降膜式错流洗涤的湿式脱硫反应器的传质和反应过程外文翻译.docx

降膜式错流洗涤的湿式脱硫反应器的传质和反应过程juncong sai, shaohua wu, rui xu, rui sun, yan zhao and yukun qinschool of energy science and engineering, harbin institute of technology, harbin 150001, p. r. china(received 22 august 2006 accepted 6 november 2006)摘要：在目前的研究中，一系列的湿法烟气脱硫实验已通过不同的进料浆方式，即：通过串联和并联，通过横向气流洗涤与降膜进行了比较。实验结果表明，串联是具有最佳的脱硫性能的进料浆的方式。液体侧的传质反应模型和脱硫传质的错流洗涤模式已被开发。反应器出口处浆液的ph值，以及沿管的轴向方向分布的h2so3，hso3-和so32-的离子浓度都已通过分析和计算模型获得，且计算值与实验值吻合的很好。它表明：模型可以很好的预测沿着管的轴向方向上的离子浓度的分布。关键词：错流洗涤 降膜 传质反应过程引言随着装机容量的增加，经济快速起飞发展，二氧化硫（so2）的排放量增加【1】。烟气脱硫（fgd）是控制so2最有效的方法之一，其中湿法烟道气脱硫（wfgd）是最广泛使用和开发的烟气脱硫技术【2,3】。两种气 - 液接触的方法：逆流和并流，都已在传统的降膜反应器中应用，降膜和烟道气之间的交叉流动的接触方式以及液体侧传质和反应过程都还未被研究【4-10】。本文最初提出了湿法烟气脱硫反应器下降由横流洗涤和研究膜的传质和反应的过程。在反应器中，以翅片管作为降膜的载体以确保均匀性、连续性、稳定和不被破坏性。 实验原理和方法1、 实验原理烟道气穿过翅片管束的工作原理如图1，实验中用石灰浆液作为吸收剂。该浆液是分布式的，通过浆料分配器上有序排列的导向管。因此，浆液沿着管子的外表面以均匀的降膜式落下（如在图1中所示的被剖面部分）。翅片管上的降膜是由具有一定速度的交叉烟道洗涤气体形成，二氧化硫通过降膜被吸收，从而实现除去二氧化硫的目的。图1 翅片管的烟气通道示意图降膜可以覆盖整个管的表面，而且由翅片管引起的表面能和安装面积使得其不易被烟道气破坏。因此，可以减少夹带的液滴，然后设备背面的侵蚀问题也可以减轻。实验是在一个实验设备上进行的。翅片管是实验系统的核心部分。翅片管的的外径和有效长度分别是16mm和500mm。翅片的高度是5mm。分配器的小孔的内径为18mm。入口烟道气体的温度的范围是28至100。入口烟道气体速度的范围是从2.4米/ s到4.9米/秒。浆料流率的范围是从6立方米/小时至8立方米/小时。当烟道气速和烟气入口温度保持在3.2米/ s和60，分别在浆料浆率为6立方米/小时，7立方米/ h和8立方米/小时进行试验。2、 试验方法脱硫实验系统由四个子系统组成：烟道气的系统，浆料浆回路系统，氧化和吹塑式系统和石灰浆液进料系统。本文介绍了两种如图2所示的基于不同的进料浆过程，进料浆的串联方式和并联方式的进料浆计划。串联连接操作条件下的料浆进料方式的进料数量是并联连接的一半，即在相同的烟道气流率下串联连接的液气比是并联连接的一半。图2 双回路湿法烟气脱硫降膜系统的实验示意图实验结果与讨论首先，进行了串联连接的进料浆方式双循环降膜湿法烟气脱硫实验（如图2a中所示）。然后，进行了一系列的实验比较进料浆串联连接方式和并联连接。1、影响脱硫效率的入口烟气温度和速度图3表明：入口气体温度的增加作为第一个提高烟气脱硫效率的因素。当温度达到约60时，获得最高的效率。