超重力技術在煙氣脫硝中的應用

姬海剛 李芳芹

（上海電力學院能源與機械工程學院 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的排放與控制技術一直是歐美發達國家關注的重點[1]。

目前國內外減少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]，這其中由俄羅斯學者所研發的尿素濕法脫銷工藝最具前景與研究價值，因為其產物為氮氣，不會造成二次污染，吸收后的廢液經補充尿素即可循環使用，避免了傳統堿吸收法與選擇性催化氨還原法等工藝造成的副反應多、副產品難于回收等問題，比較符合環保的要求[5]。但濕法脫硝所采用的傳統板式塔與填料塔存在傳質效率低，設備體積大等缺點。

相對傳統塔設備，超重力旋轉填充床因其體積小、能耗低、大大增大傳質過程等優點[6,7]而被廣泛應用化工、環境、材料等領域中，取得了很不錯的效果。本文主要介紹了超重力技術在氮氧化物脫除中的應用。

1 超重力技術

超重力指的是在超出地球重力加速度g（g=9.8m·s-2）的環境下作用在物體上力的作用。在重力加速度大約為零時，兩種相態接觸過程的動力因素，兩種相態之間不會因密度差而產生相間流動，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。超重力旋轉床正是通過高度旋轉，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床中的液膜厚度，并且隨著旋轉床轉速增加，填料中的液膜厚度逐漸減小，當達到某一轉速時液膜厚度區域一個恒定值，不再減小。

超重力旋轉床高速旋轉所產生的巨大切應力使得液體在填料中以液膜、液絲和液滴等形式存在，導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，見圖1（孔隙率為0.95，比表面積為1500，填料為PVC絲網，圖中黑色為填料，白色為液體）。結果表明，在低轉速情況下，液體主要是以徑向孔流的形式通過填料區，在高轉速情況下，液體主要是以液滴流動的形式通過填料區。

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 超重力床的結構

超重力旋轉床結構如圖2所示[10]。由固定的柱形殼體、轉軸、轉子以及液體分布器等組成。其核心部分是內部圓環狀的轉子，轉子內部一般情況下都填充有多孔填料。

圖2 超重力旋轉床結構圖

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軸的內緣上；氣體由進氣口引入轉軸外緣處，由此進入填料；在電機驅動下，轉子高速旋轉，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，在外殼匯集后經排液口排出。氣體從轉軸中心處離開轉軸，經氣體出口管引出。由此完成傳質和反應過程。在此過程中，填料內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，形成了很好的反應與傳質條件。

3 超重力在煙氣脫硝中的應用

超重力技術在我國起步晚，但是進步比較快。大學和研究機構如北京化工大學、華中科技大學、中科院過程所等單位都建立了相應的超重力研究小組。1990年，北京化工大學建立起了我國第一個超重力工程技術研究所，后來慢慢發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新成果。

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

圖3 轉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床轉速的增加而增大；但當轉速大于某一數值時（此處為800r·min-1），脫硝效率開始降低。因為轉速越高，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，但是隨著轉速的再度提高，會使得液體在床內停留時間迅速下降并且造成的影響已經不能忽略，部分吸收液還沒來得及與氣相接觸反應就被甩出了填料層，導致脫硝效率降低。同樣來自北京化工大學的楊暉采用超重力技術與尿素濕法脫硝相結合來展開研究，得出了同樣的結論，旋轉床的轉速不能無節制的增加，需要綜合能耗，效率等多方面去選定。

4 結語

干法脫硝主要存在投資以及運行維護費用高等問題，而濕法脫硝技術則具有工藝簡單，能耗低，無污染等優勢，但是濕法脫硝中氣液傳質速率低成為影響其效率不高的關鍵因素。超重力技術是一種強化了三傳一反的新技術，最主要的有點久在于傳質效率高，同時還擁有設備體積小、能耗低等優點。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。超重力技術脫硝是結合了超重力與化學吸收的新型脫硝技術，由于強化了傳質性能，吸收效率提高，對降低單位生產能耗具有重要意義。

[1]任曉莉.常壓濕法治理化學工業中氮氧化物廢氣的研究 [J].天津:天津大學化工學院,2006．

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

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

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

[5]王仲霞.干法氮氧化物脫除技術的發展及其工業應用[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.超重力技術在氣體凈化中的應用[J].天然氣化工,2007(2）：55-59.

[11]高文雷,曾澤泉.旋轉填充床中濕法脫硝的研究[J].高校化學工程學報,2014(28）：1161-1165.