超重力脫NO_x設(shè)備調(diào)試及氣液平衡研究

姚偉　韓洋　孫浩程

摘????? 要：調(diào)試首先建立起設(shè)備內(nèi)液位，利用空氣作為試驗(yàn)氣體，確定了電機(jī)頻率、吸收液循環(huán)量和引風(fēng)量間的關(guān)系，同時(shí)分析了引風(fēng)量波動(dòng)的原因。針對目標(biāo)尾氣進(jìn)行反應(yīng)過程的物料平衡研究，根據(jù)目標(biāo)尾氣特性選取二級處理模式，并通過實(shí)測不同電機(jī)頻率下吸收液濃度與處理效果之間的關(guān)系，同時(shí)結(jié)合處理指標(biāo)要求確定了最小的吸收液循環(huán)量。本次調(diào)試為此套設(shè)備及類似設(shè)備針對不同目標(biāo)尾氣的調(diào)試和物料平衡建立提供了參考和依據(jù)。

關(guān)? 鍵? 詞：超重力;NO_x;氣液平衡;處理效果

中圖分類號：TQ016?????? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A?????? 文章編號： 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

液相吸收法是一種常用的工業(yè)尾氣處理技術(shù)，其中尿素溶液作為一種吸收介質(zhì)常用于工業(yè)尾氣中氮氧化物的吸收^[1]，一方面其具有安全、清潔的優(yōu)點(diǎn)，而另一方面去除效率不高限制了該方法更廣泛應(yīng)用，尤其傳質(zhì)效率對整個(gè)吸收過程影響很大。超重力技術(shù)^[2]利用人為制造的超重力場，進(jìn)而制造更大的傳質(zhì)面積、更薄的液膜和更強(qiáng)烈的液體湍動(dòng)，以達(dá)到加速傳質(zhì)的目的。

以尿素為吸收介質(zhì)的超重力反應(yīng)器在應(yīng)用過程中的脫NO_x效率受很多因素影響，其中氣相和液相間的平衡關(guān)系^[3，8]是一個(gè)重要因素。尤其新設(shè)備調(diào)試階段氣液平衡的建立與各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)的確定對設(shè)備的長期高效運(yùn)行有著重要意義。

本次調(diào)試的是一套由4臺超重力反應(yīng)器及其他附屬設(shè)備組成的脫NO_x設(shè)備，4臺超重力反應(yīng)器可采用一級處理模式，也可采用兩級處理模式，其工藝流程如圖1所示。4臺反應(yīng)器共用一套液體循環(huán)系統(tǒng)，以3號超重力反應(yīng)器為例，繪制的部分為液體循環(huán)系統(tǒng)，如虛線框內(nèi)所示。該套裝置可采用1號、2號為一級，3號、4號為二級的處理模式，也可采用4臺同為一級的處理模式。

1? 調(diào)試部分

該套設(shè)備采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%的尿素溶液，每臺超重力反應(yīng)器有效容積為4 m³，系統(tǒng)的溶液保有量為120 m³。首先配制吸收液，在4臺超重力反應(yīng)器中建立起液位至上端溢流口溢流為止。

1.1? 氣液平衡的建立

引入空氣為試驗(yàn)氣體，考察尿素吸收液循環(huán)量、引風(fēng)量和電機(jī)頻率之間的關(guān)系及這些因素對氣液平衡的影響。

首先采用4臺并聯(lián)一級處理模式，分別選取電機(jī)頻率為25、30、35、40 Hz，在不同吸收液循環(huán)量下引風(fēng)量的變化如圖2、圖3、圖4和圖5所示。

由圖2可知在電機(jī)頻率為25 Hz，吸收液循環(huán)量為0.3、0.4、0.5 m³·h^-1時(shí)，超重力引風(fēng)量呈現(xiàn)出與吸收液循環(huán)量的正相關(guān)趨勢。當(dāng)吸收液循環(huán)量為0.6、0.7 m³·h^-1時(shí)出現(xiàn)引風(fēng)量的劇烈波動(dòng)，現(xiàn)場溢流管出水也呈現(xiàn)出水量的急劇變化。

