王瀟潘理黎嚴(yán)金英程海巖

（浙江工業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境工程學(xué)院)

H2O2吸收SO2的降膜傳質(zhì)系數(shù)模型的建立*

王瀟**潘理黎嚴(yán)金英程海巖

（浙江工業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境工程學(xué)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(yīng)器，H2O2溶液為脫硫劑的簡(jiǎn)便高效、無二次污染的脫硫技術(shù)。建立了氣、液相傳質(zhì)系數(shù)模型，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸了降膜管傳質(zhì)關(guān)聯(lián)式。對(duì)氣、液相傳質(zhì)系數(shù)模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示，得出的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本相符，這表明建立脫硫模型對(duì)基本設(shè)計(jì)參數(shù)的確定具有一定的指導(dǎo)意義。

降膜反應(yīng)器傳質(zhì)系數(shù)模型脫硫氣相傳質(zhì)系數(shù)液相傳質(zhì)系數(shù)

為了解決我國(guó)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(yīng)器，H2O2溶液為脫硫劑的簡(jiǎn)便有效、無二次污染的脫硫技術(shù)。H2O2溶液作為SO2的高效吸收劑已經(jīng)由實(shí)驗(yàn)證實(shí)，但其氣液相傳質(zhì)過程的研究文獻(xiàn)很少。列管式降膜塔是一種良好的研究脫硫過程機(jī)理的反應(yīng)器，因其氣、液接觸面積精確已知，在測(cè)得液體或氣體的起始及終了濃度后，能較精確地測(cè)得氣、液相傳質(zhì)的特性參數(shù)，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(wěn)定的氣液接觸面，且液膜表面能產(chǎn)生特殊波動(dòng)，具有良好的傳質(zhì)效果。塔內(nèi)可采用較高的空塔截面氣速，因此實(shí)驗(yàn)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(zhì)系數(shù)模型，通過對(duì)塔內(nèi)物料平衡和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算，回歸了無量綱傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，為脫硫?qū)嶒?yàn)裝置的操作條件的確定、運(yùn)行等提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，由模擬煙氣系統(tǒng)、吸收液循環(huán)系統(tǒng)、列管式降膜脫硫系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)組成。進(jìn)入反應(yīng)器的循環(huán)液通過溢流布液器在列管內(nèi)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(fēng)機(jī)和鋼瓶供氣，以一定的速度與下降液膜并流流動(dòng)，煙氣中的SO2與液膜進(jìn)行吸收反應(yīng)。

圖1 脫硫?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)

2 理論部分

2.1 液相傳質(zhì)系數(shù)kL模型的建立

實(shí)驗(yàn)選擇水(H2O)吸收SO2的體系來測(cè)定液相傳質(zhì)系數(shù)。有關(guān)參數(shù)如圖2所示。

圖2 傳質(zhì)示意圖

SO2在脫硫塔內(nèi)的液相傳質(zhì)系數(shù)計(jì)算公式的推導(dǎo)如下：

又氣、液相存在如下物料平衡：

氣、液相界面上兩側(cè)SO2濃度滿足亨利定律：

對(duì)式（2）進(jìn)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(duì)上式進(jìn)行積分即可得到液相傳質(zhì)系數(shù)：

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(zhì)系數(shù)，m/s；

CSO2——?dú)庀嘀蠸O2的摩爾分率；

[CSO2]i——傳質(zhì)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(shù)，無因次;

n——降膜管根數(shù)，n=15；

de——降膜管傳質(zhì)面直徑，m；

h——降膜的有效高度，h=1 m。

2.2 氣相傳質(zhì)系數(shù)kG模型的建立

本實(shí)驗(yàn)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(cè)得SO2的脫硫量，即可計(jì)算出SO2在列管式并流降膜塔內(nèi)的氣相傳質(zhì)系數(shù)。降膜塔中進(jìn)行SO2吸收時(shí)，液體沿塔內(nèi)壁成膜流下，氣體沿塔中心并流流下。推導(dǎo)氣相傳質(zhì)系數(shù)時(shí)做如下假設(shè)：

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

(2)把n根列管的下降液膜簡(jiǎn)化為一個(gè)高度為h的整體液膜，實(shí)驗(yàn)中采用的降膜管數(shù)n=15；

(3)假設(shè)沿?zé)煔庑谐谭较?，SO2濃度逐漸降低，而在煙氣流動(dòng)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(jìn)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(jù)上述假設(shè)（1），可知ΔCSO2≈CSO2-0，則對(duì)式(9)進(jìn)行積分得：

