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復(fù)合添加劑在濕法煙氣脫硫中的應(yīng)用研究

2011-11-06 03:20:50連長(zhǎng)康趙春英張志仁劉曉藝
當(dāng)代化工 2011年2期
關(guān)鍵詞:吸收率石灰石表面張力

連長(zhǎng)康,趙春英,張志仁,劉曉藝

(1. 沈陽(yáng)理工大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng)110159; 2. 沈陽(yáng)新北熱電有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽(yáng)110013)

復(fù)合添加劑在濕法煙氣脫硫中的應(yīng)用研究

連長(zhǎng)康1,趙春英1,張志仁2,劉曉藝2

(1. 沈陽(yáng)理工大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng)110159; 2. 沈陽(yáng)新北熱電有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽(yáng)110013)

為提高濕法煙氣脫硫(WFGD)中脫硫劑石灰石的脫硫效率,本實(shí)驗(yàn)采用自制微型化仿真噴淋式煙氣脫硫?qū)嶒?yàn)裝置研究了表面活性劑十二烷基硫酸鈉(SDS)/十二烷基磺基甜菜堿(DSB)復(fù)配作為添加劑對(duì)石灰石脫硫性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:復(fù)合添加劑最佳組成為SDS∶DSB=3∶2+Na2SO4(0.01 mol/L)。當(dāng)石灰石脫硫液中復(fù)合添加劑達(dá)10 mmol/L時(shí),石灰石的溶解度最大,比未加添加劑的增大近9倍;脫硫效率提高5%,達(dá)93.6%;對(duì)漿液pH具有較強(qiáng)的緩沖作用。該實(shí)驗(yàn)對(duì)WFGD的工業(yè)應(yīng)用具有一定實(shí)用參考價(jià)值。

SDS/DSB復(fù)合添加劑;脫硫效率;溶解度;pH

濕法煙氣脫硫(WFGD)工藝中,石灰石漿液吸收SO2的速率受液膜和氣膜共同控制,兩相界面存在一定的表面張力和自由能,根據(jù)物化理論,若減少表面張力,可降低體系自由能,也就有利于SO2在水溶液中吸收反應(yīng)的進(jìn)行[1]。若在石灰石(主要成分為CaCO3)漿液中加一定量表面活性劑,可明顯改善漿液的化學(xué)特性,使其表面張力和粘度下降[2],使更多的SO2溶解在噴淋的漿液中,從而提高脫硫效率。本文以SDS和DSB二元復(fù)配體系作為復(fù)合添加劑對(duì)WFGD進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用自制微型化仿真噴淋式煙氣脫硫?qū)嶒?yàn)裝置(圖1)。其脫硫效率按下式計(jì)算:

圖1 微型化仿真噴淋式WFGD裝置Fig. 1 Miniaturization Simulation Spraying WFGD Device

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法

1.2.1 表面張力的測(cè)定

采用JK99B全自動(dòng)張力儀環(huán)法測(cè)定液體的表面張力。

1.2.2 石灰石溶解性能的測(cè)定

為模擬WFGD過(guò)程,實(shí)驗(yàn)在采用酸滴定法[3]測(cè)定CaCO3溶解速率的基礎(chǔ)上,還采用了H2SO4、CaCO3漿液同時(shí)滴入反應(yīng)釜的方法,對(duì)CaCO3的硫酸溶解活性進(jìn)行測(cè)定。

1.2.3 溶解度的測(cè)定

利用EDTA絡(luò)合滴定[4]測(cè)溶液中的Ca2+。

2 結(jié)果與討論

2.1 鈉鹽對(duì)復(fù)合添加劑的影響

水溶液中不可避免地存在無(wú)機(jī)鹽,無(wú)機(jī)鹽對(duì)溶液表面張力的影響見(jiàn)圖2,由圖2可知,在降低cmc值的能力上,Na2SO4>NaCl。實(shí)驗(yàn)最終確定復(fù)合添加劑配方為:SDS∶DSB=3∶2+Na2SO4(0.01 mol/L)。

圖2 添加劑濃度對(duì)溶液表面張力影響Fig. 2 Additives Concentration Influence on Surface Tension of CaCO3 Solution

2.2 復(fù)合添加劑對(duì)CaCO3溶解性的影響

CaCO3主要是與 H2SO3和部分 H2SO4反應(yīng)。因H2SO3不穩(wěn)定,只能做CaCO3的硫酸溶解性實(shí)驗(yàn)。其反應(yīng)式為:CaCO3+H2SO4→CaSO4(s)+H2O+ CO2

