超重力脱NOx设备调试及气液平衡研究

姚伟　韩洋　孙浩程

摘      要：调试首先建立起设备内液位，利用空气作为试验气体，确定了电机频率、吸收液循环量和引风量间的关系，同时分析了引风量波动的原因。针对目标尾气进行反应过程的物料平衡研究，根据目标尾气特性选取二级处理模式，并通过实测不同电机频率下吸收液浓度与处理效果之间的关系，同时结合处理指标要求确定了最小的吸收液循环量。本次调试为此套设备及类似设备针对不同目标尾气的调试和物料平衡建立提供了参考和依据。

关  键  词：超重力;NO_x;气液平衡;处理效果

中图分类号：TQ016       文献标识码： A       文章編号： 1671-0460（2020）07-1360-05

Research on Debugging and Vapor-Liquid Equilibrium

of High-gravity Equipment for Removing NOx

YAO Wei1， HAN Yang1， SUN Hao-cheng2

（1. Sinopec Catalyst Dalian Co.， Ltd.， Dalian Liaoning 116043， China;

2. Dalian Research Institute of Petroleum and Petrochemicals， Dalian Liaoning 116045， China）

Abstract： The liquid level in the equipment was established before commissioning.The relationship among motor frequency， absorption liquid circulation and induced air volume was determined by using air as test gas， and the cause of induced air volume fluctuation was analyzed. The material balance of the target tail gas was studied. According to the characteristics of the target tail gas， the two-stage treatment mode was selected， and the relationship between the concentration of the absorption liquid and the treatment effect was measured under different motor frequencies. At the same time， the minimum circulation of the absorption liquid was determined according to the requirements of the treatment index. This commissioning can provide some reference and basis for the commissioning and material balance establishment of this set of equipment and similar equipments according to different target tail gas.

Key words： High-gravity; NOx; Vapor-liquid equilibrium; Treatment effect

液相吸收法是一种常用的工业尾气处理技术，其中尿素溶液作为一种吸收介质常用于工业尾气中氮氧化物的吸收^[1]，一方面其具有安全、清洁的优点，而另一方面去除效率不高限制了该方法更广泛应用，尤其传质效率对整个吸收过程影响很大。超重力技术^[2]利用人为制造的超重力场，进而制造更大的传质面积、更薄的液膜和更强烈的液体湍动，以达到加速传质的目的。

以尿素为吸收介质的超重力反应器在应用过程中的脱NO_x效率受很多因素影响，其中气相和液相间的平衡关系^[3，8]是一个重要因素。尤其新设备调试阶段气液平衡的建立与各项运行参数的确定对设备的长期高效运行有着重要意义。

本次调试的是一套由4台超重力反应器及其他附属设备组成的脱NO_x设备，4台超重力反应器可采用一级处理模式，也可采用两级处理模式，其工艺流程如图1所示。4台反应器共用一套液体循环系统，以3号超重力反应器为例，绘制的部分为液体循环系统，如虚线框内所示。该套装置可采用1号、2号为一级，3号、4号为二级的处理模式，也可采用4台同为一级的处理模式。

1  调试部分

该套设备采用质量分数为16%的尿素溶液，每台超重力反应器有效容积为4 m³，系统的溶液保有量为120 m³。首先配制吸收液，在4台超重力反应器中建立起液位至上端溢流口溢流为止。

1.1  气液平衡的建立

引入空气为试验气体，考察尿素吸收液循环量、引风量和电机频率之间的关系及这些因素对气液平衡的影响。

首先采用4台并联一级处理模式，分别选取电机频率为25、30、35、40 Hz，在不同吸收液循环量下引风量的变化如图2、图3、图4和图5所示。

由图2可知在电机频率为25 Hz，吸收液循环量为0.3、0.4、0.5 m³·h^-1时，超重力引风量呈现出与吸收液循环量的正相关趋势。当吸收液循环量为0.6、0.7 m³·h^-1时出现引风量的剧烈波动，现场溢流管出水也呈现出水量的急剧变化。

由图3、图4、图5可知在电机频率为30、35、40 Hz时未出现引风量与吸收液循环量之间的明显关系，但在吸收液循环量增加至0.5、0.6、0.7 m³·h^-1时均出现不同程度的引风量波动。

吸收液循环量一定时，随着电机频率增加、转子转速增大超重力的引风量有明显增加的趨势。

参照4台并联一级处理模式进行每级两台的二级试验，当电机频率为25、30、35、40 Hz条件下不同吸收液循环量引风量的变化测试结果如图6、图7、图8和图9所示。

由25、30 Hz条件下的测试结果看，在0.3～0.7 m³·h^-1范围内，引风量随着吸收液循环量的增加呈现明显的增加趋势，且未出现一级模式下的引风量波动。

当电机频率为35、40 Hz时引风量在一定范围内仍然明显地呈现出随吸收液循环量的增长趋势，但当循环量达到一定数值后出现引风量波动，现场同样出现溢流管出水量的变化。

