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第九章吸收工艺与设备 吸收法净化气态污染物 1 吸收的定义吸收是使废气与液体紧密接触 气体混合物中的一种或多种组分溶解于液体中 或者与液体中的组分进行选择性化学反应 从而将物质从气相中分离出来的操作过程 吸收净化废气是利用废气中一种或多种组分在一定吸收剂中溶解度的不同 或与吸收剂中组分发生选择性化学反应来分离气体混合物的 2 吸收的分类吸收可以按吸收质与吸收剂之间有无化学反应发生分为物理吸收和化学吸收两大类 1 物理吸收 是指在吸收过程中 气体组分在吸收剂中只是单纯的物理溶解过程 吸收质与吸收剂之间没有显著的化学反应发生 如水吸收氨气 2 化学吸收 是指在吸收过程中 吸收质与吸收剂或液相中的某种活性组分发生化学反应 如用碱性溶液或浆液吸收燃烧烟气中的低浓度SO2等 吸收还可以按吸收过程中有无温度变化分为等温吸收和非等温吸收 吸收法净化气态污染物可以近似按等温吸收处理 3 吸收的基本理论 1 吸收平衡在一定温度和压力下 气液接触时 混合气体中的可吸收组分进入液相 称为吸收 同时液相中的吸收质向气相逸出 称为解吸 当吸收速率等于解吸速率时 气液两相达到平衡 此时气相中吸收质的分压称平衡压 p 液相中收质浓度称平衡浓度 c 吸收过程进行的方向与极限取决于溶质在气液两相中的平衡关系 当p p 时 即发生吸收过程 p与p 的差别越大 吸收的推动力越大 吸收的速率也越大 反之 如果p p 溶质便由液相向气相转移 即发生解吸过程 2 亨利定律在一定的温度下 当气相总压不太高时 稀溶液体系中 溶质在溶液中的摩尔分率与它在气相中的平衡分压成正比 Pe Hx式中Pe 溶质组分在气体中的平衡分压 kPa x 溶质在液相中的摩尔分率 H 亨利常数 H又称为溶解度系数 难溶气体H值大 易溶气体H值小 3 双膜理论双膜理论的基本要点如下 相互接触的气 液两流体间存在着稳定的相界面 界面两侧各有一个很薄的滞流膜层吸收质以分子扩散方式通过此二膜层 在相面处 气 液两相处于平衡状态 在膜层以外的气 液两相主体中 由于流体充分湍动 吸收质浓度是均匀的 即两相主体内不存在浓度梯度 全部浓度变化集中在两层薄膜层内 吸收传质阻力也在两膜中 气液界面污染物扩散方向气相主体液相主体气膜液膜双膜理论示意图 4 吸收剂的选择原则和方法 1 吸收剂的选择原则吸收剂应对混合气体中被吸收组分具有良好的选择性和较大的吸收能力 饱和蒸汽压低 以减少挥发损失 避免吸收液成分进入气相 造成浪费和新的污染 沸点高 热稳定性高 不易起泡 粘性小 能改善吸收塔内的流动状况 提高吸收速率 降低泵的功耗 减小传热阻力 化学稳定性高 腐蚀性小 无毒性 不易燃 价廉易得 易于解吸再生或产生的富液易于综合利用 2 吸收剂的选择方法a 对于物理吸收 可按照相似相溶规律选择吸收剂 b 对于化学吸收 选择容易与被吸收气体发生反应的物质作吸收剂 c 在水中溶解度较大的气体 可用水作吸收剂 价廉易得 流程 设备和操作都比较简单 但设备庞大 净化效率低 动力消耗大 d 吸收碱性气体常用各种酸液作为吸收剂 对于酸性气体 则优先选用碱或碱性盐溶液吸收 3 吸收剂的再生吸收剂使用到一定程度 需要处理后再使用 处理的方式一是通过再生回收副产品后重新使用 如亚硫酸钠法吸收SO2气体 吸收液中的亚硫酸氢钠经加热再生 回收SO2后变为亚硫酸钠重新使用 二是直接把吸收液加工成副产品 如用氨水吸收SO2得到的亚硫酸铵经氧化变为硫酸铵化肥 5 吸收流程 1 逆流流程 气液分别由两端逆向流动进入吸收装置的流程称为逆流流程 逆流流程在实际应用中较多 如火电厂湿法烟气脱硫中大多数工艺都采用逆流吸收塔 2 并流流程 气液由同一端 按同一方向流动而进入吸收装置的流程称为并流流程 并流流程在实际应用中较少 3 错流流程 气体沿水平方向进入吸收装置 吸收液自上而下喷淋 在吸收装置中呈交叉状 吸收液吸收液气体吸收液气体气体逆流型并流型错流型吸收流程 6 吸收设备的分类和特点 1 对吸收设备的基本要求a 气液之间有较大的接触面积和一定的接触时间 b 气液之间扰动剧烈 吸收阻力小 吸收效率高 c 操作稳定并有合适的弹性 d 气流通过时的压降小 e 结构简单 制造维修方便 造价低廉 f 针对具体情况 要求具有抗蚀和防堵能力 2 吸收设备的分类a 表面吸收器凡能使气液两相在固定的接触面上进行吸收操作的设备均称为表面吸收器 如填料塔 