喷动床半干式烟气脱硫脱硝实验

第5卷第8期环境工程学报
Vol ．5，No ．82011年8月
Chinese Journal of Environmental Engineering
Aug．2011
喷动床半干式烟气脱硫脱硝实验研究
张少峰
1
李玲密
2
王晋刚
1
刘燕
1
王德武
2
（1．河北工业大学海水资源高效利用化工技术教育部工程研究中心，天津300130；
2．河北工业大学化工学院，天津300130）
摘要烟气脱硫脱硝一体化技术适合现阶段我国国情，具有良好的应用前景。

以尿素为吸收剂，在喷动床实验装置
中进行半干式烟气脱硫脱硝研究，考察了该方法的可行性及尿素与污染物摩尔比、近绝热饱和温差、进口烟气温度、进口污染物浓度等主要操作条件对脱硫效率和脱硝效率的影响。

结果表明：该方法在适当的操作条件下可获得85%以上的脱硫
效率和70%以上的脱硝效率，
可以满足工业规模应用的要求。

同时，尿素与污染物摩尔比大于1．2后，污染物脱除效率反而明显降低，与其他半干式工艺差异显著；而其他3个操作条件对污染物脱除效率的影响规律与其他半干式工艺基本吻合。

关键词
喷动床
脱硫脱硝一体化
尿素半干式工艺
中图分类号
X701.3
文献标识码
A
文章编号1673-9108（2011）08-1847-05Experimental research of semi-dry flue gas simultaneous desulfurization
and denitrification with spouted bed
Zhang Shaofeng 1
Li Lingmi 2
Wang Jingang 1
Liu Yan 1
Wang Dewu 2
（1．Engineering Research Center of Seawater Utilization Technology of Ministry of Education ，
Hebei University of Technology ，Tianjin 300130，China ；
2．School of Chemical Engineering ，Hebei University of Technology ，Tianjin 300130，China ）
Abstract Simultaneous desulfurization and denitrification is applicable technology under our national con-ditions and has good application prospect．Semi-dry flue gas simultaneous desulfurization and denitrification was
studied for its feasibility in spouted bed testing apparatus by using urea as absorbent．The effects of key operating parameters such as molar ratio of urea and air pollutant ，approach to adiabatic saturation temperature ，inlet tem-perature of flue gas and inlet concentration of air pollution on removal efficiency of SO 2and NO x were investiga-ted．The results showed that in the proper condition the removal efficiency of SO 2and NO x were above 85%and 75%，respectively ，which could satisfy most requirements of industrial scale applications．Different from other semi-dry processes ，the removal efficiency of gaseous contaminants drop rapidly while molar ratio of urea and air pollutant was greater than 1．2．The influences of other factors of desulfurization and denitrification efficiency co-incided with that of other semi-dry technologies．
Key words spouted bed ；simultaneous desulfurization and denitrification ；urea ；semi-dry process 基金项目：河北省科技厅科学研究与发展计划项目（02212221D ）；河
北省科技厅河北省科技攻关计划项目（072156122）；河北省高等学校科学技术研究青年基金项目（20100226）
收稿日期：2010－04－19；修订日期：2010－05－17
作者简介：张少峰（1965 ），男，博士，教授，主要从事烟气污染治理
与多相流高效节能技术研究。

E-mail ：shfzhang@hebut．edu．cn
我国一次能源以煤炭为主，燃煤产生烟气中的SO 2、NO x 是造成大气污染、酸雨及光化学污染的主要来源，危害极大，排放控制势在必行。

脱硫脱硝一体化技术是在一套装置（或一个过程）中使用一种
吸收剂同时脱除烟气中的SO 2、NO x ，具有工艺简单、
所需装置少、占地面积小、投资小、运行费用低、经济性好等优点，适合现阶段我国国情，具有良好的应用前景。

近年来，脱硫脱硝一体化技术发展迅速，开发或
改进的方法有几十种
［1-5］。

其中尿素湿式吸收法具有一定发展潜力，它是以尿素为吸收剂在液相中同
时脱除烟气中的SO 2、NO x ，生成可直接排放的N 2、
CO 2、H 2O 与副产物硫酸铵。

反应方程式如（1）、
（2）所示。

岑超平等［6］对该方法进行了系统的研究。

她先从热力学角度证明该了方法的可行性和优
越性，
进而分析了SO 2、NO x 吸收特性和尿素消耗反应动力学特性［7，8］
，并通过实验确定了反应温度、尿
环境工程学报第5卷
素用量、添加剂用量等工艺条件，获得接近100%的
脱硫效率和75%以上的脱硝效率
［9，10］。

