资源化膜电解法再生钠碱脱硫渣研究

发布时间：2020-05-10 16:12

【摘要】：烟气脱硫技术可以分为一次性脱硫工艺和可再生性脱硫工艺,同时这两种工艺还可以进一步分为：湿法烟气脱硫、半干法烟气脱硫及干法烟气脱硫技术。制约烟气脱硫技术尤其是一次性脱硫工艺应用的关键问题是：如何处理脱硫过程中所产生的大量废渣。虽然可再生性脱硫工艺能够处置部分烟气脱硫渣,并实现脱硫剂的再生,但是其高昂的装置投入和操作成本制约了此类技术的推广应用。因此,如何处置烟气脱硫产物已经成为人们关注的焦点。膜电解过程,例如电渗析、电解渗析和离子膜电解工艺等,在工业行业尤其是苦咸水脱盐和氯碱工业中已被广泛应用。在过去几十年中,此类技术被越来越多地用于工业和实验室研究。研究者们致力于通过这些技术来去除废水或废气中的有害物质、回收利用废弃物中的有用成分、优化已有技术路线开发新的生产工艺并降低能耗。本研究开发了一种膜电解反应器,可用于从脱硫废渣中有效再生钠碱脱硫剂(NaOH),再生的脱硫剂可以在前置脱硫工艺中循环利用；同时,通过该膜电解过程,硫元素以硫酸的形式得到了回收,并在反应器中产生氢气,收集后可作为清洁能源加以利用。首先,本文建立了三室膜电解反应器再生钠碱脱硫渣的数学模型。该模型基于多物理场的原理描述了溶液主体相和扩散边界层内的膜电解分离过程,综合考虑了反应器内的扩散传质、电迁移过程、气泡效应、反应器几何尺寸及电极上发生的气体析出反应等因素。借助拉普拉斯变换可以得到所建模型的解析解,模型的数值解则可以通过使用Wofram Mathematica和COMSOL Multiphysics软件求得。模拟结果表明,所有的解析解均与数值解之间具有较好的一致性,两组数据之间的相关系数均大于0.95。经过模型的分析可以发现以下参数对反应器性能的优化具有积极的作用：(1)膜两侧较高的浓度梯度有利于离子的传质；(2)电流密度是控制传质过程与气泡形成的关键参数；(3)较小的电解室内间距有利于提高反应的性能；(4)合适的膜有效反应面积有利于传质,并可以保障系统的高性能。其次,通过引入无因次数,所建数学模型可以用于描述膜电解反应器的物料平衡。数值模拟结果表明,所有的模拟结果与实验数据之间具有较好的相关性,进一步证明了所建模型的有效性。通过无因次数的分析发现：(1)泵入酸碱稀溶液进入相应的电解室可以有效提升反应器的性能；(2)过高的电流密度有可能导致NaOH浓缩倍率的下降；(3)在紊流区,扩散边界层的平均厚度存在一个阈值,而在层流区扩散边界层的平均厚度将发生剧烈的变化；(4)过大的紊流流速将对传质过程产生明显的阻滞；(5)通过分析无因次数,可以大致确认传质过程的控制步骤；(6)经过无因次数分析,还可以初步得到系统的优化方案。接下来,在上述理论与实验优化研究的基础上,从数值模拟结果中可以得到膜电解反应器的最佳运行参数,并经实验数据验证后发现：在最佳操作参数条件下,钠碱脱硫剂的再生电流效率可达84%,制备硫酸的电流效率达到87%,这些结果均可与氯碱工业的电流效率相媲美。制氢的平均电流效率最高可达92.32%,且氢转化效率为38.90%,十分接近同样条件下41.43%的理论值。最后,能耗与成本分析结果表明,该电化学再生工艺可以用来有效处理脱硫废渣,并且是一种绿色工艺。因为电子是其主要反应剂,几乎没有二次污染；同时反应器可以使用电厂自有的富裕电或低价谷电来作为能源,从而有效降低运行成本。因此,若该技术集成应用于现有的烟气脱硫工艺,可以将原来费用昂贵的化工过程转变为经济高效的资源化技术并产生清洁能源。
【图文】：