湍球塔等 废气由塔底进入 吸收剂由塔顶均匀地喷淋到填料层中并向下流动 废气与吸收剂在填料层中充分接触 吸收传质的平均推动力大 吸收效果好 b 鼓泡式吸收器典型的鼓泡式吸收器是板式塔 塔内装有多孔塔板 板上装满吸收剂 呈连续相 气体由板下进入 在塔板上与液体形成鼓泡层 在此有害组分被吸收 常见的设备有鼓泡塔和各种板式塔 c 喷洒式吸收器用喷嘴将液体喷射成为许多细小的液滴 以增大气 液接触面 完成传质过程 比较典型的设备是空心喷洒吸收器 喷雾塔或称空塔 和文丘里吸收器 3 几种常用吸收塔的结构与特点 a 填料塔填料塔的典型结构如图所示 塔内装有支撑板 板上堆放填料层 吸收液通过安装在填料上部的分布器洒向填料 填料在整个塔内可堆成一层 也可分成几层 当填料分层堆放时 层与层之间常装有液体再分布装置逆流式填料塔应用最多 吸收剂自塔顶向下喷淋 均匀的流经填料层 气体从塔底被送入 沿填料间空隙上升 填料的润湿表面作气液接触的传质表面 常用的填料塔填料有拉西环 鲍尔环 鞍形和波纹填料等 填料塔运行稳定 操作时 一般要求液体喷淋密度在10m3 m2 h以上 且喷淋均匀 填料塔的空塔气速一般为0 3 1 5m s 压降通常为0 15 0 60kPa m填料 液气比为0 5 2 0kg m3 填料塔优点 结构简单 便于制造 气液接触良好 压降较小等优点 缺点 当烟气中含有悬浮颗粒时 填料容易堵塞 清理检修时填料损耗大 b 湍球塔湍球塔结构如图所示 在塔内筛板上装有空心或实心小球 气流高速通过筛板时 小球在塔内湍动旋转 相互碰撞 吸收剂自上向下喷淋 多为逆流吸收操作 湍球塔采用的小球通常由聚乙烯 聚丙烯或发泡聚苯乙烯等塑料制作 也有采用不锈钢的 小球直径有25mm 30mm 38mm等几种规格 当塔的直径大于200mm时 填料的静止床层高度控制到0 2 0 3m 净化气体吸收剂废气吸收液湍球塔结构示意图 操作时 湍球塔的空塔速度 般为2 6m s 阻力损失约为0 4 1 2kPa 湍球塔的优点是气流速度高 处理能力大 设备体积小 吸收效率高 不易被固体颗粒堵塞 它的缺点阻力较高 塑料小球不能承受高温 使用寿命短 需经常更换 除尘 脱硫一体化时可考虑使用它 c 筛板塔 筛板塔的结构如图所示 在截面为圆形的塔内 沿塔高装有多层筛板 筛板上开有2 15mm的小孔 开孔率一般为6 25 操作时 气体从下而上经筛孔进入筛板上的液层 气液在筛板上交错流动 通过气体的鼓泡进行吸收 气液可以进行逐级的多次接触 一般控制空塔速度为1 0 2 5m s 气体穿过筛孔的气速约为4 5 12 8m s 每块板的压降为0 8 2 0kPa d 喷淋塔 空塔 用喷嘴将液体喷射成为许多细小的液滴 以增大气 液相的接触面积 完成传质过程 比较典型的设备是空心喷洒吸收器和文丘里吸收器 喷淋塔的结构见下图 在吸收器中 气体通常是自下而上流动 而液体则是由装在塔顶的喷射器呈喇叭状喷洒 当塔体比较高时 可将喷洒器分层放置 也可以采用组合喷洒方式 空塔结构简单 造价低廉 阻力小 效率较高 90 因此在火电厂烟气湿法脱硫中得到了广泛的应用 4 吸收设备的选择 a 当气液反应速度很快 可优先选喷淋塔 填料塔等 b 若反应速度极快 热效应大时 也可以采用筛板塔 c 如果反应物浓度高 可选用文丘里或空塔 d 当气液传质速度慢时 需要提供大量的液体 此时采用鼓泡塔 或增大液气比 e 在吸收容易产生固体时 宜选用内部构件少 阻力小 压降小的设备 如泼水轮吸收室等 f 在达到吸收要求的前提下 尽可能选用结构简单 造价低廉 容易操作的设备 5 吸收设备的运行管理 a 选择和掌握适当的空塔气速填料塔 1 5 2m s 板式塔 空塔 2m s以上 湍球塔 4m s左右 填料塔操作时不能产生 液泛 板式塔不能产生 喷塔 湍球塔不能产生 短路 等 空塔气速越高 处理能力越大 但塔高也必须越高 要考虑气液接触时间 高的空塔气速会造成严重的雾沫夹带 这将给除雾器增加负担 b 控制好液气比 液气比是指处理1m3气体所需吸收剂的体积 L 液气比增大 气液传质速率增大 从而增大污染物的去除率 在工程中 允许最小的液气比 L G min由吸收塔的运行特性决定 可根据吸收塔的物料衡算和操作线方程计算 实际L G要比 L G min大 可根据以下原则考虑 文丘里或喷淋塔 气 液接触面积与L G成正比 因此L G与污染物去除率有直接的正比关系 而与废气的浓度无关 c 控制和调整吸收液浓度 pH值 d 注意系统的防垢