一種氨法脫硫噴淋塔系統及SO₂吸收傳質系數的確定方法

一種氨法脫硫噴淋塔系統及SO₂吸收傳質系數的確定方法
【專利摘要】本發明公開了一種氨法脫硫噴淋塔系統及SO2吸收傳質系數的確定方法，屬于氨法煙氣脫硫技術領域。本發明基于噴淋塔氨法煙氣脫硫工藝的特點，選取噴淋塔內漿液pH值、煙氣流速ug和液氣比L/Q為參數，先計算出不同pH值、煙氣流速ug及液氣比L/Q條件下的氨法脫硫SO2吸收傳質速率ky，然后采用數值擬合的方法重新構建出具有普遍適用性的氨法脫硫SO2吸收傳質系數ky′的表達式。采用本發明的方法得到的氨法脫硫SO2傳質系數能夠全面、準確的反映工藝操作條件對SO2傳質吸收過程的影響，且具有普遍適用性，能夠為優化氨法脫硫吸收塔的設計和運行提供理論指導，具有較強的實際意義和工程應用價值，且其計算結果與實驗結果的誤差小于14.77％。
【專利說明】
一種氨法脫硫噴淋塔系統及S〇2吸收傳質系數的確定方法
技術領域
[0001 ]本發明屬于氨法煙氣脫硫技術領域，更具體地說，涉及一種氨法脫硫噴淋塔系統 及S〇2吸收傳質系數的確定方法。
【背景技術】
[0002] 二氧化硫(S02)是我國目前危害僅次于可吸入顆粒物的主要大氣污染物，但它同 時也是一種重要資源，目前我國脫硫方法主要采用石灰石-石膏法脫硫工藝，一是因為脫硫 劑石灰石來源豐富且價格便宜，二是因為石灰石-石膏法技術在國外相當成熟且公開，獲取 容易。但是該方法所用系統較復雜、投資多、占地面積大，且容易產生二次污染、運行費用 高，中小熱電廠難以承受，從而限制了該法的應用。
[0003] 氨法脫硫是以化學反應活性較高的氨(NH3)為脫硫劑吸收煙氣中的S02,系統動力 消耗低，在高效脫除so 2的同時，還能實現硫資源的回收，得到硫酸銨副產品（該過程涉及的 主要反應如下（1)~（5)式），且無廢水和廢渣的排放，符合我國發展循環經濟、創建節約型 社會的政策需求，成為緩解上述石灰石-石膏法脫硫工藝存在問題的有效途徑，該技術目前 在我國大中型燃煤煙氣脫硫項目上也逐步得到了廣泛應用，發展前景良好。
[0004] 2NH3+H20+S〇2^ (NH4) 2SO3 (1)
[0005] (NH4)2S〇3+S〇2+H2〇-2NH4HS〇3 (2)
[0006] NH4HS〇3+NH3-(NH4)2S〇3 (3)
[0007] (NH4) 2 S03+1 /2〇2^ (NH4) 2 S04 (4)
[0008] NH4HS〇3+l/2〇2^NH4HS〇4 (5)
[0009] 吸收塔是氨法脫硫工藝的核心設備，工程上普遍采用的是噴淋吸收塔。目前，我國 氨法煙氣脫硫噴淋塔的設計和運行主要依據流場模擬對氣、液流速分布進行優化，以及根 據經驗控制pH值和停留時間等參數來實現，系統在運行過程中很難達到技術性和經濟性的 最優組合，且容易發生明顯的氨的揮發性損耗和硫酸銨氣溶膠逃逸等問題。另外，2012年1 月1日開始實施的《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223-2011)進一步收緊了 S02和顆粒 物的排放濃度限值，這就對現有氨法脫硫技術提出了更高的要求。研究并確立氨法煙氣脫 硫S0 2吸收傳質系數的表達式，是對氨法脫硫噴淋塔工程的設計和運行進行有效優化的關 鍵，對實現該"綠色"脫硫技術的尚效、穩定運彳丁，提尚氣法脫硫效率以及抑制氣的揮發性損 耗和氣溶膠粒子的逃逸具有重要的意義。
[0010] 目前，有關氨法脫硫s〇2吸收傳質系數方面的研究尚未見報道，國內外學者通過對 與之相關的S02吸收反應動力學和吸收過程建模進行了一些研究，比較典型的有:Gao X等 (Applied Energy，2010,87(8):2647~2651)依據氨法脫硫實質上是以（NH4)2S03來吸收S〇2 這一特點，對(NH 4) 2S03吸收S02的反應動力學過程進行了研究，結果表明當(NH 4) 2S03濃度在 0.05mol/L以下時，吸收過程由氣膜和液膜共同控制，當（NH4) 2S03濃度在0.05mol/L以上時 由氣膜控制，且吸收反應速率與(NH4) 2S〇3濃度無關，與初始S02濃度呈0.6級響應。陳梅倩等 對氨法脫硫化學反應動力學進行了實驗研究，并建立了氨法脫硫反應的Arrhenius方程(環 境科學學報，2005,25(7):886~890)。劉國榮（化工學報，2010,61(9):2463~2467)和彭健 (高校化學工程學報，2011，25(6): 1073~1077)等基于氣相傳質系數和液相傳質系數相等 這一原理，建立數學模型分別對噴淋塔和濕壁塔氨法脫硫過程進行了數值模擬。上述氨法 脫硫吸收反應動力學及模型的研究為氨法脫硫技術的應用和發展提供了很多有價值的參 考。然而，氨法脫硫過程中，吸收漿液的pH值沿吸收段高度方向上逐漸下降，液相中+4價硫 濃度及30 2、出503、11303與8032_之間的平衡均不斷變化，50 2吸收是一個動態的過程，現有氨 法脫硫S02吸收模型的氣相傳質推動力的計算未從氣-液動態平衡的角度出發，且對S0 2吸收 傳質系數的簡化程度較大，考察不全面，一般僅考慮了漿液的物理化學特性，從而導致不能 夠真實、準確地反映氨法脫硫工藝中的傳質過程，進而導致對氨法脫硫噴淋塔及脫硫工藝 的優化設計不理想，不能夠有效地用于指導實際生產過程。
