【摘要】：煙氣脫硫技術(shù)可以分為一次性脫硫工藝和可再生性脫硫工藝,同時(shí)這兩種工藝還可以進(jìn)一步分為：濕法煙氣脫硫、半干法煙氣脫硫及干法煙氣脫硫技術(shù)。制約煙氣脫硫技術(shù)尤其是一次性脫硫工藝應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題是：如何處理脫硫過(guò)程中所產(chǎn)生的大量廢渣。雖然可再生性脫硫工藝能夠處置部分煙氣脫硫渣,并實(shí)現(xiàn)脫硫劑的再生,但是其高昂的裝置投入和操作成本制約了此類(lèi)技術(shù)的推廣應(yīng)用。因此,如何處置煙氣脫硫產(chǎn)物已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。膜電解過(guò)程,例如電滲析、電解滲析和離子膜電解工藝等,在工業(yè)行業(yè)尤其是苦咸水脫鹽和氯堿工業(yè)中已被廣泛應(yīng)用。在過(guò)去幾十年中,此類(lèi)技術(shù)被越來(lái)越多地用于工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室研究。研究者們致力于通過(guò)這些技術(shù)來(lái)去除廢水或廢氣中的有害物質(zhì)、回收利用廢棄物中的有用成分、優(yōu)化已有技術(shù)路線(xiàn)開(kāi)發(fā)新的生產(chǎn)工藝并降低能耗。本研究開(kāi)發(fā)了一種膜電解反應(yīng)器,可用于從脫硫廢渣中有效再生鈉堿脫硫劑(NaOH),再生的脫硫劑可以在前置脫硫工藝中循環(huán)利用；同時(shí),通過(guò)該膜電解過(guò)程,硫元素以硫酸的形式得到了回收,并在反應(yīng)器中產(chǎn)生氫氣,收集后可作為清潔能源加以利用。首先,本文建立了三室膜電解反應(yīng)器再生鈉堿脫硫渣的數(shù)學(xué)模型。該模型基于多物理場(chǎng)的原理描述了溶液主體相和擴(kuò)散邊界層內(nèi)的膜電解分離過(guò)程,綜合考慮了反應(yīng)器內(nèi)的擴(kuò)散傳質(zhì)、電遷移過(guò)程、氣泡效應(yīng)、反應(yīng)器幾何尺寸及電極上發(fā)生的氣體析出反應(yīng)等因素。借助拉普拉斯變換可以得到所建模型的解析解,模型的數(shù)值解則可以通過(guò)使用Wofram Mathematica和COMSOL Multiphysics軟件求得。模擬結(jié)果表明,所有的解析解均與數(shù)值解之間具有較好的一致性,兩組數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)均大于0.95。經(jīng)過(guò)模型的分析可以發(fā)現(xiàn)以下參數(shù)對(duì)反應(yīng)器性能的優(yōu)化具有積極的作用：(1)膜兩側(cè)較高的濃度梯度有利于離子的傳質(zhì)；(2)電流密度是控制傳質(zhì)過(guò)程與氣泡形成的關(guān)鍵參數(shù)；(3)較小的電解室內(nèi)間距有利于提高反應(yīng)的性能；(4)合適的膜有效反應(yīng)面積有利于傳質(zhì),并可以保障系統(tǒng)的高性能。其次,通過(guò)引入無(wú)因次數(shù),所建數(shù)學(xué)模型可以用于描述膜電解反應(yīng)器的物料平衡。