液气比对石灰石-石膏湿法烟气脱硫过程的影响

液气比在8LΠm3以下增加时,脱硫率上升速度快,而以后趋势变得平缓。其原因为:

(1)液气比在8LΠm3(相应液流量为2m3Πh,ReL为1525,已进入湍流区;液气比为4LΠm3和6LΠm3时,ReL分别为763和1144,处于拟层流区)以下增加时,流动从层流转换为拟层流,再转换为湍流,由于流动区域的变换,其流动对液相表面积的影响大,而液气比在8LΠm3以上时,流动已进入湍流区,在同一区域内,虽然液气比增加,由于湍动的增强,液膜表面积有所增加,但增加幅度会明显减小。同理,由于液膜波动使得传质系数的增加幅度也会随液气比的增加而减小。

(2)在液气比小时,液相pH值下降快,SO2的液相传质阻力相对较大,此时增加液气比,从而增加的液相传质速率对总传质速率的贡献大,但当液气比大时,pH值相对较大,液相传质阻力相对较小,故增加的液相传质速率对总传质速率的贡献较小。

2.2液气比对浆液中石灰石含量的影响

在2.1试验条件下,测得吸收塔出入口处石灰石的含量,结果如图4所示;并得到了塔出入口浆液石灰石含量的浓度差及石灰石在吸收塔内的溶解量与液气比的关系,结果如图5所示;试验中还测量了循环槽内的石灰石含量,其浓度与吸收塔入口处石灰石浓度基本相同。

由图4可看出,液气比增加时,循环浆液中石灰石含量有所增加,且在8LΠm3之前增加较明显,随后增加速率变缓;由图5吸收塔出入口石灰石含量的浓度差与液气比的关系曲线可以看出,随着液气比的增加,吸收塔出入口石灰石含量的浓度差下降,随着液气比的增加,其浓度差的下降趋势变缓;由图5吸收塔内石灰石溶解量与液气比的关系曲线可以看出,随着液气比的增加,石灰石在吸收塔内的溶解量增加。

图4液气比对塔出入口石灰石含量的影响

图5液气比对塔出入口石灰石浓度差及塔内溶解量的影响

石灰石溶解过程是石灰石固相表面的Ca2+和CO2-3透过固相和液相主体之间的液固膜向液相主体扩散的过程。在扩散过程中,CO2-3由于发生水解而使得溶解速率得到增强。

在湿法烟气脱硫环境下,这种增强作用一方面与浆液pH值有关,浆液pH值越低,CO2-3扩散过程中的水解速率越快,传质增强作用越明显;另一方面由文献[6]可知,石灰石溶解过程的增强作用还与浆液中S4+浓度有关,在吸收塔内,S4+主要是HSO-3和H2SO3形式存在,这两种离子能为CO2-3扩散过程提供H+,从而有力地促进水解过程,提高了石灰石的溶解速率。

当脱硫系统液气比增加时,吸收塔单位长度上的持液量增加,虽然整体的脱硫效率上升,但吸收塔上单位持液量的SO2的吸收量要下降,故吸收塔同一位置处浆液的pH值要上升,浆液中的S4+浓度要下降,图3、图6能证明这一点。

由于浆液pH的上升和浆液中的S4+浓度的下降,使得石灰石溶解过程的增强作用减弱,故随着液气比的增加,吸收塔出入口石灰石含量的浓度差下降。

随着液气比的增加,虽然吸收塔同一位置处的石灰石的溶解速率下降,但由于持液量增加,参加溶解的石灰石量要增加,故石灰石在吸收塔内的总溶解量增加。

当液气比增加时,虽然石灰石在吸收塔内的总溶解量增加,但不足以抵消系统由于脱硫率的增加而增加的SO2吸收量,浆液中需要更多的石灰石来溶解中和由于SO2的吸收所产生的H+,故浆液中石灰石含量有所增加。石灰石含量的增加规律和脱硫率的增加规律一致,在8LΠm3之前增加较明显,随后增加速率变缓。

2.3液气比对浆液中S4+浓度的影响

在2.1试验条件下,测得循环槽内及吸收塔出口S4+的浓度,结果如图6所示。

图6液气比对S4+浓度的影响

由图可看出,循环槽内S4+浓度随液气比的增加而略有增加,但S4+浓度均很小,均小于0.1molΠm3;在吸收塔出口,S4+的浓度随液气比增加而减少。

循环槽内浆液中S4+浓度均很小,系统所吸收的SO2基本上能全部氧化,说明氧化系统有足够的供氧能力,循环槽内S4+的氧化受氧化动力学控制,即受循环槽内S4+浓度的控制。液气比增加,脱硫率上升,所吸收的SO2增加,使得循环槽内S4+浓度略有增加以维持相应的氧化速率。在吸收塔出口,S4+的浓度随液气比增加而减少,这是因为液气比增加,吸收塔内的持液量增加,有更多的浆液来溶解所吸收的SO2。

3结论

利用所建立的并流有序降膜式湿法脱硫装置,进行了液气比对湿法脱硫过程影响的试验研究。在本试验条件下,得到以下结论:

(1)脱硫率随液气比增加而增加,液气比小于8LΠm3时,增加液气比,能更有效地提高脱硫率。

(2)液气比增加,吸收塔吸收段出入口的浆液中石灰石浓度差降低,吸收段内浆液的石灰石溶解量增加,浆液中石灰石浓度增加。

(3)液气比增加,循环槽内浆液S4+浓度略有增加,吸收塔吸收段内浆液中的S4+浓度增加。

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