二氧化硫实验分析第一组.docx

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二氧化硫实验分析第一组

扬州大学

环境科学与工程学院

环

境

工

程

实

验

设

计

一、根据SO2吸收实验结果绘制的曲线，你可以得到那些结论？

（一）脱硫效率随塔内高度的变化

实验值表明：

脱硫效率的上升速率沿脱硫塔高度方向下降，说明单位长度时间内所吸收的二氧化硫量要下降，这主要是因为：

（1）沿喷淋塔高度方向烟气中气相二氧化硫浓度下降，气相传质动力减小；

（2）沿喷淋塔高度方向脱硫浆液不断吸收二氧化硫，浆液中溶解的石灰石减少；

（3）浆液PH值下降，使得气相中二氧化硫在传质液膜表面的溶解度下降；

结论：

本实验中喷淋塔的高度只取到3米，随着吸收段高度的增加，脱硫效率增加速变缓慢会更加明显，特别是距烟气入口距离为1.5-2m时，脱硫效率增加缓慢，这和工业设计的喷林塔吸收区的高度一般取2m吻合。

当脱硫效率较高时，要增加脱硫效率，吸收段高度要增加很多，当然也可以通过增加液气比的方式来提高脱硫效率，但其投资及运行费用均要增加很多，所以针对我国的实际情况，火电厂级组在确定脱硫系统的脱硫效率时，应有一个适当的选择。

（二）气体流量与吸收效率的关系

气体流量在8-10m3/h时，吸收效率呈上升趋势，气体流量在10-12m3/h时，吸收效率开始下降。

说明了当气体流量达到一定程度时，填料吸附达到饱和状态，不再进行吸附。

实际应用中要将流量保证在一定范围内有利于达到最高的吸收效率同时在气量一定的条件下要考虑吸收塔的合理个数。

（三）入口SO2浓度与吸收效率的关系

由图可以看出,吸收效率随着入口SO2浓度的增加而增高，到达顶点后又随之下降。

由于实验误差，结果可能存在较大异议。

图入口处SO2浓度与吸收效率的关系点图

由图可以看出,实验值和模型值吻合度较高,而且均表明:

在二氧化硫浓度比较低时二氧化硫浓度对脱硫效率的影响比较大，随着二氧化硫浓度的增加对脱硫效率的影响减弱。

在实际喷淋脱硫系统运行过程中，随着运行煤质的变化烟气中二氧化硫浓度发生变化，此时为保证较高的脱硫效率，可以调整喷淋层的运行模式,如二氧化硫浓度增加可以通过喷淋层数，确保Ca/S比较稳定。

二氧化硫入口浓度增加,模拟烟气中二氧化硫分压增大,因其气液相界面二氧化硫分压增大,相应气液相界面二氧化硫浓度增大,使液相反应推动力增大,由于液固相界面固体溶解的离子饱和浓度不变,所以液相主体中固体溶解的离子浓度变化不大,这使得气液反应面向远离气液相界面的方向移动,所以二氧化硫吸收速率减小。

（四）pH值与脱硫效率关系

在一定范围内,随着吸收塔浆液pH值的升高,脱硫效率呈上升趋势,因为高的pH值意味着浆液中有较多的CaCO3存在,对脱硫当然有益。

但pH>5.8后脱硫效率不会继续升高,反而降低,原因是随着H+浓度的降低,Ca的析出越来越困难。

当pH=5.9时,浆液中的CaCO3含量达到2.98%,而CaSO4·2H2O的含量也低于90%,显然此时SO2与脱硫剂的反应不彻底,既浪费了石灰石,又降低了石膏的品质。

pH值再下降时,CaSO4·2H2O的含量又回升,CaCO3?

则降低。

因此浆液pH值既不能太高又不能太低,一般情况下,控制吸收塔浆液的pH值在4.5～5.5,能使脱硫反应的Ca/S（物质的量）保持在1.02左右,获得较为理想的脱硫效率。

图浆液成分随pH值的变化曲线

（五）钙硫比与脱硫效率的关系

如图所示，脱硫效率随着钙硫比的增大而增大，即钙硫比越大，脱硫效率越高。

（六）液气比与脱硫效率关系

随着液气比的增加脱硫效率亦增加。

此时相当于塔内风速不变,喷淋密度增加,脱硫效率增加。

液气比对传质性能的影响主要是通过改变传质方程中液气比表面积来实现的,液气比越大,气液相之间的传质面积就越大,有效比表面积也就越大,从而传质速率增强,由此大的液气比有利于传质性能的强化,从而提高脱硫效率;同时,在相同的处理烟气量的条件下,增大液气比也增大了可用于吸收的二氧化硫的总碱度,故脱硫效率也随之提高。

