新認識：一方面，濕式再生法煙氣脫硫工藝具有脫硫劑可循環使用、可回收SO2資源、環境友好等特點[10-11]；另一方面，新興的超重力脫硫裝置（旋轉填料床）可大幅度縮小設備體積、降低投資、提高脫硫率，呈現出節能減排的優勢[12-14]；兩者結合將是提升煙氣脫硫技術的根本出路，也是今后脫硫發展的一個方向。

濕式再生法煙氣脫硫主要有亞硫酸鈉法、檸檬酸鈉法、有機胺法等[11，15]，因存在某些缺陷而未得到工業化推廣應用[16]。實驗研究發現：磷酸鈉溶液煙氣脫硫具有吸收容量大、不降解、無二次污染、容易再生等優點[16-18]，具備再生煙氣脫硫劑的優勢，但工業化應用鮮見報道。

本研究擬利用旋轉填料床（rotating packed bed，RPB）的高效傳質特點，結合磷酸鈉脫硫劑優點，提出了并流旋轉填料床中磷酸鈉法煙氣脫硫工藝，實驗考察了工藝參數對脫硫率η和氣相總體積傳質系數KGa的影響規律，為開發高效率、低成本的濕式再生法煙氣脫硫技術提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

磷酸鈉溶液吸收SO2的過程主要是煙氣中SO2從氣相轉入液相，部分解離出 H+和 HSO3?，其中H+和溶液中HPO42?等離子結合濃度降低，使吸收繼續進行，溶解更多SO2，實現SO2的富集。吸收后的富液進行熱解吸再生，釋放出SO2后成為貧液，循環再吸收。釋放的SO2可直接利用或用于生產硫酸等。主要反應見式（1）。

吸收為正反應，解吸為逆反應，此反應與檸檬酸鈉法煙氣脫硫類似[17]，但前者的反應活性更高[18]。

1.2 實驗方法

用去離子水稀釋磷酸到0.1～3mol/L，然后用固體NaOH調節pH值到4～7，配制磷酸鈉溶液作為吸收劑。模擬煙氣用鋼瓶SO2和空氣配制。在常溫、常壓下，固定氣量G為21m3/h，分別改變液體流量L、RPB轉速N、入口SO2質量濃度Cin、溶液初始pH值和磷酸濃度CL等工藝參數進行吸收實驗，采用煙氣分析儀測定RPB的進、出口氣相中SO2質量濃度。

因本體系類似于檸檬酸鈉吸收SO2過程，氣相總體積傳質系數KGa按文獻[19]計算，見式（2）。

式（2）中，r1和r2分別為填料層的內緣和外緣半徑，m；z為轉子軸向高度，m；V0為轉子填料層體積，m3；η為脫硫率，用式（3）計算。

式（3）中，Cin、Cout為RPB的進、出口氣相中SO2質量濃度，mg/m3。

采用超重力因子β來表征超重力場的強度，如式（4）所示[12]。

式（4）中，rm為轉子的對數平均半徑，m。

1.3 實驗裝置與流程

實驗流程如圖1所示，空氣經風機增壓進入緩沖罐，經流量計后與來自鋼瓶的SO2在管道和混合罐中混合，最后進入RPB進氣口，在內腔分布后，由內向外穿過填料，在外腔匯集沿切線方向經出氣管離開。磷酸鈉溶液用微型隔膜泵增壓經流量計后，由轉子中心的液體分布器噴灑在轉子內腔填料表面，在離心力作用下，自中心沿徑向穿過填料，與模擬煙氣在填料中并流接觸反應，吸收SO2后，被拋到外腔，經外殼匯集于底部經液體出口管排入富液槽。液體在穿過旋轉的填料過程中，被多次分割、聚并成極其微小的液膜、液絲和液滴，形成巨大的且快速更新的相界面，并縮短氣液相中SO2的擴散距離，從而實現快速傳質與反應和高效率地煙氣脫硫。