[0011] Codolo M C等(International Journal of Heat and Mass Transfer，2013,66: 80~89)對噴淋塔NaOH溶液吸收S02的體積傳質系數進行了研究，考察了煙氣流速、液體流 速、噴嘴直徑等因素的影響。Kaji R等（Journal of Chemical Engineering of Japan， 1985，18:169~172)采用準數關聯的方式研究了NaOH溶液吸收S02的傳質系數。然而，上述 文獻均是對噴淋塔NaOH溶液吸收S0 2的體積傳質系數的研究，其體積傳質系數是在特定的 實驗條件下獲得的，實驗環境及條件與氨法脫硫工藝懸殊較大，因此獲得的體積傳質系數 在其它吸收設備中也就不具有通用性，不能夠反映氨法脫硫工藝中的傳質過程。此外，由于 考慮不全面，上述研究中得出的體積傳質系數也不能真實地反映其傳質過程。
[0012] 因此，研究并建立具有普遍適用性的氨法脫硫s〇2吸收傳質系數的表達式，且能夠 全面、準確的反映出不同工藝條件下s〇 2的吸收速率，對指導并優化氨法脫硫噴淋塔的設計 和運行，提高脫硫效率具有重要的理論意義和工程應用價值。

【發明內容】

[0013] 1.發明要解決的技術問題
[0014] 本發明的目的在于克服現有氨法脫硫噴淋塔實驗系統易發生明顯的氨的揮發性 損耗和硫酸銨氣溶膠逃逸等問題，不能真實地模擬氨法脫硫工藝過程，以及現有氨法脫硫 S0 2吸收傳質系數不能夠真實、準確地反映氨法脫硫工藝中S02的吸收過程，從而導致不能用 于有效地指導氨法脫硫噴淋塔工程的設計和運行的不足，提供了一種氨法脫硫噴淋塔系統 及S0 2吸收傳質系數的確定方法。本發明的氨法脫硫噴淋塔實驗系統能夠真實地模擬工業 中的氨法脫硫工藝過程，有效避免氨的揮發性損耗及硫酸銨氣溶膠的逃逸現象;采用本發 明的s〇 2吸收傳質系數的確定方法對s〇2吸收傳質系數進行優化，得到的s〇2吸收傳質系數能 夠真實、準確地反映氨法脫硫工藝中s〇 2的吸收過程，且具有普遍適用性，從而能夠為氨法 脫硫噴淋塔的精確設計和運行控制提供理論依據，有利于推動氨法煙氣脫硫技術的發展。
[0015] 2 ?技術方案
[0016] 為達到上述目的，本發明提供的技術方案為：
[0017] 本發明的一種氨法脫硫噴淋塔系統，包括噴淋塔本體，該噴淋塔本體內部自上而 下依次包括除霧區、噴淋區和漿液槽，除霧區設有除霧器，除霧器的上方設有煙氣出口，所 述噴淋區設有噴淋管，噴淋管的進水口通過循環管道及循環栗與漿液槽底部相連通，還包 括氣壓式加氨系統，該氣壓式加氨系統包括氨水罐和氣栗，氨水罐的進氣口通過管道與氣 栗相連，且氨水罐的出液口通過管道與循環栗的輸出口相連。
[0018] 更進一步地，所述噴淋塔本體側壁底部的煙氣進口通過進氣管與混合罐相連，該 混合罐分別通過管道與S02鋼瓶及氧化風機相連，來自S0 2鋼瓶的S02氣源與來自氧化風機的 空氣經混合罐混合均勻后通過噴淋塔本體側壁底部的煙氣進口管道進入噴淋塔本體內部。
[0019] 本發明的一種氨法煙氣脫硫S02吸收傳質系數的計算方法，該方法基于噴淋塔氨 法煙氣脫硫工藝的特點，選取噴淋塔內漿液pH值、煙氣流速udP液氣比L/Q為參數，先計算 出不同pH值、煙氣流速％及液氣比L/Q條件下的氨法脫硫S0 2吸收傳質速率ky，然后采用數值 擬合的方法重新構建出具有普遍適用性的氨法脫硫S0 2吸收傳質系數k/的表達式。
[0020] 更進一步地，所述噴淋塔內漿液pH值的范圍為4.5~6.0，煙氣流速％的范圍為2.0 ~4.0m/s，液氣比L/Q的范圍為2.0~4.0L/m 3。
[0021] 更進一步地，該計算方法的具體步驟如下：
[0022]步驟一、確定如下參數:氨法脫硫系統噴淋塔的D、G、L、pH、P、Q、T、yi、y2、Z、P、y、v、 〇;
[0023]其中，D為噴淋塔直徑，通過直接測量得出，單位m;L為漿液噴淋量，通過流量計測 量得出，單位為L/h;pH為噴淋塔內漿液pH值，由pH計測量得到;P為煙氣總壓力，近似與大氣 壓相等，為l〇1325Pa; Q為煙氣流量，通過流量計測量得出，單位m3/h; T為煙氣溫度，通過溫 度傳感器測量得出，單位K;G為煙氣摩爾流率，根據公式G=1(T3 ? PQ/(RTjtD2)/4計算得出， 單位為kmol/(m2 ? h) ;yi、y2分別為噴淋塔進口、出口煙氣中S〇2的摩爾分率，由煙氣分析儀 測得，單位均為ppm; Z為噴淋塔吸收區高度，直接測量得到，單位m; P為噴淋塔內漿液密度， 通過密度計測量得到，單位kg/m3;漿液的粘度y和表面張力〇分別利用粘度計和表面張力儀 測得，其單位分別為Pa ? s和N/m;v為漿液的運動粘度，根據公式V = y/P計算得出，單位m2/ s；