横向比较，在吸收液循环量一定时，随着电机频率的上升，超重力的引风量随之上升。

以上试验结果为确定该套设备平稳运行条件和在不同处理量情况选取合适的电机频率和吸收液循环量提供充分依据。

1.2  气液两相间的物料平衡

此套设备所处理的目标废气主要含有NO和NO₂，其化学反应机理：

（1）NO+NO₂+H₂O→2HNO₂

（2）2NO₂+H₂O→HNO₃+HNO₂

（3）NO+2HNO₃→2HNO₂+O₂

（4）2NO+O₂→2NO₂

（5）2HNO₃→2HNO₂+O₂

（6）2HNO₂+（NH₂）₂CO→2N₂↑+CO₂↑+3H₂O

（7）6HNO₃+5CO（NH₂）₂→8N₂↑+5CO₂↑+13H₂O

（8）6NO₂+4（NH₂）₂CO→7N₂↑+4CO₂↑+8H₂O

（9）6NO+2（NH₂）₂CO→5N₂↑+2CO₂↑+4H₂O

由于NO₂的溶解性要强于NO，所以二者的吸收效率相差很大，整个反应中反应（4）是很重要的一步。本次调试针对的生产尾气情况、排放要求、物料核算等信息如表1所示。

由表1可知，若要维持系统物料平衡最少要每小时向系统内补充5.556 kg尿素。若按照超重力外部循环系统溶液始终保持16%的浓度计算，4台超重力吸收液的总循环量需满足：

 Q×（16%-C）=5.556 kg/h       （1）

式中：Q —吸收液循环量，kg·h^-1;

C —超重力内吸收液质量浓度。

整套系统去除效率不变的理想状态下，由式（1）可知当左右相等时超重力内的尿素浓度C会维持稳定，当左侧小于右侧会使C变小，当左侧大于右侧C会增大，并且无限接近16%。所以实际应用中必定会有一个点或区间在相对较小的循环量的情况下既能满足排放要求又能使超重力内吸收液浓度稳定，进而达到工况的相对稳定。

本次调试针对不同电机频率条件下测试吸收液循环量对NO_x去除效率和尿素浓度的影响。首先针对一级、二级模式无循环的进行测试，处理后NO_x浓度和电机频率关系如表2所示。

表2中在低频率下处理后的NO_x浓度接近设计的100 mg·m^-3，当提高频率至35、40 Hz后NO_x浓度降低。二级处理模式未出现一级现象，远远超过设计要求。由于处理的目标气体风量不大，这里选取二级模式进行下一步试验。

由式（1）知，吸收液循环量Q是超重力反应器尿素浓度C的函数，而5.556是尾气量a、尾气浓度c和排放浓度b决定的，所以循环量Q的确定是并非完全的经验操作，而是可以通过理论计算给出一个指导值的。但式（1）的应用还需针对具体目标尾气测试出不同电机频率下尿素浓度C与处理后尾气NO_x的浓度关系，本次测试结果如图10所示。

图中各曲线与100 mg·m^-3直线相交处对应的质量浓度值即为该电机频率下吸收液浓度的最小值，将其代入式（1）即可得最小吸收液循环量。以此次调试为例，不同电机频率下的最小循环量见表3。

如表3所示，随着电机频率增大，达到处理标准所需要的最小循环量逐渐减少。

2  分析与讨论

2.1  超重力引风量与吸收液循环量的随变关系

调试中发现在一定范围内随着吸收液循环量的增大超重力反应器的引风量增大。分析其原因为溢流量增大导致溢流管空管比例减少，进而减少了其配风效应，导致尾气吸入口进风量增大。

2.2  吸收液循环量增大造成的引风量波动

引风量波动的最主要原因为液泛^[9]，较高的液位的前提下超重力反应器工作过程中产生大量的气泡，这些气泡堆积堵塞出气口等部位致使超重力内部压力上升，进而引风量下降。压力升高配合较高的吸收液循环量带来的虹吸作用使气泡大量破碎和液位降低，系统恢复到正常运行状态。如此反复，形成引风量的波动。吸收液循环达到一定量不能及时溢流时，甚至可以出现沿管道进入风机的现象。

2.3  超重力吸收液浓度和吸收液循环量的关系

根据调试过程可知，在外部补充吸收液浓度一定，溢流浓度为超重力内吸收液浓度时，超重力内浓度越低，相同循环量补充尿素量越大，当这个补充量与反应量相等时，系统内尿素浓度会达到平衡。

3  结 论

1）调试过程中发现，超重力反应器引风量随吸收液循环量增大而增大，并通过溢流量对溢流管配风效应的影响解释了原因。

2）通过分析調试中出现的引风量波动现象，确定了液泛和虹吸效应对其的双重作用，为吸收液循环量的选取提供一定指导。

3）针对目标尾气进行反应物料核算、处理模式选择并对处理效果和吸收液浓度进行实测和分析，为系统物料平衡建立提供重要依据。

4）本次调试为本套设备及类似设备调试和物料平衡建立提供参考和依据。

参考文献：

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收稿日期： 2020-03-28

作者简介： 姚伟（1985-），男，安徽省寿县人，工程师，2008年毕业于中国石油大学（北京）过程装备与控制工程专业，研究方向：安全环保与管理。E-mail：yaow.chji@sinopec.com。