论文基于超声波与机械搅拌耦合作用下的拜耳赤泥吸收低浓度SO2的研究.docx
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论文基于超声波与机械搅拌耦合作用下的拜耳赤泥吸收低浓度SO2的研究
基于超声波与机械搅拌耦合作用下的
拜耳赤泥吸收低浓度SO2的研究
StudyonAbsorptionofLow-concentrationSO2withBayerRedMudbasedonCouplingEffectofUltrasonicWaveandMechanicalAgitation
毕业设计(论文)任务书
毕业设计(论文)题目:
基于超声波与机械搅拌耦合作用下的
拜耳赤泥吸收低浓度SO2的研究
设计(论文)的基本内容:
一、拜耳法赤泥吸收低浓度二氧化硫的研究
1.机械搅拌作用下
2.超声波与机械搅拌耦合作用下
采用单因素法进行实验,依次考察温度、搅拌转速、液固比、气体流量、二氧化硫混合浓度以及超声波不同功率对赤泥固硫容量和脱碱率的影响。
二、矿浆化的实验研究
三、拜耳法赤泥吸收后处理的研究
芒硝的分离、剩余赤泥的处理
毕业设计(论文)专题部分:
题目:
设计或论文专题的基本内容:
学生接受毕业设计(论文)题目日期
第 周
指导教师签字:
年 月 日
基于超声波与机械搅拌耦合作用下的
拜耳赤泥吸收低浓度SO2的研究
摘要
许多工业生产过程都会产生含硫烟气,同时由于大量燃用煤炭,我国每年排入大气中的二氧化硫可达千万吨级。
我国氧化铝大多数采用拜耳法生产,每年都会产生大量赤泥,目前并没有特别有效的处理方式,只是大量堆存于赤泥坝内。
含硫烟气与碱性赤泥都对环境造成了严重的污染。
赤泥成份中含有大量的碱性物质,与SO2有很强的反应活性,由于氧化铝生产的特点,外排赤泥的粒度很小,完全符合烟气脱硫过程的粒度要求。
因此拜耳赤泥与低浓度二氧化硫的反应具有理论可行性。
本设计使得拜耳赤泥和低浓度二氧化硫在密闭反应釜中发生反应,研究了利用拜耳赤泥吸收低浓度二氧化硫的方法。
实验中以尾气中SO2的浓度达到国家排放标准作为赤泥中毒的标志,尾气浓度达到400mg/m3即停止反应,通过反应总时间考察反应温度、搅拌转速、液固比、气体流量、二氧化硫浓度以及不同功率超声波对赤泥固硫量的影响;同时在后续试验中采用酸碱中和滴定来比较各个实验组的赤泥脱碱率。
实验结果表明,只添加机械搅拌时,单位质量赤泥达到最大固硫量的反应条件为:
反应温度35℃,搅拌转速200rpm,液固比为9:
1,气体流量0.1m3/h,二氧化硫浓度1%,赤泥的最大固硫量为30.4ml/g,此时赤泥的脱碱率也为最高值。
对于添加超声波的实验组来讲,低功率超声波对反应没有明显的作用效果,中等功率的超声波由于解析作用会使反应效果变差,而高功率的超声波对于反应就有了明显的促进作用。
用拜耳赤泥吸收低浓度二氧化硫气体使得两种原本对环境污染严重的物质相互作用,从而同时实现了低浓度二氧化硫废气综合治理以及氧化铝生产过程中赤泥废渣的综合利用,能达到以废治废以及降本增效的目的。
关键词:
拜耳赤泥,低浓度二氧化硫,超声波,机械搅拌,固硫,脱碱
StudyonAbsorptionofLow-concentrationSO2withBayerRedMudbasedonCouplingEffectofUltrasonicWaveandMechanicalAgitation
Abstract
Fluegascontainingsulfurisusuallyproducedinmanydifferentindustrialprocessesandcoalcombustion.Asaresult,theSO2dischargedintotheatmosphereisuptotensofmillionsoftonseachyear.ThemajorityofaluminaproductionusestheBayerProcessinourcountry.Alargeamountofredmudisdischargedannuallywithouteffectivetreatment,whichishandledinthemainwayofstorageintheredmuddam.Fluegascontainingsulfurandredmudbothcancauseseriousenvironmentalpollution.