然后效率随着气体温度的增加而减小。一方面，根据气液平衡原理，浆料温度随着烟道气体温度增加而增加。浆料温度的增加会引起so2和ca(oh)2溶解度的降低，这将会引起效率的降低。另一方面，随着浆料温度的增加，液体中离子的扩散系数也增加，然后，吸收so2的能力增强。因此，可以看出，烟气温度不是一个独立的因素。一般来说，入口烟气温度的范围为59-600c【11】。该图还显示，随着进样口烟道气体速度的增加，脱硫效率有下降的趋势。一方面，随着烟道气速度的增加气-液传质增强。湍流由降膜组成，这使得烟道气和降膜很好的混合在一起。另一方面，烟道气的增加降低了烟道气在反应器中的停留时间，从而降低了效率。对于这种情况下，烟道气的停留时间是占主导地位的因素。图3 入口的烟道气的温度对脱硫效率的影响2、入口烟气的so2浓度对脱硫效率的影响图4示出了脱硫效率随着入口处烟道气中二氧化硫浓度的增加而减少。由于so2分压随着二氧化硫的浓度的增加而增加，根据传质动力学，传质阻力减少，化学吸收能力增强。但是，当so2浓度变得更高，吸收能力可以很容易地达到最大值，这会导致so2的吸收能力相对减弱。下面的公式可以通过图4中的曲线获得： = 0.45055 + 3.42251 104cin 2.15101 107 cin2 （1）然后不同cin值的浆料的吸收率可以表示为：vso2= qcin = vinaincin （2） 即，vso2= 3.20.09（0.45055cin+3.42251104cin22.15101 107cin3 ) （3）其中，vin等于3.2米/秒， ain等于0.09平方米。图4 入口so2浓度对脱硫效率的影响脱硫效率和浆料吸收率vso2可以由式（3）得到,结果列于表1中。表1 入口so2浓度对脱硫效率和吸收率的影响cin(mg/nm3) 2499.64 3472.04 4135.56 0.585 0.549 0.496vso2(mg/s) 421.40 549.00 590.38它显示出，虽然随着入口so2浓度的增加，脱硫效率降低，但其vso2吸收率随之增加。这可以通过以下定性分析进行解释。vso2=nain=k(cinc0)ain （4）进行定性分析，设c0= 0，因此式（4）可以简化为： vso2=nain=kcinain （5）（2）式带入（5）式可以得到（6）式： k = （q/ain） （6）当在实验条件固定时，（q/ain）是一个常数, 因此,可以近似地认为，k正比于，即：k （7）根据上式（7），的变化可以表示k的变化。从图4和表1可以看出，如果入口处so2的分压随着so2浓度的增加而增加时，它会使反应表面由气-液相变成液-固相。因此，总的反应速率从气膜控制变化到液膜控制，这导致了k和的降低。另一方面，从方程（4）可以看出，进气口的so2浓度增加，驱动力（cin-co）也增加。然而，随着入口处so2浓度的增加，k减小到一定值。根据方程（4），vso2正比于k和（c-co）。作为一个等式，驱动力（cin-c0）的增加在传质过程中占主导地位，而且，由表1所列的结果可得，vso2随cin的增加而增加。3、 气液比对脱硫效率的影响实验结果示于图5中，脱硫效率随l/ q的增加而提高。究其原因，如下：随着浆料速率的增加，降膜的厚度增加，它可以增加气 - 液接触面积。这将导致传质速率的增加。同时，随着进料速率的增加塔架内的温度降低，从而提高了二氧化硫的溶解，并降低了质量在液体侧传递阻力。 图5 液-气比对脱硫效率的影响4、 进料浆的串联连接与并联连接方式的试验比较串联连接的进料浆速度是7立方米/h，而并联连接的是14立方米/h（图2b中所示）。实验结果列于图6。