CN108982278A

CN108982278A - 一种基于气流床的粉焦吸附二氧化硫/HCl性能评价方法

Info

Publication number: CN108982278A
Application number: CN201810834727.8A
Authority: CN
Inventors: 马春元; 刘志; 王涛; 张立强; 赵希强; 程星星
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2018-07-26
Filing date: 2018-07-26
Publication date: 2018-12-11
Anticipated expiration: 2038-07-26
Also published as: CN108982278B

Abstract

本发明公开了一种基于气流床的粉焦吸附二氧化硫/HCl性能评价方法，提供蛇形管吸附反应器，管道式吸附反应器是由若干根竖管、若干弯头和若干T型三通阀组成的蛇形式单通管路，其入口由吸附质气体入口和粉状活性焦给料口构成，每个T型三通阀和反应器出口分别对应一个取样口，取样口连接气固分离装置；向吸附质气体入口通入含有SO₂/HCl的待测气体，同时向粉状活性焦给料口通入粉状活性焦，分别获得取得样品及取得样品的时间，检测不同取样口样品的吸附SO₂/HCl的质量，根据两个取样口获取样品吸附SO₂/HCl的质量差值及两个取样口获取样品的时间差值，即可获得两个取样口之间区域的粉焦吸附SO₂/HCl的速率。

Description

一种基于气流床的粉焦吸附二氧化硫/HCl性能评价方法

技术领域

本发明属于环保领域，具体地说，是一个用于评价粉状活性焦在气流夹带状态下脱硫或脱氯化氢性能的方法。

背景技术

活性焦/炭是一种具有丰富孔隙结构和巨大比表面积的碳质吸附材料，它具有吸附能力强、化学稳定性好、力学强度高，且可方便再生等特点。工业应用的活性焦为直径5～9mm的颗粒状活性焦，其制造工艺复杂、价格昂贵、机械损耗较大，限制了活性焦的推广应用。本发明的申请人在公开号为CN103224235A的“一种利用煤粉快速制备脱硫用粉末状活性焦的工艺及装置”中提出的技术可以采用电厂原位煤粉为原料，以热烟气为反应介质，在上行气流床中实现粉状活性焦的快速制备，该制备技术大大降低了活性焦的制备成本。粉状活性焦同样具有复杂的孔隙结构和较高的比表面积，可用于多种气相污染物的吸附脱除；同时由于粉焦具有较小的平均粒径，其在吸附过程中能更好地与吸附质混合接触，大大改善了传质条件，在吸附速率等性能上优于颗粒状活性焦/炭。

传统评价传统颗粒状活性焦的对SO₂/HCl吸附性能评价方法一般采用固定床式吸附器，主要用于测试一段时间内活性焦的吸附容量。该评价方法，一方面，不能排除外扩散的影响，从而无法测出活性焦的本征吸附速率等一些设计工业级吸附反应器所需的参数；另一方面，固定床内的流场与脱硫塔等工业吸附装置(气流床)内流场并不相同，因而采用固定床式吸附器不能模拟工业应用时粉状活性焦对SO₂/HCl的真实吸附状态。因此针对颗粒状活性焦对SO₂/HCl吸附性能的传统评价方法已不适用于粉状活性焦，有必要发明一种针对粉状活性焦吸附SO₂/HCl性能的评价系统。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的目的之一是提供一种基于气流床的粉焦吸附SO₂/HCl性能评价方法，能够测试粉状活性焦在吸附质气流夹带下的吸附SO₂/HCl速率随时间的变化。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于气流床的粉焦吸附SO₂/HCl性能评价方法，提供蛇形管吸附反应器，所述管道式吸附反应器是由若干根竖管、若干弯头和若干T型三通阀组成的蛇形式单通管路，蛇形式单通管路的入口由吸附质气体入口和粉状活性焦给料口构成，每个T型三通阀和蛇形式单通管路的出口分别对应一个取样口，取样口连接气固分离装置；

向吸附质气体入口通入含有SO₂/HCl的待测气体，同时向粉状活性焦给料口通入粉状活性焦，分别获得取样口取得的样品及取样口取得样品的时间，获取样品的取样口至少为两个，检测不同取样口样品的吸附SO₂/HCl的质量，根据两个取样口获取样品吸附SO₂/HCl的质量差值及两个取样口获取样品的时间差值，即可获得两个取样口之间区域的粉焦吸附SO₂/HCl的速率。

