乙二胺-柠檬酸溶液超重力法烟气脱硫研究

管浩，张长森

（盐城工学院材料工程学院，江苏盐城224051）

乙二胺-柠檬酸溶液超重力法烟气脱硫研究

管浩，张长森

（盐城工学院材料工程学院，江苏盐城224051）

以乙二胺-柠檬酸为吸收剂，在超重力条件下进行烟气脱硫研究，考察超重机转速、气液比、吸收液温度、吸收液pH、填料类型等因素对SO2吸收效率和解吸率的影响。结果表明，实验室规模下适宜的吸收工艺条件为：转速1 000 r/min，吸收液体积流量10 L/h，气体体积流量0.2 m3/h，乙二胺-柠檬酸pH=7，钢质波纹丝网填料，在此条件下，乙二胺-柠檬酸缓冲溶液对SO2的吸收效率在98%以上；同时能够有效的提高SO2解吸率，具有良好的经济性。

超重力技术；烟气脱硫；乙二胺-柠檬酸

近20 a来，随着我国工业不断进展，煤炭消耗量也在快速增长，使得SO2排放量也在不断增加[1]。尽管新能源的比重在不断加大，但是在今后若干年内煤炭在我国能源结构中依然占据重要的地位。因此，SO2排放量也会不断增加，预计到2020年我国燃煤SO2排放量将达到35 Mt[2]。烟气脱硫的研究也越来越受到广泛关注。

目前已有的脱硫技术中，湿法脱硫是应用最为广泛的脱硫技术，最成熟的石灰石-石膏法运行稳定，脱硫率能够达到92%～96%[3]。但是具有一次性投资大、耗水量大、设备腐蚀性大和占地面积大等缺点，并且副产物石膏的综合利用率差，大量堆积会产生二次污染。

有机胺烟气脱硫作为新型再生的烟气脱硫技术，国内外进行了大量的研究，主要实验在填料塔中进行[4-7]。超重力旋转填料床能够极大的强化气液传质过程，与传统填料塔相比，在工业实践应用中具有无可比拟的优势。

本实验将有机胺湿法烟气脱硫过程在超重力旋转填料床中进行，研究转速、气液比、吸收液温度、吸收液pH和填料类型等因素对SO2吸收效率和解吸率的影响。

1 实验部分

实验流程如图1所示。

图1 烟气脱硫实验流程Fig 1 Process of flue gas desulfuration experiment

以超重力旋转填料床作为反应装置，吸收液和混合气体以逆流方式流经反应器，SO2气体由流量计控制，N2做为惰性气体稀释混合气体。经混合室混合后，由气体进气管由切向引入超重力机外腔，在气体压力的作用下由转子外缘处进入填料。吸收液经泵由液体进口管引入转子内腔，经喷头淋洒在转子内缘上，在转子所产生的离心力作用下由内向外喷向填料，与上述气体在旋转填料中混合吸收发生化学反应，富含SO2胺液经液体出口管流出超重力机。气体净化后自转子中心离开转子，由气体出口管引出。富SO2胺液经过再生装置处理获得贫SO2胺液再次进入吸收装置进行循环反应。

气体中的SO2含量用二氧化硫分析仪POT400-SO2测定，液体流量用转子流量计测定。SO2吸收效率按下式计算：η=1-φo/φi。

式中，φi和φo分别为进出口气体SO2的体积分数。

用碘量法测定液相中SO32-的含量[8]。解吸率用下式计算：

式中，φin为第n次吸收SO2后饱和富液中SO2的体积分数，φjn和φj(n-1)表示第n次和n-1次解吸后贫液中SO2含量。

2 结果与讨论

2.1 转速对SO2吸收效率的影响

实验操作参数：乙二胺浓度0.2 mol/L，吸收液体积流量2 L/h，吸收液温度25℃，SO2体积分数1.5%，气体体积流量0.2 m3/h，乙二胺-柠檬酸pH=7，在此条件下调整超重力机转速，研究其对SO2吸收效率的影响，其结果如表1所示。

表1 转速对SO2吸收效率的影响Tab 1 Effect of rotate speed on the SO2absorption efficiency

从表1可以看出，在实验范围内，低转速时SO2吸收效率随着转速的增加而增加；当转速超过1 000 r/min时，SO2吸收效率随着转速增加而减小。吸收液在转子离心力作用下，被填料剪切成细小液滴，增大了气液间的有效接触面积，强化了气液间的传质过程，增大了SO2吸收效率；当转速增大到一定程度以后，相界比表面积的增大趋势趋于平缓，而吸收液在填料中的停留时间变短，反而降低了SO2吸收效率。并且过高的转速也会增加超重力机的能耗。

2.2 气液比对SO2吸收效率的影响

实验操作参数：转速1 000 r/min，乙二胺浓度0.2 mol/L，吸收液温度25℃，SO2体积分数1.5%，气体体积流量0.2 m3/h，乙二胺-柠檬酸pH=7，在此条件下研究吸收液流量对SO2吸收效率的影响，其结果如表2所示。

表2 液体流量对SO2吸收效率的影响Tab 2 Effect of liquid flow on the SO2absorption efficiency

从表2可以看出，SO2吸收效率随着液体流量的增大而增大。增大液体流量，使得填料中持液量增加，单位体积吸收液中化学反应所需的SO2含量增加，因此增大了SO2吸收效率。

