石灰浆液高压静电雾化脱硫试验及机理研究

邓云天, 陈汇龙, 赵英春, 王贞涛, 陈 萍, 彭正东

(1.上海电气集团上海电机厂有限公司,上海 200240;2.江苏大学能源与动力工程学院,镇江 212013)

我国大气环境呈典型的煤烟型污染,SO2是大气中最主要的污染物[1].石灰浆液喷淋脱硫是一种应用较广泛、技术较成熟的湿法烟气脱硫技术[2-3].在工业应用中,为提高脱硫率,一般通过提高液气比(即脱硫过程中脱硫剂液体或浆液与烟气的体积比)增加气液相间接触.但当液气比达到8～25时,将导致浆液喷淋量增加、运行成本升高;或者循环使用浆液,通过控制集液池的PH值调节浆液输入流量,但会带来设备体积庞大、动力消耗高等问题[4-9].研究表明:应用高压静电技术能够使石灰浆液雾滴带电并细化,改善气液接触条件和雾滴表面特性,提高脱硫率,从而达到降低浆液喷淋量、减少动力消耗以及提高脱硫效益的目的[10-13].笔者对荷电雾化脱硫机理进行了分析,在荷电浆液雾滴与烟气不同流向的情况下,进行了不同荷电电压、钙与硫物质的量比(nCa/nS)和烟气中SO2质量浓度时的脱硫试验研究,为该技术的形成和应用奠定了基础.

1 荷电雾化脱硫机理

1.1 雾滴的荷电

石灰浆液由Ca(OH)2粉末与清水配制而成,通过压力喷嘴及高压电极加以雾化并得到荷电雾滴,如图1所示.高压电极为铜制圆环(称环状电极),内径为100 mm,横断面直径为6 mm,图中S表示内插头与喷嘴出口的距离,H表示喷嘴出口与环状电极的距离,喷嘴孔径为 1.5 mm.对于感应荷电方式,雾化前的浆液在高压静电场作用下已发生极化,主要是带电离子发生空间重新分布,当赋予环状电极直流高压(负极)时,浆液中的负离子(OH-等)将受到喷嘴电极(正极)的吸引,正离子(H+、Ca2+等)则受环状电极的吸引而向液柱与气体接触的表面集聚.强电场作用下带电离子空间极化的时间极短,极化的程度主要与电场强度、浆液离子浓度、电离(溶解)速率和浆液黏度等因素有关[14].浆液发生雾化时,雾滴从带电的气液界面脱离而带上过剩正电荷,即过剩的 Ca2+和 H+等,同时促使 Ca(OH)2和H2O进一步离解.

图1 离心型压力喷嘴及高压电极的结构图Fig.1 Structural diag ram of the centrifugal nozzle and high-voltage electrode

1.2 荷电对雾滴特性及SO2吸收的影响

根据分子结构和界面化学理论,分子间的相互作用力导致气液相界面产生表面张力,雾滴液面曲率的存在还将产生对雾滴内部的附加压力[15],从而形成雾滴内外压力差.

由静电学理论可知,雾滴所带电荷主要集聚于雾滴表面,这将引起雾滴表面张力和SO2吸收效果的变化.处于电场中的石灰浆液滴(即雾滴)可认为是介电雾滴,它将受到电形变力的作用,即当与介质界面垂直的方向上存在电场作用时,介电常数大的介质(浆液)将受到指向介电常数小的介质(气体)区域的静电力作用.当雾滴表面介电常数不均匀时,也存在沿表面的电形变力.同时,雾滴在外电场的作用下将产生极化而形成取向力,即因极化形成的极化电荷与电场间的相互作用而产生使雾滴沿外电场方向取向的静电力.雾滴取向结束达到平衡时,作用力合力为0,但雾滴不同极性所在表面的静电力不为0,且两极受力方向相反,如图2所示.处于非均匀电场(据模拟计算,当H为20 mm、电压为11 kV时最大电场强度可达4.8×106V/m)的雾滴受到的电形变力和取向力能够减弱表面分子的不平衡合力、降低表面张力,加上同种电荷间的排斥作用和烟气与雾滴间的相互作用,促使雾滴分裂细化、均匀化.距离喷嘴120 mm处,垂直环形电极轴线断面的三维粒子动态分析仪(PDA)的测试结果见图3,图中X表示测量点与轴线的径向距离.由图3可见,雾滴荷电后索太尔直径变小、分布趋向均匀.

图2 外电场中雾滴受力示意图Fig.2 Force analy sis of droplet in external electric field

图3 流量为40 L/h时不同荷电电压雾滴索太尔直径分布Fig.3 Sauter diameter distribution of droplets with different charge voltages,at a flow rate of 40 L/h

气体分子的吸收是通过气体分子和气液界面的碰撞实现的,但并非所有与界面碰撞的分子都能进入液相.如果被吸收的分率(单位界面面积上被吸收的组分分子数与组分总分子数的比值)为ξ,则界面传质的极限速率为[16]:

式中:R为气体常数;M为气体相对分子质量;T为绝对温度;pG为气相中所研究组分的分压;pi为界面分压.

