超重力技术在烟气脱硝中的应用

姬海刚 李芳芹

（上海电力学院能源与机械工程学院 上海 200090）

大气污染的源头有许多，其中氮氧化物（NOX）是主要的污染源之一，通常，我们所说的 NOX主要包括 N2O、NO2、NO、N2O3、N2O4、N2O5等，这其中对大气造成污染的主要是NO与NO2，所以NOX的排放与控制技术一直是欧美发达国家关注的重点[1]。

目前国内外减少NOX排放的主要方法是烟气脱硝，大致可分为干法脱硝和湿法脱硝两大类。其中干法主要有吸附法、催化法、等离子体法以及光催化氧化法等；湿法脱硝主要包括酸吸收法、碱溶液吸收法、液相还原吸收法、液相络合吸收法等[2-3]。近年来湿法脱硝由于其工艺简单而被广泛研究[4]，这其中由俄罗斯学者所研发的尿素湿法脱销工艺最具前景与研究价值，因为其产物为氮气，不会造成二次污染，吸收后的废液经补充尿素即可循环使用，避免了传统碱吸收法与选择性催化氨还原法等工艺造成的副反应多、副产品难于回收等问题，比较符合环保的要求[5]。但湿法脱硝所采用的传统板式塔与填料塔存在传质效率低，设备体积大等缺点。

相对传统塔设备，超重力旋转填充床因其体积小、能耗低、大大增大传质过程等优点[6,7]而被广泛应用化工、环境、材料等领域中，取得了很不错的效果。本文主要介绍了超重力技术在氮氧化物脱除中的应用。

1 超重力技术

超重力指的是在超出地球重力加速度g（g=9.8m·s-2）的环境下作用在物体上力的作用。在重力加速度大约为零时，两种相态接触过程的动力因素，两种相态之间不会因密度差而产生相间流动，此时分子间的表面张力将会起主要作用，液体团聚起来得不到伸展，使得表面积达到最小，从而相间失去充分接触的条件，相间传递作用越来越弱。反之，g越大，流体之间相对速度也就越大，巨大的切应力足以克服表面张力，使得相间接触面积增大，从而传递过程得到增强。超重力旋转床正是通过高度旋转，利用离心力使g增大，以此达到了强化传递的效果。

高速旋转的超重力床使其中的液膜厚度减小十分明显。Choen和Dudukovic[8]曾在1985年通过实验得出：重力场中液膜厚度远大于旋转床中的液膜厚度，并且随着旋转床转速增加，填料中的液膜厚度逐渐减小，当达到某一转速时液膜厚度区域一个恒定值，不再减小。

超重力旋转床高速旋转所产生的巨大切应力使得液体在填料中以液膜、液丝和液滴等形式存在，导致液膜厚度急剧减小，增强了气液接触面积，强化了气液相间传递。Burns和Ramshaw[9]利用频闪照相机拍摄了超重力场中液体的流动状态，见图1（孔隙率为0.95，比表面积为1500，填料为PVC丝网，图中黑色为填料，白色为液体）。结果表明，在低转速情况下，液体主要是以径向孔流的形式通过填料区，在高转速情况下，液体主要是以液滴流动的形式通过填料区。

图1 液体在超重力场中的三种流动形式

2 超重力装置

2.1 超重力床的结构

超重力旋转床结构如图2所示[10]。由固定的柱形壳体、转轴、转子以及液体分布器等组成。其核心部分是内部圆环状的转子，转子内部一般情况下都填充有多孔填料。

图2 超重力旋转床结构图

2.2 超重力床的工作原理

液体在液泵的作用下由喷水管喷洒在转轴的内缘上；气体由进气口引入转轴外缘处，由此进入填料；在电机驱动下，转子高速旋转，形成一个远大于重力加速度的超重力场。被填料捕获或者分割后的液体受到填料的作用，被径向甩离，向外流动，完成气液接触的液体最后被甩离填料，在外壳汇集后经排液口排出。气体从转轴中心处离开转轴，经气体出口管引出。由此完成传质和反应过程。在此过程中，填料内部的液体被破碎成及其细小的液膜、液滴，因此形成了极大的相界面，增加了表面积；同时，由于填料对液体的不断捕获与撞击，加剧了液体表面的更新，形成了很好的反应与传质条件。

3 超重力在烟气脱硝中的应用

超重力技术在我国起步晚，但是进步比较快。大学和研究机构如北京化工大学、华中科技大学、中科院过程所等单位都建立了相应的超重力研究小组。1990年，北京化工大学建立起了我国第一个超重力工程技术研究所，后来慢慢发展成为教育部重点实验室超重力研究中心，并且取得了一系列的超重力创新成果。

北京化工大学的高文雷[11]通过建立试验台考察氮氧化物湿法吸收的机理，对液相吸收的传质理论进行分析，决定采用超重力旋转床作为反应设备，分别用NaOH溶液和H2O2为吸收剂来研究转速对脱硝效率的影响，实验结果如图3所示。

图3 转速对脱硝效率的影响

由图3可看出，两种吸收剂的脱硝效率都随着旋转床转速的增加而增大；但当转速大于某一数值时（此处为800r·min-1），脱硝效率开始降低。因为转速越高，填料对吸收液体的切割力度也越大，也就是说可以把液体分割成更加细小的液膜、液滴和液丝，从而表面更新速率大大加快，使得更多的NOX被吸收，但是随着转速的再度提高，会使得液体在床内停留时间迅速下降并且造成的影响已经不能忽略，部分吸收液还没来得及与气相接触反应就被甩出了填料层，导致脱硝效率降低。同样来自北京化工大学的杨晖采用超重力技术与尿素湿法脱硝相结合来展开研究，得出了同样的结论，旋转床的转速不能无节制的增加，需要综合能耗，效率等多方面去选定。

4 结语

干法脱硝主要存在投资以及运行维护费用高等问题，而湿法脱硝技术则具有工艺简单，能耗低，无污染等优势，但是湿法脱硝中气液传质速率低成为影响其效率不高的关键因素。超重力技术是一种强化了三传一反的新技术，最主要的有点久在于传质效率高，同时还拥有设备体积小、能耗低等优点。我国的酸雨类型已不单单是硫酸型，硝酸成份所占比重越来越大，脱硝任重道远，势在必行。超重力技术脱硝是结合了超重力与化学吸收的新型脱硝技术，由于强化了传质性能，吸收效率提高，对降低单位生产能耗具有重要意义。

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[8]Cohen.Y,Dudukovicm．Mass-Transfer in centrifugal Gas/Liquid Contaction[J]．AIChE，1985(10）：22.

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[10]渠丽丽,刘有智,楚素珍,等.超重力技术在气体净化中的应用[J].天然气化工,2007(2）：55-59.

[11]高文雷,曾泽泉.旋转填充床中湿法脱硝的研究[J].高校化学工程学报,2014(28）：1161-1165.