超重力强化H2O2-NaOH复合吸收液脱硝

2021-01-20 作者：佚名网友评论 0 条

在旋转填充床中进行H2O2-NaOH复合吸收液脱硝的实验研究。考察了旋转填充床的转速、气液比、吸收液的浓度和组分以及循环时间等因素对脱硝率的影响，并检测了吸收产物。

段开娇^1,2*，彭金辉²，刘天成

1. 云南民族大学化学与环境学院2. 非常规冶金教育部重点实验室

氮氧化物（NOx）主要来源于金属冶炼厂、燃煤电厂、水泥厂以及生产和使用硝酸的工厂[1-4]，其排放严重危害人体健康和破坏生态环境：酸雨、雾霾、臭氧层空洞及光化学烟雾等[5-6]。工业化应用中主要采用选择性催化还原法（selective catalytic deduction，SCR）[7-9]脱除NOx，但是这种方法存在成本高、液氨易腐蚀泄漏及催化剂的低温活性差等缺点。

旋转填充床（又称超重力机，rotating packed bed，RPB）[10-11]作为一种传质效果好、体积小、造价低的过程强化设备，已经被广泛用在强化传质和反应过程中。陈建峰等[12-14]利用臭氧氧化NO，采用RPB脱硝，以H2O2为吸收液获得85%的脱硝率；刘有智等[15-17]研究了RPB中气液传质的原理并采用臭氧氧化NO，在RPB中以硝酸作吸收液，脱硝率达90%。针对低浓度的NOx废气，在RPB中同时完成氧化与吸收的研究报道较少。本课题组在前期研究的基础上，利用RPB旨在解决低浓度NOx废气同时氧化与吸收的问题，为当前低浓度NOx废气的处理提供可能的解决办法。

1 实验部分

1.1 实验试剂与设备

原料气体：N2（99.99%）、O2(99. 999%)、NO（1%，其余为N2），昆明梅塞尔气体产品有限公司生产。NaOH（分析纯）、H2O2（分析纯），国药集团化学试剂公司生产。

仪器：D08-4F型质量流量控制器、D07型质量流量计，北京七星华创有限公司生产；WTS9106型全自动便携式模拟废气分析仪，英国凯恩公司生产；旋转填充床，云南民族大学自主研发；ICS-1500型离子色谱仪，美国戴安公司生产。

1.2 实验方法及流程

如图1所示，采用转子内径45 mm，外径105 mm，高15 mm的逆流型旋转填充床（RPB）。通过质量流量计精确控制各路气体流量，在混合罐中配置成模拟工业废气，待气体稳定30 min后，混合气体通入开启的RPB。通过蠕动泵将循环吸收瓶中的吸收液泵入RPB中，在超重力环境下吸收液流经RPB填料形成液膜，混合气体经过填料与吸收液逆流接触和反应，反应后的吸收液从RPB液体出口进入循环吸收瓶，气体由气体出口排出。每隔30 min在RPB的气体进口处和气体出口处取样，每次取3个平行样品检测，取其结果平均值。

2 结果与讨论

2.1 旋转填充床转速对脱硝率的影响

模拟废气气体流量为0.3 L·min-1，各气体组成为0.1% NO，5% O2，其余为载气N2。气液比为10:1，分别以去离子水（H2O）、0.2 mol·L H2O2溶液、0.04 mol·L-1 NaOH溶液为单组份吸收液，以0.04 mol·L-1NaOH和0.2 mol·L-1 H2O2溶液为复合吸收液，脱硝率随旋转填充床转速的变化，如图2所示。

由图2可知，改变旋转床的转速，以去离子水为吸收液，脱硝率均保持在30%附近；分别以0.04 mol·L-1 NaOH为碱性吸收液和以0.2 mol·L-1 H2O2为氧化吸收液，当转速提高至500 r·min-1后，脱硝率分别保持在45%和50%左右。而对于0.04 mol·L-1 NaOH+0.2 mol·L-1 H2O2复合吸收液，增大旋转床转速，脱硝率逐渐提高，当转速达到1 000 r·min-1时，脱硝率达到92%并逐渐趋于平稳。相比于单组分吸收液，转速对复合吸收液的脱硝率影响更大，原因可能是去离子水和碱液只能吸收NOx中极少部分的NO2，占比最大的NO由于未被氧化所以直接排出旋转填充床，尽管提高转速能大大增加丝网填料对吸收液的切割力度，把吸收液切割成更小的液滴、液膜和液丝，加快表面更新速率，但是由于NOx的氧化度极低，液膜吸收为控制步骤，所以转速的影响对脱硝率影响甚微。以H2O2为吸收液时，虽然提高了NOx的氧化度，但此时吸收液中主要发生如下反应：

吸收过程中会有1/3 以上的进口NO不能被吸收而逸出，表明NOx的液相脱除，氧化反应是关键。对于以氧化液和碱液混合的复合吸收液，提高转速同时强化了氧化反应和吸收反应的传质速率，增大了气液两相的传质面积和表面更新速率，所以脱硝率逐渐增大。当转速小于1 000 r·min-1，气体和液体的停留时间比较长，能进行充分的吸收反应。但是当转速超过1 000 r·min-1之后，由于转子的转速越高，气体和液体的停留时间明显变短，部分液体还没有来得及与气体充分接触就被甩出填料层，导致脱硝率逐渐下降，说明停留时间已经成为反应的制约因素。

2.2 气液比对脱硝率的影响

RPB转速为1 000 r·min-1，吸收液分别为0.04 mol·L-1 NaOH+0.05 mol·L-1 H2O2、0.04 mol·L-1NaOH+0.1 mol·L-1 H2O2和0.04 mol·L-1的NaOH+0.2 mol·L-1 H2O2复合吸收液，其余实验参数同2.1。脱硝率随气液比的变化，如图3所示。

由图3可知，随着H2O2浓度的增加，脱硝率明显提高，表明提高NOx的氧化度能有效提高脱硝率。对于这三种吸收液，随着气液比的增大，脱硝率均逐渐降低。实验中采用保持进气量不变，降低吸收液泵入量的方式提高气液比，则填料的润湿程度降低，填料床内的有效传质面积减小，在传质推动力不变时，传质系数下降，脱硝率降低。若实验保持吸收液泵入量不变，通过提高进气量来提高气液比，在有效的填料润湿度条件下，气液两相的接触时间变短，还未充分反应就被甩出填料，也会导致脱硝率降低。因此，降低气液比有利于脱硝率的提高，但实际应用中气液比降低会提高操作费用，因此在兼顾环保性和经济性的前提下，实验确定的合适气液比值为10:1。