劉崢，李立清，黃貴杰, 3，姚小龍, 4

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活性炭變壓吸附二氧化硫的傳熱傳質(zhì)規(guī)律

劉崢1, 2，李立清1，黃貴杰1, 3，姚小龍1, 4

(1. 中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙，410083；2. 廣西大學(xué)環(huán)境學(xué)院，廣西南寧，530004；3. 廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司環(huán)境工程所，廣東廣州，510010；4. 清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京，100084 )

采用兩床五步式變壓吸附工藝，研究活性炭固定床變壓吸附處理SO2過程中的傳熱傳質(zhì)規(guī)律和脫附狀態(tài)下脫附氣的濃縮率的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：不同吸附高度的溫度曲線隨變壓吸附循環(huán)的周期數(shù)改變而變化。在實(shí)驗(yàn)條件下，傳質(zhì)區(qū)主要集中在高度=0.08~0.15 m處；隨著吸附柱高度的增加，氣相組分物質(zhì)質(zhì)量濃度逐漸降低，并且在400個(gè)周期以后開始達(dá)到穩(wěn)定。在床層高度0.60 m以上沒有SO2氣體存在。SO2在吹掃脫附階段和真空脫附階段的不同脫附時(shí)刻的脫附氣濃縮率均隨變壓吸附過程先快速升高，然后趨于穩(wěn)定，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，SO2的脫附氣濃縮率隨脫附時(shí)間的增加而降低。在實(shí)驗(yàn)條件下，變壓吸附各階段的最佳時(shí)長如下：均壓段為3 s，吸附段為170 s，吹掃脫附設(shè)為15 s，真空脫附為180 s；脫附氣的SO2平均濃縮率為2。

變壓吸附；溫度；氣相質(zhì)量濃度；脫附氣；濃縮率

吸附法脫硫技術(shù)是利用吸附劑吸附煙氣中的二氧化硫(SO2)達(dá)到凈化煙氣的目的[1]。活性炭由于其具有比表面積大、空隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、吸附能力強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性好、機(jī)械強(qiáng)度高及可再生性能好等優(yōu)點(diǎn)成為了吸附法脫硫應(yīng)用中廣泛采用的吸附劑材料[2?4]。變壓吸附(PSA)分離氣體是利用吸附劑對不同氣體在吸附量、吸附速度、吸附力等方面的差異以及吸附量隨壓力變化的特性，通過控制壓力，即周期性改變床層壓力，使吸附質(zhì)在高壓下吸附，在低壓下解吸，實(shí)現(xiàn)吸附與解吸過程的交替進(jìn)行，將氣體混合物進(jìn)行分離的循環(huán)操作過程[5]。PSA技術(shù)廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)中氣態(tài)污染物提純和分離。Tang等[6]采用PSA技術(shù)凈化分離了丙酮和甲苯的混合氣體，并對變壓吸附過程中的傳熱傳質(zhì)的耦合效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。Grande等[7]采用Skarstrom單柱循環(huán)工藝，對模擬天然氣CH4/N2真空變壓吸附(VSA-PSA)分離進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：分離后CH4純度超過93%，回收率超過40%。Miyajima等[8]通過模擬工業(yè)四塔變壓吸附分離CO，通過減少回流凈化的CO的量，實(shí)現(xiàn)CO體積分?jǐn)?shù)≥99%的產(chǎn)品氣。Gales等[9]采用變溫變壓吸附技術(shù)同時(shí)回收廢氣中的丙酮、乙酸、乙酯、乙醇，其中丙酮的回收率可達(dá)98%。陶北平等[10]利用PSA法治理PVC分餾尾氣并回收其中有效組分，能使尾氣中VCM和C2H2回收率大于99.9%。李立清[11]采用活性炭C40/4常壓吸附和真空脫附分離混合氣中的甲苯及二甲苯，其甲苯和二甲苯回收率均可達(dá)95%以上。Nastaj等[12]采用真空變壓吸附與變溫吸附相結(jié)合的方法，利用活性炭Sorbonorit 4從廢氣中去除異丙醇。Chihara等[13]選用高硅沸石吸附劑，利用兩塔PSA工藝分別在0.2 MPa壓力下吸附和0.04 MPa壓力下脫附處理，回收CH2Cl2氣體。但是采用活性炭為吸附劑，利用PSA技術(shù)濃縮煙氣中SO2的應(yīng)用則鮮有報(bào)道。針對PSA技術(shù)濃縮煙氣中的SO2方面的應(yīng)用很少，為了更好地研究和設(shè)計(jì)PSA處理SO2工藝，尋找最佳操作條件，本文作者研究一套二床五步式變壓吸附循環(huán)系統(tǒng)，考察固定床的兩床變壓吸附處理SO2與空氣的混合氣體的動(dòng)態(tài)過程，分析活性炭變壓吸附SO2過程中的傳熱傳質(zhì)規(guī)律和脫附狀態(tài)下脫附氣的濃縮率的變化規(guī)律，以便實(shí)現(xiàn)常壓低溫條件下煙氣脫硫—濃縮—再生的連續(xù)操作，為脫硫工業(yè)化應(yīng)用提供合理依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料