本发明采用高速气流夹带微量粉状活性焦的方式，在恒定的吸附质浓度气氛中、极低的吸附剂当量比下，利用控制吸附反应管的长度来实现对吸附时间的控制，从而可以计算出排除外扩散影响后的活性焦吸附速率。

本发明设置若干取样口，并在取样口连接气固分离装置，既能够通过气固分离装置获得吸附SO₂/HCl的粉状活性焦样品，又能获得取得样品的时间。同时本发明取得样品是将待测气体与粉状活性焦一并取出，能够保证粉状活性焦与待测气体的比例不变，并在旋流器内进行快速气固分离，从而保证不影响蛇形管吸附反应器中粉状活性焦对SO₂/HCl的吸附速率，使检测的粉焦吸附SO₂/HCl的速率更准确。

本发明的目的之二是提供一种实现上述方法的系统，包括焦粉给料装置、气体混合装置、加热装置、吸附气体产生装置，所述吸附气体产生装置包括若干气瓶，每个气瓶的出口管道均设有质量流量控制器，每个气瓶的出口管道的出口按照气体流向依次连接气体混合装置、加热装置及蛇形管吸附反应器的吸附质气体入口，焦粉给料装置的出口连接粉状活性焦给料口，若干气瓶中的一个气瓶内装有SO₂/HCl标气。

本发明的有益效果为：

利用本发明的基于蛇形管吸附反应器的粉焦吸附SO₂/HCl性能评价方法，能够获得流态化吸附过程中不同工况下粉状活性焦吸附SO₂/HCl的速率，还可以绘制出流态化吸附过程中不同工况下粉状活性焦吸附SO₂/HCl的速率随吸附时间的变化曲线，从而对粉焦的吸附性能进行一个直观的评价，为工业设计流化床脱硫塔提供参数支持。本发明采用的实验系统中采用的蛇形管吸附反应器属于实验室规模的装置，相比建造十余米高的脱硫塔对场地空间的要求较低，为实现对粉焦流态化吸附性能的评价提供了一种可行性较高的方法。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明系统的结构示意图；

图2为蛇形管吸附反应器的结构图；

图3为图2的俯视图；

图4为图2的仰视图；

其中，1、高纯氮气瓶；2、高纯氧气瓶；3、SO₂标气气瓶；4、质量流量控制器；5、水蒸气发生装置；6、蠕动泵；7、水箱；8、超纯水；9、螺旋给料机；10、粉焦；11、蛇形管吸附反应器；12、料仓；13、气体加热器；14、模拟烟气入口；15、入料口；16、文丘里管；17、吸附反应器主体管道；18、变径管；19、T型三通阀；20-29、取样口；30、加热炉；31、旋流器；32、收料瓶；33、尾气；34、洗气瓶。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本申请中粉状活性焦简称粉焦或焦粉。

本申请所述气固分离装置为能够将气固进行分离的装置，例如旋流器等。

本申请中所述的焦粉给料装置为能够供应粉状活性焦的装置，例如螺旋给料机及相应管路。

本申请所述气体混合装置为能够为气体的混合提供空间的装置。

本申请所述加热装置为能够为混合气体加热的装置。

本申请中提到的气瓶均为气体生产厂商提供的标准40L高压气瓶，其中高纯氮和高纯氧均为纯度＞99.999％的规格为40L的气瓶；SO₂标气为含有5000ppm SO₂；HCl标气为含有5000ppm HCl。

正如背景技术所介绍的，针对颗粒状活性焦吸附SO₂/HCl的固定床式评价方法不能对粉状活性焦吸附SO₂/HCl性能进行评价的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种基于气流床的粉焦吸附SO₂/HCl性能评价方法。

本申请的一种典型实施方式，提供了一种基于气流床的粉焦吸附SO₂/HCl性能评价方法，提供蛇形管吸附反应器，所述管道式吸附反应器是由若干根竖管、若干弯头和若干T型三通阀组成的蛇形式单通管路，蛇形式单通管路的入口由吸附质气体入口和粉状活性焦给料口构成，每个T型三通阀和蛇形式单通管路的出口分别对应一个取样口，取样口连接气固分离装置；

