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射流曝气器专题:2、国内外研究现状

发布时间:2020-03-17 19:31 浏览量:165

国内外研究现状

1 强制氧化的研究现状

在湿法脱硫工艺中,副产物亚硫酸盐氧化一直是该领域研究的热点问题[22]。强制氧化具有改善脱硫浆液的处理性能、防止脱硫设备结垢、生产商品级石膏等优点,根据空气导入和分散方式不同有多种强制氧化方式,如:多孔板式,搅拌器和空气喷枪组合式(ALS),固定式空气喷射器(FAS),喷气混合器/曝气器式、径向叶轮下方喷射式,多孔喷射器式等[23]
(1) 固定式空气喷射器强制氧化(FAS)
固定式空气喷射器(FAS)强制氧化装置有 3 种布置方式,其中两种是将搅拌器布置在管网上方,应用更多的是将搅拌器布置在管网的下方。该布置方式将搅拌器和 FAS 的功能分开,减少了相互之间的影响。缺点是随着塔内液位大幅度增加,吸收区和塔体总高度增大,需增大循环泵的压头和管道用量[24-27]
FAS 的传质效率受气泡/浆液界面传质表面积以及气泡在浆液中的滞留时间制约,氧化区的液流形态、鼓入的空气流量和喷管浸没深度都会影响气泡的破裂和滞留时间。为保证 FAS 的氧化性能,一般 FAS 喷嘴最小浸没深度不小于 3m; 气泡速度小于7cm/s;最小氧化空气流量是最大流量的 30%。
管网布置于罐体底部的 FAS 可大幅度降低罐体高度,但易受搅拌器和循环泵的影响,进而影响 FAS 的性能和循环泵、排浆泵的正常运行,维修工作量大,因此要谨慎选用。
(2) 搅拌器和空气喷枪组合式强制氧化(ALS)
搅拌器和空气喷枪组合式(ALS)强制氧化装置中,氧化搅拌器产生的高速液流使鼓入的氧化空气分裂成细小的气泡,并散布至氧化区的各处。由于 ALS 产生的气泡较小,由搅拌产生的水平运动的液流增加了气泡的滞留时间,且 ALS 喷气管口径较大,其氧化空气流量可无限调低而不用担心喷气管被堵。
当气泡表面速度一定时,ALS 的传质效率明显优于 FAS,在一般情况下,特别在浸没深度小于 4m 时,ALS 能耗低于 FAS。ALS 具有提高系统设计和运行灵活性的优点,能很快适应工况的变化。对于高硫、带基本负荷的 FGD,选择 FAS 可能是最经济的方案,而 ALS 最适合在较宽的可调容量范围内降低能耗。
(3) 强制催化氧化
亚硫酸盐的氧化速率主要受 HSO3-的浓度、O2 的浓度、pH 值、催化物质、烟气中 O2 对 SO2 的比率、液体的循环率、液体的黏度和密度、脱硫塔结构等的综合影响。
杜谦等[28-35],通过模拟湿法烟气脱硫环境,对无催化剂和其他杂质存在时亚硫酸钙浆液与 Mn2+催化下的氧化规律进行了研究。结果表明,在无催化剂和其他

 
杂质存在,且反应器内浆液浓度较小时,氧化速率受亚硫酸钙溶解速率控制;当pH 值与温度保持不变时,增加浆液浓度,氧化速率将增加至最后达到一个极大值, 当亚硫酸钙浆液增加到一定浓度后,氧化速率不再受浆液浓度的影响。在 Mn2+ 催化下,则随着Mn2+浓度的增加,使得氧化反应逐步向氧的扩散传质区转变,最终使氧化反应由于氧的传质的限制而达到一极大值。
(4) 射流曝气强制氧化
田凤国[36]提出将射流曝气技术应用于石灰石/石膏湿法脱硫的强制氧化工艺, 并针对射流曝气强制氧化工艺的气液传质特点进行了理论分析,最后选取某湿法脱硫工程进行了能耗比较计算,结果表明采用射流曝气方式能耗节省达20%以上。这就为减小设备尺寸,简化系统结构,降低脱硫成本提供了可能性,对关键脱硫设备的国产化、我国环保事业的发展具有积极意义。
以上研究分别从经济、设备尺寸、系统结构等方面对强制氧化进行了分析与总结,这些研究在火电厂烟气脱硫中都起到重要作用,但是通过优化结构参数的增大射流曝气器的吸气量,集曝气与搅拌于一体,并实际应用到强制氧化工艺中, 以提高整个浆液脱硫系统的氧化动力效率的研究至今还没有报到。