吸附劑為柱狀活性炭(寧夏華輝炭業(yè)化工有限公司)，具體物理性能參數(shù)如表1所示。表1中，吸附質(zhì)為SO2，其純度≥99.9%。原料氣體組成如下：SO2的體積分?jǐn)?shù)為6.88×10?4，平衡氣體為空氣；混合氣體進(jìn)氣流量為1.60 m3/h，吹掃脫附進(jìn)氣流量為1.3 m3/h，真空脫附進(jìn)氣流量為0.9 L/min。吸附前在403 K溫度下于烘箱內(nèi)干燥3 h，隨后在烘箱內(nèi)冷卻至室溫后，裝入吸附柱。

表1 活性炭的物理參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

變壓吸附實(shí)驗(yàn)裝置主要由氣體發(fā)生源、吸附柱、尾氣處置系統(tǒng)和測試與控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)尾氣通過尾氣吸附柱后經(jīng)管道排放至室外。

1—硅膠干燥柱Ⅰ；2—載氣流量計(jì)；3—SO2鋼瓶；4—SO2流量計(jì)；5—?dú)怏w混合器；6—壓縮機(jī)；7—硅膠干燥柱Ⅱ；8—吹掃脫附流量計(jì)；9—真空脫附流量計(jì)；10—變壓吸附床Ⅰ；11—變壓吸附床Ⅱ；12—真空泵；13—尾氣處理吸附柱

2.1 氣體發(fā)生源

實(shí)驗(yàn)通過真空泵(MPC901ZP型，德國)抽取的室內(nèi)空氣先經(jīng)過裝填硅膠的干燥柱，去除空氣中的水分。經(jīng)干燥后的空氣被分成2部分：一部分用于真空吹掃，另一部分直接進(jìn)入氣體混合器與SO2混合，形成一定濃度的SO2與空氣混合氣體。通過調(diào)節(jié)吹掃氣流量計(jì)(LZB-2，浙江余姚)來調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)用脫附柱中真空度。

2.2 吸附床

采用小型的兩床五步變壓吸附實(shí)驗(yàn)裝置。采用2個(gè)不銹鋼的柱子作為吸附床。吸附床內(nèi)徑為50 mm，管內(nèi)可裝填1.20 m高的吸附劑。

為忽略環(huán)境溫度對變壓吸附過程中溫度變化影響，對柱體進(jìn)行絕熱處理。分別在2個(gè)柱子的高為750 mm處設(shè)置柱內(nèi)壓力測試點(diǎn)；在2個(gè)柱子的高為80，150，220，600，1 050和1 200 mm處設(shè)置溫度測點(diǎn)。為監(jiān)測吸附柱內(nèi)氣相質(zhì)量濃度測點(diǎn)分別在柱高為150，600，1 050和1 200 mm處設(shè)置SO2質(zhì)量濃度測點(diǎn)。各吸附柱溫度()，壓力()及質(zhì)量濃度()測點(diǎn)設(shè)置如圖2所示。

圖2 吸附床測試點(diǎn)位置示意圖

2.3 變壓實(shí)驗(yàn)方法

2.3.1 變壓吸附控制流程

傳統(tǒng)的變壓吸附為兩床四步式循環(huán)[14]，通常包括充壓、吸附、放空與吹掃。在工業(yè)實(shí)踐中將前2步合稱為加壓吸附階段，后2步合稱為泄壓吹掃階段。本文為詳細(xì)考察柱內(nèi)氣體壓力、氣速等參數(shù)以及不同脫附方式對循環(huán)過程的影響將其改為兩床五步式循環(huán)。該循環(huán)包括加壓吸附(常壓)、均壓、吹掃脫附、真空脫附和均壓5個(gè)階段。具體過程如圖3所示。