可见,在恒温恒压条件下,界面传质的极限速率Rc与吸收分率ξ的大小成正比.电场中雾滴表面过剩电荷的存在和极化电荷的形成必然导致表面局部正电荷或负电荷的集中分布.同时,由于SO2分子为角型结构,属于极性分子,在外电场作用下易发生定向排序,雾滴周围极化了的SO2分子将以正极或负极趋向雾滴表面负电荷或正电荷集中的部位,静电吸引力的作用将使SO2分子以更快的速度到达气液界面,且提高SO2吸收率,增大 ξ值,并促使SO2迅速与水分子结合、水解和电离,与界面上的Ca2+发生快速反应.

由陈汇龙等[13]相关试验及上述分析可知,雾滴的带电削弱了表面张力,促进雾滴进一步分裂细化,有效增加浆液与烟气的接触表面积.同时,由于雾滴带有同性电荷,彼此相互排斥,促进了雾滴空间分布的均匀化,改善了气液接触环境.此外,表面张力降低,液相压力也降低,导致液相表面SO2的分压降低以及产生了SO2分子与带电浆滴的静电引力作用,均有利于增加SO2传质的推动力和增大SO2气体在气膜中的扩散系数.

2 试验装置

图4为脱硫试验装置示意图.试验采用竖直圆筒模拟烟气脱硫塔,塔高H1为2.0 m,直径为0.25 m.模拟烟气由SO2气体与空气混合组成,并由风机送入塔内,烟气中SO2质量浓度通过调节风机风量和SO2气体流量进行控制,并由SAE19烟气分析仪测量;石灰浆液的质量分数为0.5%,由清水与纯度为95%的Ca(OH)2配制而成,经空气压缩机输送至喷嘴雾化;通过调节烟气流量和石灰浆液流量来控制nCa/nS,烟气流量由皮托管测量,石灰浆液流量由转子流量计测量.从喷嘴喷出的石灰浆液通过负高压环状电极与喷嘴形成的电场感应荷电,并在脱硫塔中与烟气接触而脱除SO2,脱硫效率通过测试脱硫段前后烟气中SO2的质量浓度得到.

图4 脱硫试验装置示意图Fig.4 Experimental setup for the desulfurization test

3 试验方案

按气液两相逆流和并流两种接触方案进行试验研究.方案I:浆液与烟气逆向接触,见图5(a),烟气进口至浆液喷嘴出口的距离H2为1.80 m;方案II:浆液与烟气同向并流接触,见图5(b).

试验条件及参数设计:环境温度为12℃左右,相对湿度为50%;在 nCa/nS 为 0.8 、0.9、1.0、1.1,烟气中SO2质量浓度为399 mg/m3、675 mg/m3、964 mg/m3、1239 mg/m3(烟气流量相同),荷电电压为5 kV 、7 kV 、10 kV 、13 kV 、15 kV 、17 kV 时对方案 I和II进行脱硫率测定.

4 结果与分析

4.1 浆液射流与烟气逆向流动(方案I)

4.1.1 SO2质量浓度对脱硫效果的影响

图5 两种试验方案示意图Fig.5 Schematic diagram of two ex perimental schemes

图6为浆液与烟气逆向接触时雾滴荷电脱硫测试结果.由图6可以看出:在荷电电压为0 kV时,对于相同的nCa/nS和烟气流量,随着烟气中SO2质量浓度ρSO2的增加,脱硫率的变化很小.这说明对于相同的nCa/nS,虽然SO2质量浓度的提高能够提高烟气中SO2分压,增大SO2的传质推动力,但将会导致液气比增大即浆液流速加快,缩短雾滴与烟气接触吸收SO2的时间.脱硫率随ρSO2的变化情况取决于SO2分压和雾滴与烟气接触时间两方面的影响,测试结果还说明了逆向流动脱硫对浆液流速的增加比较敏感.

4.1.2 雾滴荷电对脱硫效果的影响

图6 浆液与烟气逆向接触时脱硫率与荷电电压的关系Fig.6 Desulfurization efficiency vs.charge voltage,with slurry and gas in counter-current flow

雾滴荷电后,ρSO2为 399 mg/m3时的脱硫率随荷电电压升高明显提高,而ρSO2为675 mg/m3、964 mg/m3和1239 mg/m3时脱硫率的升高趋势变缓.根据荷质比测试结果[13]可知,浆液流量在65 L/h以下时荷质比随流量的增大而增大,可见逆向流动中ρSO2增大(浆液流量增大)导致的荷质比增大并没有带来明显的脱硫增益,荷电对低SO2质量浓度时的脱硫增益反而较明显.这是因为低ρSO2时液气比较小,浆液流量偏小,非荷电时雾滴集中,雾化角较小,气液接触不理想,荷电后雾化效果改善相对明显,脱硫率增幅也明显.当ρSO2和浆液流量增大时,虽然这种雾化效应仍然存在,但从荷电电压较低、浆液流量为40 L/h左右时荷电雾滴的速度分布和粒径变化测试结果[17]可以看出,荷电引起的雾滴分裂和卷吸等现象主要发生在浆液射流的外侧,同时射流核心区的流速加快、粒径增大,而逆向流动中烟气主要接触的是射流核心区雾滴,这种情况使得荷电在逆向流动方案中的增益作用减弱;另外,在ρSO2增大的情况下,浆液流量增大、逆向烟气使雾滴轴向分速度减慢和雾滴荷电都成为促使射流雾化角显著增大的因素,逆向射流外侧雾滴附着塔壁现象造成的副作用加剧,脱硫率的增幅受到进一步限制.

