H2O2吸收SO2的降膜傳質系數模型的建立*

王瀟潘理黎嚴金英程海巖

（浙江工業大學生物與環境工程學院)

H2O2吸收SO2的降膜傳質系數模型的建立*

王瀟**潘理黎嚴金英程海巖

（浙江工業大學生物與環境工程學院)

為中小型燃煤鍋爐煙氣脫硫提出一種以列管式并流降膜塔為脫硫反應器，H2O2溶液為脫硫劑的簡便高效、無二次污染的脫硫技術。建立了氣、液相傳質系數模型，通過實驗數據回歸了降膜管傳質關聯式。對氣、液相傳質系數模型進行驗證，結果顯示，得出的計算結果與實驗數據基本相符，這表明建立脫硫模型對基本設計參數的確定具有一定的指導意義。

降膜反應器傳質系數模型脫硫氣相傳質系數液相傳質系數

為了解決我國中小型燃煤鍋爐煙氣脫硫存在的問題，提出一種以列管式并流降膜塔為脫硫反應器，H2O2溶液為脫硫劑的簡便有效、無二次污染的脫硫技術。H2O2溶液作為SO2的高效吸收劑已經由實驗證實，但其氣液相傳質過程的研究文獻很少。列管式降膜塔是一種良好的研究脫硫過程機理的反應器，因其氣、液接觸面積精確已知，在測得液體或氣體的起始及終了濃度后，能較精確地測得氣、液相傳質的特性參數，有利于深入考察脫硫過程[1]。降膜塔中的吸收液沿壁面下降形成充分穩定的氣液接觸面，且液膜表面能產生特殊波動，具有良好的傳質效果。塔內可采用較高的空塔截面氣速，因此實驗選擇的降膜塔采用氣體和液體由上而下的并流操作。

本文利用多種理論建立氣液相傳質系數模型，通過對塔內物料平衡和實驗數據的計算，回歸了無量綱傳質實驗關聯式，為脫硫實驗裝置的操作條件的確定、運行等提供理論依據。

1 實驗部分

實驗裝置如圖1所示，由模擬煙氣系統、吸收液循環系統、列管式降膜脫硫系統和檢測系統組成。進入反應器的循環液通過溢流布液器在列管內表面形成均勻的下降液膜。模擬煙氣由空氣和SO2組成，它們分別由風機和鋼瓶供氣，以一定的速度與下降液膜并流流動，煙氣中的SO2與液膜進行吸收反應。

圖1 脫硫實驗系統

2 理論部分

2.1 液相傳質系數kL模型的建立

實驗選擇水(H2O)吸收SO2的體系來測定液相傳質系數。有關參數如圖2所示。

圖2 傳質示意圖

SO2在脫硫塔內的液相傳質系數計算公式的推導如下：

又氣、液相存在如下物料平衡：

氣、液相界面上兩側SO2濃度滿足亨利定律：

對式（2）進行積分得：

由入口處CSO2=CSO2,in，[SO2]b=0，得到：

則

將式（3）、式（5）代入式（1）得：

對上式進行積分即可得到液相傳質系數：

以上各式中:

QG——模擬煙氣流量，m3/s；

QL——吸收液流量，m3/s；

kL——液相傳質系數，m/s；

CSO2——氣相中SO2的摩爾分率；

[CSO2]i——傳質液膜表面上的SO2摩爾分率；

[CSO2]b——液相中SO2的摩爾分率；

m——相平衡常數，無因次;

n——降膜管根數，n=15；

de——降膜管傳質面直徑，m；

h——降膜的有效高度，h=1 m。

2.2 氣相傳質系數kG模型的建立

本實驗在降膜塔中用H2O2水溶液（濃度為1 mol/L）吸收低濃度SO2混合氣（濃度約為1000×10-6），測得SO2的脫硫量，即可計算出SO2在列管式并流降膜塔內的氣相傳質系數。降膜塔中進行SO2吸收時，液體沿塔內壁成膜流下，氣體沿塔中心并流流下。推導氣相傳質系數時做如下假設：

(1)由文獻[2，3]可知，H2O2液膜吸收SO2為快速反應，即可假定SO2在液膜表面上的濃度為零，液相傳質阻力可以忽略，此時，傳質由氣相傳質控制；

(2)把n根列管的下降液膜簡化為一個高度為h的整體液膜，實驗中采用的降膜管數n=15；

(3)假設沿煙氣行程方向，SO2濃度逐漸降低，而在煙氣流動方向的橫截面上濃度是均勻的。

如圖2所示，取降膜塔一微元進行物料衡算，由煙氣中SO2的脫除量等于吸收液吸收的SO2量，得到：根據上述假設（1），可知ΔCSO2≈CSO2-0，則對式(9)進行積分得：

式中kG——氣相傳質系數；

CSO2,in——入口SO2濃度；

CSO2,out——出口SO2濃度。

通過實驗測得進、出口的SO2濃度，即可計算出不同煙氣流量下的氣相傳質系數。

3 結果與討論

3.1 液相傳質系數kL的無因次化回歸

由因次分析理論[4]，并結合邊界層理論，考慮下降液膜表面波動對液相傳質的影響，液相傳質系數kL可整理成無因次表達式：

式中k、α、β、γ——無因次經驗常數，其中γ由文獻[5，6]確定為0.5；

L——特征長度，對于管道即為管徑。對實驗數據進行處理，回歸得到并流式降膜列管的傳質關聯式：

圖3 液相傳質系數數據與方程擬合直線的比較

3.2 氣相傳質系數kG的無因次化回歸

同液相傳質系數的因次分析方法，可將氣相傳質系數kG整理成如下無因次表達式：

式中ShG——氣相舍伍德數，

ScG——氣相施密特數，

對實驗數據進行處理，最后回歸得到并流式降膜列管的傳質關聯式：

圖4 氣相傳質系數數據與方程擬合直線的比較

由圖4看出，氣相傳質系數ShG/ScG隨空塔截面氣速ReG增加，氣相湍流程度增強，傳質阻力減小，有利于氣相傳質過程的進行。隨液相流體ReL增加，下降液膜波動增強，下降液膜表面的更新頻率加快，從而有利于傳質過程的進行。