[0024]步驟二、氨法煙氣脫硫S02吸收傳質速率的計算：啟動氨法脫硫噴淋塔系統，改變 漿液pH值、煙氣流速ug和漿液噴淋量L，測定不同pH值、煙氣流速％和液氣比L/Q條件下噴淋 塔進、出口煙氣中S0 2的濃度yi、y2，通過對液滴運動和塔壁液膜流動狀態的計算，確定氣-液 傳質接觸面積a，進而計算出不同實驗條件下的氨法脫硫S0 2吸收傳質速率ky;
[0025]步驟三、氨法脫硫S02吸收傳質系數表達式的構建：
[0026]選取pH值、煙氣流速也和液氣比L/Q為參數，構建S02吸收傳質系數的表達式如下：
[0027] :QT' ⑴，
[0028] 上式中ko為系數，X1、X2和X3均為指數，對上式兩邊取對數可得：
[0029] In k/y=ln ko+xiln pH+X2ln ug+X3ln(L/Q) (2)，
[0030]將步驟二中通過測量計算所得的氨法脫硫S〇2吸收傳質速率ky與pH、ug及L/Q按公 式(2)進行多元線性擬合，確定系數k〇及指數X1、X2和X3的值，進而重新構建出氨法脫硫50 2吸 收傳質系數k/的表達式。
[0031]更進一步地，步驟二中不同條件下的氨法脫硫s〇2吸收傳質速率ky根據如下公式進 行計算：
[0033]式(3)中，a為噴淋塔內氣-液傳質接觸面積，單位為m2/m3，包含兩部分:一是噴淋塔 內液滴的比表面積Ad/ (( JtD2/4 ) Z)，m2/m3;二是噴淋塔壁液膜的比表面積Am/ (( jtD2/4) Z)，m2/ m3,因此公式(3)可表述為如下形式：
[0035]更進一步地，所述噴淋塔微元內液滴的表面積Ad根據如下公式進行計算：
[0037]上式(5)中，Ld為以液滴形式存在的漿液噴淋量，單位為L/h; Ud為液滴的下落速度， 單位m/s; d為液滴的Sauter平均直徑，單位為m，液滴直徑d根據如下公式(6)進行計算： [0038] d = 133.0.(D/2).We-0.74 (6)，
[0039]上式中，韋博數We根據公式(7)進行計算：
[0041]上式中，4為噴嘴衆液的噴出速度，單位為m/ s，根據動量守丨旦方程/hi 〃丨;喝?! 2進 行計算，其中，nu為噴嘴噴出漿液的質量流量，單位為kg/s，通過測量得到為噴嘴運行壓 力，單位為MPa，通過測量得到;d k為噴嘴孔徑，單位m; 〇為漿液表面張力，N/m;
[0042] 公式(5)中液滴下落速度Ud表述為：
[0044] 該公式中，g為重力加速度，單位為m/s2;Pd、Pg分別為液滴密度和氣體密度，單位均 為kg/m 3，其中液滴密度Pd即為噴淋塔內漿液密度P; ug為氣體速度，單位m/s，通過下式計算 得到：
[0045] ug = Q/(360〇JiD2)/4 (9)，
[0046]公式(8)中Cd為曳力系數，根據下式進行計算：
[0048]上式中，雷諾數Red根據公式（11)進行計算：
[0050]液滴的運動方程為：
[0051 ] uAdt = dz ( 12)?
[0052]聯立公式(5)~（12)，沿噴淋塔吸收區高度方向上積分即計算出液滴表面積Ad; [0053]所述噴淋塔壁液膜的面積^按照如下公式進行計算：
[0054] Am=^(D-2hm) ? dz (13)，
[0055] 式(13)中，hm為噴淋塔壁液膜厚度，單位為m，根據如下公式進行計算：
[0057]上式中，Rem為液膜流動雷諾數，根據如下公式進行計算：
[0058] Rem=4LmP/jidli (15)，
[0059] 公式（15)中，Lm為塔壁液體流量，L/h;聯立公式（13)~（15)，沿噴淋塔吸收區高度 方向上積分即計算出噴淋塔壁液膜面積A m。
[0060] 更進一步地，塔壁液體流量Lm和以液滴形式存在的漿液量Ld分別近似為總漿液流 量L 的 8%、92%。
[0061 ]如表1所示為本發明中的參數說明。
[0062]表1本發明中的參數說明

[0065] 3 ?有益效果
[0066] 采用本發明提供的技術方案，與現有技術相比，具有如下顯著效果：
[0067] (1)本發明的一種氨法脫硫噴淋塔系統，通過氣壓式加氨系統對向系統內補充吸 收劑順 3,從而可以有效克服采用高位槽和栗來加氨帶來的氨的揮發問題。通過該噴淋塔系 統對工業中的氨法脫硫工藝進行模擬，能夠更加真實地反映氨法脫硫工藝過程，從而為工 業中氨法脫硫噴淋塔的優化設計和運行提供可靠依據。
[0068] (2)本發明的氨法煙氣脫硫S02吸收傳質系數的確定方法，該方法基于噴淋塔氨法 煙氣脫硫工藝的特點，選取噴淋塔內漿液pH值、煙氣流速udP液氣比L/Q為參數，先計算出 不同pH值、煙氣流速％及液氣比L/Q條件下的氨法脫硫S0 2吸收傳質速率ky，然后采用數值擬 合的方法重新構建出具有普遍適用性的氨法脫硫S0 2吸收傳質系數k/的表達式。采用本發 明的方法得到的氨法煙氣脫硫S02吸收傳質系數k/能夠更加真實、準確地反映氨法脫硫工 藝中的S0 2傳質吸收過程，從而能夠直接、有效地用于指導氨法脫硫噴淋塔及脫硫工藝的優 化設計與運行，有利于提高氨法脫硫工藝的脫硫效率，更具有實際意義和工程應用價值。
