石灰漿液高壓靜電霧化脫硫試驗及機理研究

鄧云天, 陳匯龍, 趙英春, 王貞濤, 陳 萍, 彭正東

(1.上海電氣集團上海電機廠有限公司,上海 200240;2.江蘇大學能源與動力工程學院,鎮江 212013)

我國大氣環境呈典型的煤煙型污染,SO2是大氣中最主要的污染物[1].石灰漿液噴淋脫硫是一種應用較廣泛、技術較成熟的濕法煙氣脫硫技術[2-3].在工業應用中,為提高脫硫率,一般通過提高液氣比(即脫硫過程中脫硫劑液體或漿液與煙氣的體積比)增加氣液相間接觸.但當液氣比達到8～25時,將導致漿液噴淋量增加、運行成本升高;或者循環使用漿液,通過控制集液池的PH值調節漿液輸入流量,但會帶來設備體積龐大、動力消耗高等問題[4-9].研究表明:應用高壓靜電技術能夠使石灰漿液霧滴帶電并細化,改善氣液接觸條件和霧滴表面特性,提高脫硫率,從而達到降低漿液噴淋量、減少動力消耗以及提高脫硫效益的目的[10-13].筆者對荷電霧化脫硫機理進行了分析,在荷電漿液霧滴與煙氣不同流向的情況下,進行了不同荷電電壓、鈣與硫物質的量比(nCa/nS)和煙氣中SO2質量濃度時的脫硫試驗研究,為該技術的形成和應用奠定了基礎.

1 荷電霧化脫硫機理

1.1 霧滴的荷電

石灰漿液由Ca(OH)2粉末與清水配制而成,通過壓力噴嘴及高壓電極加以霧化并得到荷電霧滴,如圖1所示.高壓電極為銅制圓環(稱環狀電極),內徑為100 mm,橫斷面直徑為6 mm,圖中S表示內插頭與噴嘴出口的距離,H表示噴嘴出口與環狀電極的距離,噴嘴孔徑為 1.5 mm.對于感應荷電方式,霧化前的漿液在高壓靜電場作用下已發生極化,主要是帶電離子發生空間重新分布,當賦予環狀電極直流高壓(負極)時,漿液中的負離子(OH-等)將受到噴嘴電極(正極)的吸引,正離子(H+、Ca2+等)則受環狀電極的吸引而向液柱與氣體接觸的表面集聚.強電場作用下帶電離子空間極化的時間極短,極化的程度主要與電場強度、漿液離子濃度、電離(溶解)速率和漿液黏度等因素有關[14].漿液發生霧化時,霧滴從帶電的氣液界面脫離而帶上過剩正電荷,即過剩的 Ca2+和 H+等,同時促使 Ca(OH)2和H2O進一步離解.

圖1 離心型壓力噴嘴及高壓電極的結構圖Fig.1 Structural diag ram of the centrifugal nozzle and high-voltage electrode

1.2 荷電對霧滴特性及SO2吸收的影響

根據分子結構和界面化學理論,分子間的相互作用力導致氣液相界面產生表面張力,霧滴液面曲率的存在還將產生對霧滴內部的附加壓力[15],從而形成霧滴內外壓力差.

由靜電學理論可知,霧滴所帶電荷主要集聚于霧滴表面,這將引起霧滴表面張力和SO2吸收效果的變化.處于電場中的石灰漿液滴(即霧滴)可認為是介電霧滴,它將受到電形變力的作用,即當與介質界面垂直的方向上存在電場作用時,介電常數大的介質(漿液)將受到指向介電常數小的介質(氣體)區域的靜電力作用.當霧滴表面介電常數不均勻時,也存在沿表面的電形變力.同時,霧滴在外電場的作用下將產生極化而形成取向力,即因極化形成的極化電荷與電場間的相互作用而產生使霧滴沿外電場方向取向的靜電力.霧滴取向結束達到平衡時,作用力合力為0,但霧滴不同極性所在表面的靜電力不為0,且兩極受力方向相反,如圖2所示.處于非均勻電場(據模擬計算,當H為20 mm、電壓為11 kV時最大電場強度可達4.8×106V/m)的霧滴受到的電形變力和取向力能夠減弱表面分子的不平衡合力、降低表面張力,加上同種電荷間的排斥作用和煙氣與霧滴間的相互作用,促使霧滴分裂細化、均勻化.距離噴嘴120 mm處,垂直環形電極軸線斷面的三維粒子動態分析儀(PDA)的測試結果見圖3,圖中X表示測量點與軸線的徑向距離.由圖3可見,霧滴荷電后索太爾直徑變小、分布趨向均勻.