數(shù)值模擬結(jié)果表明,所有的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間具有較好的相關(guān)性,進(jìn)一步證明了所建模型的有效性。通過(guò)無(wú)因次數(shù)的分析發(fā)現(xiàn)：(1)泵入酸堿稀溶液進(jìn)入相應(yīng)的電解室可以有效提升反應(yīng)器的性能；(2)過(guò)高的電流密度有可能導(dǎo)致NaOH濃縮倍率的下降；(3)在紊流區(qū),擴(kuò)散邊界層的平均厚度存在一個(gè)閾值,而在層流區(qū)擴(kuò)散邊界層的平均厚度將發(fā)生劇烈的變化；(4)過(guò)大的紊流流速將對(duì)傳質(zhì)過(guò)程產(chǎn)生明顯的阻滯；(5)通過(guò)分析無(wú)因次數(shù),可以大致確認(rèn)傳質(zhì)過(guò)程的控制步驟；(6)經(jīng)過(guò)無(wú)因次數(shù)分析,還可以初步得到系統(tǒng)的優(yōu)化方案。接下來(lái),在上述理論與實(shí)驗(yàn)優(yōu)化研究的基礎(chǔ)上,從數(shù)值模擬結(jié)果中可以得到膜電解反應(yīng)器的最佳運(yùn)行參數(shù),并經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)：在最佳操作參數(shù)條件下,鈉堿脫硫劑的再生電流效率可達(dá)84%,制備硫酸的電流效率達(dá)到87%,這些結(jié)果均可與氯堿工業(yè)的電流效率相媲美。制氫的平均電流效率最高可達(dá)92.32%,且氫轉(zhuǎn)化效率為38.90%,十分接近同樣條件下41.43%的理論值。最后,能耗與成本分析結(jié)果表明,該電化學(xué)再生工藝可以用來(lái)有效處理脫硫廢渣,并且是一種綠色工藝。因?yàn)殡娮邮瞧渲饕磻?yīng)劑,幾乎沒(méi)有二次污染；同時(shí)反應(yīng)器可以使用電廠(chǎng)自有的富裕電或低價(jià)谷電來(lái)作為能源,從而有效降低運(yùn)行成本。因此,若該技術(shù)集成應(yīng)用于現(xiàn)有的煙氣脫硫工藝,可以將原來(lái)費(fèi)用昂貴的化工過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)濟(jì)高效的資源化技術(shù)并產(chǎn)生清潔能源。
【圖文】：

煙氣脫硫渣和資源化技術(shù)�？傮w研究思路是：在理論及實(shí)驗(yàn)室研巧的基礎(chǔ)上，建立數(shù)學(xué)逡逑模型，優(yōu)化條件，探討機(jī)理，為將來(lái)該資源化技術(shù)與實(shí)際電廠(chǎng)煙氣系統(tǒng)的集成應(yīng)用，打逡逑下理論研究的基礎(chǔ)。整個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)路線(xiàn)示意圖如圖１．３所示，涉及的主要電化學(xué)反應(yīng)逡逑見(jiàn)式（１－９７）和（１－９８）。逡逑ｒｉｕｃ邋ｇａｓ逡逑ａｌｋｒ邋Ｕｅｓｕｌｆｕｒｉ／ａｌｉｏｎ逡逑Ｉ邐＾邐１逡逑邐邋邐Ｔ邐？、逡逑Ｆｌｕｃｇｕｓ邐良ａｇｈｏｕｓｅ邐＞邋＾Ｍｅａｔｅｘｄｉａｎｇｅｒ邋－邐—占—————逡逑。腳ｎ邋ｆｌｕｅ邋ｇａｓ邋＜—邐。嚴(yán)�。ⅲⅲ鳎铮蜻姟煎濉姟茫铮睿悖铮恚颍幔簦澹溴澹蛇姡撸危幔希龋咤义希掊澹妫悖欤悖悖椋恚螅椋幔簦椋沐澹穑颍澹悖椋穑椋簦幔簦铮蜻姡娮T；，｜邐Ｕ晉逡逑＾邐（）、邐ＩＩ邋１逡逑＇邐＊邐／＂ｖｙｓ邋＇逡逑＇邐、邐Ｉ邐＾＾邐Ｍｅｍｂｒ邋肌邋ｃ邋Ａｎｏｄ？