垃圾渗沥液—烟气脱硫体系气液吸收与解吸过程研究

发布时间：2020-09-26 19:53

　　寻求廉价且性能可靠的湿法烟气脱硫新工艺、新型高效吸收剂和经济有效、技术先进的城市垃圾填埋场渗滤液中高浓度氨氮预处理方法，一直是环境化学工程领域的两大热点。本研究首次提出并建立了垃圾渗滤液湿法烟气脱硫-微生物硫转化互补体系，利用垃圾渗滤液的高碱度和液相金属离子催化氧化性“以污治污”吸收二氧化硫，同时较高温度的烟气又作为汽提介质“以污治污”吹脱垃圾渗滤液的氨氮。本文系统研究了垃圾渗滤液吸收烟气中SO_2并伴随氨的解吸这一复杂过程的反应机理、宏观动力学控制步骤和工艺特性，并对这一特殊的气液吸收和解吸过程进行了数值模拟。针对垃圾渗滤液组成复杂的特性，采用自行设计的双磁力搅拌气液反应器通过实验首次研究了含有NH_4~+-N、过渡金属离子、无机阴离子、复杂有机物的垃圾渗滤液吸收SO_2同时伴随渗滤液氨解吸过程的反应机理，采用L_9(3~4)正交试验研究了垃圾渗滤液的pH值、Fe~(2+)、Mn~(2+)、Cl~-、乙醇以及甲苯等代表性因子的显著性，并证实这些因子对SO_2吸收效率影响的大小依次为pH值、Fe~(2+)和Mn~(2+)的浓度、Cl~-浓度及乙醇和甲苯的浓度。对pH值、Fe~(2+)、Mn~(2+)、Cl~-、乙醇以及甲苯等代表性因子进行了机理分析、定量实验研究和数学模拟。结果表明，(1)垃圾渗滤液pH值是SO_2吸收率和氨氮吹脱去除率的关键因素，高的初始pH值可同时获得较高的氨氮吹脱去除率和脱硫率。(2)垃圾渗滤液的初始pH值为8.5，液气比为3L／m~3并控制吸收终点pH值为6.0，SO_2平均吸收率可达85％，氨氮吹脱累计去除率可达44％。(3)垃圾渗滤液pH值低于7时，渗滤液中较低浓度的Fe~(2+)、Mn~(2+)对液相的S(Ⅳ)氧化仍具有较显著的催化作用，在相同浓度下，Mn~(2+)的催化作用优于Fe~(2+)，但二者的催化行为总体上类似，提高Fe~(2+)、Mn~(2+)浓度可有效促进SO_2的吸收率。(4)Cl~-对SO_2吸收的促进作用主要归因于Cl~-对液相的S(Ⅳ)氧化具有较显著的催化作用，而这种催化作用必须在Fe~(2+)、Mn~(2+)的协同下才可能发生。(5)乙醇能通过抑制液相的S(Ⅳ)氧化反应降低SO_2的吸收效率，但四川大学博士学位论文总体上这种抑制作用明显小于Fe2+、M矛十以及cl‘的催化作用。(6)液相发生的 S(W)氧化反应对于促进苯基类难生物降解物质的破环有促进作用，有利于后续的生物硫转化工艺。(7)垃圾渗滤液吸收烟气502的宏观动力学过程较复杂，总体上属于传质速度控制过程而非动力学控制过程，由实验结果，可以根据溶液pH值的变化划分传质速度控制过程，当体系的pH值较高时(pH值)8.5)，气相扩散阻力为主导性因素，吸收过程控制步骤可视为气相扩散控制;当4簇pH 成6.5值时，液相扩散阻力为主导性因素，吸收过程控制步骤可视为液相扩散控制;而当6.5pH8值时可能呈现出气、液扩散同时控制的特点。体系伴随的氨的解吸为气相扩散控制过程。通过实验详细测定了必loomm常规填料塔内脱硫率和氨氮脱除率随液相停留时间、操作温度、喷淋密度、液气比、烟气中502浓度和渗滤液中氨氮浓度等的变化情况，分析了这些操作参数对过程的影响，并根据实验数据得出了脱硫率、氨氮脱除率和操作参数之间的回归经验方程。在液相停留时间为 45min，操作温度so.c，喷淋密度3 m3/m2·h，液气t匕3L/m3，烟气502浓度zsoopm 的较佳工艺组合条件下，S仇平均吸收率可达85%，氨氮总去除率达40%，吸收尾液COD/s比为2.1，有利于后序吸收尾液中硫的微生物转化处理。基于经典双膜传质理论，建立了填料塔内垃圾渗滤液吸收烟气中502并伴随氨的解吸过程的数学模型，根据工艺研究的实验条件对模型赋初值，结合模型参数估值确定适宜的边界条件，采用MaPles.0对模型方程进行求解，得到了液膜内各组份的浓度分布特性曲线，以及气相分压、pH值、传质阻力、传质速率、吸收增强因子等沿塔高的分布特性，结果表明模型预测结果和实验结果吻合良好。