[0069] (3)本發明的氨法煙氣脫硫S02吸收傳質系數的確定方法，通過對噴淋塔內液滴運 動和塔壁液膜流動的理論分析，在計算氨法脫硫S0 2吸收傳質速率的過程中全面考慮了噴 淋液滴面積和塔壁液膜面積的影響，從而保證建立的傳質系數表達式不只是針對特定的噴 淋吸收塔有效，具有普遍適用性。
[0070] (4)本發明的氨法煙氣脫硫S02吸收傳質系數的確定方法，通過該方法得到的氨法 煙氣脫硫S0 2吸收傳質系數的表達式更加準確，對該表達式進行試驗驗證，結果表明采用本 發明獲得的表達式進行計算得到的計算值與實驗結果之間的誤差較小，小于14.77%。
【附圖說明】
[0071 ]圖1為本發明的氨法脫硫噴淋塔系統的結構示意圖；
[0072]圖2為本發明的噴淋塔氨法脫硫的物理模型圖；
[0073]圖3為本發明的噴淋塔氨法脫硫S02吸收物料的平衡示意圖。
[0074] 不意圖中的標號說明：
[0075] 1、S02鋼瓶;2、減壓閥；3、穩流器;4、風機;5、流量計;6、取樣口； 7、混合罐;8、氣栗； 9、除霧器;10、噴淋塔;11、漿液槽;12、循環栗;13、控制柜;14、氨水罐;15、煙氣分析儀。
【具體實施方式】
[0076] 為進一步了解本發明的內容，現結合附圖和實施例對本發明作詳細描述。
[0077] 實施例1
[0078] 1、氨法脫硫S02吸收傳質系數的確定
[0079]本實施例的氨法脫硫噴淋塔系統如圖1所示，噴淋塔直徑D為0.3m，吸收區高度Z為 2.0m。該氨法脫硫噴淋塔系統包括噴淋塔本體10，該噴淋塔本體10內部自上而下依次包括 除霧區、噴淋區和漿液槽11，除霧區設有除霧器9，除霧器9的上方設有煙氣出口，該煙氣出 口與尾氣排放管道相連，且尾氣排放管道上設有控制柜13。所述噴淋區設有噴淋管，該噴淋 管的進水口通過循環管道及循環栗12與漿液槽11底部相連通。漿液槽11底部還通過管道與 氣栗8相連。來自S0 2鋼瓶1的S02氣源與來自氧化風機4的空氣經混合罐7混合均勻后通過噴 淋塔本體10側壁底部的煙氣進口管道進入噴淋塔本體10內部，由噴淋塔下部向上流過噴淋 區并與噴淋而下的液滴逆流接觸，以(NH4) 2S〇3-NH4HS〇3混合溶液為基礎對s〇2進行吸收。 [0080]漿液中，對s〇 2起吸收作用的是(NH4)2S〇3，NH4HS〇3不具有吸收s〇2的能力。隨著吸收 反應的進行，吸收液中NH 4HS〇3的濃度逐漸增大，漿液吸收s〇2的能力開始下降，為了維持漿 液的吸收能力，需要向系統內補充吸收劑順 3,使部分NH4HS03轉化為(NH4)2S〇3。吸收劑NH3的 補給采用氣壓式加氨系統，該氣壓式加氨系統包括氨水罐14和氣栗8,氨水罐14的進氣口通 過管道與氣栗8相連，且氨水罐14的出液口通過管道與循環栗12的輸出口相連，利用氣栗8 提供的空氣的壓力將氨水(含量25~28wt. %)從氨水罐14中壓出，經氨水罐14的出液管道 上的流量計5調節流量后，在漿液循環栗12入口處與漿液進行混合，有效地克服了采用高位 槽和栗來加氨帶來的氨的揮發問題。氧化空氣量根據單位時間吸收的S0 2的量確定，由氣栗 8來提供。本實施例中，所述S02鋼瓶1與混合罐7之間的管道上設有減壓閥2和穩流器3,所述 氧化風機4的出氣管道、氣栗8與漿液槽11之間的管道以及氨水罐14的出液管道均設有流量 計5。所述噴淋塔本體10側壁底部的煙氣進口管道、與噴淋管相連的循環管道以及噴淋塔本 體10頂部的尾氣排放管道上均設有取樣口 6,通過煙氣分析儀15對噴淋塔本體10的進口和 出口煙氣進行分析。通過該噴淋塔系統對工業中的氨法脫硫工藝進行模擬，能夠更加真實 地反映氨法脫硫工藝過程，從而為工業中氨法脫硫噴淋塔的優化設計和運行提供可靠依 據。
[0081 ]本實施例的氨法煙氣脫硫S02吸收傳質系數的確定方法，該方法基于噴淋塔氨法 煙氣脫硫工藝的特點，選取噴淋塔內漿液pH值、煙氣流速udP液氣比L/Q為參數，先計算出 不同pH值、煙氣流速也及液氣比L/Q條件下的氨法脫硫S0 2吸收傳質速率ky，然后采用數值擬 合的方法重新構建出具有普遍適用性的氨法脫硫s〇2吸收傳質系數k/的表達式，該方法適 用于噴淋塔內漿液pH值的范圍為4.5~6.0，煙氣流速ug的范圍為2.0~4. Om/S，液氣比L/Q 的范圍為2.0~4. OL/m3的情況，其具體步驟為：
[0082]步驟一、確定如下參數:氨法脫硫系統噴淋塔的D、G、L、pH、P、Q、T、yi、y2、Z、P、y、v、 〇;
[0083]其中，D為噴淋塔直徑，通過直接測量得出，單位m;L為漿液噴淋量，通過流量計測 量得出，單位為L/h;pH為噴淋塔內漿液pH值，由pH計測量得到;P為煙氣總壓力，近似與大氣 壓相等，為l〇1325Pa; Q為煙氣流量，通過流量計測量得出，單位m3/h; T為煙氣溫度，通過溫 度傳感器測量得出，單位K;G為煙氣摩爾流率，根據公式G=1(T3 ? PQ/(RTjtD2)/4計算得出， 單位為kmol/(m2 ? h)，該式中R為氣體狀態常數，單位為J/(mol ? K) ;yi、y2分別為噴淋塔進 口、出口煙氣中S02的摩爾分率，由煙氣分析儀測得，單位均為ppm;Z為噴淋塔吸收區高度， 直接測量得到，單位m; P為噴淋塔內漿液密度，通過密度計測量得到，單位kg/m3;漿液的粘 度y和表面張力〇分別利用粘度計和表面張力儀測得，其單位分別為Pa ? s和N/m;v為漿液的 運動粘度，根據公式v=lVf?計算得出，單位m2/s。