＾邐＞加邋ｏｄｅ逡逑Ｉ邋■邋ｌ．ｎｃｒｇｙ邋Ｉｎｐｕｔ：邐｜邐Ｄｉｓｓｏｉｖｉｎ泣邐ｄｃｃｉｒｏ－ｒｃａｃｌｕｒ邐Ｉ．ＶＯ／邋＇Ｗ邋＿逡逑Ｉ邋Ｓｕｒｐｌｕｓ邋？邋ｏｔｒ＾ｐｃａｋ邋ｃｉｃｃｍｃｉｌｙ邋ｊ邐Ｆ（；Ｄｒ扮Ｍｕａ�。筮姡捱姡濉鲥澹义希慑濉鲥澹瑁椋闱桑希恚穑酰欤哼姡蛇姡蛇姡蛇奧邋邐邐／逡逑Ｉ邋！ｊ、ｄｒｏｇｃｎ邋ａｓ邋ａ邋ｃｌｅａｎ邋ｅｎｅｒｇｙ邋Ｉ邐Ｄｉｌｕｔｅｄ邋Ｑ邐Ｄ邐Ｄ逡逑Ｉ邋■邋Ｂｙ．町加ｅ，ｓ：邐Ｉ邐Ｐｒｉｍａｌ邋ｋ．ｎｃ逡逑Ｉ邋ｉＫＵｌｍｗｌ邋々ｓｔｏ＂邋Ｉ邋Ｈ邋，１）…＂ｉｉ，；ｒ邋ｐｉ＇ｉｍａ？，ｎ■＂川，，

除了氯堿工業(yè)，膜電解反應(yīng)器還被應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化工及工業(yè)廢水處理等領(lǐng)逡逑為此，本課題利用膜電解反應(yīng)器的這一基本原理，設(shè)計(jì)了Ｈ室膜電解反應(yīng)器裝置用逡逑于實(shí)現(xiàn)煙氣脫硫渣的資源化利用，該反應(yīng)裝置示意圖如圖２．２所示。整個(gè)系}q由直流電逡逑源提供反應(yīng)所需的槽電壓，在兩個(gè)正負(fù)電極之間使用陰離子交換膜（ＡＥＭ）和陽(yáng)離子交逡逑換膜（ＣＥＭ）把電解槽單元分隔成王個(gè)腔室，，分別是；陽(yáng)極室、中間室和陰極室，從而逡逑形成一個(gè)膜電解單元。逡逑牛ＤＣ邋—逡逑Ｈ．ＳＯ．邐ｆＴ邋Ｉ邋｛邐＼邐ＮａＯＨ逡逑（Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ）…邐邐％—－邋＂邋－—培－＊邋Ｉ邋（Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ）逡逑片。ｆ邐ｉ鐘ｒ逡逑Ｈ；？up：當(dāng)：尊＇祭靈姢逡逑＾＾Ｉｐｑｔｈｏｄｅ邋Ｐ邋＾逡逑Ａｎｏｄｅ邋ｒｅａｃｔｉｏｎ：邐ＡＥＭ邋介邋ＣＥＭ邋介邋Ｃａｔｈｏｄｅ邋ｒｅａｃｔ；。。：逡逑２封３0邋一邋４／ｒ＋邋0２邋中邋４ｅ邋ｙ邐ｙ邐ｙ邋２Ｈ：０邋牛邋２ｅ邋一邋２０Ｈ—牛逡逑Ｈ２ＳＯ４邐Ｎａ＾ＳＯａ邐ＮａＯＨ逡逑（ａｉｕｔｅｄ）邋（Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ）邐（防邋ｌｕｔｅｄ）逡逑圖２．２膜電解反應(yīng)器基本原理示意圖逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２．２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｄｅｓｉｇｎｅｄ邋ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｍｂｒａｎｅ邋ｒｅａｃｔｏｒ．逡逑在本課題中，主要針對(duì)的煙氣脫硫渣是半干法鋼堿脫硫工藝所形成的廢渣。該脫硫逡逑工藝使用ＮａＯＨ作為起始脫硫劑，使固態(tài)的脫硫劑粉末與霧化噴入的水滴形成堿性霧滴逡逑吸收煙氣中的Ｓ0２。由于煙氣溫度較高
【學(xué)位授予單位】：華東理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：X701.3;X705

【參考文獻(xiàn)】

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