圖3 變壓吸附循環(huán)示意圖

階段Ⅰ為吸附段。柱A此時(shí)處于吸附周期，同時(shí)柱B先進(jìn)行吹掃脫附而后進(jìn)行真空脫附。利用空氣壓縮機(jī)將SO2與空氣的混合氣體送入柱A進(jìn)行吸附。為充分考察過程中的熱質(zhì)變化，將吸附段時(shí)間長度設(shè)為300 s。相應(yīng)的柱B的吹掃脫附和真空脫附時(shí)間分別設(shè)置為30 s和270 s；在該階段控制柱內(nèi)混合氣體流量為1.60 m3/h。

階段Ⅱ?yàn)榫鶋憾?。?個(gè)吸附柱連通盡可能在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到壓力平衡，將該段時(shí)間設(shè)置為3 s。

階段Ⅲ為吹掃脫附。該階段利用真空泵抽取柱A內(nèi)氣體，控制壓力在一定水平(比標(biāo)準(zhǔn)大氣壓低約58 kPa)，同時(shí)在柱B內(nèi)進(jìn)行吸附。為使2個(gè)吸附柱無間歇地運(yùn)行，將該時(shí)間長短設(shè)置為30 s；控制柱內(nèi)混合氣體流量為1.3 m3/h。

階段Ⅳ為真空脫附。該階段利用真空泵抽取柱A內(nèi)氣體，將柱內(nèi)可能做到真空(比標(biāo)準(zhǔn)大氣壓低約91 kPa)，同時(shí)在柱B內(nèi)進(jìn)行吸附。為使兩柱無空歇時(shí)間，也將該時(shí)間長短設(shè)置為270 s；控制吸附柱內(nèi)混合氣體流量為0.9 L/min；

階段Ⅴ為均壓。與階段Ⅱ的均壓相同。

整個(gè)變壓吸附濃縮過程采用組態(tài)王控制軟件控制整個(gè)裝置的連續(xù)運(yùn)行，采用煙塵煙氣檢測儀(雷博3020，中國山東)測量進(jìn)出口處的氣相中SO2的質(zhì)量濃度。

2.3.2實(shí)驗(yàn)方法

1) 稱取一定質(zhì)量已干燥處理的活性炭，裝入吸附柱，柱高1.20 m。

2) 稱取一定質(zhì)量已脫水處理的硅膠，裝入干燥柱。

3) 啟動(dòng)組態(tài)王控制軟件自動(dòng)控制系統(tǒng)，設(shè)置氣閥開關(guān)時(shí)間、檢測項(xiàng)目、檢測間隔時(shí)間、顯示形式等，實(shí)施變壓吸附監(jiān)控。

4) 啟動(dòng)真空泵。調(diào)節(jié)載氣氣閥和吹掃氣流量計(jì)，使吸附和脫附柱在設(shè)定的空塔速度和真空度下不間斷運(yùn)行，直至外排氣SO2氣體質(zhì)量濃度為0。

5) 打開SO2鋼瓶氣體，調(diào)節(jié)SO2氣閥，開始配氣，使裝置在一定SO2質(zhì)量濃度下進(jìn)行變壓吸附。

6) 當(dāng)變壓吸附達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，即吸附柱不同位置的氣體質(zhì)量濃度處于恒定并維持1 d以上時(shí)，認(rèn)為變壓吸附已達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，停止試驗(yàn)。

3 結(jié)果與討論

3.1 變壓吸附過程壓力變化規(guī)律

變壓吸附過程中吸附床內(nèi)的壓力是周期性變化的，圖4所示為2個(gè)柱子的壓力變化曲線。當(dāng)柱B在高壓(比標(biāo)準(zhǔn)大氣壓略大5 kPa)吸附時(shí)，則柱A先處于吹掃低壓(比標(biāo)準(zhǔn)大氣壓低約58 kPa)脫附狀態(tài)，隨后處于真空低壓(比標(biāo)準(zhǔn)大氣壓低約91 kPa)脫附狀態(tài)；當(dāng)吸附和脫附過程完成時(shí)，進(jìn)行均壓，2個(gè)柱內(nèi)的壓力在短時(shí)間內(nèi)迅速達(dá)到平衡，該實(shí)驗(yàn)中均壓時(shí)間為3 s，且2個(gè)柱子在均壓時(shí)段內(nèi)都達(dá)到了壓力平衡。由圖4可見：在吸附段的前3 s時(shí)，吸附升壓迅速增大，壓力迅速趨于穩(wěn)定，然后達(dá)到工作壓力106 kPa；在吹掃脫附段的前3 s柱內(nèi)壓力迅速降到其工作壓力，隨后在真空脫附段的前10 s柱內(nèi)壓力迅速達(dá)到其工作壓力。由于該時(shí)間很短，故可以認(rèn)為吸附和脫附時(shí)的壓力是穩(wěn)定的。