Typesofalkalinesubstancesarefoundinchemicalcompoundsoftheredmud,whichhavestrongreactionswithSO2.Moreover,duetothecharacteristicsofaluminaproductionprocess,theparticlesizeofredmudisveryfine,whichperfectlymeetstherequirementoffluegasdesulfurizationprocess.Therefore,reactionofredmudandlow-concentrationSO2isfeasibleintheory.
Thisdeignappliesasealedreactortoadmittheexperiment,thentostudytheabsorptionmethod.Weconsiderexportingconcentrationattainingnationalemissionstandardof400mg/m3asthesignofredmud'spoisoningtostopreaction,usingtotaltimeofreactiontoobservetheinfluenceofreactiontemperature,stirringspeed,liquidtosolidratio,gasflow,concentrationofsulfurdioxideandthepowerofultrasonicwaveonamountofsulfurdioxideretention.Insubsequentexperiments,weuseacid-basetitrationtocomparedealkalizationrateofalltheexperimentgroups.Theresultsshowthattheoptimalconditionsofexperimentgroupwithonlymechanicalagitationare:
temperatureis35°C;stirringspeedis200rpm;theliquid-solidratiois9:
1;gasflowis0.1m3/h;sulfurdioxideconcentrationis1%;thehighestsulfurretentionis30.4ml/g.Meanwhile,thedealkalizationratealsoreachesthehighestdegree.Fortheexperimentalgroupintermsofaddingultrasonicwave,effectoflow-powerultrasonicwaveonthereactionisnotclear;medium-powerwhichactsasaanalyticalrolewillbecounter-productiveandhigh-powerforthereactionwillhaveasignificantroleinpromoting.
TheeffectofBayerredmudinabsorptionoflow-concentrationSO2causesinteractionbetweenthetwopollutants,whichcanrealizecomprehensiveutilizationofsulfurdioxideandresiduegeneratedfromaluminaproductionprocess,thuscompletetheprocessofcontrollingwastebywasteandachievetheaimofcostreductionandefficiencypromotion.