圖1 實驗流程圖

RPB自制，轉子內徑φ66mm，外徑φ260mm，軸向高度 20mm；內裝絲網制作的φ6mm×6mm θ環填料。

1.4 試劑與儀器

試劑：H3PO4，純度＞85%；NaOH，純度＞99%；SO2氣體，純度＞99.9%。

儀器：PHS-3C型精密pH計；英國凱恩公司的KM 9106綜合煙氣分析儀。

2 實驗結果與討論

2.1 液氣比對η和KGa的影響

在CL為1mol/L、pH值為5.64±0.02、Cin為(5740±15)mg/m3、β為80的條件下，液氣比對η和KGa的影響如圖2所示。

圖2 液氣比對η和KGa的影響

由圖2看出，當液氣比為 0.5～1.7L/m3時，η和KGa均隨液氣比的增大而快速增加，當超過1.7 L/m3后，η的增勢明顯減緩。這是由于：一方面，液氣比增大，即液體流量增大，填料的潤濕程度、液相的湍動及液膜的表面更新速率和有效傳質面積a都隨之增大，從而使得η和KGa均快速增加；同時，單位氣量獲得的液量增加，液相中SO2濃度降低，推動力增加，傳質速率加快，使得η增加更快；另一方面，當填料充分潤濕后，隨著液量的增加，液膜厚度逐漸增加，導致液相傳質系數減小，尤其是較高液氣比下，影響較為明顯，使得KGa增勢減緩。因此，液氣比控制在2.3～3L/m3較為適宜，既保證了較高的脫硫效率，又不至于使投資和運行費用過高，此時SO2脫除率已超過98.5%，出口SO2濃度低于100mg/m3，符合新的環保標準[4]。

在相近條件下，比 RPB中檸檬酸鈉溶液吸收SO2液氣比3～7L/m3小[19]，而KGa提高了10倍左右。這主要是因為前者的反應活性高于后者，且本實驗所用θ環填料更能發揮旋轉填料床的高效傳質優勢；同時，本研究采用并流操作，氣相壓降更低[20]；η略高于RPB中亞硫酸鈉法吸收SO2[13]，而與RPB中雙堿法脫硫相當[21]，但KGa卻提高了50～120倍，這可能是因后者的吸收液中NaOH濃度低，特別是RPB的結構和填料的差異所致。

2.2 超重力因子對η和KGa的影響

液氣比為2.3L/m3、其他同2.1節的條件下，超重力因子對η和KGa的影響如圖3所示。

由圖3看出，η和KGa隨超重力因子β的增大而增加，當β超過80，增勢減緩。這是由于：β增加，一方面旋轉填料將液體分散為更細小的液絲、液滴和液膜等微元，有效傳質面積a快速增加，且這些微元被下一層填料捕集、凝聚與再次分散的頻率也隨之增加，即相界面更新速率快速增加，從而快速地提高KGa和SO2吸收速率；另一方面，填料的持液量隨β增加而減小[22]，氣液接觸反應時間縮短，降低了SO2的吸收量。當β低于80，前者影響顯著；而β超過80，后者的影響逐漸明顯，兩者綜合的結果導致η和KGa增勢減緩。另外，β增大，意味著動力消耗增加。綜合考慮，β控制在80～110為宜。

圖3 超重力因子對η和KGa的影響

2.3 吸收液初始pH值對η和KGa的影響

液氣比為2.3L/m3、其他同2.1節的條件下，吸收液初始pH值對η和KGa的影響如圖4所示。

由圖4可知，初始pH值對η和KGa影響顯著，隨pH值的升高而增加。當pH值低于5，η隨pH值的升高快速增加，而超過5后，增勢減緩；而KGa隨pH值的升高近似線性增加。這是由于：pH值升高，溶液中Na+濃度增加，化學吸收增加因子增大，使得KGa增加；同時，吸收液的脫硫容量也隨之增加。所以，η和KGa隨pH值的升高而增加。然而，當pH值高于5，SO2出口濃度已很低（＜150mg/m3），即參與反應的SO2的量已經很少，所以脫硫率的增勢減緩。另外，初始 pH值過高，將導致溶液中Na2SO3增加，氧化副反應相應增加。因而，pH值控制在5.5～6為宜，并可有效抑止CO2的吸收。

