磷石膏矿化 co 2尾气脱氨与废水污染协同控制（论文） .pdf

磷石膏矿化co2尾气脱氨与废水污染协同控制 张趁华 李 季 夏素兰 周加贝 银登国 葛 敬 四川大学化学工程学院 四川成都 610065 摘 要 以控制氨法脱碳尾气氨与废水污染为目的 提出以磷石膏悬浮液代替清水吸收尾气微量nh3 的技术方案 分析了磷石膏矿化co2尾气氨与废水污染协同控制机理 并通过实验验证 实验结 果表明 与纯水作为吸收剂相比 磷石膏悬浮液的存在不仅使尾气nh3 10ppm 而且工艺水循环 量减少约60 大大降低体系废水蒸发能耗 满足工艺水封闭循环的限制条件 关键词 磷石膏 二氧化碳矿化 尾气氨 废水污染控制 co2过度排放是导致全球气候变暖的主要原 因 1 为应对气候变化 碳减排势在必行 发达国 家提出的ccs co2capture and storage 减排路 线 2 即把 co2捕集并封存起来 其对社会经济与 总体能源消耗产生负面影响 因此 专家提出中国 未来碳减排技术应向ccu co2capture and utili zation 方向发展 3 其中冷氨法捕集 co2 4 是目 前研究最为广泛的碳减排途径之一 但其高冷冻能 耗不能为工业界所接受 同时 要达到尾气氨含量 10ppm 必须使吸收剂平衡分压 1pa 热力学条 件很难实现 工艺过程废水的产生亦会增加体系的 蒸发能耗 因此 co2捕集过程尾气氨含量与废水 协同控制不容忽视 本文基于石膏氨水悬浮液吸收二氧化碳的实 验 5 提出了 co2捕集与磷石膏矿化 6 过程耦合技 术路线 以废治废 分析了磷石膏矿化过程尾气氨 与废水协同控制机理 实现尾气氨排放 10ppm 同 时循环用水量减少60 并通过实验验证了这一 点 1 含氨尾气与废水污染协同控制机理 磷石膏直接矿化低浓度尾气co2技术 使用捕 集和利用两个环节合二为一 以nh3为辅助原料 co2直接矿化磷石膏总反应方程式 caso4 2h2o 2nh3 co2 caco3 nh4 2so4 h2o 1 在气 液 固 三 相 反 应 体 系 中 caso4离 解 为 ca2 和so4 2 前者使 co2矿化为碳酸钙 后者与 nh4 结合形成硫酸铵溶液 co 2矿化过程中采用 低浓度尾气nh3为耦合剂 这就要求尾气的排放符 合环保要求的 10ppm的排放标准 脱氨塔吸收剂的总氨浓度ca mol kg 与其对 应的平衡氨分压pa pa 的关系为 pa maca 2 式中ma为caso4 2h2o溶解影响下nh3 co2 h2o体系相平衡常数 pa kg mol 在一 定温度下 其为溶液中可挥发氨浓度cnh3 mol kg 及碳化度r的函数 ma f cnh3 r 3 通过气液吸收传质方程 na kg pa pa k1 c a ca ka pa ma ca 4 可得 要满足尾气nh3氨含量 10ppm 约为 1pa分压 液相中的nh3浓度必须满足ca max 1 a 同时废水污染控制用量为 l v pa in 1 rtca max 5 2 实验部分 2 1 实验装置及流程 实验装置如图1所示 由气体发生装置 反应吸 55 第3期 磷石膏矿化co2尾气脱氨与废水污染协同控制 收装置 数 据 在 线 检 测 装 置 三 部 分 构 成 空 气 nh3和co2气体经充分混合后进入湍球塔塔底与 喷淋磷石膏悬浮液逆流吸收后由塔顶排出 吸收液 则由塔底流出 在塔顶与塔底设有气体取样口 同 时通过气体分析仪在线检测塔顶与塔顶nh3与 co2的浓度 在塔底设有液体取样口 检测出口液相 中离子组成与含量 图1 实验装置图 2 2 实验试剂与条件 实验所采用的实验试剂 磷石膏 caso4 2h2 o 98 wt 盐酸 浓度为0 02mol l 主要仪器 pot 400在线nh3 量程0 100 0 7000 和co2 气体分析仪 量程0 5000 0 50000ppm 玻璃转 子流量计 lzb 6wb 1 5 15l min 0 3 3nl min 实验参数及条件 如表1所示 表1 实验参数及条件 参 数条 件 入口烟气温度 25 入口烟气压力 kpa 101 325 塔高 m 0 3 塔径 m 0 1 填料直径 m 0 006 填料层高度 m 0 04 0 06 0 08 气体摩尔流率 kmol h 1 0 45 1 25 液体摩尔流速 kmol h 1 0 5 5 nh3体积分数 ppmv4000 7000 co2体积分数 ppmv10000 25000 3 结果与讨论 通过实验测得的部分实验数据列于表2 表2 湍球塔实验数据 吸收剂 l v kmol kmol 进口nh3浓 度 ppm 出口nh3 浓度 ppm 纯水 0 7494604843 21 1 4050604832 46 2 5853604816 80 3 1000604811 00 3 750060486 00 磷石膏悬浮液 0 5979604827 01 1 19579604811 02 1 793660485 52 2 391560482 16 2 989360480 88 3 587260480 87 从实验数据可以看出 纯水吸收过程中 液气比 为3 1左右尾气氨排放 10ppm 而磷石膏悬浮液 的加入 在液气比为1 2左右 即可实现尾气氨排放 10ppm 