1—柱A；2—柱B

3.2 變壓吸附過程溫度變化規(guī)律

圖5所示為柱A第100，200和400個(gè)周期內(nèi)在高度分別為80，150，220，600，1 050和1 200 mm處的溫度1，2，3，4，5和6的變化曲線。

由圖5可知：變壓吸附過程的多個(gè)周期內(nèi)溫度變化趨勢幾乎一樣，在柱A高度分別為80，150和220 mm處的溫度1，2和3隨著吸附時(shí)間上升，分別在吸附段末期300 s處達(dá)到峰值，然后在脫附段3個(gè)測點(diǎn)近乎線性下降；在吸附段1以較快的速度增長，2和3增長緩慢，吸附段末期1＞2，而到脫附段末期1＜2。這是因?yàn)槲街撞康奈絼┫任胶兔摳剑a(chǎn)生吸附熱和脫附熱，從而造成溫度的劇烈變化。這一現(xiàn)象說明在第100個(gè)循環(huán)周期內(nèi)傳質(zhì)區(qū)主要發(fā)生在1測點(diǎn)所在位置即高為80 mm處。而高度分別為600，1 050和1 200 mm處的溫度4，5和6分別在吸附段的0~50 s以很大的斜率增加，溫度達(dá)到最大值，隨后緩慢下降；當(dāng)?shù)竭_(dá)脫附階段時(shí)，三者先是快速下降，然后緩慢上升。這也說明高度600 mm以上的吸附柱不是主要的傳質(zhì)區(qū)，在吸附段溫度快速上升是由傳熱引起，而脫附段溫度快速下降是由脫附時(shí)吸附柱內(nèi)壓力降低，從而導(dǎo)致溫度急劇下降；隨后緩慢上升是脫附壓力已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定，吸附柱的底部溫度比頂部的高，引起吸附柱內(nèi)傳熱。

周期/個(gè)：(a) 100；(b) 200；(c) 400

隨著變壓吸附循環(huán)的進(jìn)行，1，2和3下降，在100個(gè)周期內(nèi)其峰值分別為33.3，29.8和28.5 ℃；到達(dá)第400周期時(shí)，其峰值分別為31.1，28.8和27.8 ℃。這說明傳質(zhì)區(qū)在向吸附柱的頂端移動(dòng)。在吸附段的0~150 s，1＜3＜2，這可能是因?yàn)樵谖胶兔摳诫A段中脫附熱和吸附熱是一對可逆值。然而，在實(shí)際中吸附熱和脫附熱并不相等，脫附熱比吸附熱大。4，5和6增加，這是因?yàn)闅庀喔鹘M分在自下向上的流動(dòng)中被吸附，使得氣體在到達(dá)高處時(shí)降低了質(zhì)量濃度，進(jìn)而降低了被吸附量，使得因吸附而產(chǎn)生的吸附熱響應(yīng)減少，且傳質(zhì)區(qū)之外的溫度變化主要由熱傳遞引起。

隨著變壓吸附濃縮SO2氣體過程的進(jìn)行，傳質(zhì)區(qū)在自上向下移動(dòng)，但當(dāng)?shù)竭_(dá)一定時(shí)間以后，吸附量和脫附量開始趨于穩(wěn)定，傳質(zhì)區(qū)也就維持在吸附柱內(nèi)一定的高度，且變壓吸附過程中溫度受吸附熱的影響較大。由此可得出溫度波動(dòng)較大的區(qū)域即為傳質(zhì)區(qū)主要發(fā)生的區(qū)域；并可以確定出傳質(zhì)區(qū)的情況即柱體任意高度處的溫度變化曲線，可確定傳質(zhì)區(qū)的長度以及傳質(zhì)區(qū)的移動(dòng)情況。因此，可以通過監(jiān)測柱內(nèi)不同高度處的溫度變化直接表征變壓吸附過程中傳質(zhì)區(qū)的變化。