圖4 吸收液初始pH值對η和KGa的影響

2.4 磷酸濃度對η和KGa的影響

液氣比為2.3 L/m3、其他同2.1節的條件下，吸收液中磷酸濃度CL對η和KGa的影響如圖5所示。

由圖5看出，η和KGa隨磷酸濃度的增加而增加，當CL超過1mol/L后，增勢減緩。這是由于磷酸濃度很低時，溶液的緩沖性差，吸收過程以物理吸收為主；隨著CL增加，溶液的緩沖性能快速增加，化學反應增強因子增加，使得η和KGa迅速增加；然而濃度超過 1mol/L后，受溶液中離子活度的影響，反應活性沒有磷酸濃度增長得快，且氣相SO2出口濃度已很低（＜160mg/m3），參與反應的 SO2量很小，所以η和KGa增勢減緩。另外，磷酸濃度過高，將導致解吸溫度升高。因此，磷酸濃度宜控制在1.5mol/L左右。

2.5 入口SO2質量濃度對η和KGa的影響

在CL為1.5mol/L、液氣比為2.3L/m3、其他同2.1節的條件下，氣體中SO2入口質量濃度Cin對η和KGa的影響如圖6所示。

圖5 磷酸濃度對η和KGa的影響

圖6 SO2入口質量濃度對η和KGa的影響

由圖6看出，Cin對η和KGa影響較小；Cin增加，η和KGa先上升再緩慢下降。這是由于Cin較低時，氣相擴散傳質阻力較大，增加Cin，既增大了氣相傳質系數（擴散速率增大），又增大了氣液傳質推動力，因而η和KGa增加。然而，隨著Cin的增加，液相中SO2的量也隨之增加，溶液反應活性降低，吸收速率減小。所以，導致η和KGa有所下降。

當Cin＜6 g/m3時，Cout低于 50mg/m3；當Cin達10g/m3時，Cout低于100mg/m3；當Cin高達12 g/m3時，脫硫率高于98.9%，Cout低于130mg/m3，符合新的環保標準[4]，也可適當增加液氣比或pH值進一步降低Cout到 100mg/m3以下；說明磷酸鈉溶液對煙氣中SO2濃度有較寬的適用范圍，優于旋轉填料床中雙堿法[21]或亞硫酸鈉法[22]吸收SO2，類似于檸檬酸鈉溶液吸收SO2[19]。這是因為磷酸和檸檬酸都是三元酸，其鈉鹽溶液具有較大的緩沖能力和脫硫容量。

2.6 工藝參數的顯著性分析

應用Matlab軟件中的Stepwise逐步回歸，分析了液氣比、超重力因子、pH值、磷酸濃度和進氣中SO2濃度等工藝參數對η和KGa影響的顯著性，結果如表1所示。

表1 顯著性分析結果

由表1看出，實驗范圍內，操作參數對η和KGa的顯著性影響順序均為：L/G＞CL＞ pH＞β＞Cin；不過顯著性差別較大，除L/G對兩者的影響均最為顯著外，CL對KGa的影響也較為顯著；而Cin的影響很小，進一步說明本工藝可適合不同煙氣中SO2的濃度。

3 結 論

（1）將并流旋轉填料床應用于磷酸鈉溶液吸收模擬煙氣中SO2的過程，強化吸收效果顯著，在較低液氣比下，獲得了99%以上的脫硫率和高的傳質系數，實現了快速高效脫硫。

（2）脫硫率和總傳質系數受液氣比和磷酸濃度的影響最為顯著，其次是pH值和超重力因子，而煙氣中SO2濃度影響很小；隨液氣比、磷酸濃度、超重力因子和pH值的增大而升高。適宜操作條件：液氣比為2.3～3L/m3，磷酸濃度為1.5mol/L左右，pH值為5.5～6，超重力因子為80～110。

（3）本工藝具有脫硫效率高、液氣比小、成本低、設備體積小、適用范圍寬等優點，凈化后可達到新的排放要求。

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