技术路线图,脱硫渣,资源化,资源化技术

烟气脱硫渣和资源化技术。总体研究思路是：在理论及实验室研巧的基础上，建立数学逡逑模型，优化条件，探讨机理，为将来该资源化技术与实际电厂烟气系统的集成应用，打逡逑下理论研究的基础。整个系统的技术路线示意图如图１．３所示，涉及的主要电化学反应逡逑见式（１－９７）和（１－９８）。逡逑ｒｉｕｃ邋ｇａｓ逡逑ａｌｋｒ邋Ｕｅｓｕｌｆｕｒｉ／ａｌｉｏｎ逡逑Ｉ逦＾逦１逡逑逦邋逦Ｔ逦？、逡逑Ｆｌｕｃｇｕｓ逦良ａｇｈｏｕｓｅ逦＞邋＾Ｍｅａｔｅｘｄｉａｎｇｅｒ邋－逦—占—————逡逑。脚ｎ邋ｆｌｕｅ邋ｇａｓ邋＜—逦。严！＂＂ｗｏｒ逦—＜邋—逦—Ｃｏｎｃｏｍｒａｔｅｄ邋Ｉ逦｜＿ＮａＯＨ＿逡逑＾邋ｆｃｌｃｃｉｍｓｉａｔｉｃ邋ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｏｒ逦｜逦谭；，｜逦Ｕ晋逡逑＾逦（）、逦ＩＩ邋１逡逑＇逦＊逦／＂ｖｙｓ邋＇逡逑＇逦、逦Ｉ逦＾＾逦Ｍｅｍｂｒ邋肌邋ｃ邋Ａｎｏｄ？＾逦＞加邋ｏｄｅ逡逑Ｉ邋■邋ｌ．ｎｃｒｇｙ邋Ｉｎｐｕｔ：逦｜逦Ｄｉｓｓｏｉｖｉｎ泣逦ｄｃｃｉｒｏ－ｒｃａｃｌｕｒ逦Ｉ．ＶＯ／邋＇Ｗ邋＿逡逑Ｉ邋Ｓｕｒｐｌｕｓ邋？邋ｏｔｒ＾ｐｃａｋ邋ｃｉｃｃｍｃｉｌｙ邋ｊ逦Ｆ（；Ｄｒ扮Ｍｕａ！ｓ逦＾逦￣邋■邋＊逡逑Ｉ邋■邋ｈｉｃ巧ｙＯｍｐｕｌ：逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦W邋逦逦／逡逑Ｉ邋！ｊ、ｄｒｏｇｃｎ邋ａｓ邋ａ邋ｃｌｅａｎ邋ｅｎｅｒｇｙ邋Ｉ逦Ｄｉｌｕｔｅｄ邋Ｑ逦Ｄ逦Ｄ逡逑Ｉ邋■邋Ｂｙ．町加ｅ，ｓ：逦Ｉ逦Ｐｒｉｍａｌ邋ｋ．ｎｃ逡逑Ｉ邋ｉＫＵｌｍｗｌ邋々ｓｔｏ＂邋Ｉ邋Ｈ邋，１）…＂ｉｉ，；ｒ邋ｐｉ＇ｉｍａ？，ｎ■＂川，，

示意图,膜电解,反应器,基本原理

除了氯碱工业，膜电解反应器还被应用于食品、医药、化工及工业废水处理等领逡逑为此，本课题利用膜电解反应器的这一基本原理，设计了Ｈ室膜电解反应器装置用逡逑于实现烟气脱硫渣的资源化利用，该反应装置示意图如图２．２所示。整个系}q由直流电逡逑源提供反应所需的槽电压，在两个正负电极之间使用阴离子交换膜（ＡＥＭ）和阳离子交逡逑换膜（ＣＥＭ）把电解槽单元分隔成王个腔室，，分别是；阳极室、中间室和阴极室，从而逡逑形成一个膜电解单元。逡逑牛ＤＣ邋—逡逑Ｈ．ＳＯ．逦ｆＴ邋Ｉ邋｛逦＼逦ＮａＯＨ逡逑（Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ）…逦逦％—－邋＂邋－—培－＊邋Ｉ邋（Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ）逡逑片。ｆ逦ｉ钟ｒ逡逑Ｈ；？up：当：尊＇祭灵姢逡逑＾＾Ｉｐｑｔｈｏｄｅ邋Ｐ邋＾逡逑Ａｎｏｄｅ邋ｒｅａｃｔｉｏｎ：逦ＡＥＭ邋介邋ＣＥＭ邋介邋Ｃａｔｈｏｄｅ邋ｒｅａｃｔ；。。：逡逑２封３0邋一邋４／ｒ＋邋0２邋中邋４ｅ邋ｙ逦ｙ逦ｙ邋２Ｈ：０邋牛邋２ｅ邋一邋２０Ｈ—牛逡逑Ｈ２ＳＯ４逦Ｎａ＾ＳＯａ逦ＮａＯＨ逡逑（ａｉｕｔｅｄ）邋（Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ）逦（防邋ｌｕｔｅｄ）逡逑图２．２膜电解反应器基本原理示意图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２．２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｄｅｓｉｇｎｅｄ邋ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｍｂｒａｎｅ邋ｒｅａｃｔｏｒ．逡逑在本课题中，主要针对的烟气脱硫渣是半干法钢碱脱硫工艺所形成的废渣。该脱硫逡逑工艺使用ＮａＯＨ作为起始脱硫剂，使固态的脱硫剂粉末与雾化喷入的水滴形成碱性雾滴逡逑吸收烟气中的Ｓ0２。由于烟气温度较高
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X701.3;X705

【参考文献】