CN103055687B - 一种亚硫酸钙氧化反应的模拟装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种亚硫酸钙氧化反应的模拟装置及方法，装置包括：恒温水浴锅；置于恒温水浴锅中的反应槽及位于反应槽内的第一搅拌器；连接至所述反应槽内的曝气装置、二氧化硫进气装置和pH计；还包括：与所述反应槽底部相连通的进浆装置；与所述反应槽上部相连通的排渣装置；以及与所述二氧化硫进气装置和pH计相连接的中央控制器。本发明的装置和方法操作简单，测试结果准确，可以直接应用于工程实践中。
Description
技术领域
本发明涉及亚硫酸钙氧化反应的模拟实验领域，具体涉及一种亚硫酸钙氧化反应的模拟装置及方法。
背景技术
近几年来，随着国家环保力度的不断加大，火电厂烟气脱硫技术发展迅猛。在众多的烟气脱硫技术中湿法烟气脱硫由于具有脱硫效率高，设备小，投资省，易控制及占地面积小等优点成为国内外大规模商业化应用的脱硫方法。据统计，湿法烟气脱硫占世界上已安装并稳定运行的电厂烟气脱硫装机总容量的85％，尤其是日本占98％，美国占92％，德国占90％。我国20万千瓦机组以上的大中型电厂，湿法脱硫也占脱硫总装机容量的90％，60万以上的大型机组脱硫，至今几乎全都采用湿法脱硫技术。
以石灰石(石灰)为脱硫剂的湿法脱硫技术，是湿法脱硫技术中应用最广泛的技术。一般电厂脱硫采用回收法，即石灰石(石灰)-石膏法。近年来，在石灰石(石灰)-石膏法的基础上又衍生出一些利用碱性废渣作为脱硫剂的湿法脱硫技术，如电石渣-石膏法和白泥-石膏法等。
在湿法烟气脱硫工艺中，亚硫酸钙的氧化是一个重要的化学过程，其氧化程度直接影响到浆液体系的稳定和副产物的品质，且氧化系统的投资及运行成本在整个脱硫工程中占10％左右，因此，开展烟气脱硫亚硫酸钙氧化过程的研究，对优化脱硫系统设计，保证脱硫装置长期稳定运行和降低投资及运行成本具有重要意义。
要研究亚硫酸钙的氧化过程，优化脱硫系统的设计和运行参数，就需要进行模拟实验来完成，而如何模拟实际氧化过程得到可靠的设计和运行参数是一项重大的实验室工作。
常规的亚硫酸钙氧化过程研究实验均采取间歇方式，在反应槽内一次性加入一定体积的脱硫剂浆液，待通入二氧化硫调节浆液pH值稳定后，连续通入空气氧化，在不同的反应时间取样分析浆液亚硫酸根浓度的变化。其反应初始状态、反应过程控制均与实际工程存在差异，初始亚硫酸钙浓度较高，随着实验的进行，亚硫酸钙浓度逐渐下降至接近零，与工程实际情况不符，其测试结果并不能完全应用于工程实践。
发明内容
本发明提供了一种亚硫酸钙氧化反应的模拟装置及方法，操作简单，测试结果准确，可以直接应用于工程实践中。
一种亚硫酸钙氧化反应的模拟装置，包括：恒温水浴锅；置于恒温水浴锅中的反应槽及位于反应槽内的第一搅拌器；连接至所述反应槽内的曝气装置、二氧化硫进气装置和pH计；还包括：与所述反应槽底部相连通的进浆装置；与所述反应槽上部相连通的排渣装置；以及与二氧化硫进气装置和pH计相连接的中央控制器。
用恒温水浴锅加热浆液，使反应在一定的温度条件下进行，通过第一搅拌器的搅拌使浆液均匀，同时搅拌将曝气气泡打碎使气泡均匀分布在反应槽内，提高空气利用率，通过pH计测定浆液的pH值，以便于控制反应在一定的pH值条件下进行，打入的浆液从反应槽底部进入，而排出的渣浆从反应槽上部溢流排出。
本发明中采取浆液循环氧化的方式，由石膏浆液启动氧化，由进浆装置连续的往反应槽中打入脱硫剂浆液，由二氧化硫进气装置和曝气装置连续通入二氧化硫和空气，同时通过排渣装置排出浆液，吸收和氧化过程均是连续进行的，浆液中亚硫酸根一直处于浓度较低并较稳定的状态，待反应稳定(浆液中亚硫酸根浓度比较稳定后)开始取样测试计算氧化速率，与工程实际更符合。