圖2 外電場中霧滴受力示意圖Fig.2 Force analy sis of droplet in external electric field

圖3 流量為40 L/h時不同荷電電壓霧滴索太爾直徑分布Fig.3 Sauter diameter distribution of droplets with different charge voltages,at a flow rate of 40 L/h

氣體分子的吸收是通過氣體分子和氣液界面的碰撞實現的,但并非所有與界面碰撞的分子都能進入液相.如果被吸收的分率(單位界面面積上被吸收的組分分子數與組分總分子數的比值)為ξ,則界面傳質的極限速率為[16]:

式中:R為氣體常數;M為氣體相對分子質量;T為絕對溫度;pG為氣相中所研究組分的分壓;pi為界面分壓.

可見,在恒溫恒壓條件下,界面傳質的極限速率Rc與吸收分率ξ的大小成正比.電場中霧滴表面過剩電荷的存在和極化電荷的形成必然導致表面局部正電荷或負電荷的集中分布.同時,由于SO2分子為角型結構,屬于極性分子,在外電場作用下易發生定向排序,霧滴周圍極化了的SO2分子將以正極或負極趨向霧滴表面負電荷或正電荷集中的部位,靜電吸引力的作用將使SO2分子以更快的速度到達氣液界面,且提高SO2吸收率,增大 ξ值,并促使SO2迅速與水分子結合、水解和電離,與界面上的Ca2+發生快速反應.

由陳匯龍等[13]相關試驗及上述分析可知,霧滴的帶電削弱了表面張力,促進霧滴進一步分裂細化,有效增加漿液與煙氣的接觸表面積.同時,由于霧滴帶有同性電荷,彼此相互排斥,促進了霧滴空間分布的均勻化,改善了氣液接觸環境.此外,表面張力降低,液相壓力也降低,導致液相表面SO2的分壓降低以及產生了SO2分子與帶電漿滴的靜電引力作用,均有利于增加SO2傳質的推動力和增大SO2氣體在氣膜中的擴散系數.

2 試驗裝置

圖4為脫硫試驗裝置示意圖.試驗采用豎直圓筒模擬煙氣脫硫塔,塔高H1為2.0 m,直徑為0.25 m.模擬煙氣由SO2氣體與空氣混合組成,并由風機送入塔內,煙氣中SO2質量濃度通過調節風機風量和SO2氣體流量進行控制,并由SAE19煙氣分析儀測量;石灰漿液的質量分數為0.5%,由清水與純度為95%的Ca(OH)2配制而成,經空氣壓縮機輸送至噴嘴霧化;通過調節煙氣流量和石灰漿液流量來控制nCa/nS,煙氣流量由皮托管測量,石灰漿液流量由轉子流量計測量.從噴嘴噴出的石灰漿液通過負高壓環狀電極與噴嘴形成的電場感應荷電,并在脫硫塔中與煙氣接觸而脫除SO2,脫硫效率通過測試脫硫段前后煙氣中SO2的質量濃度得到.

圖4 脫硫試驗裝置示意圖Fig.4 Experimental setup for the desulfurization test

3 試驗方案

按氣液兩相逆流和并流兩種接觸方案進行試驗研究.方案I:漿液與煙氣逆向接觸,見圖5(a),煙氣進口至漿液噴嘴出口的距離H2為1.80 m;方案II:漿液與煙氣同向并流接觸,見圖5(b).