强化吸收尾气 氨 对实验数据的分析如图2所示 图2 液气比对出口氨体积浓度的影响 由图2可以看出 随着液气摩尔比的增加出口 nh3浓度降低 而磷石膏悬浮液作为吸收剂尾气 nh3浓度降低较快 这是由于磷石膏悬浮液so4 2 存在使得游离的nh3转变成nh4 降低了游离 nh3浓度 抑制平衡nh3分压 当尾气nh3浓度降 低为10ppm时 纯水作为吸收剂其l v 3 2 当 磷石膏悬浮液作为吸收剂其l v 1 3 由此可以 65 四川化工 第18卷 2015年第3期 看出 磷石膏悬浮液体系的用水量比纯水体系减少 60 左右 降低体系7 41 104kj h蒸发负荷 4 结论 1 分析了磷石膏矿化co2工艺尾气氨与废水 协同控制机理 并通过实验验证 2 实验结果表明 与纯水作为吸收剂相比 磷 石膏矿化co2工艺不仅使尾气nh3含量 10ppm 同时使体系用水量减少约60 对降低工艺水蒸发 负荷具有实践意义 参考文献 1 steeneveldt r berger b torp t a co2capture and storage closing the knowing doing gap j chemical engineering research and design 2006 84 9 739 763 2 pacala s socolow r stabilization wedges solving the climate problem for the next 50 years with current technologies j science 2004 305 5686 968 972 3 谢和平 谢凌志 王昱飞 等 全球二氧化碳减排不应是ccs 应 是ccu j 四川大学学报 工程科学版 2012 44 4 1 5 4 左启银 姬存民 朱家骅 等 利用磷石膏净化氨法co2捕集尾气 j 四川化工 2014 3 17 9 12 5 刘山当 朱家骅 夏素兰 等 石膏氨水悬浮液吸收二氧化碳的实 验研究 j 四川化工 2004 7 3 1 3 6 tayibi h choura m l pez f a et al environmental impact and management of phosphogypsum journal of environmental man agement 2009 90 8 2377 2386 simultaneous control of exhaust ammonia and wastewater in co2mineralization of phosphogypsum process zhang chenhua li ji xia sulan zhou jiabei yin dengguo ge jing college of chemical engineering sichuan university chengdu 610065 sichuan china abstract aimed at pollution control of wastewater and exhaust gas from the ammonia based co2capture process a new method was developed to use phosphorus gypsum slurry substituting water to absorb ex haust nh3and reduce the water recycle amount the mechanism of simultaneous control of exhaust am monia and wastewater in co2mineralization of phosphogypsum process was analyzed and validated with the simulated experiments the results showed that compared with the pure water the presence of gyp sum slurry not only made the equilibrium pressure of nh3below 10ppm but also reduced water recycle a mount by 60 greatly reduced energy consumption of waste water evaporation system satisfying the constraints of water closed recycle process key words phosphogypsum co2mineralization exhaust gas nh3 wastewater population control 75 第3期 磷石膏矿化co2尾气脱氨与废水污染协同控制 磷石膏矿化 co 2尾气脱氨与废水污染协同控制磷石膏矿化 co 2尾气脱氨与废水污染协同控制 作者 张趁华 李季 夏素兰 周加贝 银登国 葛敬 zhang chenhua li ji xia sulan zhou jiab