Keywords:
Bayerredmud,lowconcentrationSO2,ultrasonicwave,mechanicalagitation,desulfurization,dealkalization
目录
毕业设计(论文)任务书i
摘要ii
Abstractiv
第一章绪论1
1.1低浓度二氧化硫的危害与处理1
1.1.1低浓度二氧化硫的来源1
1.1.2低浓度二氧化硫的危害1
1.1.3低浓度二氧化硫的处理2
1.2赤泥的利用5
1.2.1赤泥的种类5
1.2.2赤泥的危害6
1.2.3赤泥的利用8
1.3课题的提出10
1.4本文的主要研究内容11
第二章实验原理与方法13
2.1超声波吸收装置的设计(提出超声波与机械搅拌耦合吸收)13
2.1.1超声波的构想来源13
2.1.2超声波功率的选择15
2.2实验原理16
2.2.1赤泥的特性16
2.2.2热力学分析17
2.3实验方法18
2.3.1实验原料18
2.3.2实验装置18
2.3.3实验方案20
2.3.4实验步骤20
2.3.5实验条件选择21
2.3.6实验预期目标22
第三章拜尔法赤泥吸收低浓度二氧化硫的研究23
3.1反应后料浆液相成分分析23
3.2机械搅拌作用下赤泥矿浆吸收低浓度二氧化硫的研究23
3.2.1反应温度对固硫量和脱碱率的影响23
3.2.2机械转速对固硫量和脱碱率的影响24
3.2.3液固比对固硫量和脱碱率的影响26
3.2.4气流量对固硫量和脱碱率的影响27
3.2.5二氧化硫混合浓度对固硫量和脱碱率的影响28
3.3超声波与机械搅拌耦合作用下的实验研究29
第四章矿浆化的实验研究31
4.1机械作用下的拜尔法赤泥矿浆化31
4.2机械与超声波耦合作用下的拜尔法赤泥矿浆化32
4.3与实验结果的对照33
第五章吸收后处理的研究34
5.1硫酸钠的结晶过程(芒硝分离)34
5.2剩余赤泥的处理34
5.2.1赤泥制备水泥的工艺34
5.2.2赤泥制备陶瓷的工艺35
5.2.3赤泥制备工业催化剂的工艺35
5.2.4赤泥制备建筑材料的工艺35
第六章结论37
参考文献38
致谢40
附录41
第一章绪论
1.1低浓度二氧化硫的危害与处理
1.1.1低浓度二氧化硫的来源
含有低浓度SO2的烟气的排放是SO2进入环境的重要途径,目前一些冶炼厂、焦化厂、炼油厂排出的烟气中二氧化硫含量为0.3%~1%,如直接排入大气则超出排放标准8~20倍[1]。
二氧化硫大部分来自于发电过程以及工业生产,具体的产生过程包括:
燃烧含硫燃料、熔炼硫化矿石、烧制硫磺、制造硫酸和亚硫酸、硫化橡胶、制冷、漂白、消毒、熏蒸杀虫、镁冶炼、石油精炼、某些有机合成过程等等[2]。
另外,我国农村多数居民冬季取暖仍是以烧煤饼、煤球及蜂窝煤为主,由于炉灶结构的不合理,煤块不能完全燃烧,会排放出大量以二氧化硫为主的气体污染物。
研究表明燃煤户室内空气中二氧化硫的含量比燃气户高得多,冬季厨房可达0.86mg/m3,卧室达0.50mg/m3,长期如此危害住户健康。
1.1.2低浓度二氧化硫的危害
(1)对人体健康的危害
低浓度二氧化硫对人的危害主要体现在对呼吸道的损伤。