从图中可以看出，两种方式的脱硫效率随进气口的烟道气速度的增加而减少。两个方案之间的差异并不明显，这表明，两种脱硫方法的性能大致相同。同时，串联的进料浆方式不仅能满足除去二氧化硫的需求，同时也降低了气-液比，从而降低了投资和运营成本。图6 入口的烟道气体的速度在不同的两个实验方案下的比较korean j.chem.eng.(vol.24, no.3) 图7 入口的烟道气的温度在两个不同的实验方案下的比较图7表明，两种连接方式的变化趋势基本上是相同的，即，进气口烟气温度增加至600c时，脱硫效率增加至最大值。实验结果与图3十分吻合。从图7还可以看出，在相同的入口烟道气温度下，进料浆串联连接的脱硫效率略高于并联连接的脱硫效率。图2中两种进料浆方式的比较表明，在相同的烟道气率下，串联连接的气-液比是并联连接的一半，但塔中的料浆容量却是相同的。因为并联连接方式进料浆的停留时间是串联连接的一半，所以大多数石灰进料系统不容易溶解。此外，从图2还可以得出，中间的循环罐中的搅拌器，它帮助搅拌和氧化从塔顶流下的caso3 ，同时提高了反应物和产品的混合，并提高了脱硫效率。因此，存在气液比降低的可能性，并且，可以得出结论，串联连接的脱硫效率可能会大于并联连接，正如图7所示。液相传质和反应过程的研究1、液侧传质和反应模型so2和ca(oh)2发生反应，即泥浆是连续的、不逆流的。so2和ca（oh）2之间的反应只发生在液膜内因此，总的反应过程表明so2与ca（oh）2反应，形成caso3【12,13】。如图8所示，在双膜理论基础上，从so2气体到液态的传质速率可以表示为：n=kg(pgpi) （8）相平衡在相界面处相关性满足：ci=hpi （9）so2气体到液态的传质速率通过液体参数可表示为：n=kl，ci=eklci （10）增强系数e可以表示为：e =1+rcbl/bci （11）通过联立消除式（8）-（12）中的未知变量得出so2由气体到液态的传质速率：n =(hpg+rcbl/b)/(h/kg+1/kl) （12）因此，so2的气体和液体之间发生不可逆和连续性反应时，传质速率方程成立。 图8 不可逆的瞬时反应的浓度分布示意图2、建立降膜错流式洗涤脱硫的传质模型本文研究的降膜式错流洗涤脱硫的传质模型如图9所示，其中降膜是用斜线所表示的，在这个俯视图中，翅片未表示出，为了研究错流洗涤的传质过程，假定：（1）气相和液相均为连续相。（2）烟道气可以充满管，每个方向上的降膜的吸收能力是相同的。（3）降膜可以沿管的轴线均匀分布且不被打破。（4）沿管的轴向方向的传质速率不变。（5）在脱硫过程中入口料浆的ph值保持在9左右。降膜在管中停留的时间是：t =l/ul （13）因此，通过降膜吸收的范围内的总的摩尔质量so2t是：q=nat （14）吸收二氧化硫的水泥浆体积的t是:v=ault （15）其结果是，吸收so2的摩尔浓度可以表示为：m=q/v=nat/ault =na/aul =n2(r + )40.001l/ul r+)240.001 （16）so2和ca（oh）2淤浆的反应之间的产品在降膜主要作为3种硫的化合物的存在，即so2（溶液），hso3-和so32- 。产品的总浓度可以被表示为： m = so2(aq) + hso3 + so32 （17）用于淤浆的电中性方程为：h+ + 2ca2 + 0 = oh +hso3 + 2so32 （18）假定的原ca（oh）2溶液ph值为0，据h2so3的电离平衡，得吸收ca（oh）2淤浆和某些二氧化硫的方程： kw/h+0 h+0+ h+=kw/h+mks1(2ks2+h+)/ks1ks2+ks1h+h+2 （19）变量m可以由式（18）分离，式（18）可以简化为：m =kw(1/h+01/h+)+h+h+0ks1ks2+ks1 h+h+2/ks1(2ks2+h+) （20）因此，基于质量守恒，可得m=103m之间的关联。