在保持其他实验条件不变的情况下，研究气体流量的变化对SO2吸收效率的影响，其结果如表3所示。

表3 气体流量对SO2吸收效率的影响Tab 3 Effect of gas flow on the SO2absorption efficiency

从表3可以看出，随着气体流量的增大，SO2的吸收效率随之下降。气体流量的增大意味着流速的增加，气体能够快速通过填料而使得部分SO2来不及与吸收液发生化学反应，并且气量的增加使得需要消耗的吸收液流量增加，因此SO2的吸收效率明显下降。

2.3 乙二胺-柠檬酸pH对SO2吸收效率的影响

实验操作参数：转速1 000 r/min，乙二胺浓度0.2 mol/L，吸收液体积流量2L/h，吸收液温度25℃，SO2体积分数1.5%，气体体积流量0.2 m3/h，在此条件下研究吸收液pH的变化对SO2吸收效率的影响，其结果如表4所示。

表4 乙二胺-柠檬酸pH对SO2吸收效率的影响Tab 4 Effect of PH of ethylenediamine-citric acid on the SO2absorption efficiency

从表4可以看出，随着pH的增大，SO2吸收效率也不断增大，当pH大于7以后，SO2吸收效率趋近于稳定。其原因是：当pH较低时，较高的H+含量抑制了亚硫酸盐的解离，SO2的溶解度变小，从而发生化学反应的几率也随之变小，吸收效果变差；随着pH的增大，乙二胺-柠檬酸结合SO2的能力也随之增加，吸收速率也会增加；当pH较高时，柠檬酸量不足以抑制乙二胺的挥发，吸收液中游离的乙二胺容易逸出削弱了SO2吸收效率，也会降低后续SO2的解吸。

2.4 吸收液温度对SO2吸收效率的影响

实验操作参数：转速1 000 r/min，乙二胺浓度0.2 mol/L，吸收液体积流量2 L/h，SO2体积分数1.5%，气体体积流量0.2 m3/h，乙二胺-柠檬酸pH=7，在此条件下研究吸收液温度的变化对SO2吸收效率的影响，其结果如表5所示。

从表5可以看出，随着吸收液温度的不断提高，SO2吸收效率也在不断提高，当温度达到45℃以后，SO2吸收效率趋于平缓。吸收液温度对SO2吸收效率的影响主要在2个方面：一是温度升高促使吸收液和SO2反应速率加快，提高吸收效率；二是温度升高促使SO2溶解度降低，不利于SO2吸收。温度较低时，化学反应速率使主要影响因素；温度较高时，SO2溶解度下降是主要因素，并且较高温度下柠檬酸电离常数变化引起H+浓度升高也影响了SO2的吸收。

2.5 填料类型对SO2吸收效率的影响

实验操作参数：转速1 000 r/min，乙二胺浓度0.2 mol/L，SO2体积分数1.5%，气体体积流量0.2 m3/ h，吸收液温度45℃，乙二胺-柠檬酸pH=7，在此条件下研究钢质波纹丝网填料和尼龙丝网填料类型对SO2吸收效率的影响，其结果如表6所示。

表5 吸收液温度对SO2吸收效率的影响Tab 5 Effect of absorbing liquid temperature on the SO2absorption efficiency

表6 不同填料对SO2吸收效率的影响Tab 6 Effect of different fillers on the SO2absorption efficiency

从表6可以看出，钢质波纹丝网填料对SO2吸收效果明显优于尼龙丝网。钢对水的润湿作用优于尼龙，有利于形成极薄的液膜和极细小的液滴，增强液相有效比表面积，有利于SO2的吸收。

2.6 乙二胺-柠檬酸对SO2解吸率的影响

表7是乙二胺-柠檬酸对SO2解吸率的影响。

从表7可以看出，SO2的解吸率随着循环次数的增多而增加。乙二胺有2个NH2基团，乙二胺-柠檬酸缓冲溶液的解吸仅发生在碱性较弱的NH2基团上，所以首次解吸率较低，当重复使用循环再生液时，由于每次富液中初始SO2的累积，使富液中初始SO2的含量在不断升高，因而提高了解吸率。

表7 乙二胺-柠檬酸对SO2解吸率的影响Tab 7 Effect of ethylenediamine-citric acid on the SO2desorption ratio

3 结论

采用超重力条件下以乙二胺-柠檬酸为吸收液，研究超重机转速、气液比、吸收液温度、吸收液pH、填料类型等因素对SO2吸收效率和解吸率的影响。确定了适宜的吸收工艺条件为：转速1 000 r/ min，吸收液体积流量10 L/h，气体体积流量0.2 m3/ h，乙二胺-柠檬酸pH=7，钢质波纹丝网填料。SO2的吸收效率在98%以上。乙二胺-柠檬酸缓冲溶液能够有效的提高SO2解吸率，在再生循环利用和降低脱硫成本方面具有良好的前景。

[1]汤志刚,周长城,陈成.乙二胺/磷酸化学溶液吸收法烟气脱硫的研究[J].高校化学工程学报,2005,19(3):285-291.

[2]翁淑容.有机胺湿法烟气脱硫实验研究[D].南京:南京理工大学,2007.

[3]罗捷.湿法烟气脱硫过程中亚硫酸钙氧化研究[D].重庆:重庆大学,.2006.

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[5]李华,陈万仁,刘大壮.液体吸收法脱除烟气中二氧化硫的研究[J].化工环保,2002,22(4):187-190.

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[8]侯栋岐,张溱芳,侯清濯.烟气中SO2简捷碘量法测试[J].电站系统工程,1996,12(6):37-39.

TQ028.1+7

A DOI 10.3969/j.issn.1006-6829.2016.04.010

江苏省产学研合作项目（BY2015057-19）

2016-04-14