二氧化硫作用的靶细胞主要是上呼吸道,因为它易溶于水形成亚硫酸刺激眼和鼻粘膜,具有腐蚀性;二氧化硫在组织液中的溶解度很高,所以吸入空气中的二氧化硫很快会溶解消失在上呼吸道中,很少进入深部气道,因此只有深度呼吸或二氧化硫吸附在尘粒表面上时才有可能进入肺部。
长期接触二氧化硫的人一方面刺激上呼吸道引起支气管平滑肌反射性收缩,呼吸阻力增加,呼吸功能衰落;另一方面刺激和损失粘膜,使粘膜分泌增多变稠,纤毛运动受阻,免疫功能减弱,导致呼吸道抵抗力下降,诱发不同程度的炎症,如慢性鼻咽炎、慢性支气管炎,支气管哮喘和肺气肿等。
此外长期接触二氧化硫对大脑皮质机能产生不良影响,使大脑劳动能力下降,不利于儿童的智力发育。
SO2在氧化剂、光的作用下,会生成使人致病、甚至增加病人死亡率的硫酸盐气溶胶,据有关研究表明,当硫酸盐年浓度在10μg/m3左右时,每减少10%的浓度能使死亡率降低0.5%。
(2)对植物的危害
对于植物来讲,低浓度SO2长期暴露对作物的生长、发育和产量都会有一定程度的影响。
在长期暴露的情况下,SO2平均浓度在0.035~0.070mg/m3范围内便会对一些禾谷类作物、蔬菜、果树和牧草的生长和产量产生明显的影响[3]。
(3)对金属的腐蚀
大气中的SO2对金属的腐蚀主要体现在对钢结构的腐蚀。
据统计,发达国家每年因金属腐蚀带来的直接经济损失占国民经济总产值的2%~4%。
由于金属腐蚀造成的直接损失远大于水灾、风灾、火灾、地震造成损失的总和,而且金属腐蚀直接威胁到工业设施、生活设施和交通设施的安全[4]。
(4)对生态环境的影响
由于SO2在大气中的存在而形成的酸雨和酸雾会对湖泊、地下水、建筑物、森林、古文物以及人的衣物构成一定程度的腐蚀。
同时,长期的酸雨作用还会使得土壤和水质产生不可估量的损失。
随着我国加入世界贸易组织的进程和全球环保意识的加强,控制和治理SO2污染成为我国当前和今后相当一段时间内最为紧迫的环保任务之一。
因为这不仅关系到我国社会和经济的健康和可持续发展,也由于SO2和酸雨污染的全球性,关系到我国的国际形象。
因此,加强对SO2污染的治理,不但具有经济效益,同时带来的社会效益和环境效益更是不可估量的。
1.1.3低浓度二氧化硫的处理
工业上低浓度二氧化硫烟气常常用于制酸,但二氧化硫体积浓度低于3%的烟气的制酸工艺目前来讲比较困难,若直接排入大气则不符合排放标准,故需要进行脱硫程序。
目前常用的几种脱硫工艺可分为湿法烟气脱硫、半干法烟气脱硫和干法烟气脱硫[5-8]。
(1)湿法脱硫
湿法脱硫的实现形式最为多样化,包括碱法、氨法、石灰──石膏法、石灰石──石膏法等。
A.碱法
在烟气脱硫史上,钠碱化合物比其他类型的吸收剂更受重视,因为它对SO2的亲和力强,亚硫酸钠-亚硫酸氢钠的化学机理能适应吸收与再生循环操作,钠盐溶解度大,有将吸收化合物保持在溶液内的能力,从而可避免洗涤器内结垢和淤塞。
钠碱与氨相比,由于阳离子是非挥发性的,不存在吸收剂在洗涤过程中挥发产生氨雾的问题,与钾碱相比,价格便宜,而且Na2SO3和NaHSO3的溶解度特性更适宜于加热解吸过程。
钠法的优点是脱硫率高,但是易腐蚀设备。
B.氨法
氨的水溶液呈碱性,也可以作为SO2废气的吸收剂。
工业上,特别是硫酸工业的尾气处理,常采用这项技术。
这是一项成熟的技术,能达到很好的净化回收效果。
实际上,洗涤过程是利用(NH4)2SO3-NH4HSO3溶液对SO2的循环吸收,净化烟气,然后以不同的方法处理吸收液的过程。
处理方法不同,所获得的副产品也不同。
因而有以化肥和SO2为副产品的氨-酸分解法,将吸收母液氧化成硫铵产品的氨-硫铵法,以石膏为最终产品的氨-石膏法,等等。
C.石灰──石膏法