但当液气比增加到一定程度,将使液滴的凝聚增强,实际的有效比表面积不再增加甚至减小,过在实际喷淋脱硫技术设计与运行中存在一个最佳液气比。

二、影响吸收效率的主要因素有哪些？

（一）吸收塔高度与脱硫效率的关系

脱硫效率的上升速率沿脱硫塔高度方向下降,说明单位长度时间内所吸收的二氧化硫量要下降,这主要是因为沿喷淋塔高度方向烟气中气相二氧化硫浓度下降,气相传质动力减小;沿喷淋塔高度方向脱硫浆液不断吸收二氧化硫,浆液中溶解的石灰石减少,浆液PH值下降,使得气相中二氧化硫在传质液膜表面的溶解度下降。

（二）入口二氧化硫浓度与脱硫效率的关系

在实际喷淋脱硫系统运行过程中,由于运行媒质的变化造成烟气脱硫中二氧化硫浓度发生变化的情况较为普遍,分析入口二氧化硫浓度与脱硫效率的变化的关系对实际喷淋脱硫系统的运行具有指导意义。

在二氧化硫浓度比较低时二氧化硫浓度对脱硫效率的影响比较大,随着二氧化硫浓度的增加对脱硫效率的影响减弱。

二氧化硫入口浓度增加,模拟烟气中二氧化硫分压增大,因其气液相界面二氧化硫分压增大,相应气液相界面二氧化硫浓度增大,使液相反应推动力增大,由于液固相界面固体溶解的离子饱和浓度不变,所以液相主体中固体溶解的离子浓度变化不大,这使得气液反应面向远离气液相界面的方向移动,所以二氧化硫吸收速率减小。

（三）液气比与脱硫效率的关系

液气比是指单位时间内流经吸收塔单位体积烟气量相对应的浆液喷淋量,其大小直接影响脱硫设备的投资和运行费用。

随着液气比的增加脱硫效率亦增加。

此时相当于塔内风速不变,喷淋密度增加,脱硫效率增加。

液气比越大,气液相之间的传质面积就越大,有效比表面积也就越大,从而传质速率增强,由此大的液气比有利于传质性能的强化,从而提高脱硫效率;同时,在相同的处理烟气量的条件下,增大液气比也增大了可用于吸收的二氧化硫的总碱度,故脱硫效率也随之提高。

（四）浆液喷淋密度与脱硫效率的关系

浆液喷淋密度是指喷淋吸收塔单位截面积上的浆液喷淋量,在计算分析液气比与脱硫效率关系的基础上,对浆液喷淋密度对脱硫效率的影响进行计算和讨论。

脱硫效率随浆液喷淋密度的增加而增加，这是由于随着喷淋密度的增加,气液接触面积增加,总的传质反映速率加快,所以脱硫效率增加。

（五）风速与脱硫效率的关系

塔内烟气流速是喷淋脱硫技术系统重要的设计参数,塔内风速的增加,脱硫效率减小。

这是由于塔内风速增加,风量增加,在喷淋密度不变时,单位风量喷淋量减小,即液气比减小,所以脱硫效率减小。

（六）浆液粒径与脱硫效率的关系

烟气停留时间是指烟气进入吸收塔后,自下而上与喷淋的石灰石浆液雾滴接触反应的时间,是喷淋塔设计的关键参数。

浆液滴粒径增大,脱硫效率减小,这主要是因为在喷淋量的情况下浆液粒径的减小意味着有效比表面积增加,即全部喷淋液滴的总表面积增加;此外由于浆液粒径的减小，在烟气量不变（即烟气流速不变）情况下,液膜厚度减小;比表面积值随浆液粒径的减小而增大,则相应的脱硫效率增高。

（七）浆液PH与脱硫效率的关系

从反映方程来看,较高的pH值意味着浆液中石灰石的浓度很高,有利于SO2的吸收。

为了保证较高的SO2吸收速率,必须保证较高的pH值,吸收塔中的pH值通过不断加石灰石进行补充控制,但并非pH值越高越好。

高pH值的浆液有利于SO2的吸收,而低的pH值则有助于Ca的析出,二者相互对立。

在一定范围内,随着吸收塔浆液pH值的升高,脱硫效率呈上升趋势,因为高的pH值意味着浆液中有较多的CaCO3存在,对脱硫当然有益。

但pH>5.8后脱硫效率不会继续升高,反而降低,原因是随着H+浓度的降低,Ca的析出越来越困难。

当pH=5.9时,浆液中的CaCO3含量达到2.98%,而CaSO4·2H2O的含量也低于90%,显然此时SO2与脱硫剂的反应不彻底,既浪费了石灰石,又降低了石膏的品质。

pH值再下降时,CaSO4·2H2O的含量又回升,CaCO3则降低。

因此浆液pH值既不能太高又不能太低,一般情况下,控制吸收塔浆液的pH值在5.4～5.5,能使脱硫反应的Ca/S（物质的量）保持在1.02左右,获得较为理想的脱硫效率。