反應(yīng)過(guò)程中,CaCO3任意時(shí)刻的轉(zhuǎn)化率[5]為:

式中:c(H2SO4)—硫酸的濃度,mol/L;

V(H2SO4)—t時(shí)刻反應(yīng)釜中滴入的硫酸體積,L;

W—石灰石質(zhì)量,g;

Mr(CaCO3)—CaCO3分子量;

w(CaCO3)—CaCO3含量;

Mr(MgCO3)—MgCO3分子量;

Mr(MgCO3)—MgCO3的含量。

石灰石粉末的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 石灰石粉末的化學(xué)成分Table 1 Chemistry Composition of Limestone Powder %

2.2.1 不同pH值CaCO3的硫酸溶解特性

不同pH值碳酸鈣硫酸溶解特性見(jiàn)圖3,由圖3可知在初始1 h內(nèi)石灰石的溶解速率非常大,隨后逐漸下降。漿液的pH越低,石灰石的溶解速率越大。相同時(shí)間下,pH 5.0比5.5的石灰石轉(zhuǎn)化率高約12%??紤]到pH高有利于提高脫硫效率,故pH控制在5.3。

圖3 不同pH值碳酸鈣硫酸溶解特性Fig. 3 H2SO4 solubility of CaCO3 under different pH

2.2.2 復(fù)合添加劑對(duì)CaCO3硫酸溶解性的影響

圖4為漿液pH為5.3 CaCO3硫酸溶解曲線。

圖4 添加劑對(duì)CaCO3硫酸溶解性影響Fig.4 Additives Influence on H2SO4 Solubility of CaCO3

復(fù)合添加劑對(duì)CaCO3硫酸溶解性的影響見(jiàn)圖4,從圖4可看出,開(kāi)始20 min有無(wú)添加劑轉(zhuǎn)化率基本一致。而無(wú)添加劑時(shí),200 min CaCO3轉(zhuǎn)化率達(dá)到93.3%。有添加劑時(shí),100 min CaCO3轉(zhuǎn)化率達(dá)97.2%??梢?jiàn)添加劑加入促進(jìn)了CaCO3的硫酸溶解。

2.3 對(duì)飽和CaCO3溶液表面張力及溶解度影響

復(fù)合添加劑對(duì)飽和CaCO3溶液表面張力的影響見(jiàn)圖5,由圖5可知,隨著復(fù)合添加劑的加入飽和CaCO3溶液的表面張力值逐漸下降,當(dāng)復(fù)合添加劑為2 mmol/L時(shí),飽和CaCO3溶液的表面張力值降到最低(23.614 mN/m)后趨于穩(wěn)定。說(shuō)明復(fù)合添加劑改善了飽和CaCO3溶液的表面活性,降低了溶液的表面張力。

圖5 添加劑對(duì)飽和CaCO3液表面張力影響Fig. 5 Additives Influence on Surface Tension of Saturation CaCO3 Solution

用EDTA絡(luò)合滴定法測(cè)得飽和CaCO3溶液溶解度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 添加劑濃度對(duì)CaCO3溶解度影響Fig. 6 Additives Influence on solubility of CaCO3

由圖 6可知:SDS∶DSB=3∶2+Na2SO4(0.01 mol/L)對(duì)飽和CaCO3溶液的溶解最強(qiáng),溶解度達(dá)8.9 mmol/L;隨著添加劑濃度升高,溶解度不斷提高,當(dāng)達(dá)到10 mmol/L時(shí),飽和CaCO3溶液的溶解度達(dá)到最大;超過(guò)10 mmol/L時(shí),其溶解度變化不大。這是因?yàn)樘砑觿┩ㄟ^(guò)疏水締合作用吸附于CaCO3表面,將極性基團(tuán)朝外,使其表面親水化,從而增強(qiáng)顆粒的分散性。

2.4 復(fù)合添加劑對(duì)石灰石脫硫性能影響

2.4.1 CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)及復(fù)合添加劑含量對(duì)脫硫效率的影響

碳酸鈣含量對(duì)SO2吸收率的影響見(jiàn)圖7,由圖7可知,CaCO3量對(duì) SO2吸收率影響較大,隨著漿液中CaCO3量增加,吸收率也逐漸上升。當(dāng)CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到3.0%,吸收率達(dá)最大88.8%??稍诖藭r(shí)加添加劑,以研究復(fù)合添加劑對(duì)SO2吸收率的影響。