3.3 吸附段氣相組分質(zhì)量濃度變化規(guī)律

在柱A高度為0.15 m和0.60 m處時(shí)，處于變壓吸附周期中的吸附階段的50，110，170，230和290 s的SO2質(zhì)量濃度如圖6所示。

由圖6(a)可知：在柱高為0.15 m時(shí)，隨著變壓吸附濃縮SO2氣體的循環(huán)進(jìn)行，吸附階段的50，110，170，230和290 s的SO2質(zhì)量濃度在變壓吸附循環(huán)的初期相差不大，但是到100個(gè)周期以后，50 s的SO2質(zhì)量濃度與110 s的SO2質(zhì)量濃度相比，它們之間的差值開始變大；在250個(gè)周期以后，它們以穩(wěn)定的差值同步增大。Zhu等[15]研究發(fā)現(xiàn)活性炭的微孔孔容、超微孔容與SO2吸附量呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。所以，在變壓吸附前期，由于進(jìn)口的SO2氣體質(zhì)量濃度比較小，活性炭微孔吸附起主要作用；隨著循環(huán)的進(jìn)行，由于脫附不完全，還有一部分SO2殘留在微孔中，活性炭微孔內(nèi)吸附相的組分分子逐漸填滿靠近表面的微孔，當(dāng)?shù)竭_(dá)250個(gè)周期以后，微孔吸附脫附已經(jīng)基本處于動(dòng)態(tài)平衡。而吸附段的110，170，230和290 s的SO2質(zhì)量濃度曲線幾乎以相同的趨勢增加。這是因?yàn)樵谖蕉蔚那捌?，主要為微孔吸附，到吸附段?10 s以后，活性炭表面微孔逐漸填滿，這時(shí)主要是表面大孔多分子層吸附。

由圖6(b)可知：在柱高=0.60 m時(shí)，吸附階段的50，110，170，230和290 s的SO2質(zhì)量濃度都為0 mg/m3，這說明傳質(zhì)區(qū)沒有移動(dòng)到0.60 m處。但是從圖6(a)可知：在柱高0.15 m為吸附/解附的傳質(zhì)區(qū)，由此可得：在變壓吸附達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，柱高=0.60 m以上的活性炭吸附柱沒有用到，所以，為了節(jié)約成本，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，吸附柱的填充高度不應(yīng)高于0.60 m。

H/m：(a) 0.15；(b) 0.60

在柱A高=0.15 m處，處于變壓吸附周期的第400，416，431和445個(gè)周期的吸附階段的SO2質(zhì)量濃度如圖7所示。由圖7可知：第400個(gè)周期以后的SO2質(zhì)量濃度隨著吸附階段的進(jìn)行，在吸附段的前期SO2質(zhì)量濃度顯著增大，但是到吸附段的末期SO2質(zhì)量濃度逐漸趨于穩(wěn)定；處于變壓吸附的第400個(gè)周期以后的各個(gè)吸附周期階段的SO2質(zhì)量濃度曲線變化不大，可以認(rèn)為柱A在=0.15 m處已經(jīng)處于動(dòng)態(tài)的吸附/脫附平衡，也說明柱A在=0.15 m處是主要的傳質(zhì)區(qū)。