[0084] 步驟二、氨法煙氣脫硫S02吸收傳質速率的計算：
[0085] 啟動氨法脫硫噴淋塔系統，改變漿液pH值、煙氣流速ug和漿液噴淋量L，測定不同 pH值、煙氣流速％和液氣比L/Q條件下噴淋塔進、出口煙氣中S0 2的濃度yi、y2，通過對液滴運 動和塔壁液膜流動狀態的計算，確定氣-液傳質接觸面積a，進而計算出不同實驗條件下的 氨法脫硫S0 2吸收傳質速率ky，如表2所示為不同pH值、煙氣流速udP液氣比L/Q條件下計算 得到的S0 2吸收傳質速率ky。具體的，本實施例以表2中序號1實驗為例，詳細描述氨法脫硫 S0 2吸收傳質速率ky的計算過程。控制實驗條件漿液pH為5.5，煙氣流速％為1.76m/s，漿液噴 淋量L為1350L/h，液氣比3L/m 3，T為323.151(，實驗測得進口302濃度71為36(^111，出口30 2濃 度y2為 184ppm。
[0086]氨法脫硫S02吸收傳質速率ky根據如下公式進行計算：
[0088]式(3)中，a為噴淋塔內氣-液傳質接觸面積，單位為m2/m3,因此要想計算得到吸收 傳質速率ky，必須要先計算出噴淋塔內氣-液傳質接觸面積a，噴淋塔內氣-液傳質接觸面積 a包含兩部分:一是噴淋塔內液滴的比表面積Ad/(UD 2/4)Z)，m2/m3;二是噴淋塔壁液膜的比 表面積Am/((3iD 2/4)Z)，m2/m3,因此公式(3)可表述為如下形式：
[0090]沿噴淋塔高度方向上將吸收塔劃分為多個微元，由于微元高度很小，假定微元內 液滴下落的速度不變，另外，忽略液滴的凝并和破碎，液滴直徑采用Sauter平均直徑。因此， 噴淋塔微元內液滴的表面積Ad可表述為：
[0092]上式(5)中，Ld為以液滴形式存在的漿液噴淋量，單位為L/h，近似為總漿液流量L 的92% dd為液滴的下落速度，單位m/s; d為液滴的Sauter平均直徑，單位為m，液滴直徑d根 據如下公式(6)進行計算：
[0093] d = 133.0.(D/2).We-0.74 (6)，
[0094] h式中，韋博數We枏據公式（7)講行計筧：
[0096]上式中，為噴嘴衆液的噴出速度，單位為m/s，根據動量守丨旦方程wi.4=戶進 行計算，其中，nu為噴嘴噴出漿液的質量流量，單位為kg/s，通過測量得到;Pi為噴嘴運行壓 力，單位為MPa，通過測量得到;d k為噴嘴孔徑，單位m，直接測量得到；〇為漿液表面張力，N/ m。本實施例中，漿液密度P為1273 ? 9kg ? nf3，漿液表面張力〇為0 ? 073N/m，噴嘴運行壓力PiS 0.4MPa，噴嘴孔徑dk為4 X 10-3m，計算得到4為15m/s，聯立式(6)和(7)，計算出液滴的直徑d 為1.3 X l(T3m，考慮到液滴的凝并，取液滴直徑d為2.0 X l(T3m，從而減小計算誤差。
[0097] 公式(5)中液滴下落速度Ud表述為：
[0099] 該公式中，g為重力加速度，單位為m/s2;Pd、Pg分別為液滴密度和氣體密度，單位均 為kg/m 3，其中液滴密度Pd即為噴淋塔內漿液密度P; ug為氣體速度，單位m/s，通過下式計算 得到：
[0100] ug = Q/(360〇JiD2)/4 (9)，
[0101]公式(8)中Cd為曳力系數，根據下式進行計算：
[0103]上式中，雷諾數Red根據公式(11)進行計算：
[0105] 上式中，氣體粘度yg通過查《化學化工物性手冊》獲得;液滴的運動方程為：
[0106] ￡\由=tfe (12),
[0107] 通過查詢《化學化工物性手冊》得到煙氣密度Pg取1.23kg/m3,煙氣流速u gSl .76m/ 8，煙氣粘度1%為1.81\10-午&%，微元高度如取0.01111，聯立公式(5)~（12)，沿噴淋塔吸收 區高度方向上積分即計算出液滴表面積Ad為0.199m 2。
[0108] 噴淋塔氨法脫硫過程中，部分漿液落在噴淋塔壁上并形成液膜，塔壁液膜在與煙 氣接觸的過程中參與S02吸收反應，噴淋塔壁液膜的面積^按照如下公式進行計算：
[0109] Am=^(D-2hm) ? dz (13)，
[0110] 式（13)中，hm為噴淋塔壁液膜厚度，單位為m，噴淋塔壁液膜按層流流動考慮，其厚 度hm可按Feind公式計算：
[0112] 上式中，Rem為液膜流動雷諾數，根據如下公式進行計算：
[0113] Rem=4LmP/3idy (15)，
[0114] 公式（15)中，Lm為塔壁液體流量，L/h，近似為總漿液流量L的8%，漿液運動粘度V 為0.79X10-6m2/s，漿液粘度y為1.005 X 10-3Pa ? s，微元高度為0.01m，聯立公式（13)~ (15)，沿噴淋塔吸收區高度方向上積分即計算出噴淋塔壁液膜厚度為0.0031m，噴淋塔壁液 膜面積Am為1.84m 2。