注意：乘以103的目的是统一的摩尔单位。根据以上的分析，已知氢离子的浓度h +，即该溶液的ph值，可以解决so2传质速率。 图9 脱硫工艺的传质模型示意图3、计算结果与分析3-1计算条件的确定假设降膜错流洗涤脱硫试验装置成立。设置的条件是：有效高度降膜为0.5m，入口烟道气的温度是30，和入口烟气速度3.2米/ s。由实验测量得，二氧化硫在入口的平均浓度cin1,058l/ l和出口cout的so2的浓度是583l/ l，浆料温度为30，ca（oh）2淤浆初始ph值是9.00。如图10所示的反应器模型，单独研究反应器第一排和最后一排管的ph值。入口值和出口值的平均值用作沿管的计算值。 图10 脱硫反应器的模型的说明图3-2计算结果及误差分析在计算过程中，ca（oh）2液态浓度是一个可变的参数。入口处料浆的ph值被保持在9，以及出口的料浆的ph值保持在所需的h +的浓度。因此，基于ca（oh）2和h 2o电离平衡方程可以得出cbl：cbl =1.451014 /(109+h+)(mol/l) （21）出水ph值在第一和最后一排管可以计算通过求解方程。（12），（20）和（21），基于相关的m = 103 m和matlab软件的计算和excel的使用。在反应器中的浆体的ph值可以计算通过平均出水ph值在第一和最后一排管：ph =phin + phout24.71+ 5.352= 5.03计算值比实验值低一点（测量= 6.06）。通过分析，误差是由以下原因造成的原因：3-2-1。测量误差。对phs-2c型酸度计用于监测ph值泥浆的实验过程中的价值。酸度计有一些固体物质（主要是不溶的ca（oh）2，形成caso3和caso4），添加剂。该玻璃电极探头球易污染和堵塞导致探针的钝化和减少灵敏度，导致读数不准确。因此，酸度计必须在实验之前，以减少校准读数误差。3-2-2。该模型假设的理想化。实际的情况是不一样的2号和3号的假设设置的传质模型。它是观察到的下降可以扩大和盖片和坏了，有一个逆转在管的背风侧的流动区域，那里的传输速率是小。结果表明，降膜的形状会影响脱硫效率。因此，这将导致so2吸收率增加，浆液的ph值减小。3-2-3。ca（oh）2体积浓度的测定。在本文中ca（oh）2的体积浓度的基础该方法确定的体积浓度的ca（oh）2是不准确的，反应进行。传质4号的假设模型是理想化的，对传质速率的变化与cbl沿管的高度变化。这是一个原因造成的误差。3-2-4。该计算公式的选择。一些经验方程和相关公式中使用计算过程。这也是产生误差的原因。此外，解决了另一个操作条件。设置这些条件：降膜的有效高度为1.0米，的入口烟气温度为30，烟气入口速度3.2m/s。通过实验测量，其在平均入口so2浓度1058ll，平均so2浓度在出口是516mll，矿浆温度30 ，和原来ca（oh）2的ph值浆9.02。在反应器中的浆体的ph值可以计算如下：ph =phin + phout24.48 + 5.072= 4.78 计算的ph值低一点（phmeasure = 5.52）。根据以上分析，计算液相传质和反应过程模型是一种有效的方法对降膜，虽然比测得的计算结果低一点。这些结果将提供设计与优化交叉流反应器的理论支持。3-3。离子浓度沿管的高度分布在第一浆料的ph值和最后一排管的离子浓度分布的硫酸，硫酸和so3沿管的高度可以根据以上推导得到的h2so3电离平衡方程时降膜的有效高0.5m，如图11表明，ph值的增大而减小在降膜流动方向距离。