通過(guò)調(diào)查氮氧化物濕法吸收機(jī)理，分析了NOx液相吸收的傳質(zhì)理論。定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器(RSR)作為新的吸收設(shè)備，對(duì)尿素溶液吸收氮氧化物廢氣的技術(shù)條件進(jìn)行了試驗(yàn)研究，考察了液體流量、進(jìn)氣流量、定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器的轉(zhuǎn)速、尿素含量和吸收溫度等因素對(duì)NOx脫離率的影響，確定了脫離NOx的最佳條件。

試驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)為SS-RH這種組合,最佳操作參數(shù)為液體流量0.2m3/h、進(jìn)氣流量0.2m3/h、定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器轉(zhuǎn)速1400r/min、尿素溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%、吸收溫度60℃。在這種情況下，NOx的去除率可達(dá)63%。

氮氧化物(NOx)是大氣污染的主要污染源之一，通常NOx主要包括N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4、N2O5等，其中污染大氣的主要是NO和NO2、NOx的排放控制技術(shù)一直是發(fā)達(dá)國(guó)家的關(guān)注點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外常用的煙氣脫硝技術(shù)大致可分為干法和濕法兩種。干煙脫硝主要有催化法、吸附法、等離子管理技術(shù)、微波法和光催化氧化法等濕煙脫硝主要有酸吸收法、堿溶液吸收法、氧化吸收法、液相還原吸收法、液相聯(lián)絡(luò)吸收法等。

尿素吸收分解還原法是濕法中的液相還原吸收法，吸收完畢的廢液通過(guò)補(bǔ)充尿素的循環(huán)使用，避免了不產(chǎn)生污染的廢水體，避免了傳統(tǒng)的水洗法、堿吸收法、選擇性催化氨還原法等技術(shù)中存在的酸性污染、副反應(yīng)多、副產(chǎn)品難以回收等問題，符合環(huán)境保護(hù)的要求，尿素在NOx排放控制中的用途增加了。在

之前，煙氣脫硝的設(shè)備主要有吸收塔和旋轉(zhuǎn)填充床。定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器[7]是綜合旋轉(zhuǎn)填充床的終端效應(yīng)區(qū)和空腔區(qū)強(qiáng)化傳質(zhì)作用，改善液體周向分布設(shè)計(jì)的新過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備。發(fā)揮了旋轉(zhuǎn)填充床高效傳質(zhì)和微觀混合性能的優(yōu)點(diǎn)，克服了內(nèi)部液體一次分布和內(nèi)置填充劑難以清洗的缺點(diǎn)。

目前，定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器的研究主要集中在納米材料的制備、氣液傳質(zhì)和壓降特性、傳熱特性、微觀混合等方面。但是，關(guān)于定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器吸氣方面的研究還沒有報(bào)道。

本文以定子反應(yīng)器為吸收設(shè)備，以尿素溶液為吸收劑，考察液體流量、吸收流量、定子反應(yīng)器轉(zhuǎn)速、尿素溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和吸收溫度等因素，獲得最佳操作參數(shù)。

1、實(shí)驗(yàn)部分

1.1、尿素脫硝機(jī)理

NOx通過(guò)分子擴(kuò)散和顛簸擴(kuò)散作用從兩相接口擴(kuò)散到液相主體。液相形成HNO3和HNO2，分別為H+、NO-3和NO-2，生成的NO-2和(NH2)2CO反應(yīng)生成N2和CO2等。尿素溶液吸收NOx的反應(yīng)過(guò)程為

2NO+O2→2NO2

2NO2→N2O4

NO2→N2O3

N2O3+H2O→2HNO2

N2O4+H2O→HNO2+HNO3

2NO2+HNO3+H2O2+(NH2)2CO2+(NH2)2CO2+H2O2+HNO2+HNO3+/p>2NO2+(NH2)2O2+CO2+H2O2+32O2+32O/p>2+H2O2+H2O2+H2O3+H2O3+/p>2+H2O2+H2O2+H2O2+H2O2+H2+H2O2+H2+H2+2O2O2+2+H2+H2+其中尿素溶液與溶液相直接溶解的NOx反應(yīng)，NOx從氣體轉(zhuǎn)移到水相主要通過(guò)NOx在溶液中的吸收平衡來(lái)實(shí)現(xiàn)。NOx水相的存在形態(tài)復(fù)雜，溶于水的NOx可以用液相氧化劑氧化成NO3-。

1.2、實(shí)驗(yàn)裝置及工藝流程

1.2.1、實(shí)驗(yàn)裝置

定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。其核心部分由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，其中無(wú)填充劑。定子由固定在端蓋上的同心排列的圓柱構(gòu)成，打開圓孔的同心環(huán)用螺釘連接在轉(zhuǎn)子座上構(gòu)成轉(zhuǎn)子。同心環(huán)周圍有流體通道，定子上的多層同心環(huán)與轉(zhuǎn)子上的多層同心環(huán)直徑不同，交叉。