[0115] 將實驗測得的噴淋塔進、出口 S02濃度ydPy2,以及計算得到的液滴表面積Ad和塔 壁液膜面積Am帶入式(4)，可以計算得到S0 2吸收傳質速率ky為3.11kmol/(m2 ? h)。同理，改 變pH、煙氣流速％和漿液噴淋量L，計算出不同實驗條件下的氨法脫硫S02吸收傳質速率k y。
[0116] 本實施例中，氨法脫硫S02吸收傳質速率ky的計算式即公式(3)的推導過程如下：
[0117] 氨法脫硫過程中，穩態條件下S02的傳質速率可表述為：
[0118] nSB2 =kap-p：〇,) (16)，
[0119] 其中，Kg為氣相總傳質速率，p和!^分別為S〇2在氣相主體和相界面上的分壓，根據 雙膜理論，氣相總傳質速率Kg與氣、液相傳質分速率kt；、ki的關系可表述為：
[0121] 上式中，H為S〇2溶解度系數，單位為mol/m3。
[0122] 由于S02易溶于水，S02溶解度系數較大，氨法脫硫S02液相傳質阻力可以忽略不計， 傳質總阻力等于氣相傳質分阻力，式(17)可表達為：
[0124] 因此，式（16)可轉化為：
[0125] Nm： =K(p-pi〇,) = /f, (,v-.v,) (19)，
[0126] 在吸收塔高度方向上dz微元內對S02進行物料衡算(如附圖2、附圖3所示），得到如 下方程：
[0128] 式中，a為傳質接觸面積，m2/m3;y為氣相主體中S02的摩爾分率，yi為氣液界面處S0 2 的平衡摩爾分率;G為煙氣摩爾流率，kmol/(m2 ? h)。
[0129] 式(20)可轉化為：
[0131] 由溶液中H2S03、HSO;和SOf的分布系數（公開號：CN 105032154A)可知，在氨法脫 硫的pH范圍（pH為4.0~6.0)內，溶液中的硫主要以1 ISa形式存在，H2S03的量極少，幾乎沒 有游離態的S02,因而氣相中的S0 2的體積分數遠遠大于氣液界面的S02的體積分數，即y>> yi。另外，燃煤煙氣中S〇2的濃度較低，式(21)可以簡化為：
[0132] Gdy = kyaydz (22),
[0133] 式(22)可轉化為：
[0135]沿吸收塔高度上從上向下對式(23)兩邊進行積分(如附圖3所示）：
[0137]式中，yi、y2分別為噴淋吸收塔進、出口煙氣中S〇2的摩爾分率(體積比濃度）；Z為噴 淋塔吸收區高度，m;由積分式(24)計算可得：
[0139] 因此，由公式(25)即可推導出氣相分傳質速率ky的表達式：
[0140] 表2不同實驗條件下氨法脫硫S02吸收傳質速率

[0143] 步驟三、氨法脫硫S02吸收傳質系數表達式的構建：
[0144] 選取pH值、煙氣流速％和液氣比L/Q為參數，構建S02吸收傳質系數的表達式如下：
[0145] -p/gp (丄），
[0146] 上式中k〇為系數，XI、X2和x3均為指數，對上式兩邊取對數可得：
[0147] In k/y=ln k〇+xi In pH+X2 In ug+X3 ln(L/Q) (2)，
[0148] 將步驟二中通過測量計算所得的氨法脫硫S02吸收傳質速率ky與pH、ug&L/Q(具體 數據見表2所示)按公式(2)進行多元線性擬合，確定系數k Q及指數X1、X2和X3的值，進而重新 構建出氨法脫硫s〇2吸收傳質速率ky的表達式，本實施例重新構建的氨法脫硫s〇2吸收傳質 速率k/的表達式為：6
[0149] 鑒于現有技術中氨法脫硫噴淋塔及脫硫工藝的優化設計效果在很大程度上依賴 于氨法煙氣脫硫S02吸收傳質系數表達式的準確性，
[0150] 由于現有技術中氨法煙氣脫硫S02吸收傳質系數的表達式不能夠真實、準確地反 映S02吸收傳質過程，從而不能有效用于指導氨法脫硫噴淋塔工程的優化設計和運行，導致 氨法脫硫工藝的脫硫效率不能得到有效提高。基于此，發明人一直致力于氨法煙氣脫硫工 藝的研究，發明人通過大量實驗研究及實踐經驗發現，氨法煙氣脫硫工藝中S0 2吸收傳質過 程主要受噴淋塔內漿液pH值、煙氣流速％和液氣比L/Q的影響較大，因此其選用這三個參數 為計算參數，重新構建出氨法煙氣脫硫S0 2吸收傳質速率與pH值、ug&L/Q之間的計算表達 式。采用本發明的方法得到的氨法煙氣脫硫S0 2吸收傳質系數能夠更加真實、準確地反映氨 法脫硫工藝中的S02傳質吸收過程，從而能夠直接、有效地用于指導氨法脫硫噴淋塔及脫硫 工藝的優化設計與運行，更具有實際意義和工程應用價值。
[0151] 此外，本發明的氨法煙氣脫硫S02吸收傳質系數的計算方法，通過對噴淋塔內液滴 運動和塔壁液膜流動的理論分析，在計算氨法脫硫S0 2吸收傳質系數的過程中全面考慮了 噴淋液滴面積和塔壁液膜面積的影響，建立的傳質系數表達式不只是針對特定的噴淋吸收 塔有效，具有普遍適用性。
[0152] 2、氨法脫硫S02吸收傳質系數表達式的實驗驗證
[0153] 采用如圖1所示的噴淋塔氨法脫硫實驗系統，控制漿液pH為5.5，煙氣流速ug為1.76m/ s，液氣比為3L/m 3，實驗測得噴淋塔進口 S02濃度為360ppm，噴淋塔出口 S02濃度為184ppm，聯立式 (3)~(15)計算得到的S02吸收傳質系數為3.11kmol/(m 2 ? h)。將實驗條件pH為5.5，Uf^1.76m/S， 液氣比為3L/m3代入建立的氨法脫硫S02傳質速率表達式：x續嚴，計 算得到S02吸收傳質系數為3.08kmol/(m2 ?!〇,二者之間的誤差為1.1%。因此，采用本發明 的方法得到的S02吸收傳質系數較為準確，能夠較好地反映的S0 2吸收傳質過程。
