超重力尿素湿法烟气脱硝研究(二等奖).doc

北京化工大学第六届“萌芽杯”作品作品名称 超重力尿素湿法烟气脱NOx研究作 品 类 别 A类学 院 名 称 化学工程学院负责人姓 名 韦 童 冯良升 王文强导 师 姓 名 宋云华2011年 6 月 1 日超重力尿素湿法烟气脱NOx研究作 者 韦 童 冯良升 王文强导 师 宋云华摘 要 尿素溶液与NO、NO2反应生成N2和C02气体，可实现烟气脱硝，该文进行了尿素湿法脱硝的试验研究。试验采用超重力旋转床为主体反应器，分别对气速、液气比、旋转床转速、尿素溶液浓度、反应温度、双氧水浓度这些参数对尿素溶液吸收NOx反应的影响进行了试验研究。研究表明：减小气速、增大转速，温度，尿素、双氧水浓度可使脱硫效率增加。总脱硝效率可达69以上。关键词 超重力；尿素；脱硝Abstract Aqueous solutions of urea can remove NOx with the NOx reduction into N2 and CO2. The experimental research on the NOx emission in aqueous solution of urea was performed by a set of RZB. This paper investigated the effects of many key operating parameters, such as the velocity of flow, liquid-gas ratio, the rotate speed of RZB, reactant concentration, temperature, etc., on the removal efficiency of NOx in aqueous solution of urea. The results show that the efficiency of removal NOx from flue gas increases with decreasing the velocity of the flue gas, and increasing the rotate speed of RZB, temperature, the urea concentration, the H2O2 concentration. In this case, the total efficiency of removal of NOx from flue gas is more than 69%.Key words hyper gravity；urea；denitrification1、引言随着能源消费的增长和机动车保有量的迅猛增加，大量化石燃料消耗(固定源和移动源)排放到大气中的SO2和NOx等致酸物质的污染程度不断加重。氮氧化物污染不仅造成酸雨，也是形成近地层大气臭氧污染、二次微细颗粒污染和地表水富营养化的前提物，由此引起的问题已经与臭氧层破坏、全球气候变化一起成为最为突出的大气环境热点问题1。近年来世界各国，尤其是工业发达国家都相继开展了烟气脱硝技术的研究开发，烟气氮氧化物的净化技术主要分为干法和湿法两种。其中，干法烟气脱硝主要有催化法2，吸附法3、等离子体治理技术4、微波法5和光催化氧化法6等。湿法烟气脱硝技术按吸收剂的种类可分为：酸吸收法7、碱溶液吸收法8、氧化吸收法9、液相还原吸收法10、液相络合吸收法11、尿素吸收法、液膜吸收法等12。本文以前人的理论研究为基础，并创新性的使用一套超重力旋转床为主体反应器，研究各种因素对尿素溶液吸收NOx反应的影响。将超重力技术应用于此正是本文一大特色。使用普通方法进行的尿素湿法烟气脱硝实验，依据实验装置不同，NOx脱除率在30%-60%不等，而使用超重力旋转床后，脱除率可达69%以上。超重力技术是强化多相流传递及反应过程的新技术,上个世纪问世以来,在国内外受到广泛的重视,由于它的广泛适用性以及具有传统设备所不具有的体积小、重量轻、能耗低、易运转、易维修、安全、可靠、灵活以及更能适应环境等优点,使得超重力技术在环保和材料生物化工等工业领域中有广阔的商业化应用前景。但目前超重力技术还主要处于应用开发阶段,集中体现在超重力气-固流态化技术和超重力气-液传质技术两个方面。