（八）吸收剂质量与脱硫效率的关系

吸收剂的质量主要由石灰石粒度及纯度来表示。

石灰石颗粒越细，其表面积越大，反应越充分，吸收速率越快，石灰石的利用率越高。

当石灰石浆液粒度大、纯度低时，石灰石浆液与SO2间的反应就会产生阻碍，导致脱硫效率下降。

石灰石磨制太细很不经济,会消耗过多电能,影响制粉系统出力。

因此,在确保制粉系统出力、制耗的前提下,尽可能降低石灰石细度。

（九）氧化空气量与脱硫效率的关系

对于石灰石石膏湿式烟气脱硫工艺来说,氧化空气量对脱硫效率起着举足轻重的作用。

O2参与烟气脱硫的化学过程，使4HSO3－氧化为SO42－，是吸收塔内化学反应的有效催化剂。

保证足够的氧化空气量是保证脱硫效率的重要前提之一。

此外,氧化空气量不足还是脱硫塔及除雾器结垢的重要原因之一。

理论上,氧化1molSO2需要0.5molO2,入口SO2质量浓度严重超标,导致氧化空气量的严重不足,HSO3－不能得到充分氧化,直接影响到脱硫效率,同时,也降低了石膏品质,吸收塔系统结垢也比较严重。

（十）烟气温度与脱硫效率的关系

当入口烟温过高时，不利于SO2气体溶于浆液，形成HSO3-，并会使吸收塔内除雾器叶片等部件高温变形损坏。

同时，出口烟气中的水蒸汽含量过高，对烟道、膨胀节及烟囱等设备造成腐蚀，在一定程度上增加了系统缺陷，降低了脱硫效率。

（十一）钙硫比与脱硫效率的关系

钙硫比是指吸收剂和吸收SO2的摩尔数比，反映吸收剂和吸收SO2的供给关系。

钙硫比越大，吸收剂相对越多，SO2的吸收就越迅速，脱硫率就越高。

但是因石灰石溶解度很低，增大石灰石吸收剂供给量会造成浆液浓度高，发生凝聚结晶现象，使系统和管道容易堵塞，影响系统正常运行。

石灰石法的钙硫比=1：

1时，二氧化硫去除率可达70%，且通过技术的不断改进，脱硫率可达90%以上。

三、如实验室无SO2吸收实验设备，请设计一套简易的实验装置（需附图及文字说明）？

传统的石灰石/石灰湿法脱硫工艺流程如图8-12所示。

锅炉烟气经除尘、冷却后进入吸收塔，吸收塔内用配制好的石灰石或石灰浆液洗涤还二氧化硫的烟气，洗涤净化后的烟气经除雾和再热后排放。

吸收液流入循环槽，加入新鲜的石灰石或者石灰浆液进行再生。

（一）石灰石研磨以及制浆设备

实验室中可采用不同的粒度进行实验，获得粒度与吸收效率的曲线得到最佳粒度，实际应用过程采用产生固定最佳粒度的设备保证最优的吸收效率。

制浆设备要便于取样测PH。

（二）吸收塔

吸收塔是烟气脱硫系统的核心装置，要求有持有液量大，气液相间的相对速度高、气液接触面积大、内部勾件少、压力降小等特点。

目前常用的吸收塔主要有喷淋塔、填料塔、喷射鼓泡塔和道尔顿型塔四类。

其中喷淋塔是湿法脱硫工艺的主流塔型。

实验室中要在进、出气管加上流量计、测二氧化硫装置。

下图为喷射鼓泡吸收塔。

实验开始后，吸收液通过进水阀进入反应塔吸收槽，浸没喷射管。

空气与来自钢瓶的SO2气体相混合，进入缓冲箱，配制成一定浓度的烟气。

含SO2的烟气从塔顶进气口进入塔内，通过插入吸收液内的喷射器以鼓泡形式喷射到吸收液中，烟气中的SO2在鼓泡过程中被吸收。

由反应塔出来的气体再经设置于塔下游的除雾管段除去雾滴。

实验系统尾部的风机为实验系统提供动力。

入口气体动压测定管用于测量动压，以计算气体流量；玻璃转子流量计用于配制所需浓度的入口SO2气体；烟气入口气体采样孔，用于入口气体的采样和测定；塔下游管段的采样口用于对净化后气体进行采样和测定。