为进一步提高脱硝效率，
雷鸣等［11］、陈定盛等［12］
、陆雅静等［13］
分别使用高锰酸钾、石灰、三乙醇胺为添加剂进行研究，脱硝效率可提高至80%以上。

烟气脱硫的工程实践证明：湿式吸收法存在排烟含水量高、需再热，废液处理繁琐、易导致二次污染，设备腐蚀严重、防腐开销大等问题。

这些问题必将制约尿素湿式吸收法的商业规模应用。

SO 2()g +NH ()22()CO aq +2H 2()O l +0．5O 2()g =
NH ()42SO 4()aq +CO 2()
g （1）()NO g +NO 2()g +NH ()22()CO aq =CO 2()g +2N 2
()g +2H 2()
O l （2）喷动床是一种高性能反应器，床内颗粒在轴向射流的作用下有规律的循环运动，流态化性能好，颗粒间大量无规则的相互碰撞极大的提高了传热、传质效率，同时碰撞使固态反应产物自颗粒表面脱落，并由气流带至床外，确保了反应界面不减少及装置的连续运行。

喷动床在烟气脱硫领域已有研究报道
［14-16］
，属于半干式烟气脱硫范畴，具有无需再热装置，产物为干粉态、二次污染小，对设备无腐蚀性等优点，很好地解决湿式吸收法存在的问题。

本文作者对这一领域进行了深入的研究，在流体力学性能
［17，18］、工艺参数优化［19，20］
、设备优化与改进、中试规模放大等方面均取得一定成果。

在此基础上，本文以尿素为吸收剂，在喷动床内进行烟气脱硫脱硝实验研究，考察该方法的可行性及主要操作条件对
脱硫效率和脱硝效率的影响，
为商业规模应用提供依据。

1
实验
1.1
实验流程
实验装置如图1所示。

罗茨鼓风机输送空气，经调节阀调流量，至电加热器加热到预设温度后与
钢瓶提供的定量高纯度SO 2、
NO 、NO 2在气体混合器内混合均匀形成模拟烟气。

模拟烟气自喷动床底部锥口进入床内，形成射流，带动床内刚玉球循环运动。

尿素溶解于浆料桶，配成所需浓度溶液，由离心
泵输送至喷动床顶部的雾化喷嘴，
喷出的雾状液滴附着于床内循环运动的刚玉球表面形成液膜，一方
面尿素液膜吸收模拟烟气中的SO 2、
NO x ，另一方面模拟烟气的热量蒸发尿素液膜水分使之固化于刚玉球表面。

刚玉球间大量无规则碰撞使其表面干态物质脱落，露出表面继续附着新的尿素液滴。

模拟烟
气脱除SO 2、
NO x 后自侧上部排出喷动床，经旋风分离器捕集粉尘后排空。

旋风分离器内粉尘在重力作
用下由放料阀定量排出。

待系统运行稳定后，
分别测量喷动床进口（A ）、出口（B ）处污染物（SO 2、NO x ）浓度，计算脱除效率。

1．2喷动床特性
喷动床为双矩形截面（240mm ˑ120mm ），高1.6m ，外包保温材料，利用视镜观察床内颗粒流化及喷嘴雾化状况。

图1实验装置简图
Fig．1
Scheme of experimental apparatus
8
481
第8期张少峰等：喷动床半干式烟气脱硫脱硝实验研究
1.3
实验物料
尿素：试剂纯；刚玉球：直径2mm ，密度2350kg /m 3；SO 2、NO 、NO 2：标准气体，纯度大于99.9%。

1.4测量仪器及方法模拟烟气、标准气体、尿素溶液流量均由标定后的转子流量计测量；喷动床进、出口模拟烟气成分由Multilyzer NG 型烟气分析仪测定；喷动床进、出口模
拟烟气温度由铜－康铜热电偶采集，
AI-706M 型多路巡检显示仪显示并由组态软件实时记录；喷动床出口模拟烟气湿度由干湿球温度计测量。

2
实验结果与讨论
2．1
静床层高度
静床层高度是喷动床的重要操作参数之一，直接影响喷动床的性能。

静床层高度受喷动床结构、颗粒物性、表观操作气速等诸多因素影响，一般通过实验确定。

图2是不同静床层高度下污染物的脱除
效率（进口SO 2浓度C SO 2=2000mg /m 3
、
进口NO x 浓度C NO x =600mg /m 3
、NO x 氧化度x =50%、进口烟气温度T IN =120ħ、近绝热饱和温差T ASS =15ħ、尿素与污染物摩尔比R =1．12）。

图2静床层高度对脱硫脱硝效率的影响
Fig．2Effect of static bed height on desulfurization
and denitrification efficiency
由图2可知，脱硫效率与脱硝效率变化趋势基本相同，均随着静床层高度的增加而先增加后降低，静床层高度130mm 时，污染物脱除效率最高，脱硫效率80%，脱硝效率64%。

静床层高度超过150mm 后，颗粒无法正常流化，污染物脱除效率很低。

静床层高度增加，床内颗粒数目增多，反应界面增大，颗粒间碰撞频率也增大，有利于污染物脱除，但随着静床层高度增加，表观操作气速也需相应提高，以维持颗粒在床内的稳定流化状态，否则床内颗粒流化状况恶化，不利于污染物脱除。