定子通過(guò)端蓋固定在外殼上，轉(zhuǎn)子通過(guò)轉(zhuǎn)子座與馬達(dá)旋轉(zhuǎn)軸連接，馬達(dá)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。流體在定子和轉(zhuǎn)子之間流動(dòng)的過(guò)程中被高度剪切，被破碎分散，不斷再分布，相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)填充床的多個(gè)終端效應(yīng)區(qū)和空腔區(qū)的重疊，增加了表面更新速度和流體的亂流程度，促進(jìn)了兩相之間的傳質(zhì)。

實(shí)驗(yàn)中使用的定子和轉(zhuǎn)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)為SS-RH組合，該定子徑向開槽-轉(zhuǎn)子徑向開孔的傳輸性能優(yōu)于其他結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

本文使用的定子的4個(gè)同心環(huán)的內(nèi)徑分別為66、94、122、150mm轉(zhuǎn)子的5個(gè)同心環(huán)的內(nèi)徑分別為52、80、108、136、164mm。徑向上轉(zhuǎn)子環(huán)和定子環(huán)交錯(cuò)排列，各環(huán)厚度6mm，徑向上轉(zhuǎn)子環(huán)和定子環(huán)有1mm的間隙。固定-轉(zhuǎn)子層的軸向高度為20mm。

1.2.2、工藝流程

采用定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器進(jìn)行尿素濕法煙氣脫硝的實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示。

將預(yù)先配制的一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的尿素溶液放入循環(huán)罐中，通過(guò)循環(huán)泵輸送，通過(guò)流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，通過(guò)流量計(jì)測(cè)量后，從液體進(jìn)口進(jìn)入固定轉(zhuǎn)子反應(yīng)器，通過(guò)噴頭噴到轉(zhuǎn)子中心，在離心力的作用下，通過(guò)多層定子和轉(zhuǎn)子向外甩出，在重力的作用下從液體出口排出，再次流入循環(huán)罐中。

空氣從空氣壓縮機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)入氣體緩沖瓶，與從NO鋼瓶出來(lái)的NO氣體在氣體緩沖瓶中混合，混合的氣體在氣體檢測(cè)口取樣分析，然后從氣體入口進(jìn)入固定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器外殼，混合氣體從轉(zhuǎn)子外圈向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，與尿素溶液逆流接觸傳質(zhì)。在氣體出口檢測(cè)口取樣分析從固定轉(zhuǎn)子反應(yīng)器排出的廢氣，然后用NaOH溶液回收處理。

1.3、檢測(cè)方法

進(jìn)出口氣體采用儀器檢測(cè)方法。檢測(cè)儀為德國(guó)ecom-CN產(chǎn)品S/N-259型排煙分析儀。NOx去除率(D)計(jì)算公式為

2、結(jié)果與討論

2.1、液體流量、進(jìn)氣流量對(duì)NOx去除率的影響

液體流量和模擬煙氣進(jìn)氣流量的大小對(duì)NOx去除率有很大影響。以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的尿素溶液為吸收液，吸收溫度控制在60℃左右，固定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器的轉(zhuǎn)速為1200r/min，模擬煙中NOx的質(zhì)量濃度約為1000mg/m3。分別考察液體流量為0.2、0.3、0.4、0.5和0.6m3/h時(shí)，NOx的去除率隨不同進(jìn)氣流量的變化傾向和進(jìn)氣流量為0.2、0.4、0.6、0.8和1.0m3/h時(shí)，NOx的去除率隨不同液體流量的變化傾向而變化。考試結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，NOx濃度不變時(shí)，在同一進(jìn)氣流下，隨著液體流量的增加，NOx的去除率變化不明顯。這是因?yàn)樵谛∵M(jìn)氣流量的情況下，氣液完全接觸，NOx的去除率達(dá)到了最高值。隨著液體流量的增加，液體流量比增加到一定程度后，與該系統(tǒng)下的小進(jìn)氣流量相比，液體流量過(guò)大，NOx脫離率的增加程度有限�？紤]到吸收效率和處理能力兩個(gè)問題，本過(guò)程中適當(dāng)?shù)囊后w流量為0.2m3/h。

從圖4還可以看出,在同一液體流量下,NOx的脫除率隨著進(jìn)氣流量的增加而下降。這是由于該過(guò)程非傳質(zhì)控制過(guò)程,而是反應(yīng)控制過(guò)程。隨著進(jìn)氣流量的增加，NOx在尿素吸收液中的停留時(shí)間減少，氣液接觸時(shí)間減少，NOx的去除率下降。因此，在實(shí)際操作中，為了達(dá)到預(yù)期的凈化效果，必須控制一定的吸氣流量。綜合處理能力和吸收效率兩個(gè)因素，本工藝流程下適當(dāng)?shù)倪M(jìn)氣流量為0.2m3/h。

