撞击流反应器石灰乳法脱除工业废气中SO2

陈梦秋

摘 要 当今世界发展所带来的环境问题已呈现越发严峻的趋势，较为严重的是硫化合物的排放。本文通过设计撞击流反应器脱除工业废气中的SO2，撞击流吸收塔中以石灰乳法即以Ca（OH）2为吸收剂，处理工业废气中的SO2。湿法脱硫的关键技术是吸收，在各种吸收剂中，石灰乳廉价易得，因而应用最广泛。

关键词 撞击流反应器 吸收剂 石灰乳法 脱硫

0引言

我国是世界上最大的煤炭生产和消费国家之一，煤炭在中國能源结构中的比例高达76.2%，且高硫煤较多，所产生的含硫化合物气体一般都是具有毒性的物质，不仅会引起仪器设备、管路腐蚀、催化剂中毒和产品质量下降等问题，还会对人的健康产生严重的威胁，会引发呼吸道等疾病，因此就对人体的健康、大气环境的保护、延长仪器等设备与催化剂的有效寿命而言，对含硫废气的污染采取相应技术进行脱硫是势在必行的，同时如何实现燃料燃烧后含硫废气的处理也是广大工程研究人员所面临的共同问题。燃煤产生的SO2污染空气是全球性重大环保问题，受到普遍关注，因此对SO2污染的控制已经成为目前我国大气污染控制领域最紧迫的任务。

我国目前应用的有燃烧前、燃烧过程中和燃烧烟气脱硫等几种不同的处理方案，其中因技术和经济上比较合理而最具有实用价值的是烟气脱硫（flue gas desulfurization-FGD）。已研发的FGD技术有干法、半干法和湿法，其中以湿法（碱法、氨法、钙法）脱硫最为切实可行，操作费用较低、运行稳定可靠，目前工业应用的程度也最高。

1撞击流技术

1.1撞击流技术简介

撞击流的概念由Elperin首先提出，但其应用可追溯到20世纪50年代初开发的 Koppers-Totzek 粉煤气化炉。撞击流（Impinging streams，IS）是一种较新颖的技术方法。以气-固两相体系为例，撞击流的基本原理如图 1所示。两股两相流相向高速流动撞击，结果在两加速管之间造成一个高度湍动的撞击区。气流在撞击面上轴向速度趋于0并转为径向流动。颗粒可藉惯性渗入反向流并在开始渗入的瞬间相间相对速度达到极大值；随后在摩擦阻力作用下减速直到轴向速度衰减为0，随后又被反向加速向撞击面运动，并可能再次渗入原来气流，在轴线附近的颗粒在两股相向流体间往复渗透可多达6次。于是，撞击区高度湍动和很大的相间相对速度提供了极佳的传递条件。已经证明，撞击流是强化相间传递尤其是外扩散控制的传递过程最有效的方法之一，传递系数可比一般方法提高数倍到十几倍其基本原理是：两股等量两相流沿同轴相向流动，并在中点处撞击，如图1所示。其结果是在两根加速管之间造成一个高度湍动的撞击区，大大地强化了传递过程。

1.2撞击流脱硫技术的优势

20 世纪90 年代中期以前的30 多年间，撞击流领域有关传递过程的研究最为集中。强化相间传递是撞击流极具吸引力的重要性质。Tamir 等对多种物系和多种单元过程实验研究的结果表明，撞击流中相间传递系数，特别是两相密度差很大和外扩散控制过程的传质系数，可以比传统过程提高数倍到十几倍。黄凯等所作循环撞击流干燥研究，根据测定容积蒸发系数推算传递系数，也得到相同的结论。Matthias 等较近测定了撞击流反应器中的容积传质系数，得出：在输入功率≤0.6 kW/m3 范围内反应器各部分对传质的贡献相似，但在≥0.7 kW/m3范围内传质系数主要受撞击区及其下面传质过程的影响。唐山三友集团兴达化纤公司采用撞击流气液反应器，脱除化纤生产尾气中的H2S，结果表明以NaOH为脱硫剂，经二级撞击流气液反应器吸收脱硫后，尾气中H2S含量达到了国家排放标准。

在应用中其主要优势为：（1）降低设备投资成本。撞击流气液反应器充分利用了本身具有良好的微观混合、可大大强化传递过程的特点，因而使其结构简单，设备尺寸小，可节省设备投资。如武汉钢铁公司焦化厂，焦化尾气量140万m3/h，SO2的含量为1500～2000 mg/m3，采用中钢设备有限公司的塔式氨法脱硫技术，其设备投资达1.2亿元，若采用撞击流脱硫技术，估计设备投资可降至7000万元。（2）降低运行成本。撞击流气液反应器，由于在导气管内装有压力漩涡喷嘴，可将脱硫液分散成几十微米的液滴，可大大增加气液接触面积，再加上其良好的微观混合，强化传质和脱硫反应过程，因而可大大降低液气比；其次，由于塔式法的脱硫液循环量大，使得整个物料输送的电耗都会不同程度的增大。（3）气相阻力小。相对塔式湿法脱硫装置而言，撞击流气液反应器的气相阻力要低，一般塔式设备阻力约为1500～2000 Pa。（4）安全性高、占地面积小、操作弹性大。目前很多环保工程公司，除了脱硫塔主体设备外，其余如乳化槽、再生槽、沉降池均为地槽，既不卫生，更不安全，且将上述土建投资留给业主。而采用本撞击流脱硫技术，所有设备均为地上结构，无地槽，操作方便，环境卫生，安全性高，并可为业主节省大量的土建资金。

2石灰乳法脱硫工作原理

石灰乳法使用氢氧化钙溶液吸收尾气中的SO2，生成SO32-与SO42-，反应方程式如下：

（1）脱硫过程

（2） 氧化过程

石灰乳法脱硫工艺以石灰粉作为主脱硫剂，氢氧化钙不断循环利用。因在吸收过程中以氢氧化钙作吸收液，系统不会出现结垢堵塞现象，故运行安全可靠，可达到较高的二氧化硫脱除率。

3撞击流脱硫工艺流程

3.1 气体流程

尾气通过进气总管进入反应器，然后通过分气管在撞击流反应器中与雾化后的氢氧化钙液充分接触混合，除去尾气中的二氧化硫气体，由吸收塔顶部引入烟囱排放。反应过程为：

（1） 脱硫过程

（2） 氧化过程

3.2液体流程

将浓度约5%的氢氧化钙送至吸收剂储槽，由高压泵送至反应器内，从导流筒中的旋涡压力喷嘴喷出，在吸收区内吸收尾气中的SO2后，送入再生槽，部分清液回流，再生槽中与新加入的吸收剂一起进入沉降池出去固体颗粒，避免堵塞管道，沉降后的清液由泵输入混合槽与回流的清液进行混合，然后一起送至反应器内，从导流筒中的旋涡压力喷嘴喷出，在吸收区内吸收尾气中的气溶胶颗粒后，回流至循环储槽，如此循环，当吸收液循环吸收。

石灰乳法脱硫工艺以氢氧化钙为脱硫剂，不断循环利用。由于氢氧化钙吸收液与二氧化硫反应的速率快，加之撞击流气液反应器良好的微观混合，强化了传递过程，故能在较小的液气比条件下，可实现脱硫工艺。

4小结

撞击流反应器石灰乳法脱除工业废气中SO2主要依据撞击流反应器的主要特性，以及其能够极大地增强气液之间传质的优点，以氢氧化钙为吸收液吸收工业废气中二氧化硫，将石灰乳法与撞击流反应器相结合，能在较小的液气比条件下，可达到较高的二氧化硫脱除率。

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