4.2 浆液射流与烟气同向流动(方案II)

4.2.1 SO2质量浓度对脱硫效果的影响

图7 浆液与烟气同向并流接触时脱硫率与荷电电压的关系Fig.7 Desulfurization efficiency vs.charge voltage,with slurry and gas in co-current flow

图7给出了浆液与烟气同向并流接触时脱硫率与荷电电压的关系.从图7可以看出,在荷电电压为0 kV时,脱硫率随着进口烟气中SO2质量浓度的增大而明显升高,特别是图7(a)～图7(c)呈现出明显的、相似的规律性.这是因为SO2质量浓度的增大提高了烟气中SO2分压,增大了气相扩散速率.同向并流时,烟气从喷嘴的后部进入脱硫塔,雾滴的轴向分速度与烟气流向一致,导致雾滴轴向流速加快,推迟了雾滴发生附壁的时间,有利于气液接触和脱硫率的提高.对于图7(d)中 ρSO2为399 mg/m3时脱硫率明显偏低的情况,笔者认为低ρSO2时,同向并流加剧了低浆液流量机械雾化不佳(雾化角过小、雾滴大而集中)带来的不利效应,射流液滴与烟气的接触表面和接触范围都明显减小,这是导致脱硫率很低的主要原因,说明浆液的雾化状态是影响脱硫效果的重要因素.

4.2.2 雾滴荷电对脱硫效果的影响

由图7可知,雾滴荷电后脱硫率的增幅较明显,且随着荷电电压的增大而提高,这是因为:(1)同向并流时,烟气首先接触或接触较多的正是射流外侧荷电量较多且出现卷吸现象的雾滴群,荷电对脱硫的增益比较明显;(2)同向并流增大了带电雾滴轴向分速度,减弱了已带电雾滴对即将分割带电雾滴荷电量的不利影响[14],提升了雾滴的总体荷电效果,进一步增强了荷电对脱硫的增益作用.对于ρSO2为399 mg/m3时所表现出的不同变化规律,是由于浆液流量小,荷电效果差[13],导致同向并流时脱硫率随荷电电压增大的变化趋势不明显,甚至由于低流量引起的射流不稳定使脱硫率呈不规则变化,在nCa/nS为1.1(浆液流量相对增大)时,虽然脱硫率仍不稳定,但随荷电电压的增大而增加的趋势已得到改善.

从图7的试验结果还可看出,相同SO2质量浓度下脱硫率随电压的增大呈持续升高趋势.但是由浆液荷电喷雾测试结果可知,随着荷电电压的增大雾滴平均直径并没有呈持续减小趋势[13,18],因此可以认为荷电对脱硫的增益作用并非仅限于雾滴细化导致的接触表面增加,也与雾滴带电引起的表面特性变化有关.

4.3 不同方案的比较分析

比较图7(d)和图6(d)可见,逆向流动脱硫效果明显优于同向并流,说明浆液流量偏小时宜采用逆向流动方式,尽管液气比较低,仍能得到较好的脱硫效果.而图6(a)～图 6(c)与图 7(a)～图7(c)的情况正好相反,即在ρSO2增大时,同向并流的脱硫效果明显优于逆向流动.除方案Ⅱ所分析的同向并流脱硫优势外,还因为同向并流中相对较大的雾滴上升到一定高度后,受重力作用下降,继续发挥吸收作用,相当于延长了脱硫段和气液接触的时间,而且nCa/nS的增大和烟气中SO2质量浓度的升高都能够提高脱硫率.

方案I和方案II的脱硫试验表明:任一nCa/nS或相同nCa/nS的任一荷电电压情况下,石灰浆液荷电都能够使脱硫率得到不同程度的提高,说明荷电对石灰浆液脱硫有不同程度的增益作用.与非荷电相比,脱硫率随nCa/nS的增大而提高的趋势一致.

5 结 论

(1)在不同的nCa/nS或不同的荷电电压下,雾滴带电都能使脱硫率得到不同程度的提高.

(2)浆液量较大时,同向流动脱硫率明显优于逆向流动时的脱硫率.

(3)在本文的研究条件下,低烟气进口SO2质量浓度、低nCa/nS、低浆液流量时,采用逆向流动荷电脱硫更有利;反之,采用同向并流荷电脱硫可得到较好的效果.

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