2.2、定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器轉(zhuǎn)速對(duì)NOx脫除率的影響

定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器轉(zhuǎn)速也是一個(gè)重要的操作條件。采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的尿素溶液作為吸收液，模擬煙氣進(jìn)氣流量為0.2m3/h，液體流量為0.2m3/h，吸收溫度控制在60℃左右，模擬煙氣中NOx的質(zhì)量濃度約為1000mg/m3。分別考察了固定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器的轉(zhuǎn)速分別為400、600、800、1000、1200和1400r/min時(shí)NOx脫離率的變化趨勢(shì)�？荚嚱Y(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，隨著固定轉(zhuǎn)子反應(yīng)器轉(zhuǎn)速的增加，NOx的去除率增加了。這是加強(qiáng)傳質(zhì)的結(jié)果，由于該吸收過(guò)程是反應(yīng)控制過(guò)程，NOx除去率的增加程度有限�？紤]到電機(jī)額定功率的限制，固定轉(zhuǎn)子反應(yīng)器的轉(zhuǎn)速不能無(wú)限增大，因此需要根據(jù)要求確定適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速范圍。綜合考慮，本試驗(yàn)定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器的轉(zhuǎn)速最好控制在1400r/min左右。

2.3、尿素含量對(duì)NOx去除率的影響

通過(guò)改變尿素含量來(lái)研究對(duì)NOx去除率的影響。模擬煙氣的進(jìn)氣流量為0.2m3/h，液體流量為0.2m3/h，吸收溫度控制在60℃左右，固定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器的轉(zhuǎn)速為1400r/min，模擬煙氣中NOx的質(zhì)量濃度約為1000mg/m3。尿素溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、10%、15%、20%和25%時(shí)，考察了NOx去除率的變化趨勢(shì)�？荚嚱Y(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，隨著尿素含量的增加，NOx的去除率逐漸增加。用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的尿素溶液吸收NOx，其去除率接近56%的吸收液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到25%時(shí)，去除率接近61%。尿素溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)20%后，NOx脫除率的提高不顯著。

從尿素溶液恢復(fù)分解氮氧化物的反應(yīng)機(jī)理可以看出尿素含量的多少與NOx的去除率有關(guān)。增加溶液中尿素的含量有助于反應(yīng)正向進(jìn)行，但在實(shí)際應(yīng)用中考慮煙霧脫硝的經(jīng)濟(jì)性，尿素的含量越高，運(yùn)行成本也越高，尿素的含量無(wú)限制地提高，從脫硝效率和經(jīng)濟(jì)性兩方面綜合考慮，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中研究其他技術(shù)條件對(duì)尿素脫硝效果的影響時(shí)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的尿素溶液可以用作吸收液。

2.4、吸收溫度對(duì)NOx脫除率的影響

吸收溫度是尿素濕法脫硝的影響因素之一。一般濕法吸收反應(yīng)的溫度在20~70℃之間，因此控制吸收溫度在常溫到70℃之間。

其他實(shí)驗(yàn)條件為模擬煙氣進(jìn)氣流量為0.2m3/h，液體流量為0.2m3/h，定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器轉(zhuǎn)速為1400r/min，尿素溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，模擬煙氣中NOx質(zhì)量濃度約為1000mg/m3�？疾煳�收溫度對(duì)NOx去除率的影響�？荚嚱Y(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出,在溫度較低時(shí),NOx的脫除率隨著吸收溫度的升高而增加;當(dāng)溫度升高至60℃后,NOx的脫除率隨著吸收溫度的升高變化不明顯。

這是因?yàn)樵诘蜏貢r(shí),反應(yīng)速率常數(shù)隨溫度的上升而增大,總效果是NOx的脫除率增加。溫度持續(xù)上升到60℃后，亨利法則表明NOx的溶解度減少，不溶于尿素溶液的NOx很難去除。另一方面，NO氧化成NO2的反應(yīng)速度下降，反應(yīng)產(chǎn)生的HNO2減少，NOx的去除率下降。綜合考慮，本試驗(yàn)的吸收溫度控制在60℃左右。

3、結(jié)論

(1)NOx的去除率隨著固定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器的轉(zhuǎn)速、尿素溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、吸收溫度的增加而增加，隨著進(jìn)氣流量的增加而減少，隨著液體流量的增加而穩(wěn)定。

(2)本文試驗(yàn)條件下，對(duì)定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)為SS-RH組合，最佳操作條件為液體流量0.2m3/h、進(jìn)氣流量0.2m3/h、定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器轉(zhuǎn)速1400r/min、尿素溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%、吸收溫度60℃。