圖7 碳酸鈣含量對(duì)SO2吸收率的影響Fig. 7 CaCO3 content Influence on SO2 Absorption Rate

添加劑濃度對(duì)SO2吸收率的影響見(jiàn)圖8。

圖8 添加劑濃度對(duì)SO2吸收率的影響Fig. 8 Additives Concentration Influence on SO2 Absorption Rate

由圖 8可知,當(dāng)復(fù)合添加劑的濃度小于 10 mmol/L時(shí),隨著濃度的增加,SO2吸收率呈線性上升;當(dāng)濃度高于10 mmol/L時(shí),SO2吸收率達(dá)到最大值,穩(wěn)定在93.6%,繼續(xù)增加添加劑的量,SO2吸收率不變。最佳濃度為10 mmol/L。

2.4.2 復(fù)合添加劑對(duì)漿液pH值的影響

由于復(fù)合添加劑在漿液中發(fā)生一系列復(fù)雜的反應(yīng),導(dǎo)致漿液中pH變化。為此在復(fù)合添加劑為10 mmol/L時(shí)測(cè)定不同pH隨時(shí)間變化,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)加入復(fù)合添加劑后,漿液pH變化速度減慢,并且穩(wěn)定在5.3左右??梢?jiàn)復(fù)合添加劑具有增強(qiáng)漿液緩沖pH的能力,有利于SO2的吸收。

3 結(jié) 論

通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)得出如下結(jié)論:

(1) 復(fù)合添加劑的最佳組成為 SDS∶DSB=3∶2+ Na2SO4(0.01 mol/L)。

(2) 復(fù)合添加劑促進(jìn)了石灰石吸收漿液 CaCO3的硫酸溶解;能提高CaCO3的溶解度近9倍;明顯增加石灰石漿液的pH緩沖能力。

(3) 復(fù)合添加劑能明顯提高SO2的吸收率,其最佳值為10 mmol/L,SO2吸收率達(dá)到最大為93.6%。

該復(fù)合添加劑用于 WFGD石灰石脫硫劑中的添加劑,用量少,成本低,穩(wěn)定性好,而且脫硫生成物易處理,不會(huì)產(chǎn)生二次污染,對(duì)工業(yè)上WFGD的應(yīng)用有一定的實(shí)用參考價(jià)值。

[1] 傅獻(xiàn)彩.物理化學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1986:446-456.

[2] 郭東明.硫氮污染防治工程技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2001.

[3] Ukawa N,Takashina T,Shinoda N.Effects of Particle Size Distribution on Limestone Dissolution in Wet FGD Process applications[J].Environmental Progress,1993,12(3):238-242.

[4] 中國(guó)環(huán)境保護(hù)局.水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法[M].3版.北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,1989:221.

[5] 鐘秦,劉愛(ài)民.濕法煙氣脫硫中石灰石溶解特性[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2000,24(6):561-569.

Application Research of SDS/DSB Composite Additive in WFGD

LIAN Chang-kang1,ZHAO Chun-ying1,ZHANG Zhi-ren2,LIU Xiao-yi2
(1. School of Environmental Chemical Engineering, Shenyang Ligong University, Liaoning Shenyang 110159,China;2. Shenyang Xinbei Thermoelectric Co., Ltd, Liaoning Shenyang 110013,China)

To improve desulfurization efficiency of limestone in the wet flue gas desulfurization (WFGD), effect of the surfactant sodium dodecyl sulfate (SDS) / dodecyl sulfobetaine (DSB) composite additive on limestone desulfurization agent were studied with self-made micro-simulation spraying type FGD apparatus. The results show that : optimum additive composition∶SDS/DSB3∶2+Na2SO4(0.01 mol/L). When the new composite additive is up to 10 mmol/L, solubility of limestone is the highest,it increases about 9 times than those without additive; desulfurization efficiency increases by 5% and up to 93%; it buffers the slurry pH well. The experiment has practical value on industrial application of WFGD.

SDS/DSB composite additive; Desulfurization efficiency; Solubility; pH

X 701.3

A

1671-0460(2011)02-0131-03

沈陽(yáng)市科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目“溶解法煙氣脫硫(FGD)系統(tǒng)應(yīng)用研發(fā)”,項(xiàng)目編號(hào):1081297-9-00。

2010-12-08

連長(zhǎng)康(1986-),男,碩士研究生,福州人,研究方向:大氣污染治理工程。E-mail:flylck@126.com。

趙春英(1960-),女,教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向:環(huán)境與化工。E-mail:zhaocy09@163.com。

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