通过本文研究，弄清了垃圾渗滤液吸收烟气中502并伴随氨的解吸过程的反应机理和宏观动力学控制步骤，掌握了填料塔内垃圾渗滤液吸收烟气中502 并伴随氨的解吸过程的工艺操作特性及其规律，基于对实验数据的数学模拟给出了较佳的操作参数范围。基于经典双膜传质理论建立了过程模拟计算的模型，为本工艺过程和其它湿法烟气脱硫过程的传质一反应现象提供了一个定量的理论分析和工程设计基础。关键词:烟气脱硫垃圾渗滤液亚硫酸盐硫酸盐液相催化氧化数值模拟
【学位单位】：四川大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2004
【中图分类】：X705
【文章目录】：
中文摘要
Abstract
第一章前言与文献综述
    1.1 前言
    1.2 湿法烟气脱硫技术现状及发展趋势
    1.3 新兴的湿法烟气脱硫—微生物硫转化技术现状及发展趋势
    1.4 垃圾渗沥液高浓度氨氮预处理技术现状及发展趋势
    1.5 垃圾渗沥液烟气脱硫-微生物硫转化互补体系的提出和建立
    1.6 液相S（Ⅳ）的催化氧化研究现状及发展趋势
        1.6.1 金属离子的催化作用
-的催化作用'>        1.6.2 Cl^-的催化作用
        1.6.3 醇类对液相S（Ⅳ）的催化氧化的抑制作用
        1.6.4 液相S（Ⅳ）的催化氧化对有机物溶解的促进作用
    1.7 湿法烟气脱硫过程的传质-反应模型的研究与进展
        1.7.1 湿法烟气脱硫气液吸收模型研究的回顾与进展
2吸收模型的研究回顾与进展'>        1.7.2 湿法烟气脱硫过程SO₂吸收模型的研究回顾与进展
    1.8.本文研究问题的提出、研究思路及其意义
2吸收反应机理和气液吸收、解吸的宏观动力学特征研究'>第二章垃圾渗沥液烟气脱硫体系SO₂吸收反应机理和气液吸收、解吸的宏观动力学特征研究
    2.1 引言
    2.2 实验材料、装置和方法
        2.2.1 实验材料
            2.2.1.1 垃圾渗沥液
            2.2.1.2 模拟烟气
        2.2.2 实验装置及流程
        2.2.3 分析与计算方法
    2.3 体系反应机理和影响因素分析
        2.3.1 体系的化学反应
        2.3.2 含硫组分在溶液中的分布
        2.3.3 氨氮组分在溶液中的分布
    2.4 结果与讨论
        2.4.1 垃圾渗沥液的缓冲能力—垃圾渗沥液烟气脱硫的可行性考察
2影响的显著性分析'>        2.4.2 垃圾渗沥液中各组分对吸收SO₂影响的显著性分析
2反应的组分'>            2.4.2.1 垃圾渗沥液中可能与SO₂反应的组分
            2.4.2.2 正交试验结果及分析
        2.4.3 垃圾渗沥液pH值对氨氮吹脱和脱硫的影响及其机理分析
            2.4.3.1 垃圾渗沥液脱硫过程中各组分和pH值的关系
            2.4.3.2 垃圾渗沥液初始pH值对体系脱硫和氨氮解吸的影响
2+、Mn²⁺对脱硫性能的影响及其机理分析'>        2.4.4 垃圾渗沥液中Fe²⁺、Mn²⁺对脱硫性能的影响及其机理分析
-对脱硫性能的影响'>        2.4.5 垃圾渗沥液中Cl^-对脱硫性能的影响
        2.4.6 垃圾渗沥液中乙醇对脱硫性能的影响
        2.4.7 垃圾渗沥液中S（Ⅳ）的氧化对芳香基难降解有机物的影响
        2.4.8 体系气液吸收和解吸的宏观动力学特性
            2.4.8.1 液相扩散阻力的判别—液相搅拌速度对氨氮吹脱和脱硫过程的影响