[0154] 實施例2
[0155] 采用如實施例1中的噴淋塔氨法脫硫實驗系統，控制漿液pH為5.5，煙氣流速ug為 3.34m/s，液氣比為3L/m 3，實驗測得噴淋塔進口 S02濃度為360ppm，噴淋塔出口 S02濃度為 233ppm，聯立式(3)~（15)計算得到的S〇2吸收傳質系數為3.545kmol/(m 2 ? h)，計算方法同 實施例1。將實驗條件pH為5.5，％為3.34m/s，液氣比為3L/m3代入建立的氨法脫硫S0 2傳質速 率表達式，計算得到S02吸收傳質系數為3.54kmol/(m2 ? h)，二者之間的誤差僅為0.13%。
[0156] 實施例3
[0157] 采用如實施例1中的噴淋塔氨法脫硫實驗系統，控制漿液pH為5.68，煙氣流速％為 2.16m/s，液氣比為3L/m3,實驗測得噴淋塔進口 S02濃度為360ppm，噴淋塔出口 S02濃度為 183.7ppm，聯立式(3)~（15)計算得到的S〇2吸收傳質系數為3.75kmol/(m 2 ? h)，計算方法同 實施例1。將實驗條件pH為5.68，％為2.16m/s，液氣比為3L/m3代入建立的氨法脫硫S0 2傳質 速率表達式，計算得到S02吸收傳質系數為3.60kmol/(m2 ? h)，二者之間的誤差為3.94%。
[0158] 實施例4
[0159]采用如實施例1中的噴淋塔氨法脫硫實驗系統，控制漿液pH為5.95，煙氣流速％為 2.16m/s，液氣比為3L/m3,實驗測得噴淋塔進口 S02濃度為360ppm，噴淋塔出口 S02濃度為 162ppm，聯立式(3)~（15)計算得到的S〇2吸收傳質系數為4.45kmol/(m2 ? h)，計算方法同實 施例1。將實驗條件pH為5.95，％為2.16m/s，液氣比為3L/m3代入建立的氨法脫硫S0 2傳質速 率表達式，計算得到S〇2吸收傳質系數為4.23kmol/(m2 ? h)，二者之間的誤差為4.86%。 [0160] 實施例5
[0161 ]采用如實施例1中的噴淋塔氨法脫硫實驗系統，控制漿液pH為5.5，煙氣流速ug為 2.16m/s，液氣比為2.5L/m3，實驗測得噴淋塔進口 S02濃度為360ppm，噴淋塔出口 S02濃度為 235ppm，聯立式(3)~（15)計算得到的S〇2吸收傳質系數為2.41kmol/(m 2 ? h)，計算方法同實 施例1。將實驗條件pH為5.5，ugS2.16m/s，液氣比為2.5L/m 3代入建立的氨法脫硫S02傳質速 率表達式，計算得到S02吸收傳質系數為2.83kmol/(m 2 ? h)，二者之間的誤差為14.6%。
[0162] 實施例6
[0163] 采用如實施例1中的噴淋塔氨法脫硫實驗系統，控制漿液pH為5.5，煙氣流速ug為 2.16m/s，液氣比為3L/m 3,實驗測得噴淋塔進口 S02濃度為360ppm，噴淋塔出口 S02濃度為 220ppm，聯立式(3)~（15)計算得到的S〇2吸收傳質系數為2.74kmol/(m 2 ? h)，計算方法同實 施例1。將實驗條件pH為5.5，ugS2.16m/s，液氣比為3L/m3代入建立的氨法脫硫S0 2傳質速率 表達式，計算得到302吸收傳質系數為3.221〇11〇1/( 1112?11)，二者之間的誤差為14.77%。
【主權項】
1. 一種氨法脫硫噴淋塔系統，包括噴淋塔本體（10)，該噴淋塔本體（10)內部自上而下 依次包括除霧區、噴淋區和漿液槽(11)，除霧區設有除霧器(9)，除霧器(9)的上方設有煙氣 出口，所述噴淋區設有噴淋管，噴淋管的進水口通過循環管道及循環栗（12)與漿液槽（11) 底部相連通，其特征在于:還包括氣壓式加氨系統，該氣壓式加氨系統包括氨水罐(14)和氣 栗(8)，氨水罐（14)的進氣口通過管道與氣栗(8)相連，且氨水罐（14)的出液口通過管道與 循環栗（12)的輸出口相連。2. 根據權利要求1所述的一種氨法脫硫噴淋塔系統，其特征在于:所述噴淋塔本體（10) 側壁底部的煙氣進口通過進氣管與混合罐(7)相連，該混合罐(7)分別通過管道與SO 2鋼瓶 (1)及氧化風機(4)相連，來自SO2鋼瓶（1)的SO2氣源與來自氧化風機(4)的空氣經混合罐(7) 混合均勻后通過噴淋塔本體(10)側壁底部的煙氣進口管道進入噴淋塔本體(10)內部。3. -種氨法煙氣脫硫SO2吸收傳質系數的確定方法，其特征在于:該方法基于噴淋塔氨 法煙氣脫硫工藝的特點，選取噴淋塔內漿液PH值、煙氣流速％和液氣比L/Q為參數，先計算 出不同PH值、煙氣流速％及液氣比L/Q條件下的氨法脫硫SO 2吸收傳質速率ky，然后采用數值 擬合的方法重新構建出具有普遍適用性的氨法脫硫SO 2吸收傳質系數k/的表達式。4. 根據權利要求3所述的一種氨法煙氣脫硫SO2吸收傳質系數的確定方法，其特征在于： 所述噴淋塔內漿液pH值的范圍為4.5~6.0，煙氣流速％的范圍為2.0~4. Om/s，液氣比L/Q 的范圍為2.0~4.0L/m3。