2 射流曝气器结构设计及应用研究现状

(1) 射流曝气器结构设计的理论研究
我国著名学者陆宏圻教授在 1989 年比较全面给出了各种射流泵的设计理论和设计方法[37],为推动这门学科在我国的发展奠定了坚实的基础。
浙江大学的王常斌等[38]根据能量守恒原理得出了射流泵效率计算公式,并利用多元函数极值原理给出了射流泵最优参数方程,其结论表明在等密度体系和给定摩擦损失系数条件下,最优面积比为 0.28;摩擦损失系数是影响射流泵效率的主要因素;最优面积比只与摩擦损失系数有关,而与流体间的密度比无关。
武汉大学梁爱国等[39]在考虑射流泵几何形状和结构尺寸对其性能影响的情况下,计算了多个面积比下射流泵的性能,最后以效率最高为评价尺度,综合壁面压力分析得出在面积比 m=3.0~8.0 时,射流泵最优喉管长度 Lk=(0.222+5.6154) d3,其中d3 为喉管直径。
龙新平等[40]提出了确定最优喉管长度的两类条件,对具有不同喉管长度的射流泵内部流场进行了数值模拟,以效率最高为原则,确定了射流泵的最优喉管长度及其范围。结果表明最优喉管长度与射流泵的面积比有关,面积比越大,最优喉管长度越长,并给出了两者关系。即给出了更明确的最优喉管长度确定方法和选取范围,从而避免了喉管长度确定的任意性。
(2) 射流曝气器在污水处理中的应用
射流曝气作为一种处理污水的曝气充氧方法,始于 1947 年,美国 DOW 化学

 
公司将其用于含酚废水处理。50 年代,Kourtz 根据美国宾州大学的研究成果,在牛奶废水的活性污泥法处理中也应用了射流曝气。到了 60 年代末期,西德拜尔公司、美国的威斯特(west)和鲍尔森(Paulson),70 年代日本等相继采用射流曝气处理不同性质的污水。70 年代,国内也进行了不同规模的射流曝气试验研究,主要用在中小型污水处理装置中[41-45]
80 年代以来,德国两家大的化学公司 Bayer 和 Hoechst 先后完成了采用“高塔-射流曝气活性污泥法”处理化工废水的扩建工程,并采用获得专利的“狭缝射流器”(Slot injector)和“径向射流喷嘴”(Radial flow nozzle)对其进行曝气。这两种压力供气式射流器结合高塔(水深 25-30m)型的反应器,强化了氧的分布、溶解和利用, 减轻了气泡并聚, 提高了氧的利用率, 可使充氧动力效率达3.8kgO2/kWh[46]。
80 年代末,同济大学的李天璟[47]开发出具有转向锥体机构的射流器,在清水充氧和实际应用中具有较高的充氧能力,并向有关厂家转让了技术产品。90 年代末,清华大学的孟立新开发出集曝气与搅拌于一体的新型射流器,并实际应用到SBR 工艺中[48]。
上述研究对射流曝气器结构参数的计算、不同结构参数优化以及在其他领域的应用都进行了研究,为射流曝气器的设计与在脱硫浆液氧化中的应用提供了非常重要的依据。但是该方面的研究尚不够完善,基本都是根据自身实验得出的经验参数,并不符合所有实际需要,具体应用仍需进一步做大量理论与实际试验来验证各个参数是否合理或是否满足实际要求。

3 射流曝气器搅拌效果的研究现状

效率是射流曝气器的设计理论中主要性能指标。影响射流曝气性能的因素分为两个方面:一个是射流泵本身的结构参数,如喷嘴形式、喉管与喷嘴出口面积比及混合管长度等;另一个是射流曝气器的工作条件,如工作介质压力,供气方式,曝气水深,服务面积,射流曝气器安装方式等。所以,通过合理设计其安装方式,实现最佳的搅拌效果,对脱硫浆液氧化极其重要。
①根据安装位置分类[49-50]
射流曝气器的安装位置分为竖直安装和水平安装。通常水平安装的负荷都比较大,而竖直的负荷都比较小。从生产管理上要求射流器的负荷小些,均匀地布置到曝气池中将使水、泥、气混合均匀,同时也便于检修。所以,在工艺没有特殊要求的情况下,宜采用竖直安装。
②根据安装高度分类
安装高度系指射流器喷嘴断面中心距曝气池水面的垂直距离。射流器在曝气池中的安装高度分为:

 
a. 浸没式安装:射流器喷嘴置于曝气池水面下一定深度处(射流器可位于曝气池内或池外);
b. 低位安装:射流器扩散管出口断面比曝气池水面高 0-2m,由于高度较小,比较容易安装;
c. 高位安装:射流曝气器扩散管出口断面比曝气池液面高 8m 以上。
研究结果表明,射流器的安装高度对充氧性能的影响是很大的。高位射流的充氧性能最低,低位安装稍高(提高30%以上),浸没式安装最高(比低位安装高20% 左右);浸没式安装比低位安装的氧利用率高(高约25%左右)。
本文采用自吸方式,无需鼓风设备与搅拌装置。一般单级结构能满足吸气量要求,则无需多级结构,可大大简化射流曝气器的结构。由于现场条件限制,采用数值模拟实验来确定其搅拌效果最佳时的安装方式。
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