石灰是一种优良的SO2吸收剂,是最早用作烟气脱硫的吸收剂之一,特别是抛弃法。
采用石灰在洗涤塔内脱除SO2。
石灰是由石灰石锻烧加工而成的,有生石灰和消石灰之分,生产石灰的原料分布很广,成本较低。
通常烟气脱硫使用的石灰,可以现场制备,也可直接向市场购置。
该方法的优点是原材料易得,价格低廉,工艺较成熟,是目前国内外采用的主要方法。
但主要存在两大问题:
一是管道易堵塞,二是副产品石膏存在质量问题,没有市场,导致运行成本高。
D.石灰石──石膏法
石灰石抛弃法最初用于干法,即将石灰石(原矿状态或锻烧过的)直接喷射到锅炉高温区,使它和烟气中的硫氧化物起反应后,再加以捕集除去。
因为干法的脱硫率较低,后来采用石灰石料浆在洗涤塔内脱除二氧化硫,与石灰石一样也可用作脱硫剂的还有白云石(CaCO3·MgCO3)。
传统的石灰石-石膏工艺过程主要由SO2吸收、石灰石溶解、中和、氧化、石膏结晶、分离等单元组成,其中最重要的环节是吸收。
石灰石-石膏法脱硫产生的副产品石膏一般都是二水硫酸钙,含量多在80%以上,在某种程度上可以代替天然石膏广泛应用于建筑材料方面。
石灰石-石膏法的优点是原材料丰富,市场价格低,工艺较成熟,也是目前国内外采用的主要方法。
但本工艺存在的最大问题是硫酸钙的结垢,主要是石膏晶种附着在洗涤塔的内壁及塔栅上,并在此成长结晶,另外副产品石膏存在质量问题,市场销路差,导致运行成本过高。
(2)半干法烟气脱硫
半干法脱硫过程是利用烟气显热蒸发石灰浆液中的水分,同时在干燥过程中石灰与烟气中的SO2反应生成亚硫酸钙等,其最终产物为干粉状。
若配合使用袋式除尘器,能提高10%~15%的脱硫率。
脱硫废渣一般抛弃处理,德国将此渣成功地用于建材生产,使该法前景更加乐观。
半干法最常见的实现形式是旋转喷雾干燥法(SDA),是美国JOY公司和丹麦NIRO公司联合开发的新工艺,其脱硫率可达70%~95%。
烟气循环流化床烟气脱硫技术(CFB—FGD)技术是20世纪80年代德国鲁奇公司开发的一种新的脱硫工艺,它以循环流化床原理为基础,通过吸收剂的多次再循环,延长了吸收剂与烟气的接触时间,大大提高了吸收剂的利用率和脱硫率,能在较低的钙疏比(Ca/S=1.1~1.2)下,达到接近或相当于湿法工艺的脱硫率水平。
增湿灰循环脱硫技术(NID)则是由ABB公司开发的新技术,它借鉴了喷雾干燥法的原理,又克服了此种工艺使用制浆系统和喷浆而产生的种种弊端(如粘壁、结垢等),使开发出的NID技术既有干法的简单、价廉等优点,又有湿法的高效率。
该技术是将消石灰粉与除尘器收集的循环灰在混合增湿器内混合,并加水增湿至5%的含水量,然后导入烟道反应器内进行脱硫反应。
含5%水分的循环灰有较好的流动性,省去了复杂的制浆系统,克服了喷雾过程的粘壁现象。
(3)干法脱硫
干法烟气脱硫是在无液相介入的完全干燥的状态下进行的,反应产物为干粉状,不存在腐蚀、结露等问题。
干法主要有炉膛干粉喷射脱硫法、高能电子活化氧化法、荷电干粉喷射脱硫法等。
炉膛干粉喷射脱硫法是把钙基吸收剂如石灰石、白云石等喷射到炉膛燃烧室上部温度低于1200℃的区域,随后石灰石瞬时燃烧生成CaO,新生成的CaO与SO2进行硫酸盐化反应生成CaSO4,并随飞灰在除尘器中收集。
该方法的优点是投资省、占地面积小、易于在老锅炉上改造;不足之处是脱硫率和钙的利用率低。
针对这一问题,芬兰IVO公司和Tampella公司联合开发出炉内喷钙增湿活化法(HFAC)。
它是在锅炉的空气预热器与除尘器之间加装一个活化反应器,在该反应器内喷水增湿,促进脱硫反应的进行,使最终的脱硫率达到70%~75%。