本文将超重力技术应用至尿素湿法烟气脱硝中，旨在发展超重力技术，希望有效提高烟气中NOx脱除效率。同时，该法避免了诸如酸性污染、副反应多、副产品难于回收等问题，比较符合环保要求，这种方法尤其适合于有尿素生产的硝酸铵化肥厂。所以近年来引起了越来越多的学者的关注，本部分内容的研究目的是探索尿素溶液吸收NOx的工艺条件以改进其吸收效果。研究的结果，为以后工业废气的脱氮处理提供了科学依据，具有工业化指导意义。2、实验原理2.1 反应机理尿素溶液吸收去除烟气中NO，的反应过程为：2NO+O22NO2 2NO2N2O4 NO+NO2N2O3N2O3+H2O2HNO2 N2O4+H2OHNO2+HNO3 2NO2+H2OHNO2+HNO3 2HNO2+(NH2)2CO2N2+CO2+3H2O可表示为：(NH2)2CO+NO+NO22N2+CO2+2H2O 由以上反应可见，用尿素作为吸收液净化烟气中的NOx，生成N2和C02，可直接排放。2.2 仪器表征（1）空气压缩机：北京金杯压缩机厂生产Z-0.08/7B型（2）液体流量计：常州市勤丰流量仪表厂生产LZS-32型，测量范围：60-600L/h （3）空气流量计：常州市勤丰流量仪表厂生产LZS型，测量范围0.1-1m3/h （4）NO流量计：常州市勤丰流量仪表厂生产，测量范围：10-100ml/min （5）超重力三相异步电动机：吉林柳河华林电机有限责任公司生产Y100L2-4型（6）液泵三相异步电动机：安放电机泵业有限公司生产Y801-2型（7）手持式烟气分析仪: 德国益康公司生产ecom-cn-2592型2.3 试剂表1 实验原料药品纯度生产公司尿 素分析纯北京化工厂过氧化氢分析纯北京化工厂NO气体99.9%北京市华元气体化工有限公司2.4 实验方法1.空气压缩机 2.截止阀 3.转子流量计 4. NOx钢瓶(NO95%,NO25%）5.气体缓冲瓶 6.气体检测口 7.超重力旋转床 8.电机9.废气吸收瓶10.液泵 11.储液罐图2-1 实验装置图空气由空气压缩机1经转子流量计3进入气体缓冲瓶5，并且与从NOx钢瓶4出来的配气在气体缓冲瓶中相互混合。混合后的气体在气体检测口6对其进行取样分析，之后进入超重力旋转床7，将添加有过氧化氢的尿素溶液储存于储液罐11中，经液泵10打入超重力旋转床，在离心力作用下液体沿填料层径向向外侧运动，与气体逆流接触并进行传质。其回流液在离心力的作用下甩向旋转床内壁，在重力作用下从液体出口排出并且重新流入储液罐中，在气体出口检测口处对从超重力旋转床中排出的废气进行取样分析，之后用NaOH溶液对其进行回收处理。3 实验结果与分析3.1 液气比对脱硝效率的影响图3-1为在不同液气比条件下NOx的吸收率情况。实验中，固定旋转床转速1200r/min，温度50，尿素浓度15%，分别保持进气量为0.2m3/h、0.4m3/h、0.6m3/h、0.8m3/h、1.0m3/h，改变进液量。由图3-1可以看出，在进气量不变时，进液量对 NOx的吸收率影响很小。在相同进液量时，气速由0.2增大至0.4m3/h，吸收率下降了15%。试验结果表明：为了保证高效地脱除烟气中的NOx，烟气与尿素水溶液的接触反应必须控制一定的时间，即降低气速。因此在此实验中，进气量大小是NOx吸收率的决定因素。根据图表，确定最佳进气量为0.2m3/h，最佳进液量为200L/h。G 进气量L 进液量DN/% 吸收率图3-1 不同气液比条件下NOx的吸收率情况3.2 转速对脱硝效率的影响。图3-2为在不同旋转床转速的情况下NOx的吸收率情况。实验中，固定进气量为0.2 m3/h，进液量为200L/h，温度50，尿素浓度15%。改变旋转床转速，研究NOx吸收率的变化趋势由图3-2可以看出，随着旋转床转速的增大，NOx的吸收率也在增大。但是旋转床转速越大，耗能越多。在同时保证脱硝效率也经历效益的情况下，选择每分钟1400转为最佳实验转速。n 旋转床转速DN/% 吸收率图3-2 不同旋转床转速的情况下NOx的吸收率情况3.3 尿素浓度对脱硝效率的影响图3-3为在不同尿素溶液浓度的情况下NOx的吸收率情况。其实验条件为：进气量为0.2m3/h，进液量为200L/h，温度50，旋转床转速1400rpm。