烟气活性炭脱硫的实验研究与数值模拟

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在我国,逐年增长的煤炭消费已经造成了严重的环境问题,尤其是二氧化硫(sO2)污染,近几年SO2排放量均居世界前列,因此SO2的控制减排十分重要。活性炭脱硫技术发展前景可观,在我国具有很大的市场:首先,作为干法脱硫技术,可以大大节省淡水资源,适用于我国缺水地区:其次,该技术可以同时去除SO2、NOx、二嗯英及其他污染物,是一种综合烟气净化技术;另外,其副产物硫酸(H2SO4)可以资源化利用,缓解我国对硫资源的需求。本文对活性炭脱硫技术进行较为系统的研究,开展工作如下:(1)实验探讨了活性炭脱硫技术及脱硫机理:该技术优势在于脱硫效率高、无二次污染、吸附剂可循环利用、副产品H2SO4可回收。其吸附过程分为三个阶段,首先分子扩散到活性炭颗粒的表面;之后由颗粒表面向颗粒的内部微孔中扩散直至活性位上;最后在表面活性位上的SO2、O2、H2O被吸附、催化氧化及硫酸化。(2)开展了活性炭脱硫的实验研究,结合实际脱硫工艺比较了不同操作条件对活性炭脱硫的影响:预处理方法、水蒸气含量、吸附温度、初始SO2浓度及烟气流速是影响活性炭脱硫的主要因素,通过研究得出结论:(a)酸洗可以去除活性炭中近10%的灰分,大大提高脱硫效率;(b)烟气中水蒸气含量的增加对应的脱硫率先增加后减小,最佳的水蒸气含量值为8%;(c)脱硫率随温度的增加先增加后减小,60℃为最适宜温度;(d)烟气脱硫率随烟气速率的增加而减小,当烟气速率在0.24m/s时,反应10min对应的脱硫率高达为99%;(e)综合以上条件得最佳脱硫条件,其脱硫率在前15min都可以保持在90%以上,穿透时间超过40mins,活性炭吸附硫容量为37mgSO2/g AC。(3)对吸附床进行了计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)数值模拟,研究了吸附过程中流场分布,并考察了不同操作条件下多孔介质的吸附情况:反应区随着时间的变化逐步从入口移至出口,占整个反应器的面积先增大后减小,最大达70%以上;烟气进入吸附床后速度逐渐下降;由于反应集中在吸附床的中间带,且反应放热,所以出现中间温度较高,边界区域较低的现象。通过改变模型的入口速度、吸附温度及初始SO2浓度,观察流程中SO3浓度的变化:(a)速度越小,反应区内SO3浓度越高,与实验结果一致;(b)吸附温度越高,SO3生成量越多,与理论分析一致;(c)初始SO2浓度越高,生成的SO3越多,与实验值相一致。
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