周期/個(gè)：1—400；2—416；3—431；4—445

3.4 吹掃脫附段的脫附氣質(zhì)量濃度的變化規(guī)律

圖8所示為吸附質(zhì)在吹掃階段期間分別處于吹掃脫附5，10，15，20和25 s時(shí)，SO2的脫附濃縮率(即吹掃脫附氣質(zhì)量濃度i與進(jìn)氣質(zhì)量濃度0的比值)的變化曲線。由圖8可知：在變壓吸附初期脫附氣質(zhì)量濃度較低，濃縮效果不是很好；隨著變壓吸附循環(huán)進(jìn)行，脫附濃縮率以很大的斜率較快增大，在4 h以后，脫附濃度維持在一個(gè)比較穩(wěn)定的階段，吹掃脫附5，10，15，20和25 s時(shí)的脫附氣質(zhì)量濃度依次降低。吹掃脫附5，10，15，20和25 s的5條曲線的變化趨勢幾乎相等，表明這5個(gè)不同脫附時(shí)刻的SO2的脫附氣質(zhì)量濃度以幾乎相等的速率變化，而且在5，10，15和20 s時(shí)SO2的濃縮曲線相差較大，而在20 s和25 s時(shí)的曲線較近，差別較小。這表明在吹掃脫附20 s以后，SO2的脫附氣濃縮率不會(huì)發(fā)生太大變化，且此時(shí)產(chǎn)生的氣體濃縮率較低。即在20 s以后已經(jīng)不適合回收和濃縮SO2氣體。同時(shí)在脫附段20 s時(shí)，穩(wěn)定狀態(tài)下SO2的濃縮率下降至1.20左右，脫附段25 s時(shí)濃縮率只有1.05。劉偉等[16]認(rèn)為活性炭是多微孔性多孔介質(zhì)，由于微孔吸附作用存在，微孔內(nèi)的吸附質(zhì)較難脫附，所以，吹掃脫附時(shí)刻越短，SO2氣體的濃縮率越高；吹掃脫附的真空度越高，SO2氣體的濃縮效果越好，若將吹掃流量減小，則可以提高吹掃脫附的真空度，使SO2的質(zhì)量濃度效果提高?？紤]到濃縮SO2氣體的經(jīng)濟(jì)性和濃縮效果，可以將吹掃脫附段時(shí)間設(shè)定為15 s。

時(shí)間/s：1—5；2—10；3—15；4—20；5—25

3.5 真空脫附段的脫附氣質(zhì)量濃度的變化規(guī)律

圖9所示為變壓吸附處理SO2氣體真空脫附階段里脫附時(shí)長分別為40，75，110，145，180，215和250 s時(shí)，SO2的脫附濃縮率(即i與0的比值)在變壓吸附11 h的變化曲線。

時(shí)間/s：1—40；2—75；3—110；4—145；5—180；6—215；7—250

由圖9可以看出：在不同真空脫附時(shí)刻SO2脫附氣體的濃縮率均隨著變壓吸附時(shí)間緩慢上升，然后達(dá)到1個(gè)峰值，隨后緩慢下降，并逐漸趨于穩(wěn)定；在脫附段40 s時(shí)，SO2脫附濃縮率不是很穩(wěn)定，波動(dòng)很大，在變壓吸附10 h以后，濃縮率逐漸趨于0.91，是所有脫附濃縮率對應(yīng)的最小時(shí)間段，這可能是因?yàn)樵谡婵彰摳匠跗?，還殘留吹掃脫附階段質(zhì)量濃度較低的氣和活性炭微孔，SO2較難脫附；隨著脫附階段的進(jìn)行，SO2的濃縮率快速上升，在脫附段75 s時(shí)SO2濃縮率達(dá)到3.0，與脫附段40 s時(shí)的脫附濃縮率相差很大，這是由于這時(shí)真空度已經(jīng)很大，SO2已經(jīng)開始從微孔中大量解吸，脫附濃縮率曲線繼續(xù)上升；在脫附段110 s時(shí)，SO2的濃縮率達(dá)到最大值，此時(shí)，濃縮率為4.2，隨后，SO2的濃縮率緩慢下降，維持在一個(gè)比較穩(wěn)定的水平；在脫附段145，180，215和250 s時(shí)，SO2的濃縮率分別趨于4.0，3.8，3.0和3.2。

在整個(gè)真空脫附階段，真空度越大，脫附氣的濃縮率越高，濃縮效果越好；隨著變壓吸附濃縮SO2氣體的進(jìn)行，脫附效果降低。且對于真空脫附而言，由于吹掃時(shí)氣體流量(0.9 L/min)很小，遠(yuǎn)小于混合進(jìn)氣流量(1.60 m3/h)，使得氣體的濃縮效果較好。由于真空脫附時(shí)為達(dá)到一定真空度(?91 kPa)，消耗能量較大。為合理利用資源和提高吹掃混合氣體中SO2脫附氣的氣體濃縮率，將真空脫附段時(shí)長設(shè)為180 s。