            2.4.8.2 气相扩散阻力的判别—气相搅拌速度对氨氮吹脱和脱硫过程的影响
            2.4.8.3 动力学控制的判别—反应温度对氨氮吹脱和脱硫过程的影响
2吸收和氨氮吹脱的工艺特性研究'>第三章垃圾渗沥液中SO₂吸收和氨氮吹脱的工艺特性研究
    3.1 引言
    3.2 实验材料、装置和方法
        3.2.1 实验材料
        3.2.2 实验装置及流程
        3.2.3 分析和计算方法
    3.3 结果分析与讨论
        3.3.1 液相平均停留时间对氨氮吹脱和脱硫过程的影响
        3.3.2 喷淋密度对氨氮吹脱和脱硫过程的影响
        3.3.3 温度对氨氮吹脱和脱硫过程的影响
        3.3.4 液气比对氨氮吹脱和脱硫过程的影响
2浓度对氨氮吹脱和脱硫过程的影响'>        3.3.5 烟气中SO₂浓度对氨氮吹脱和脱硫过程的影响
        3.3.6 渗沥液中氨氮浓度对氨氮吹脱和脱硫过程的影响
2后吸收尾液组成及其对后续生化工艺影响分析'>        3.3.7 渗沥液吸收SO₂后吸收尾液组成及其对后续生化工艺影响分析
第四章垃圾渗沥液—烟气脱硫体系气液吸收及解吸过程的数学模型研究
    4.1 引言
    4.2 基于双膜理论描述液相化学吸收的速率级模型及其求解
        4.2.1 概述：双膜传质理论
        4.2.2 化学吸收模型的建立
            4.2.2.1 质量衡算
            4.2.2.2 能量衡算
            4.2.2.3 电中性方程
            4.2.2.4 相平衡方程
            4.2.2.5 膜内的传质和反应方程
            4.2.2.6 模型中相关参数的计算
        4.2.3 化学吸收模型的优化
        4.2.4 化学吸收模型的求解
            4.2.4.1 数值解法
            4.2.4.2 解析解法
            4.2.4.3 数值解法和解析解法的比较
    4.3 垃圾渗滤液—烟气脱硫体系气液吸收及解吸的系统描述
    4.4 垃圾渗滤液—烟气脱硫体系气液吸收及解吸的模型方程
        4.4.1 吸收塔物料衡算方程
            4.4.1.1 气相一侧
            4.4.1.2 液相一侧
            4.4.1.3 气液两相的关联
        4.4.2 膜内的组分扩散和反应
            4.4.2.1 膜内组分的扩散和反应方程
            4.4.2.2 边界条件
    4.5 垃圾渗滤液—烟气脱硫体系气液吸收及解吸模型中物理特性参数的估算
        4.5.1 扩散系数
        4.5.2 离解平衡常数和溶解度常数
        4.5.3 活度系数
        4.5.4 传质系数、界面面积及液膜厚度
    4.6 垃圾渗滤液—烟气脱硫体系气液吸收及解吸模型的求解
        4.6.1 模型的优化
        4.6.2 模型的求解
    4.7 垃圾渗滤液—烟气脱硫体系气液吸收及解吸过程数值模拟结果和讨论
        4.7.1 模型的赋值
        4.7.2 液膜内组分的浓度分布
        4.7.3 沿填料高度分布的分压和传质速率
        4.7.4 pH值沿填料塔高度的分布
        4.7.5 吸收增大因子和气膜、液膜的阻力
2浓度的影响'>        4.7.6 烟气SO₂浓度的影响
第五章结论
符号说明
参考文献
作者简历及在读期间科研成果简介
声明
致谢

【引证文献】