由图3-3可以看出，开始时脱硝率随尿素浓度增加迅速增大，后来增大趋势逐渐减小，脱硝率增加不明显。在开始时，尿素溶液浓度为限制烟气脱硝率的主要原因，但是随着尿素溶液浓度的增加，尿素溶液浓度对脱硝效率影响大大减小。在保证最佳脱硝率和最大经济利益的条件下，选择15%为尿素溶液的最佳浓度。c 尿素浓度DN/% 吸收率图3-3 不同尿素溶液浓度的情况下NOx的吸收率情况3.4 温度对脱硝效率的影响图3-4为在不同温度的情况下NOx的吸收率情况。其实验条件为：进气量为0.2m3/h，进液量为200L/h，旋转床转速1400rpm，尿素溶液浓度为15%。由图3-4可以看出，温度在20-50区间内，随着温度的增加，NOx的吸收率增加迅速，当超过此界限时，NOx的脱除率增加趋于平缓。随着温度的增加，分子的热运动增加，碰撞几率变大，其化学反应的速率增加，但是尿素与NO2反应为放热反应，温度继续增加，NOx吸收率变化趋于平缓。因此，在保证低能耗和脱硝率前提下，选择55为最佳反应温度。T 温 度DN/% 吸收率图3-4 不同温度的情况下NOx的吸收率情况3.5 双氧水浓度对脱硝效率的影响图3-5为在不同温度的情况下NOx的吸收率情况。其实验条件为进气量为0.2m3/h，进液量为200L/h，旋转床转速1400rpm，尿素溶液浓度为15%，温度55。在加入H2O2后，烟气中的NO可迅速被氧化为NO2，更加容易被尿素溶液吸收，因此双氧水浓度在0-1%区间内，NOx吸收率迅速增大5%，此时双氧水氧化能力已基本达到最大，此后随着双氧水浓度增大，NOx吸收率变化趋于平缓。因此选择1%为双氧水最佳浓度。c H2O2浓度DN/% 吸收率图3-5 不同温度的情况下NOx的吸收率情况4 实验结论本文以一套超重力旋转床为主体反应器，试验研究了尿素溶液脱硝效率的影响因素，得到以下试验结果：(1)随着气速增大，脱硫效率减小。(2)随着超重力旋转床转速的增加，脱硝效率增大。(3)随着吸收液尿素浓度的增大，脱硝效率增大。(4)随着温度的升高，脱硝效率增大。(5)加入双氧水可有效增大NOx吸收率。综上，确定进气量为0.2m3/h，进液量为200L/h，超重力旋转床转速1400rpm，尿素溶液浓度为15%，温度55，双氧水浓度1%为最佳实验条件。使用普通方法进行的尿素湿法烟气脱硝实验，依据实验装置不同，NOx脱除率在30%-60%不等，而使用超重力旋转床后，在最佳实验条件下，NOx脱除率可达69%以上。由此可见，使用超重力技术确实可以有效提高NOx脱除率致 谢感谢我的指导老师宋云华教授。他严谨细致、一丝不苟的作风一直是我学习中的榜样；他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。感谢我的辅导员马双燕。这片论文的每个细节，都离不开她的细心指导。而她开朗的个性和宽容的态度，让我们在这次活动中学到了更多书本上学不到东西。感谢杨晖学长。每个实验细节和每个数据，都离不开她的细心指导。他随和的性格，还有他的耐心，帮助我们很快的融入实验室。感谢我们组的所有成员。这些日子，我们一块努力奋斗共进共退，相互鼓励相互扶持，有困难大家一起想办法，终于完成萌芽杯作品的创作。现在，“萌芽杯”的活动即将结束，但是那科研的萌芽却刚刚在我们每个人的心里绽放出诱人的新绿。我想，我们的科研之路才刚刚开始参考文献1 Pamela M，Kathleen A L，Sharon J HThe globalization of nitrogen deposition consequences for terrestrial ecosystems JAmbio，2002，31：113-1192 苏亚欣，毛玉如，徐璋燃煤氮氧化物排放控制技术M化学工业出版社，2005，10-133 严艳丽，魏玺群NOx的脱除及回收技术J低温与特气2000，18（4）24-304 KawamuraK，etalOn the removal of NOx and SO2 in exhaust gas from the sintering machine by eletron beam irradiationRadiatPhysChem，1980，16：133-1385 张达欣微波炭还原法处理一氧化氮的研究高等学校化学学报，1997，18(8)：1271-12746