本申请设置若干取样口，并在取样口连接气固分离装置，既能够通过气固分离装置获得吸附SO₂/HCl的粉状活性焦样品，又能获得取得样品的时间。同时本申请取得样品是将待测气体与粉状活性焦一并取出，能够保证粉状活性焦与待测气体的比例不变，从而保证不影响蛇形管吸附反应器中粉状活性焦对SO₂/HCl的吸附速率，使检测的粉焦吸附SO₂/HCl的速率更准确。

为了更好的评价不同工况下粉焦吸附SO₂/HCl性能，本申请优选的，获取样品的取样口为蛇形管吸附反应器的所有取样口，根据相邻样品口取样样品吸附SO₂/HCl的质量差值及相邻取样口获取样品的时间差值，计算相应区段内SO₂/HCl的平均吸附速率，根据不同区段内的SO₂/HCl的平均吸附速率绘制活性焦吸附SO₂/HCl的速率随时间的变化曲线。

优选的，向粉状活性焦给料口通入粉状活性焦的活性焦当量比为0.08～0.12。所述活性焦当量比是指单位时间内进入反应器的活性焦质量/能将单位时间内进入反应器的吸附质(SO₂/HCl)完全吸附且恰好达到吸附饱和的活性焦的质量。

优选的，将粉状活性焦筛分获得不同粒径的粉状活性焦，选择其中特定粒径范围的粉状活性焦，将选定的粉状活性焦输入至粉状活性焦给料口。

优选的，粉状活性焦的粒径范围为50～200μm。

优选的，待测气体的速率为4～16m/s。

优选的，蛇形式单通管路的温度为100～150℃。

为了防止粉状活性焦堵塞管路，影响方法的准确性，本申请优选的，所述竖管下部设有缩径结构的变径管。

为了方便控制取样口的取样时间，本申请优选的，相邻取样口之间管路距离相等。

优选的，粉焦吸附二氧化硫的速率的计算公式为：

式中：

V_n：第n个吸附区段内粉焦SO₂平均吸附速率，单位：mg/(g·s)(其中，n表示正整数，本领域的技术人员可根据实际情况确定n值)；

S₁：目标区段前端取样口的单位质量样品含硫量，单位：％；

S₂：目标区段后端取样口的单位质量样品含硫量，单位：％；

t₁：目标区段前端取样口的出料时间，单位：s；

t₂：目标区段后端取样口的出料时间，单位：s。

优选的，粉焦吸附HCl的速率的计算公式为：

式中：

V_n：第n个吸附区段内粉焦HCl平均吸附速率，单位：mg/(g·s)(其中，n表示正整数，本领域的技术人员可根据实际情况确定n值)；

C₁：目标区段前端单位质量样品Cl元素含量，单位：％；

C₂：目标区段后端单位质量样品Cl元素含量，单位：％；

t₁：目标区段前端出料时间，单位：s；

t₂：目标区段后端出料时间，单位：s。

本申请的另一种实施方式，提供了一种实现上述方法的系统，包括焦粉给料装置、气体混合装置、加热装置、吸附气体产生装置，所述吸附气体产生装置包括若干气瓶，每个气瓶的出口管道均设有质量流量控制器，每个气瓶的出口管道的出口按照气体流向依次连接气体混合装置、加热装置及蛇形管吸附反应器的吸附质气体入口，焦粉给料装置的出口连接粉状活性焦给料口，若干气瓶中的一个气瓶内装有SO₂/HCl标气。

优选的，包括加热炉，所述气体混合装置、加热装置、蛇形管吸附反应器均设置在加热炉内。

优选的，所述气体混合装置为水蒸气发生装置，所述水蒸气发生装置为绕有电加热丝的柱形金属壳体，所述金属壳体内装置蓄热陶瓷，所述水蒸气发生装置的进水口通过进水管路连接水箱，所述水蒸气发生装置的进气口连接每个气瓶的出口管道的出口。

进一步优选的，所述进水管路设有蠕动泵，用于控制水的流量。

优选的，气固分离装置的固相出口连接收料瓶，气固分离装置的气相出口连接洗气瓶。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。

以粉焦吸附SO₂为例

实施例1

采用的系统如图1～4所示，包括吸附气体产生装置、焦粉给料装置、控温保温装置、蛇形管吸附反应器、气固分离装置和尾气处理装置。

所述吸附气体产生装置包括用聚四氟乙烯管或硅胶管依次连接的气瓶(高纯氮气瓶1、高纯氧气瓶2、SO₂标气气瓶3)、质量流量控制器4和水蒸气发生装置5，并采用蠕动泵6从水箱7中吸水为水蒸气发生装置5提供稳定流量的超纯水8。