如果要研究吸收塔高度与吸收效率的关系则需在侧面不同高度设置采样口采样。

如果要研究吸收塔结构与吸收效率的关系则需将吸收塔进行变化（如将其中增大接触面的塑料球拿掉将成为单纯的喷淋塔。

）或换成其它类型吸收塔。

（三）除雾器和再热器

除雾器将净化后烟气中剩余的浆液去除，防止二次污染。

再热器温度一般150摄氏度以上。

（四）设备注意事项

1、SO2气瓶阀门一定要在主风机已运行的状态下打开；

2、洗涤器采用钙盐吸收剂或进行除尘脱硫一体化试验后，切记及时用清水冲洗。

（五）实验方法及步骤?

1、首先检查设备系统和全部电气连接线有无异常（如管道设备无破损等），打开门窗，确保排风措施到位，一切正常后开始操作；?

2、将碳酸钙粉末（研究粒度是可用不同粒度但注意喷雾器堵塞等问题）加入配药槽中，充分搅拌混合，打开底部阀门，使其进入反应槽，加完后关闭阀门；

3、打开电控箱总开关，合上触电保护开关；

4、开启风机和水泵电源；

5、调节塔层的喷淋流量；

6、打开底部曝气泵，进行曝气，调节流量。

7、在风机运行的情况下，首先确保SO2钢瓶减压阀处于关闭，然后小心拧开SO2钢瓶主阀门，再慢慢开启减压阀，通过观察转子流量计刻度读数调节阀门至所需的入口浓度，使SO2气体进入填料塔中，测定填料塔前后管道气体中SO2的浓度，计算净化效率（SO2入口气体浓度小于1000mg/m3）；

8、改变管道气体中SO2的浓度重复上述实验；

9、实验结束后，先关闭SO2气瓶主阀，待压力表指数回零后关闭减压阀；?

10、在完全关闭SO2气瓶5min后，依次关闭主风机、鼓气泵的电源；?

11、关闭控制箱主电源；

12、检查设备状况，没有问题后离开。

四、简述如何通过试验得出实际工程中SO2吸收设备的设计参数

实验过程通过控制多数条件得出的是单个或几个因素对二氧化硫吸收效率的影响，再通过进行多因素正交试验设计及直观分析，根据相关理论给定量出每个因素的重要性从而得出最优的选项可应用与工程实践。

但是，在实践过程中，因为各种条件不稳定，一般达不到实验最佳效果，要尽量控制在理想状态。

同时考虑经济效益与操作管理的便利程度以及吸收塔的长期可靠运行要注意以下问题：

（一）设备腐蚀

化石燃料燃烧的排烟中含有多种微量的化学成分，在酸性环境中，对金属（包括不锈钢）的腐蚀性相当强。

为延长设备的使用寿命，溶液中氯离子的浓度不能太高，为保证氯离子不发生浓缩有效的方法是在脱硫系统中根据物料平衡排出适量的废水，并以清水补充。

（二）结垢和堵塞

CaSO4、CaSO3从溶液中结晶析出是导致脱硫塔发生结垢的主要原因，一旦结垢，难以去除，影响到所有与脱硫液接触的阀门、水泵、控制仪器和管道等。

因此，在吸收塔中要保持亚硫酸盐的氧化率在20%以下。

（三）除雾器堵塞

在吸收塔中，雾化喷嘴并不能产生尺寸完全均一的雾滴。

较小的雾滴会被气流所夹带，若不进行除雾，雾滴将进入烟道，造成烟道腐蚀和堵塞。

因此，除雾器必须保持清洁。

（四）脱硫剂的利用率

脱硫产物亚硫酸盐和硫酸盐可沉积溶解在脱硫剂颗粒表面，从而堵塞了这些颗粒的溶解通道。

会造成石灰石或石灰脱硫剂来不及融结合反应就随产物排出，增加脱硫剂和脱硫产物的处理费用。

因此，脱硫液在循环池中的停留时间一般要达到5至10分钟。

（五）脱硫产物及综合利用

半水亚硫酸酸钙是较细的片状晶体，难以分离，因此，在循环池中鼓氧气或者空气将亚硫酸盐氧化为硫酸盐，保证95%的脱硫产物转化为硫化钙。

五、参考文献

《大气污染控制工程（第三版）》主编：

郝吉明高等教育出版社

《石灰石一石膏法二氧化硫吸收过程理论研究》主编：

赵光玲高等教育出版社

《环境工程实验技术（第二版）》扬州大学环境科学与工程学院