由圖3、圖4、圖5可知在電機(jī)頻率為30、35、40 Hz時(shí)未出現(xiàn)引風(fēng)量與吸收液循環(huán)量之間的明顯關(guān)系，但在吸收液循環(huán)量增加至0.5、0.6、0.7 m³·h^-1時(shí)均出現(xiàn)不同程度的引風(fēng)量波動(dòng)。

吸收液循環(huán)量一定時(shí)，隨著電機(jī)頻率增加、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增大超重力的引風(fēng)量有明顯增加的趨勢。

參照4臺并聯(lián)一級處理模式進(jìn)行每級兩臺的二級試驗(yàn)，當(dāng)電機(jī)頻率為25、30、35、40 Hz條件下不同吸收液循環(huán)量引風(fēng)量的變化測試結(jié)果如圖6、圖7、圖8和圖9所示。

由25、30 Hz條件下的測試結(jié)果看，在0.3～0.7 m³·h^-1范圍內(nèi)，引風(fēng)量隨著吸收液循環(huán)量的增加呈現(xiàn)明顯的增加趨勢，且未出現(xiàn)一級模式下的引風(fēng)量波動(dòng)。

當(dāng)電機(jī)頻率為35、40 Hz時(shí)引風(fēng)量在一定范圍內(nèi)仍然明顯地呈現(xiàn)出隨吸收液循環(huán)量的增長趨勢，但當(dāng)循環(huán)量達(dá)到一定數(shù)值后出現(xiàn)引風(fēng)量波動(dòng)，現(xiàn)場同樣出現(xiàn)溢流管出水量的變化。

橫向比較，在吸收液循環(huán)量一定時(shí)，隨著電機(jī)頻率的上升，超重力的引風(fēng)量隨之上升。

以上試驗(yàn)結(jié)果為確定該套設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行條件和在不同處理量情況選取合適的電機(jī)頻率和吸收液循環(huán)量提供充分依據(jù)。

1.2? 氣液兩相間的物料平衡

此套設(shè)備所處理的目標(biāo)廢氣主要含有NO和NO₂，其化學(xué)反應(yīng)機(jī)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的溶解性要強(qiáng)于NO，所以二者的吸收效率相差很大，整個(gè)反應(yīng)中反應(yīng)（4）是很重要的一步。本次調(diào)試針對的生產(chǎn)尾氣情況、排放要求、物料核算等信息如表1所示。

由表1可知，若要維持系統(tǒng)物料平衡最少要每小時(shí)向系統(tǒng)內(nèi)補(bǔ)充5.556 kg尿素。若按照超重力外部循環(huán)系統(tǒng)溶液始終保持16%的濃度計(jì)算，4臺超重力吸收液的總循環(huán)量需滿足：

?Q×（16%-C）=5.556 kg/h? ?????（1）

式中：Q —吸收液循環(huán)量，kg·h^-1;

C —超重力內(nèi)吸收液質(zhì)量濃度。

整套系統(tǒng)去除效率不變的理想狀態(tài)下，由式（1）可知當(dāng)左右相等時(shí)超重力內(nèi)的尿素濃度C會維持穩(wěn)定，當(dāng)左側(cè)小于右側(cè)會使C變小，當(dāng)左側(cè)大于右側(cè)C會增大，并且無限接近16%。所以實(shí)際應(yīng)用中必定會有一個(gè)點(diǎn)或區(qū)間在相對較小的循環(huán)量的情況下既能滿足排放要求又能使超重力內(nèi)吸收液濃度穩(wěn)定，進(jìn)而達(dá)到工況的相對穩(wěn)定。

本次調(diào)試針對不同電機(jī)頻率條件下測試吸收液循環(huán)量對NO_x去除效率和尿素濃度的影響。首先針對一級、二級模式無循環(huán)的進(jìn)行測試，處理后NO_x濃度和電機(jī)頻率關(guān)系如表2所示。

表2中在低頻率下處理后的NO_x濃度接近設(shè)計(jì)的100 mg·m^-3，當(dāng)提高頻率至35、40 Hz后NO_x濃度降低。二級處理模式未出現(xiàn)一級現(xiàn)象，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)要求。由于處理的目標(biāo)氣體風(fēng)量不大，這里選取二級模式進(jìn)行下一步試驗(yàn)。