所述水蒸气发生装置5为一个圆柱状金属壳体，用电加热丝加热，内部装有适量的蓄热陶瓷，由蠕动泵6送来的水滴到炽热状态的蓄热陶瓷表面即瞬间蒸发为水蒸气。

所述焦粉给料装置主体为一个螺旋给料机9，用于将粉焦10按一定的给料速率送入蛇形管吸附反应器11，自带全密封料仓12，可实现正压给料。

所述控温保温装置由一个加热炉30构成，加热内腔尺寸：0.4*0.6*3.0米，加热方式为电阻丝空气辐射式加热，采用轻型莫来石纤维保温隔热板做外壳保温；加热炉内部依次串联水蒸气产生装置5、气体加热器13和蛇形管吸附反应器11。

所述蛇形管吸附反应器11结构如图2所示，反应器整体设计为由316L不锈钢(良好的耐腐蚀性、耐高温800℃)做成，高2.36m，长0.5m，宽0.26m；模拟烟气流经气体加热器13加热到吸附反应所需温度后，由模拟烟气入口14进入，并夹带由入料口15进入的粉焦10经过文丘里管16混合后进入吸附反应器主体管道17；反应器主体管道共23根竖管，竖管内径20mm，为防止粉焦在反应器底部堆积而设置变径管18，下部弯头处内径8mm；每根竖管高2m，全长(不含弯头处)46m，沿程有9个T型三通阀19，对应设有10个取样口20～29。

所述气固分离装置主体为一个旋流器31，依次连接10个取样口20-29，将取样口出来的模拟烟气和粉焦10进行分离，分离出来的粉焦落入收料瓶32，未分离的粉焦和尾气33进入装有碱液的洗气瓶34被进一步吸收处理。

实施例2

结合图1～4，一种粉焦吸附SO₂性能评价方法，包括以下步骤：

一、准备部分：

(1)将待测粉状活性焦筛分得到不同粒径(50～200μm)的粉焦颗粒；

(2)将平均粒径为75μm(能过160目筛而不能过250目筛的粉焦的粒径分布在58～96μm，其平均粒径为75μm的粉焦)的粉焦倒入螺旋给料机9的料仓12，打开给料机电机，对给料量进行标定(10g/h)；

(3)打开水蒸气发生装置5及气体加热器13的电源，待温度达到设定值后，打开蠕动泵6设定好给水量并打开各气瓶1-3进行模拟烟气的配制：根据不同工况所需模拟烟气中各组分浓度(O₂：6％；H₂O：8％；SO₂：100～1500ppm；N₂：平衡气)进行计算，设定好各质量流量计4的开度，将模拟烟气气路出口与红外气体分析仪连接，测定并逐渐调整模拟烟气组分浓度使之达标；

(4)打开定制加热炉30加热电源，待温度达设定值后，将螺旋给料机9出料口和模拟烟气气路出口与模拟烟气入口14、入料口15部分连接好，通入模拟烟气；

(5)打开给料机电机进行吸附实验。

二、实验部分：

(1)用硅胶管连接好旋流器31、收料瓶32和洗气瓶34，根据取样口编号依次取样；

(2)每次取样前更换取样口20～29和旋流器31之间的硅胶管，更换洗气瓶34中的滤液(若已吸收饱和)，用氮气吹洗收料瓶32；

(3)连接好旋流器31入口和取样口20～29(分别编号1～10)，将取样口20～28对应的T型三通阀扳至取样状态，待取得足够样品后将三通阀扳回原状态，将收料瓶32中样品倒入取样袋，依次重复步骤(2)、(3)，直至完成10个取样口20～29的取样工作；

(4)每个样品取样时间根据给料量、旋流器31分离效率和所需样品质量计算确定。取样完成后，关闭螺旋给料机9、蠕动泵6和水蒸气发生装置5电源，将气路切换到纯氮气清洗状态，待粉焦全被吹出蛇形管吸附反应器11后，继续通氮气5分钟以上，确保蛇形管吸附反应器11内无残留模拟烟气；

(5)关闭气体加热器13和加热炉30加热电源，关闭各气瓶、电脑及电源，结束实验。

总停留时间为10s实验工况及各取样口取样的吸附时间如表1～2所示：

表1总停留时间为11.5s实验工况

表2各取样口取样的吸附时间

取样口编号	对应吸附时间s
		新鲜活性焦	0
1	0.5
		2	1.0
3	1.5
		4	2.0
5	2.5
		6	3.5
7	4.5
		8	5.5
9	8.5
		10	11.5