3.3 模型驗證

伴有化學反應下的氣-液總傳質方程，其形式與物理吸收下的傳質方程相似，均由雙膜理論得出，表達式如下[7]：

以上各式中：

KG——以氣相濃度為基準的總傳質系數；

KL——以液相濃度為基準的總傳質系數；

H——溶解度系數，kmol/(m3·Pa)。

由于化學吸收增強因子的作用，大大降低了液相傳質阻力在總傳質阻力中所占的比例，使總傳質阻力下降，此時，總傳質阻力將由氣相阻力所決定，從而成為氣膜控制過程。因此，脫硫塔中的總傳質行為可用氣相傳質行為表征，即：

將各工況下的實驗數據代入式（18），即可得到相對應的初始條件下的SO2去除率。

在氣、液相溫度均為20℃，入口SO2濃度約為1 000×10-6，吸收液H2O2濃度為1 mol/L，降膜管數為15根的條件下，保持一定的液相流量（0.15 m3/h和0.025 m3/h），改變模擬煙氣流量（5 m3/h，10 m3/h，15 m3/h，25 m3/h，35 m3/h），測量模擬煙氣入口處和出口處的SO2濃度，將實驗參數代入式（17）的脫硫模型求解，并與實驗所得脫硫效率的數據進行對比，其關系曲線如圖5所示。

由圖5可以看出，脫硫率的計算值和實驗結果吻合得較好，但兩者間還是存在一定的誤差，其最大誤差為4.7%。但總體來說，建立起來的脫硫模型還是較為成功的，對進一步實驗研究具有指導意義。

圖5 氣相流量和液相流量對脫硫率的影響

4 結論

通過對降膜脫硫過程進行模擬建立模型，利用實驗所測得的系統傳質特性參數，回歸了降膜脫硫塔的傳質實驗關聯式，并把模擬結果與實驗數據進行了對比分析，結論如下：

(1)根據氣液傳質雙膜理論，回歸了降膜塔的傳質實驗關聯式：

無因次化時考慮了煙氣擾動和液膜波動的影響，與實驗結果基本吻合。

(2)由于化學吸收增強因子的作用，使得降膜塔內進行的SO2的脫除過程為氣相過程，氣相傳質阻力占主導，得到簡化的脫硫模型：

經計算，可知脫硫率的計算值和實驗結果吻合得較好。

本課題針對傳統濕法煙氣脫硫系統存在的結垢堵塞、脫硫石膏二次污染等問題，結合降膜吸收的原理，提出了一種以列管式并流降膜塔為脫硫器，過氧化氫溶液為脫硫劑的濕法煙氣脫硫技術。降膜反應器應用于煙氣脫硫，并使副產物硫酸資源化，消除脫硫二次污染，這是一種新的濕法煙氣脫硫思路。該方法設備簡單，投資和運行費用低，特別適用于中小型燃煤鍋爐脫硫，具有較好的推廣應用前景。

[1] 化學工程手冊編輯委員會.化學工程手冊（3）[M].北京:化學工業出版社,1989：10-121.

[2] Diane T,Sandirine C.Kinetics of SO2absorption into fairlyconcentratedsulpuricacidsolutionscontaining hydrogen peroxid[J].Chem Eng Processing,2003,42:487-494.

[3] Sandirine C,Jacques V,Diane T.Pilot-scale validation of the kinetics of SO2absorption into sulphuric acid solutions containing hydrogen peroxide[J].Chem Eng Processing,2004,43(11):1397-1402.

[4] 鐘秦.濕法煙氣脫硫的理論和實驗研究（Ⅳ）——高雷諾數時的傳質經驗方程[J].南京理工大學學報,1999,23(3):258-260.

[5] Spedding P L,Jones M T.Heat and mass transfer in wetted-wall columns[J].Chem Eng J,1988,37(1):165-172.

[6] Dudukovic A,Milosevic V,Pjanvic R.Gas-solid and gasliquid mass-transfer coefficients[J].Aiche Journal,1994,42(2):269-275.

[7] 黃恩才,劉國際.化學反應工程[M].北京:化學工業出版社,1996：223.

Establish the Model of Falling Film Mass Transfer Coefficient in the Absorption of SO2Using H2O2

Wang Xiao Pan Lili Yan Jinying Cheng Haiyan

Introduction a new desulfurization technique using H2O2solution as desulfurizer and multitubular cocurrent film-falling tower as reactor.It has the advantages of simplicity,high efficiency,no second pollution and SO2resource recovery.Preliminary experiment were carried out to define the gas-liquid phase mass transfer coefficient and their correlation equations have been established.The correlation equations of gas-liquid phase mass transfer in falling film tube by experimental data have been verified,and take the gas disturbance and falling film fluctuation influence to mass-transfer into account.Experimental data is identical with theoral result.Established the desulfurization model provides guidance to confirm the basic design parameters,it indicates that the feasibility of applying falling film reactor into flue gas desulfurization.

Film-falling reactor;Mass transfer model;Desulfurization;Mass transfer coefficient

TQ 051.8

浙江省公益性技術應用研究計劃項目（2010C33069）。

**王瀟，男，1985年生，碩士研究生。杭州市，310014。

2010-11-20）