泥浆ph值在进口急剧下降时，会对平稳大于ph值0.25浆料的。在出口的变化顺利的开始，然后很快下降当大于0.15m。泥浆能吸收二氧化硫，与浆料的ph值达到5.2的位置，因为在0.25m在入口so2浓度较高，传质率沿管轴不变。传质过程是由液体侧，因此浆液的ph值变化平稳。在出口的泥浆可以吸收更多的so2在出口的so2浓度较低。因此，浆料的ph值急剧下降。图11至14显示比较图15硫酸的离子浓度，和浆中增加so3的离子浓度增大后减小与沿流动方向的下降距离的增加无论是进口或出口。对于反应器的入口，即第一排管，ph值值大于6.26点形成h2so3 是小于时大于0.2m。所形成的硫酸浓度的增加与ph值的降低。用于硫酸，一点存在时反应的发生。硫酸的浓度最大时的ph值小于5.21，即大于so3 0.3m。ph值大于8.07时，不小于0.1m so3的浓度。从零增加到最大（即，相应的值时，等于0.1m）快速反应过程。在浆料中的物质是so32。so32减少到最低点当等于0.25及浆料的ph值降低到5.22，然后趋于平稳，随着ph值的降低。该反应器的出口，即最后一排管，ph值值大于8.35点形成h2so3 是小于时超过0.4m。所形成的硫酸浓度增加点随着ph值的急剧下降。用于硫酸一点已经存在时的反应。硫酸的浓度趋于最大值时的ph值小于5.35，即大于0.4 so32，ph值大于8.39当l是小于0.15m so3的浓度。增加从零到最大（即相应的值时等于0.2）快速反应过程。物质在浆料中几乎是so32。so32浓度减少最小点迅速与浆料的ph值减少。它可以从产品的量级看到图：h2so3形成量少。结果表明，吸收so2的反应与ca（oh）2。在位置同样的高度，对硫酸的浓度和so32在进口大于出口处由于较高的so2进口浓度。 图11 ph值沿管高度的变化。 图12 h2so3浓度沿高度的变化。 图14三氧化硫2浓度沿高度管含量的变化 图13 硫酸浓度沿高度管的变化。 图15 浆料的ph值对siv的摩尔比的影响（25 oc）。 结论1。对泥浆的串联馈电方式：脱硫效率先增加随着温度的增加的入口烟气。脱硫效率达到最大值时的入口烟气温度达到60 度。然后，脱硫效率的增加而减小对入口烟气温度。脱硫效率随着入口烟气流速的增加而减小。随着入口的增加，脱硫效率降低so2浓度。与脱硫效率增加的液气比的增加。2。比较实验结果的两个供浆方法表明，有最佳的脱硫性能对浆进料方式串联，具有较高的脱硫效率和液气比，这低于传统的湿法烟气脱硫设备。该水泥浆送料方式可降低投资和运行成本设备。3。液体侧传质反应模型和脱硫通过横流洗涤传质模型已经开发。在有效高度对反应器出口浆液的ph值0.5m和1.0m，分别，从计算得到的结果。虽然这个值比实验值低一点，该模型也为液体侧的有效计算方法传质反应过程。产生误差的原因进行了分析。4。在反应器出口浆液的ph值和的离子浓度分布的硫酸，硫酸和so32沿通过分析和计算，得到了波纹管的轴向方向模型。这些结果将提供理论支持通过横流洗涤反应器的设计和优化。系统命名法吸收so2气体的液体膜的有效表面积物种在入口平方米反应截面降膜 2 有效截面面积物种b化学计量系数离子浓度 mol/l 物种在散装液体 molm3 浓度散装液体 mol/l 浓度一个在相界面 molm3 浓度入口l / l二氧化硫平均浓度：在出口l / l二氧化硫平均浓度：增强因子：溶解度系数mol（m3 pa）：基于浓度的对流传质系数（cinc0）米/秒：一级离解的白 mol/l 常数：二阶解离h2so3 mol/l 常数：水 mol2 / dm6解离常数：气体侧传质系数摩尔/（m2-s-pa）：液体侧的物理传质系数米/秒：液体侧化工传质系数米/