三、测试分析部分：

(1)装有样品的取样袋要密封保存，并尽快完成样品的相关测试实验。

(2)采用红外定硫仪测定样品含硫量，与粉焦原料进行对比分析，计算各取样口取得的样品含硫量的变化值，转换为SO₂的吸附量，根据相邻取样口取得的样品的SO₂吸附量差值和相邻取料口出料时间差来计算相应区段内的SO₂平均吸附速率，计算公式如下：

式中：

V_n：第n个吸附区段内粉焦SO₂平均吸附速率，单位：mg/(g·s)；

S₁：目标区段前端单位质量样品含硫量，单位：％；

S₂：目标区段后端单位质量样品含硫量，单位：％；

t₁：目标区段前端出料时间，单位：s；

t₂：目标区段后端出料时间，单位：s。

以粉焦吸附HCl为例时

将上述各实施例将SO₂标气改为HCl标气。

另外，采用氧瓶燃烧装置测定样品Cl元素含量，与粉焦原料进行对比分析，计算各取样口取得的样品Cl元素含量的变化值，转换为HCl的吸附量，根据相邻取样口取得的样品的HCl吸附量差值和相邻取料口出料时间差来计算相应区段内的HCl平均吸附速率，计算公式如下：

式中：

V_n：第n个吸附区段内粉焦HCl平均吸附速率，单位：mg/(g·s)；

C₁：目标区段前端单位质量样品Cl元素含量，单位：％；

C₂：目标区段后端单位质量样品Cl元素含量，单位：％；

t₁：目标区段前端出料时间，单位：s；

t₂：目标区段后端出料时间，单位：s。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种基于气流床的粉焦吸附SO₂/HCl性能评价方法，其特征是，提供蛇形管吸附反应器，所述管道式吸附反应器是由若干根竖管、若干弯头和若干T型三通阀组成的蛇形式单通管路，蛇形式单通管路的入口由吸附质气体入口和粉状活性焦给料口构成，每个T型三通阀和蛇形式单通管路的出口分别对应一个取样口，取样口连接气固分离装置；

2.如权利要求1所述的方法，其特征是，获取样品的取样口为蛇形管吸附反应器的所有取样口，根据相邻样品口取样样品吸附SO₂/HCl的质量差值及相邻取样口获取样品的时间差值，计算相应区段内SO₂/HCl的平均吸附速率，根据不同区段内的SO₂/HCl的平均吸附速率绘制活性焦吸附SO₂/HCl的速率随时间的变化曲线。

3.如权利要求1所述的方法，其特征是，将粉状活性焦筛分获得不同粒径的粉状活性焦，选择特定粒径的粉状活性焦，将选定的粉状活性焦输入至粉状活性焦给料口。

4.如权利要求1所述的方法，其特征是，粉状活性焦的粒径范围为50～200μm。

5.如权利要求1所述的方法，其特征是，待测气体的速率为4～16m/s。

6.如权利要求1所述的方法，其特征是，蛇形式单通管路的温度为100～150℃。

7.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述竖管下部设有缩径结构的变径管。

8.一种实现上述方法的系统，其特征是，包括焦粉给料装置、气体混合装置、加热装置、吸附气体产生装置，所述吸附气体产生装置包括若干气瓶，每个气瓶的出口管道均设有质量流量控制器，每个气瓶的出口管道的出口按照气体流向依次连接气体混合装置、加热装置及蛇形管吸附反应器的吸附质气体入口，焦粉给料装置的出口连接粉状活性焦给料口，若干气瓶中的一个气瓶内装有SO₂/HCl标气。

9.如权利要求8所述的系统，其特征是，包括加热炉，所述气体混合装置、加热装置、蛇形管吸附反应器均设置在加热炉内。

10.如权利要求8所述的系统，其特征是，所述气体混合装置为水蒸气发生装置，所述水蒸气发生装置为绕有电加热丝的柱形金属壳体，所述金属壳体内装置蓄热陶瓷，所述水蒸气发生装置的进水口通过进水管路连接水箱，所述水蒸气发生装置的进气口连接每个气瓶的出口管道的出口；

优选的，所述进水管路设有蠕动泵。