3.6 脫附氣平均出口質(zhì)量濃度的變化規(guī)律

脫附氣SO2平均出口質(zhì)量濃度采用如下公式計(jì)算：

式中：1為吹掃脫附氣的流量；2為真空脫附氣的流量；0=0 s；1=15 s；2=195 s；1和2分別為掃脫附氣和真空脫附氣的質(zhì)量濃度，mg/m3。

圖10和圖11所示分別為脫附氣平均出口質(zhì)量濃度曲線和脫附氣平均濃縮率曲線。從圖10和圖11可以看出：當(dāng)進(jìn)口質(zhì)量濃度約為1 800 mg/m3時(shí)，在變壓吸附初期，脫附氣的平均SO2質(zhì)量濃度僅為2 650 mg/m3，脫附氣的平均濃縮率也只有1.47；隨著變壓吸附的進(jìn)行，脫附氣的平均SO2質(zhì)量濃度以較快的速度增加，最后在40個(gè)周期左右趨于穩(wěn)定，此時(shí)脫附氣的平均SO2質(zhì)量濃度超過3 600 mg/m3，脫附氣的平均濃縮率也達(dá)到2左右。

圖10 脫附時(shí)刻SO2平均出口質(zhì)量濃度ρa(bǔ)vg曲線

圖11 脫附時(shí)刻SO-2平均濃縮率曲線

4 結(jié)論

1) 不同高度的溫度曲線隨周期數(shù)改變而改變。吸附段溫度快速上升是由傳熱引起的，在變壓吸附過程中溫度變化可體現(xiàn)傳質(zhì)區(qū)的情況。溫度較高，變化較大處即為傳質(zhì)區(qū)發(fā)生的主要區(qū)域。吸附段溫度的劇烈變化說明在本實(shí)驗(yàn)中傳質(zhì)區(qū)主要集中在高度0.08~0.15 m處。

2) 隨著吸附柱高度的增加，吸附和脫附引起的溫差逐漸減小，溫度逐漸降低。吸附床底端由吸附引起的溫度增加比頂端的大，而底端由脫附引起的溫度降低則比頂端小。

3) 氣相組分物質(zhì)質(zhì)量濃度隨吸附柱高度的增加逐漸降低，并且在400個(gè)周期以后開始達(dá)到穩(wěn)定。

4) SO2在吹掃脫附階段和真空脫附階段的不同脫附時(shí)刻，SO2脫附氣濃縮率均隨變壓吸附過程先快速升高，然后趨于穩(wěn)定。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，SO2的脫附氣濃縮率隨脫附時(shí)刻的增加而降低。

5) 在實(shí)驗(yàn)條件下，變壓吸附各階段的最佳時(shí)長如下：均壓段3 s，吸附段為170 s，吹掃脫附設(shè)為15 s，真空脫附為180 s。在此最佳時(shí)長下，脫附氣的SO2平均濃縮率為2。

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Heat and mass transfer in pressure swing adsorptionof sulfur dioxide gas by activated carbon

LIU Zheng1, 2, LI Liqing1, HUANG Guijie1, 3, YAO Xiaolong1, 4

(1. School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. School of Environment, Guangxi University, Nanning 530004, China;3. Institute of Environment Engineering, Guangzhou Metro Design & Research Institute Co. Ltd., Guangzhou 510010, China;4. School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

The heat and mass transfer in a fix bed of activated carbon (AC) for SO2adsorption and the variation of the ratio of desorption gas condensability were investigated based on a double bed five steps pressure swing adsorption (PSA). The results show that the temperature curves of different heights change with the change of periodicity, and that mass transfer mainly occurs in the area of 0.08?0.15 m. The concentration of gas phase composition decreases gradually with the increase of adsorption column height. It enters a stability stage after 400 cycles. No SO2is detected when the bed height is higher than 0.60 m. During the purge desorption and vacuum desorption stage, the ratio of desorption gas condensability increases, then tends to stable, and finally declines with the increase of desorption time. In experiment conditions, the best operation time for each stage are adsorption with 170 s, purge desorption with 15 s, vacuum desorption with 180 s, and balance pressure with 3 s. The average condensability of SO2in desorption gas can achieve 2.0.

pressure swing adsorption; temperature; gas phase mass concentration; desorption gas; condensability ratio

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.05.052

X51

A

1672?7207(2015)05?1959?08

2014?09?17；

2014?11?17

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20976200，21376274) (Projects(20976200, 21376274) supported by the National Natural Science Foundation of China)

李立清，教授，博士生導(dǎo)師，從事氣態(tài)污染物凈化技術(shù)的研究；E-mail: liqingli@hotmail.com

(編輯 羅金花)