作为优选，所述二氧化硫进气装置包括：二氧化硫钢瓶；连通钢瓶与反应槽的管道；以及设置在该管道上的阀门与质量流量计，所述中央控制器与该质量流量计相连。
二氧化硫自二氧化硫钢瓶出口经质量流量计控制流量后进入反应槽中。
作为优选，所述曝气装置包括：空气泵；设置在反应槽内的鼓泡管；连接所述空气泵与鼓泡管的管道；以及设置在该管道上的转子流量计。
来自空气泵的空气经转子流量计控制流量后通过鼓泡管鼓入反应槽中。
作为优选，所述中央控制器包括：PLC以及与该PLC相连的数据处理装置。
PLC与pH计和质量流量计连接，数据处理装置为电脑，通过PLC和电脑控制程序自动控制二氧化硫通入量，控制反应在一定pH值条件下进行，当反应槽中浆液pH值高于控制值时，二氧化硫流量将自动调大，而当反应槽中浆液pH值低于控制值时，二氧化硫流量将自动调小，以保持浆液pH值一定。这样在进浆泵流量恒定即设定脱硫剂加入流量恒定的条件下，通过PLC控制二氧化硫的通入量来控制反应槽中浆液的pH值，避免钢瓶压力下降造成二氧化硫气体通入量变化带来的干扰，确保反应槽内亚硫酸钙的生成速率稳定。
作为优选，所述进浆装置包括：配浆槽；置于配浆槽中的第二搅拌器；以及连通所述配浆槽与反应槽的进浆泵。
在配浆槽中配制一定浓度的浆液，通过第二搅拌器的搅拌使浆液均匀，然后用进浆泵将一定流量的浆液从反应槽底部打入反应槽中。
所述的排渣装置包括渣浆槽和第三搅拌器。反应槽中的浆液从反应槽上部的溢流口溢流至渣浆槽中，保证反应槽中浆液液位不变，同时使进浆流量与出浆流量保持一致，通过第三搅拌器的搅拌使浆液均匀。
作为优选，所述反应槽为加盖设计，即顶部设有封闭反应槽的盖板，防止水分蒸发；所述反应槽的容积为1～5L，根据实际情况选择，容积太小会降低装置操作冗余度，偏离工程实际工况；容积太大将导致实验成本上升。
本发明还提供了一种模拟亚硫酸钙氧化反应的方法，包括：
(1)在反应槽中配制石膏浆液，在配浆槽中配制与所述石膏浆液钙浓度相同的脱硫剂浆液，调节反应槽内的温度；
(2)将脱硫剂浆液从反应槽的底部连续送入反应槽中，同时向反应槽中通入空气和二氧化硫，所述脱硫剂浆液吸收二氧化硫后生成亚硫酸钙浆液，所述亚硫酸钙浆液被空气氧化为所述石膏浆液，石膏浆液从反应槽的上部溢出至渣浆槽；
(3)定时检测反应槽与渣浆槽中的亚硫酸钙浓度，绘出亚硫酸钙浓度变化曲线，待亚硫酸钙浓度稳定后，计算亚硫酸钙氧化速率；
反应过程中由pH计监测反应槽内的pH值，并将监测的pH值发送给PLC，所述PLC根据该pH值调节二氧化硫的进气量。
作为优选，所述反应槽内的浆液的pH值为5.0～6.0。
作为优选，所述反应槽内的浆液的停留时间为12～24h。
作为优选，所述反应槽内通入的空气和二氧化硫的摩尔比为2.5～4.0。
作为优选，所述反应槽内的浆液的温度为30～55℃。
作为优选，所述反应槽内的浆液的搅拌功率为0.08～0.15kw/m3。
作为优选，步骤(1)中所述石膏浆液的浓度为10-20％，石膏浆液中钙浓度为0.56～1.15mol/L。
本发明的有益效果：
(1)定时检测反应槽与渣浆槽内亚硫酸钙浓度变化，绘制曲线，曲线走势稳定后即可计算出该实验条件下的使用该脱硫剂时亚硫酸钙的氧化速率及氧化性能，实验周期只有传统方法的10％-50％。
(2)在不中断实验进程的情况下，可改变氧化反应的控制参数，包括反应槽浆液pH值、空气流量、反应槽浆液(恒温水浴锅)温度、进浆泵加浆流量、反应槽浆液搅拌强度等，连续进行不同工况的实验，相对于传统方法必须重新配置浆液从头开始测试，本发明提供的技术使得工作效率有很大的提高。