由式（1）知，吸收液循環(huán)量Q是超重力反應(yīng)器尿素濃度C的函數(shù)，而5.556是尾氣量a、尾氣濃度c和排放濃度b決定的，所以循環(huán)量Q的確定是并非完全的經(jīng)驗(yàn)操作，而是可以通過理論計(jì)算給出一個(gè)指導(dǎo)值的。但式（1）的應(yīng)用還需針對具體目標(biāo)尾氣測試出不同電機(jī)頻率下尿素濃度C與處理后尾氣NO_x的濃度關(guān)系，本次測試結(jié)果如圖10所示。

圖中各曲線與100 mg·m^-3直線相交處對應(yīng)的質(zhì)量濃度值即為該電機(jī)頻率下吸收液濃度的最小值，將其代入式（1）即可得最小吸收液循環(huán)量。以此次調(diào)試為例，不同電機(jī)頻率下的最小循環(huán)量見表3。

如表3所示，隨著電機(jī)頻率增大，達(dá)到處理標(biāo)準(zhǔn)所需要的最小循環(huán)量逐漸減少。

2? 分析與討論

2.1? 超重力引風(fēng)量與吸收液循環(huán)量的隨變關(guān)系

調(diào)試中發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)隨著吸收液循環(huán)量的增大超重力反應(yīng)器的引風(fēng)量增大。分析其原因?yàn)橐缌髁吭龃髮?dǎo)致溢流管空管比例減少，進(jìn)而減少了其配風(fēng)效應(yīng)，導(dǎo)致尾氣吸入口進(jìn)風(fēng)量增大。

2.2? 吸收液循環(huán)量增大造成的引風(fēng)量波動(dòng)

引風(fēng)量波動(dòng)的最主要原因?yàn)橐悍?sup>[9]，較高的液位的前提下超重力反應(yīng)器工作過程中產(chǎn)生大量的氣泡，這些氣泡堆積堵塞出氣口等部位致使超重力內(nèi)部壓力上升，進(jìn)而引風(fēng)量下降。壓力升高配合較高的吸收液循環(huán)量帶來的虹吸作用使氣泡大量破碎和液位降低，系統(tǒng)恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)。如此反復(fù)，形成引風(fēng)量的波動(dòng)。吸收液循環(huán)達(dá)到一定量不能及時(shí)溢流時(shí)，甚至可以出現(xiàn)沿管道進(jìn)入風(fēng)機(jī)的現(xiàn)象。

2.3? 超重力吸收液濃度和吸收液循環(huán)量的關(guān)系

根據(jù)調(diào)試過程可知，在外部補(bǔ)充吸收液濃度一定，溢流濃度為超重力內(nèi)吸收液濃度時(shí)，超重力內(nèi)濃度越低，相同循環(huán)量補(bǔ)充尿素量越大，當(dāng)這個(gè)補(bǔ)充量與反應(yīng)量相等時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)尿素濃度會達(dá)到平衡。

3? 結(jié) 論

1）調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，超重力反應(yīng)器引風(fēng)量隨吸收液循環(huán)量增大而增大，并通過溢流量對溢流管配風(fēng)效應(yīng)的影響解釋了原因。

2）通過分析調(diào)試中出現(xiàn)的引風(fēng)量波動(dòng)現(xiàn)象，確定了液泛和虹吸效應(yīng)對其的雙重作用，為吸收液循環(huán)量的選取提供一定指導(dǎo)。

3）針對目標(biāo)尾氣進(jìn)行反應(yīng)物料核算、處理模式選擇并對處理效果和吸收液濃度進(jìn)行實(shí)測和分析，為系統(tǒng)物料平衡建立提供重要依據(jù)。

4）本次調(diào)試為本套設(shè)備及類似設(shè)備調(diào)試和物料平衡建立提供參考和依據(jù)。

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收稿日期： 2020-03-28

作者簡介： 姚偉（1985-），男，安徽省壽縣人，工程師，2008年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）過程裝備與控制工程專業(yè)，研究方向：安全環(huán)保與管理。E-mail：yaow.chji@sinopec.com。