对于本实验系统表观操作气速0.71m /s 、静床层高度130mm 时床内颗粒流化状况稳定，污染物脱除效率高，后续实验中将它们固定。

2.2尿素与污染物摩尔比尿素与污染物摩尔比决定吸收剂的用量和副产物的生成量，是系统运行费用的重要指标。

图3是不同尿素与污染物摩尔比下污染物的脱除效率。

图3尿素与污染物摩尔比对脱硫脱硝率的影响
Fig．3Effect of molar ratio of urea ＆air pollutant on desulfurization and denitrification efficiency
由图3可知，尿素与污染物摩尔比R 小于1.0
时，吸收剂用量不足导致污染物脱除效率不高；R 在1.0 1.2范围内，污染物的脱除效率较高且基本稳
定，脱硫效率高于75%、脱硝效率高于60%。

R 大
于1.2后脱除效率显著降低，
表明吸收剂用量过大会导致污染物脱除效率下降，这一点与其他半干式
工艺有明显区别［1，21］
，其原因在于R 增大，尿素溶液
浓度增大，粘度也随之增大［22］
，雾化效果受到较大影响，会出现雾滴粘连、颗粒团聚等发生不利于脱除
反应的现象。

实际操作中，
R 取1．1比较合适。

2．3近绝热饱和温差
近绝热饱和温差表示烟气出口接近绝热饱和程度，反映烟气出口温度与相对湿度状况，决定着液膜蒸发驱动力，是半干式工艺中重要的操作参数。

图4是不同近绝热饱和温差下污染物的脱除效率。

图4近绝热饱和温差对脱硫脱硝率的影响Fig．4Effect of approach to adiabatic saturation
temperature on desulfurization and
denitrification efficiency
9
481
环境工程学报第5卷
由图4可知，近绝热饱和温差T AAS 对脱硫效率
和脱硝效率影响显著，T AAS 升高，污染物脱除效率大幅降低。

T AAS =10ħ时，
脱硫效率86%、脱硝效率71%，而T AAS =25ħ时，脱硫效率67%、脱硝效率57%，分别下降了19、14个百分点。

T AAS 低，出口烟气更接近饱和，相对湿度大，也就意味着更多的水分被加入喷动床，液膜干燥时间延长，有利于脱除反应进行。

这一点与其他半干式工艺基本相同，综合考
虑设备防腐及烟气排放等方面，
T AAS 取10 15ħ较好。

2.4进口烟气温度
图5是不同进口烟气温度下污染物的脱除效率。

图5进口烟气温度对脱硫脱硝率的影响
Fig．5Effect of inlet temperature of flue gas
on desulfurization and denitrification efficiency
由图5可知，进口烟气温度T IN 对脱硫效率和脱
硝效率影响显著，T IN 越高，污染物脱除效率越低，
T IN 高于130ħ后脱除效率急剧降低。

T IN =110ħ时，脱硫效率83%、脱硝效率67%，约相当于T IN =150ħ时1.5倍。

原因有三方面，一是气相温度升高不
利于污染物溶解于尿素液膜，脱除反应推动力降低；二是尿素溶液吸收SO 2、NO x 的反应是放热反应，升
高温度不利于反应进行；三是入口烟气温度高，蒸发
速率加快，反应时间减少，不利于脱除反应。

实际操作中，在保证后续操作的前提下可利用部分烟气热量，保证入口烟气温度在110 120ħ之间。

2．5进口污染物浓度图6是不同进口污染物浓度下污染物的脱除效
率（进口SO 2与NO x 摩尔比为2）。

由图6可知，进口污染物浓度上升，脱除效率也
随之上升。

原因是尿素溶液吸收SO 2与NO x 反应
的控制步骤为气体污染物溶解。

进口污染物浓度增
大，反应推动力增大，反应速率增大，脱除效率升高。

当C SO 2超过1500mg /m 3
后（此时，C NO x 约为450mg /m 3），随着进口污染物浓度增加，
脱硫效率继续
图6进口污染物浓度对硫脱硝效率的影响Fig．6Effect of inlet concentration of air polluation on desulfurization and denitrification efficiency
增大，而脱硝效率则增长缓慢，原因有待深入研究。

3结论
（1）以尿素为吸收剂，喷动床半干式烟气脱硫脱硝在适当的操作条件下可获得85%以上的脱硫效率和70%以上的脱硝效率，具有工业规模应用可行性，适合污染物浓度不高的中小型燃煤锅炉。

（2）在本文实验条件下，脱硫效率、脱硝效率随尿素与污染物摩尔比、近绝热饱和温差、进口烟气温度、进口污染物浓度等操作条件变化规律基本相同。

（3）尿素与污染物摩尔比大于1．2后，污染物脱除效率反而显著下降，这与其他半干式工艺不同（多为缓慢上升），实际应用时应予以足够重视。

（4）近绝热饱和温差、入口烟气温度、进口污染物浓度对污染物脱除效率的影响规律与其他半干式工艺基本相同，
可以相互借鉴。

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