試驗條件及參數設計:環境溫度為12℃左右,相對濕度為50%;在 nCa/nS 為 0.8 、0.9、1.0、1.1,煙氣中SO2質量濃度為399 mg/m3、675 mg/m3、964 mg/m3、1239 mg/m3(煙氣流量相同),荷電電壓為5 kV 、7 kV 、10 kV 、13 kV 、15 kV 、17 kV 時對方案 I和II進行脫硫率測定.

4 結果與分析

4.1 漿液射流與煙氣逆向流動(方案I)

4.1.1 SO2質量濃度對脫硫效果的影響

圖5 兩種試驗方案示意圖Fig.5 Schematic diagram of two ex perimental schemes

圖6為漿液與煙氣逆向接觸時霧滴荷電脫硫測試結果.由圖6可以看出:在荷電電壓為0 kV時,對于相同的nCa/nS和煙氣流量,隨著煙氣中SO2質量濃度ρSO2的增加,脫硫率的變化很小.這說明對于相同的nCa/nS,雖然SO2質量濃度的提高能夠提高煙氣中SO2分壓,增大SO2的傳質推動力,但將會導致液氣比增大即漿液流速加快,縮短霧滴與煙氣接觸吸收SO2的時間.脫硫率隨ρSO2的變化情況取決于SO2分壓和霧滴與煙氣接觸時間兩方面的影響,測試結果還說明了逆向流動脫硫對漿液流速的增加比較敏感.

4.1.2 霧滴荷電對脫硫效果的影響

圖6 漿液與煙氣逆向接觸時脫硫率與荷電電壓的關系Fig.6 Desulfurization efficiency vs.charge voltage,with slurry and gas in counter-current flow

霧滴荷電后,ρSO2為 399 mg/m3時的脫硫率隨荷電電壓升高明顯提高,而ρSO2為675 mg/m3、964 mg/m3和1239 mg/m3時脫硫率的升高趨勢變緩.根據荷質比測試結果[13]可知,漿液流量在65 L/h以下時荷質比隨流量的增大而增大,可見逆向流動中ρSO2增大(漿液流量增大)導致的荷質比增大并沒有帶來明顯的脫硫增益,荷電對低SO2質量濃度時的脫硫增益反而較明顯.這是因為低ρSO2時液氣比較小,漿液流量偏小,非荷電時霧滴集中,霧化角較小,氣液接觸不理想,荷電后霧化效果改善相對明顯,脫硫率增幅也明顯.當ρSO2和漿液流量增大時,雖然這種霧化效應仍然存在,但從荷電電壓較低、漿液流量為40 L/h左右時荷電霧滴的速度分布和粒徑變化測試結果[17]可以看出,荷電引起的霧滴分裂和卷吸等現象主要發生在漿液射流的外側,同時射流核心區的流速加快、粒徑增大,而逆向流動中煙氣主要接觸的是射流核心區霧滴,這種情況使得荷電在逆向流動方案中的增益作用減弱;另外,在ρSO2增大的情況下,漿液流量增大、逆向煙氣使霧滴軸向分速度減慢和霧滴荷電都成為促使射流霧化角顯著增大的因素,逆向射流外側霧滴附著塔壁現象造成的副作用加劇,脫硫率的增幅受到進一步限制.