5. 根據權利要求3或4所述的一種氨法煙氣脫硫SO2吸收傳質系數的確定方法，其特征在 于:其具體步驟如下： 步驟一、確定如下參數:氨法脫硫系統噴淋塔的D、G、L、pH、P、Q、T、yi、y2、Z、P、y、v、 〇; 其中，D為噴淋塔直徑，通過直接測量得出，單位m; L為漿液噴淋量，通過流量計測量得 出，單位為L/h;pH為噴淋塔內漿液pH值，由pH計測量得到;P為煙氣總壓力，近似與大氣壓相 等，為101325Pa; Q為煙氣流量，通過流量計測量得出，單位m3/h; T為煙氣溫度，通過溫度傳 感器測量得出，單位K;G為煙氣摩爾流率，根據公式G=HT3 · PQ/(RTjtD2)/4計算得出，單位 為kmol/(m2 別為噴淋塔進口、出口煙氣中SO 2的摩爾分率，由煙氣分析儀測得， 單位均為ppm; Z為噴淋塔吸收區高度，直接測量得到，單位m; P為噴淋塔內漿液密度，通過密 度計測量得到，單位kg/m3;漿液的粘度μ和表面張力σ分別利用粘度計和表面張力儀測得， 其單位分別為Pa · s和N/m;v為楽:液的運動粘度，根據公式ν=μ/ρ計算得出，單位m2/s; 步驟二、氨法煙氣脫硫SO2吸收傳質速率的計算： 啟動氨法脫硫噴淋塔系統，改變漿液pH值、煙氣流速Ug和漿液噴淋量L，測定不同pH值、 煙氣流速％和液氣比L/Q條件下噴淋塔進、出口煙氣中SO2的濃度yi、y2，通過對液滴運動和 塔壁液膜流動狀態的計算，確定氣-液傳質接觸面積a，進而計算出不同實驗條件下的氨法 脫硫SO 2吸收傳質速率ky; 步驟三、氨法脫硫SO2吸收傳質系數表達式的構建： 選取pH值、煙氣流速％和液氣比L/Q為參數，構建SO2吸收傳質系數的表達式如下： -a/gF (1)， 上式中k〇為系數，Xl、X2和X3均為指數，對上式兩邊取對數可得： Ink7 y= lnk〇+xilnpH+X2lnug+X3ln(L/Q) (2)， 將步驟二中通過測量計算所得的氨法脫硫SO2吸收傳質速率ky與pH、ug&L/Q按公式(2) 進行多元線性擬合，確定系數k〇及指數XI、X2和X3的值，進而重新構建出氨法脫硫S〇2吸收傳 質系數k/的表達式。6. 根據權利要求5所述的一種氨法煙氣脫硫SO2吸收傳質系數的確定方法，其特征在于： 步驟二中不同條件下的氨法脫硫SO 2吸收傳質速率ky根據如下公式進行計算：式(3)中，a為噴淋塔內氣-液傳質接觸面積，單位為m2/m3，包含兩部分:一是噴淋塔內液 滴的比表面積Ad/(( JtD2/4 )Z)，m2/m3;二是噴淋塔壁液膜的比表面積Am/(( jtD2/4) Z)，m2/m3，因 此公式(3)可表述為如下形式：7. 根據權利要求6所述的一種氨法煙氣脫硫SO2吸收傳質系數的確定方法，其特征在于： 所述噴淋塔微元內液滴的表面積Ad根據如下公式進行計算：上式(5)中，Ld為以液滴形式存在的漿液噴淋量，單位為L/h; Ud為液滴的下落速度，單位 m/s; d為液滴的Sauter平均直徑，單位為m，液滴直徑d根據如下公式(6)進行計算： d=133.0 · (D/2) · We-Q.74 (6)， 上式中，韋博數We根據公式(7)進行計算：上式中，為噴嘴衆液的噴出速度，單位為m/s，根據動量守丨旦方程=P1TicZ42進行計 算，其中，πη為噴嘴噴出漿液的質量流量，單位為kg/s，通過測量得到;^為噴嘴運行壓力，單 位為MPa，通過測量得到;d k為噴嘴孔徑，單位m; 〇為漿液表面張力，N/m; 公式(5)中液滴下落速度Ud表述為：C8), 該公式中，g為重力加速度，單位為m/s2;Pd、Pg分別為液滴密度和氣體密度，單位均為 kg/m3，其中液滴密度Pd即為噴淋塔內漿液密度P; Ug為氣體速度，單位m/s，通過下式計算得 到： ug = Q/(360〇3iD2)/4 (9)， 公式(8)中Cd為曳力系數，根據下式進行計算：上式中，雷諾數Red根據公式（11)進行計算：(12)， 輸逾的;云云fl卞*?呈為： 聯立公式(5)~（12)，沿噴淋塔吸收區高度方向上積分即計算出液滴表面積Ad; 所述噴淋塔壁液膜的面積照如下公式進行計算：式(13)中，hm為噴淋塔壁液膜厚度，單位為m，根據如下公式進行計算：上式中，Rem為液膜流動雷諾數，根據如下公式進行計算： Rem - 4LmP/兀(15)， 公式（15)中，Lm為塔壁液體流量，L/h;聯立公式（13)~（15 )，沿噴淋塔吸收區高度方向 上積分即計算出噴淋塔壁液膜面積Am。8.根據權利要求7所述的一種氨法煙氣脫硫SO2吸收傳質系數的確定方法，其特征在于： 塔壁液體流量Lm和以液滴形式存在的漿液量Ld分別近似為總漿液流量L的8%、92%。
【文檔編號】B01D53/50GK106000041SQ201610384391
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月30日
【發明人】賈勇, 殷李國, 吳勝華, 陳 光, 李智芳, 丁希樓, 陳宜華, 戴波
【申請人】安徽工業大學