超重力强化湿法二氧化硫捕集新工艺及其模型化研究
二氧化硫（SO2）是公认的大气污染物之一，会引发人类呼吸系统等疾病，也是造成酸雨，雾霾等重大环境问题的主要原因之一。为控制SO2的排放，各种脱硫工艺技术已经被广泛研究和应用，然而，目前广泛采用的脱硫工艺存在废弃物处理或吸收剂挥发等问题，在实现SO2脱除的同时容易对环境造成二次污染，且绝大多数工业化应用的脱硫技术无法实现硫资源的回收利用。随着环境标准的逐渐提高，SO2的限排指标也日益严格，发展绿色高效的SO2脱除技术对于生态环境改善和社会经济发展有重要意义。 实现SO2的资源化利用主要有两种工艺思路，一种是将脱硫富液再生实现SO2富集和吸收液循环利用，一种是将脱硫产物转化为化学品以实现资源化利用。针对第一种工艺思路，本论文采用了一类可再生的乳酸钠（NaLa）-水低共熔吸收剂，开发了旋转床中吸收及解吸的脱硫工艺，确定了吸收剂与SO2的反应动力学特征，研究了超重力旋转填充床中的脱硫性能并建立了该体系的气液传质模型，并利用直接蒸汽再生工艺研究了脱硫富液的解吸性能。针对第二种工艺思路，本论文选取双氧水（H2O2）作为吸收剂开发了旋转床中液相氧化脱硫工艺，研究了旋转床中低浓度双氧水脱硫的工艺效果，确定了其可行性，计算了该体系的传质系数（KGa）以及传质单元高度（HTU）。实验所得结论总结如下： （1）乳酸钠和SO2反应生成亚硫酸氢钠和乳酸，反应对SO2和乳酸钠的反应级数均为1，指前因子k0=3.93×1010L/mol·s-1，活化能Ea=33.89kJ/mol。该反应的本征速率快，乳酸钠-水低共熔吸收剂的脱硫效果由传质过程控制，可通过强化气液传质过程实现。 （2）利用乳酸钠-水低共熔吸收剂可以在超重力旋转填充床中实现深度脱硫，SO2含量可降低至35mg/m3以下，大气液比（500~600）工况下仍可使用较低浓度的吸收剂（0.11mol/L）实现高效脱硫，吸收系统对气体流量波动具有良好的适应性，并在303.15~333.15K较宽的温度范围内均可保持高的脱硫效率，有利于吸收解吸全流程的优化。 （3）建立了超重力旋转床中SO2脱除过程的气液传质模型，将旋转床的气液传质区域划分为填料区和空腔区两部分，认为流体在填料区内以覆盖在填料表面的液膜形式流动，在空腔区内以液滴形式运动，基于双膜理论模型对传质系数进行了计算，根据填料区和空腔区的传质系数结果，通过体积加权平均得到超重力旋转床的传质系数，传质系数的模型值平均相对误差为7.85%且绝大多数预测值误差不超过15%，说明构建的传质模型具有良好的预测性和可靠性。 （4）超重力旋转填充床中，利用直接蒸汽再生工艺可将乳酸钠-水脱硫富液再生，优化的实验条件下，解吸效率可达72.16%，出口负载可以降低至0.276，通过理论分析计算了解吸过程的传质系数（KLa）和传质单元高度（HTU），实验范围内解吸过程的传质单元高度为5.74~7.92cm，低于一般传统填料塔内传质单元高度的数值范围，证明了超重力旋转床强化了解吸过程的气液传质，有望降低设备体积。 （5）实验研究了超重力旋转填充床强化双氧水氧化脱硫的工艺效果，实验结果证明，仅仅通过使用质量分数为0.25~0.38%的双氧水即可实现98.25%以上的脱硫效率，气相中SO2浓度降低至35mg/m3以下，实现了SO2超低排放，原子利用率高。该绿色工艺有望在硫酸需求场景下，如炼厂尾气，硫酸厂尾气处理中实现SO2高效脱除和资源化利用。超重力设备的传质单元高度低，仅为1.60~2.07cm，可大幅降低设备体积和投资成本。
二氧化硫捕集;超重力旋转填充床;反应动力学;气液传质模型;过程强化
北京化工大学
博士
化学工程与技术
陈建峰
2022
中文
TQ028.17
2022-11-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）