4.2 漿液射流與煙氣同向流動(方案II)

4.2.1 SO2質量濃度對脫硫效果的影響

圖7 漿液與煙氣同向并流接觸時脫硫率與荷電電壓的關系Fig.7 Desulfurization efficiency vs.charge voltage,with slurry and gas in co-current flow

圖7給出了漿液與煙氣同向并流接觸時脫硫率與荷電電壓的關系.從圖7可以看出,在荷電電壓為0 kV時,脫硫率隨著進口煙氣中SO2質量濃度的增大而明顯升高,特別是圖7(a)～圖7(c)呈現出明顯的、相似的規律性.這是因為SO2質量濃度的增大提高了煙氣中SO2分壓,增大了氣相擴散速率.同向并流時,煙氣從噴嘴的后部進入脫硫塔,霧滴的軸向分速度與煙氣流向一致,導致霧滴軸向流速加快,推遲了霧滴發生附壁的時間,有利于氣液接觸和脫硫率的提高.對于圖7(d)中 ρSO2為399 mg/m3時脫硫率明顯偏低的情況,筆者認為低ρSO2時,同向并流加劇了低漿液流量機械霧化不佳(霧化角過小、霧滴大而集中)帶來的不利效應,射流液滴與煙氣的接觸表面和接觸范圍都明顯減小,這是導致脫硫率很低的主要原因,說明漿液的霧化狀態是影響脫硫效果的重要因素.

4.2.2 霧滴荷電對脫硫效果的影響

由圖7可知,霧滴荷電后脫硫率的增幅較明顯,且隨著荷電電壓的增大而提高,這是因為:(1)同向并流時,煙氣首先接觸或接觸較多的正是射流外側荷電量較多且出現卷吸現象的霧滴群,荷電對脫硫的增益比較明顯;(2)同向并流增大了帶電霧滴軸向分速度,減弱了已帶電霧滴對即將分割帶電霧滴荷電量的不利影響[14],提升了霧滴的總體荷電效果,進一步增強了荷電對脫硫的增益作用.對于ρSO2為399 mg/m3時所表現出的不同變化規律,是由于漿液流量小,荷電效果差[13],導致同向并流時脫硫率隨荷電電壓增大的變化趨勢不明顯,甚至由于低流量引起的射流不穩定使脫硫率呈不規則變化,在nCa/nS為1.1(漿液流量相對增大)時,雖然脫硫率仍不穩定,但隨荷電電壓的增大而增加的趨勢已得到改善.

從圖7的試驗結果還可看出,相同SO2質量濃度下脫硫率隨電壓的增大呈持續升高趨勢.但是由漿液荷電噴霧測試結果可知,隨著荷電電壓的增大霧滴平均直徑并沒有呈持續減小趨勢[13,18],因此可以認為荷電對脫硫的增益作用并非僅限于霧滴細化導致的接觸表面增加,也與霧滴帶電引起的表面特性變化有關.

4.3 不同方案的比較分析

比較圖7(d)和圖6(d)可見,逆向流動脫硫效果明顯優于同向并流,說明漿液流量偏小時宜采用逆向流動方式,盡管液氣比較低,仍能得到較好的脫硫效果.而圖6(a)～圖 6(c)與圖 7(a)～圖7(c)的情況正好相反,即在ρSO2增大時,同向并流的脫硫效果明顯優于逆向流動.除方案Ⅱ所分析的同向并流脫硫優勢外,還因為同向并流中相對較大的霧滴上升到一定高度后,受重力作用下降,繼續發揮吸收作用,相當于延長了脫硫段和氣液接觸的時間,而且nCa/nS的增大和煙氣中SO2質量濃度的升高都能夠提高脫硫率.

方案I和方案II的脫硫試驗表明:任一nCa/nS或相同nCa/nS的任一荷電電壓情況下,石灰漿液荷電都能夠使脫硫率得到不同程度的提高,說明荷電對石灰漿液脫硫有不同程度的增益作用.與非荷電相比,脫硫率隨nCa/nS的增大而提高的趨勢一致.

5 結 論

(1)在不同的nCa/nS或不同的荷電電壓下,霧滴帶電都能使脫硫率得到不同程度的提高.

(2)漿液量較大時,同向流動脫硫率明顯優于逆向流動時的脫硫率.

(3)在本文的研究條件下,低煙氣進口SO2質量濃度、低nCa/nS、低漿液流量時,采用逆向流動荷電脫硫更有利;反之,采用同向并流荷電脫硫可得到較好的效果.

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