高能电子活化氧化法主要利用高能电子使烟气中SO2、NOx、H2O、O2等分子被激活、电离甚至裂解,产生大量离子和自由基等活性物质。
由于自由基的强氧化性使SO2、NOx被氧化,在注入氨的情况下,生成硫酸氨和硝酸铵化肥。
根据高能电子的来源,可分为电子束照射法(EBA)和脉冲电晕等离子体法(PPCP)。
荷电干粉喷射脱硫法(CDSl)是美国ALANCO环境公司开发的专利技术,其核心是吸收剂石灰干粉以高速通过高压静电电晕充电区,使干粉荷上相同的负电荷后被喷射到烟气流中。
荷电干粉同性相斥,不会聚结,在烟气中形成了均匀的悬浊状态,粒子表面充分暴露,增加了与SO2的反应机会,同时荷电粒子增强了活性,缩短了反应所需停留时间,提高了脱硫率,在Ca/S为1.5时,效率达到60%~70%。
另外,活性炭(焦)或粉煤灰吸附法、流化床氧化铜法等在欧洲、美国、日本等地区和国家都有工业装置应用。
吸附法是干法脱硫的主要形式之一。
在用吸附法处理SO2烟气时,使用最多的吸附剂是活性炭,此外还有半焦和分子筛等。
活性炭与SO2烟气之间的吸附,一般认为属于物理吸附。
活性炭对SO2烟气的吸附能力除了与活性炭组成和表面特性有关外,还与吸附的温度,氧和水汽分压以及杂质的影响有关,尤其是当吸附表面存在某些活性催化中心时,吸附能力大大提高。
吸附法的后道工序是吸附剂的再生,再生工序之所以重要,一是要获取解吸的产物,二是使吸附剂重复使用。
通常采用的再生方法有加热再生和水洗再生两种。
吸附法的缺点是吸附剂磨损大,设备庞大。
另外,一些见诸于文献的低浓度二氧化硫处理技术有:
①柠檬酸盐溶液吸收──超声解吸净化法[1],②离子膜电解法处理低浓度二氧化硫废气,③粉煤灰改性处理SO2,④活性炭脱除低浓度二氧化硫[9-11]。
1.2赤泥的利用
1.2.1赤泥的种类
因氧化铝生产方法不同,赤泥可分为烧结法、联合法和拜耳法三类。
具体来说,国外赤泥主要发生在拜耳法生产工艺中,而我国主要采用烧结法和联合法,但近年来新建的氧化铝生产线多采用了拜耳法工艺。
只有很少部分的烧结法赤泥和联合法赤泥可以利用于水泥的烧制工艺中,一般认为拜耳法赤泥是一种纯粹的废弃物[12]。
(1)拜尔法赤泥
拜耳法冶炼氧化铝采用强碱(NaOH)溶出高铝、高铁、一水软铝石型和三水铝石型铝土矿,这个过程中,作为主要原料的铝矾土越过高温煅烧环节被直接经过溶解、分离、结晶、焙烧等工序得到氧化铝,溶解后分离出的浆状废渣是拜耳法赤泥。
采用拜尔法生产氧化铝,赤泥外排量平均为1~1.1t/t氧化铝。
(2)烧结法赤泥
烧结法冶炼氧化铝时,首先必须在原料铝矾土中配合一定量的碳酸钠,然后在回转窑内经高温煅烧制成以铝酸钠为主要矿物的中间产品,即铝酸钠熟料,再经溶解、结晶、焙烧等工序制取氧化铝,溶解后分离出的浆状废渣便是烧结法赤泥。
采用烧结法生产氧化铝,赤泥外排量平均为0.7~0.8t/t氧化铝。
(3)混联法赤泥
混联法是拜耳法和烧结法的联合使用,混联法所用的原料是拜耳法排出的赤泥,然后采用烧结法再制取氧化铝,最后排出的赤泥为烧结法赤泥。
赤泥主要组份是SiO2、CaO、Fe2O3、Al2O3、Na2O、TiO2、K2O、MgO等,此外还含有酌减成份和其它微量有色金属等,赤泥的典型化学组成见表1.1。
由于铝土矿成份和生产工艺的不同,赤泥中成份变化很大,用烧结法和联合法生产氧化铝产生的赤泥CaO含量高、碱和铁含量较低,拜耳法产生的赤泥则是氧化铁和碱含量较高。
赤泥中含有丰富的稀土元素和微量放
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