燃煤煙氣SO2-CO2吸收過程反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、燃煤引發(fā)的大氣污染問題己對(duì)我國生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重威脅，電力行業(yè)作為燃煤污染物排放大戶，其污染控制是人們關(guān)注的焦點(diǎn)問題。燃煤煙氣中含有粉塵、SO2、NOx、重金屬、CO2等多種污染物。其中，SO2是造成霧霾和酸雨的重要前驅(qū)物，濃度低但危害性強(qiáng);CO2則是造成溫室效應(yīng)的罪魁禍?zhǔn)?，濃度高且危害深遠(yuǎn)。此兩種煙氣污染物具有諸多相似的化學(xué)性質(zhì)，如均為酸性氣體、分子有一定極性、可與堿性物質(zhì)發(fā)生中和反應(yīng)等特點(diǎn)?；谌济簾煔獾奶攸c(diǎn)，研究這兩種污染物的控制

2、技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　針對(duì)越來越嚴(yán)格的煙氣SO2排放標(biāo)準(zhǔn)，在現(xiàn)有工藝基礎(chǔ)上研究脫硫提效技術(shù)已引起廣泛關(guān)注。本文模擬石灰石石膏法脫硫工況，考察了10種催化劑對(duì)SO2吸收反應(yīng)速率的影響，結(jié)果表明，多數(shù)催化劑的加入可使CaCO3吸收SO2的速率明顯提高，各催化劑對(duì)該吸收反應(yīng)的促進(jìn)作用排序?yàn)?四硼酸鈉＞三乙醇胺＞雙乙酸鈉＞乙酸鈉＞腐植酸鈉＞硼酸＞己二酸＞檸檬酸鈉＞硫酸鎂＞硫酸鈉。其中四硼酸鈉的催化作用最為顯著，可使系統(tǒng)的脫硫效率較

3、無添加劑時(shí)提高8.84％。通過對(duì)比復(fù)合催化劑作用下的脫硫效率，未發(fā)現(xiàn)上述催化劑之間存在協(xié)同催化作用。研究了四硼酸鈉催化條件下幾種工況條件對(duì)脫硫效率的影響，得到各反應(yīng)條件下的傳質(zhì)速率和總傳質(zhì)系數(shù)。確定的最佳工藝條件為:四硼酸鈉的濃度0.625g/L，反應(yīng)溫度45℃，石灰石漿液濃度0.75g/L。根據(jù)雙膜理論建立了催化條件下SO2吸收的動(dòng)力學(xué)模型，推斷出在本實(shí)驗(yàn)條件下SO2總吸收反應(yīng)的速率控制步驟。
　　亞硫酸鹽氧化是煙氣脫硫過程的另

4、一個(gè)關(guān)鍵步驟。本文根據(jù)亞硫酸鹽氧化工藝的特點(diǎn)，分別考察了Co2+、Mn2+、Fe2+、Ni2+和Cu2+等5種不同過渡金屬離子對(duì)亞硫酸鹽氧化的催化作用。結(jié)果表明，Co2+和Mn2+的催化活性最高，且過渡金屬對(duì)特定亞硫酸鹽氧化反應(yīng)的催化作用具有選擇性。在相同的催化劑濃度條件下，亞硫酸鈉、亞硫酸鎂和亞硫酸銨的氧化速率對(duì)鈷離子的存在高度敏感，但對(duì)錳離子的存在并不敏感。在亞硫酸鎂、亞硫酸銨、啞硫酸鈉和亞硫酸鈣氧化反應(yīng)體系中，鉆離子的反應(yīng)分級(jí)數(shù)分

5、別為0.45、0.46、0.23和0.02;與之相反，亞硫酸鈣氧化速率僅對(duì)錳離子的存在較為敏感，而鈷離子的存在對(duì)反應(yīng)速率無明顯影響。在亞硫酸鎂、亞硫酸銨、亞硫酸鈉和亞硫酸鈣氧化反應(yīng)體系中，錳離子的反應(yīng)分級(jí)數(shù)分別為0.14、0.10、0.15和0.44。結(jié)合測得的總反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析得到了在過渡金屬催化條件下，不同亞硫酸鹽氧化體系中的增強(qiáng)因子，推斷出亞硫酸鹽催化氧化的總反應(yīng)速率受氧氣的傳質(zhì)過程控制，進(jìn)而揭示了過渡金屬催化劑催化亞硫酸

6、鹽氧化的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理，即過渡金屬通過提高本征化學(xué)反應(yīng)速率，進(jìn)而影響總反應(yīng)速率。
　　針對(duì)CO2吸收過程，分別合成了常規(guī)離子液體和功能化離子液體。結(jié)果表明，常規(guī)離子液體[Bmim]FP6對(duì)CO2的吸收主要為物理過程，但吸收容量有限。針對(duì)離子液體的可設(shè)計(jì)性，采用一步合成法制備了[NH2p-mim]Br，并研究了常壓條件下[NH2p-mim]Br水溶液吸收CO2的體積吸收負(fù)荷。結(jié)果表明，當(dāng)吸收反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，CO2的吸收負(fù)荷達(dá)到0.4

7、1mol CO2/mol IL，且再生后仍具有良好的吸收性能。同時(shí)研究了[NH2p-mim]Br/哌嗪混合溶液的吸收負(fù)荷，當(dāng)達(dá)到吸收平衡時(shí)，混合溶液的吸收負(fù)荷可達(dá)0.82mol CO2/L IL，說明哌嗪是促使[NH2p-mim]Br與CO2反應(yīng)并形成氨基甲酸鹽的高效促進(jìn)劑。進(jìn)一步地采用離子交換法，合成了兩種氨基酸離子液體（1-丁基-3-甲基咪唑甘氨酸和1-丁基-3-甲基咪唑丙氨酸離子液體），考察了離子液體濃度、CO2分壓、溫度等因素對(duì)

8、CO2吸收速率的影響。結(jié)果表明，[Bmim][Gly]和[Bmim][Ala]具有兩性離子的性質(zhì)，可與CO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，對(duì)CO2的吸收性能優(yōu)于常規(guī)離子液體[Bmim]Br。[Bmim][Gly]吸收CO2動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果表明，CO2分壓對(duì)反應(yīng)速率的影響最大，通過計(jì)算得到CO2與[Bmim][Gly]的反應(yīng)分級(jí)數(shù)以及表觀活化能。由于本吸收過程的表觀活化能較小，結(jié)合動(dòng)力學(xué)模型可以推斷，整個(gè)吸收過程的速率可能由傳質(zhì)過程控制。此外通過對(duì)相同吸收