(3)本发明实现了自动控制，具有操作简便、可模拟不同脱硫剂的氧化性能检测。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种亚硫酸钙氧化反应的模拟装置，包括二氧化硫进气装置、曝气装置、进浆装置、反应装置、排渣装置及中央控制器。
二氧化硫进气装置包括二氧化硫钢瓶5和质量流量计7；曝气装置包括空气泵10、转子流量计8和鼓泡管11；进浆装置包括配浆槽3、第二机械搅拌器12和进浆泵9；排渣装置包括渣浆槽4和第三机械搅拌器14；反应装置包括恒温水浴锅1、置于恒温水浴锅1中的反应槽2、置于反应槽2内的第一机械搅拌器13和pH计6，pH计6的电极插入反应槽2中；中央控制系统包括PLC 15和电脑16。
配浆槽3内设置第二搅拌器12，配浆槽3通过进浆管道与反应槽2的底部连通，在该进浆管道上设置进浆泵9，渣浆槽4通过出浆管道与反应槽2上部的溢流口连通，渣浆槽4内设置第三搅拌器14。
浆液的流向是脱硫剂浆液自配浆槽3通过进浆泵9打入反应槽2中，与反应槽2中原有浆液混合，进行吸收氧化反应，同时反应槽2中浆液溢流至渣浆槽4中，保证反应槽2中浆液液位不变，同时使进浆流量与出浆流量保持一致。通过恒温水浴锅1维持反应槽2中的浆液温度，通过pH计6测定反应槽2中浆液的pH值。
二氧化硫钢瓶5通过二氧化硫进气管连通至反应槽2中，在该二氧化硫进气管上设置阀门和质量流量计7，二氧化硫自二氧化硫钢瓶5出口经质量流量计7控制流量后进入反应槽2中。
空气泵10通过空气进气管道至反应槽2中，在该空气进气管道上设置转子流量计8，反应槽2中插有鼓泡管11，空气进气管道的出口与该鼓泡管11连接，来自空气泵10的空气经转子流量计8控制流量后通过鼓泡管11鼓入反应槽2中。PLC15与pH计6和质量流量计7连接，通过PLC15和电脑16中的控制程序自动控制二氧化硫通入量。在脱硫剂加入流量恒定的条件下，通过PLC15控制二氧化硫的通入量来控制反应槽2中浆液的pH值，确保反应槽内亚硫酸钙的生成速率稳定。
本发明的工艺流程如下：
在实验开始前，需根据工程实际情况及实验目的计算并设定部分参数：(1)反应槽内初始石膏浆液浓度；(2)根据反应槽内初始石膏浆液浓度计算出配浆槽内所需配制的脱硫剂浆液浓度，以使两槽内浆液钙浓度相同；(3)反应槽浆液所需控制的pH值；(4)反应槽内浆液停留时间，由此计算出配浆槽加浆泵的流量，以保证钙的加入与溢流速率相同；(5)氧硫比，由此计算出空气的流量；(6)反应槽内搅拌器的搅拌强度；(7)反应槽浆液(恒温水浴锅)温度。
在反应槽2中配制10-20％(或根据实验需求)的石膏浆液5L，在配浆槽3中配制与石膏浆液钙浓度相同的脱硫剂浆液若干，开启反应槽搅拌器13与配浆槽搅拌器12，开启反应槽pH计6、恒温水浴锅1，设定好所需的水浴温度。开启空气泵10与转子流量计8，根据计算出的空气流量，调节转子流量计8，空气通过鼓泡管11进入反应槽2。开启PLC 15与电脑16，将pH计6与质量流量计7连接至PLC 15，在控制电脑16上设定好需要控制的pH值，同时开启进浆泵9、二氧化硫钢瓶5、质量流量计7，由电脑16及PLC系统15根据所需控制到的pH值来控制质量流量计7的流量，配浆槽3中的脱硫剂浆液通过进浆泵9持续、稳定的加入反应槽2，反应槽2因此保持稳定速率溢流，此时开启第三搅拌器14。
反应槽2中进行的反应包括两个过程，首先是脱硫剂吸收二氧化硫后转变为亚硫酸钙，然后是亚硫酸钙被强制氧化生成石膏。定时检测反应槽2与渣浆槽4中的亚硫酸钙浓度，绘出亚硫酸钙浓度变化曲线。