式中kG——?dú)庀鄠髻|(zhì)系數(shù)；

CSO2,in——入口SO2濃度；

CSO2,out——出口SO2濃度。

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得進(jìn)、出口的SO2濃度，即可計(jì)算出不同煙氣流量下的氣相傳質(zhì)系數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 液相傳質(zhì)系數(shù)kL的無因次化回歸

由因次分析理論[4]，并結(jié)合邊界層理論，考慮下降液膜表面波動(dòng)對(duì)液相傳質(zhì)的影響，液相傳質(zhì)系數(shù)kL可整理成無因次表達(dá)式：

式中k、α、β、γ——無因次經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，其中γ由文獻(xiàn)[5，6]確定為0.5；

L——特征長(zhǎng)度，對(duì)于管道即為管徑。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，回歸得到并流式降膜列管的傳質(zhì)關(guān)聯(lián)式：

圖3 液相傳質(zhì)系數(shù)數(shù)據(jù)與方程擬合直線的比較

3.2 氣相傳質(zhì)系數(shù)kG的無因次化回歸

同液相傳質(zhì)系數(shù)的因次分析方法，可將氣相傳質(zhì)系數(shù)kG整理成如下無因次表達(dá)式：

式中ShG——?dú)庀嗌嵛榈聰?shù)，

ScG——?dú)庀嗍┟芴財(cái)?shù)，

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后回歸得到并流式降膜列管的傳質(zhì)關(guān)聯(lián)式：

圖4 氣相傳質(zhì)系數(shù)數(shù)據(jù)與方程擬合直線的比較

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

3.3 模型驗(yàn)證

伴有化學(xué)反應(yīng)下的氣-液總傳質(zhì)方程，其形式與物理吸收下的傳質(zhì)方程相似，均由雙膜理論得出，表達(dá)式如下[7]：

以上各式中：

KG——以氣相濃度為基準(zhǔn)的總傳質(zhì)系數(shù)；

KL——以液相濃度為基準(zhǔn)的總傳質(zhì)系數(shù)；

H——溶解度系數(shù)，kmol/(m3·Pa)。

由于化學(xué)吸收增強(qiáng)因子的作用，大大降低了液相傳質(zhì)阻力在總傳質(zhì)阻力中所占的比例，使總傳質(zhì)阻力下降，此時(shí)，總傳質(zhì)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(zhì)行為可用氣相傳質(zhì)行為表征，即：

將各工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式（18），即可得到相對(duì)應(yīng)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(shù)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(cè)量模擬煙氣入口處和出口處的SO2濃度，將實(shí)驗(yàn)參數(shù)代入式（17）的脫硫模型求解，并與實(shí)驗(yàn)所得脫硫效率的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，其關(guān)系曲線如圖5所示。

由圖5可以看出，脫硫率的計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)結(jié)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(duì)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究具有指導(dǎo)意義。

圖5 氣相流量和液相流量對(duì)脫硫率的影響

4 結(jié)論

通過對(duì)降膜脫硫過程進(jìn)行模擬建立模型，利用實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的系統(tǒng)傳質(zhì)特性參數(shù)，回歸了降膜脫硫塔的傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，并把模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)論如下：

(1)根據(jù)氣液傳質(zhì)雙膜理論，回歸了降膜塔的傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：

無因次化時(shí)考慮了煙氣擾動(dòng)和液膜波動(dòng)的影響，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

(2)由于化學(xué)吸收增強(qiáng)因子的作用，使得降膜塔內(nèi)進(jìn)行的SO2的脫除過程為氣相過程，氣相傳質(zhì)阻力占主導(dǎo)，得到簡(jiǎn)化的脫硫模型：

經(jīng)計(jì)算，可知脫硫率的計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得較好。

本課題針對(duì)傳統(tǒng)濕法煙氣脫硫系統(tǒng)存在的結(jié)垢堵塞、脫硫石膏二次污染等問題，結(jié)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(shù)。降膜反應(yīng)器應(yīng)用于煙氣脫硫，并使副產(chǎn)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(shè)備簡(jiǎn)單，投資和運(yùn)行費(fèi)用低，特別適用于中小型燃煤鍋爐脫硫，具有較好的推廣應(yīng)用前景。

[1] 化學(xué)工程手冊(cè)編輯委員會(huì).化學(xué)工程手冊(cè)（3）[M].北京:化學(xué)工業(yè)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(shí)驗(yàn)研究（Ⅳ）——高雷諾數(shù)時(shí)的傳質(zhì)經(jīng)驗(yàn)方程[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào),1999,23(3):258-260.

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[7] 黃恩才,劉國(guó)際.化學(xué)反應(yīng)工程[M].北京:化學(xué)工業(yè)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(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃項(xiàng)目（2010C33069）。

**王瀟，男，1985年生，碩士研究生。杭州市，310014。

2010-11-20）