待曲线走势稳定后，计算亚硫酸钙氧化速率。分别取渣浆槽4和反应槽2中浆液测定其亚硫酸钙和残余的钙浓度，通过系统中钙总量守恒计算氧化速率，即通过进浆泵9加入脱硫剂浆液的钙总量减去反应槽2和渣浆槽4中亚硫酸钙对应的钙总量和残余钙总量为生成的石膏所对应的钙总量，而生成的石膏所对应的钙的物质的量与被氧化的亚硫酸钙的物质的量相等，因此用生成的石膏所对应的钙的物质的量除以反应时间即为亚硫酸钙氧化速率。
通过改变实验设定的参数如反应槽浆液pH值、空气流量、反应槽浆液(恒温水浴锅)温度、进浆泵加浆流量、反应槽浆液搅拌强度等，比较各参数下亚硫酸钙氧化速率即可得出工程最优设计和运行参数。
实施例1
某热电厂，3台220t/h锅炉采用石灰石-石膏法脱硫工艺，用本实验装置配制与该工程相同的石灰石浆液模拟亚硫酸钙氧化反应，得出最佳的亚硫酸钙氧化参数为：浆液pH值5.8、氧硫比2.8、浆液温度50℃、浆液停留时间16h、搅拌强度为0.1kw/m3，将实验得出的参数应用到设计和运行中，脱硫系统可连续稳定运行，塔釜内亚硫酸根浓度为0～7mmol/L，石膏纯度为96～99.2％。
实施例2
某企业自备电厂，2台300MW机组采用电石渣-石膏法脱硫工艺，用本实验装置配制与该工程相同的电石渣浆液模拟亚硫酸钙氧化反应，得出最佳的亚硫酸钙氧化参数为：浆液pH值6.0、氧硫比3.3、浆液温度50℃、浆液停留时间18h、搅拌强度为0.1kw/m3，将实验得出的参数应用到设计和运行中，脱硫系统可连续稳定运行，塔釜内亚硫酸根浓度为0～1.25mmol/L，石膏纯度为94.5～98.5％。
Claims (5)
1.一种亚硫酸钙氧化反应的模拟装置，包括：恒温水浴锅；置于恒温水浴锅中的反应槽及位于反应槽内的第一搅拌器；连接至所述反应槽内的曝气装置、二氧化硫进气装置和pH计；其特征在于，还包括：与所述反应槽底部相连通的进浆装置；与所述反应槽上部相连通的排渣装置；以及与二氧化硫进气装置和pH计相连接的中央控制器；
进浆装置包括：配浆槽；置于配浆槽中的第二搅拌器；以及连通所述配浆槽与反应槽的进浆泵；
所述二氧化硫进气装置包括：二氧化硫钢瓶；连通钢瓶与反应槽的管道；以及设置在该管道上的阀门与质量流量计，所述中央控制器与该质量流量计相连；
所述曝气装置包括：空气泵；设置在反应槽内的鼓泡管；连接所述空气泵与鼓泡管的管道；以及设置在该管道上的转子流量计。
2.一种模拟亚硫酸钙氧化反应的方法，其特征在于，包括：
(1)在反应槽中配制石膏浆液，在配浆槽中配制与所述石膏浆液钙浓度相同的脱硫剂浆液，调节反应槽内的温度；
(2)将脱硫剂浆液从反应槽的底部连续送入反应槽中，同时向反应槽中通入空气和二氧化硫，所述脱硫剂浆液吸收二氧化硫后生成亚硫酸钙浆液，所述亚硫酸钙浆液被空气氧化为所述石膏浆液，石膏浆液从反应槽的上部溢出至渣浆槽；
(3)定时检测反应槽与渣浆槽中的亚硫酸钙浓度，绘出亚硫酸钙浓度变化曲线，待亚硫酸钙浓度稳定后，计算亚硫酸钙氧化速率；
反应过程中由pH计监测反应槽内的pH值，并将监测的pH值发送给PLC，所述PLC根据该pH值调节二氧化硫的进气量；
所述反应槽内的浆液的停留时间为12～24h；
所述反应槽内通入的空气和二氧化硫的摩尔比为2.5～4.0。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述反应槽内的浆液的pH值为5.0～6.0。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述反应槽内的浆液的温度为30～55℃。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述反应槽内的浆液的搅拌功率为0.08～0.15kw/m3。
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