氨法脫硫?qū)嶒?yàn)研究分析

高善彬，魯希振

（1.山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250013；2.大唐黃島發(fā)電有限責(zé)任公司，山東 青島 266500）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，在最近20~30年中，能源的需求量也在不斷增長(zhǎng)，作為一次能源的煤炭，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)仍然是我國(guó)主要能量來源。目前，中國(guó)電力能源結(jié)構(gòu)中，煤電約占3/4，而且在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期不會(huì)有很大的變化。燃煤火電廠在將一次能源煤炭轉(zhuǎn)換為二次能源電力的過程中，會(huì)產(chǎn)生廢氣、廢水、灰渣及噪聲等污染物，其廢氣中的SO2是大氣的主要污染物之一，SO2的大量排放既嚴(yán)重污染環(huán)境又造成硫資源的巨大浪費(fèi)。2002年，全國(guó)廢氣中SO2排放總量為1926.6萬t，其中工業(yè)來源的排放量1562.0萬t，生活來源的排放量364.6萬t。部分城市SO2污染嚴(yán)重，南方地區(qū)酸雨污染較重，酸雨控制區(qū)內(nèi)90%以上的城市出現(xiàn)了酸雨。脫硫工程的建設(shè)屬于當(dāng)前國(guó)家重點(diǎn)鼓勵(lì)和發(fā)展的項(xiàng)目，項(xiàng)目的建設(shè)是符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策的[1]。

目前世界各國(guó)研究開發(fā)的脫硫技術(shù)達(dá)200多種，這些技術(shù)按燃燒過程可分為3大類：燃燒前脫硫、燃燒中脫硫、燃燒后脫硫即煙氣脫硫（FGD）。后一種脫硫技術(shù)是目前應(yīng)用最廣、效率最高的脫硫技術(shù)。煙氣脫硫按工藝特點(diǎn)可分為干法，半干法和濕法3大類。濕法脫硫主要為石灰/石灰石法[2~3]、鈉堿雙堿法、鈉鹽循環(huán)法、堿式硫酸鋁—石膏法等[4~8]，其優(yōu)點(diǎn)是脫硫率高、操作穩(wěn)定且經(jīng)驗(yàn)多，但存在著易造成二次污染，脫硫后的煙氣需再加熱，易造成腐蝕和結(jié)垢等問題。而氨法脫硫技術(shù)將回收的二氧化硫、氨全部轉(zhuǎn)化為化肥，不產(chǎn)生任何廢水、廢液和廢渣，沒有二次污染，是一項(xiàng)真正意義上的將污染物全部資源化，符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)要求的脫硫技術(shù)，具有高效、低能耗、防腐蝕以及運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。因此，本文針對(duì)氨法煙氣脫硫的主要影響因素進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，研究其對(duì)脫硫效率的影響。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了研究氨法脫硫特性，搭建了一套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)空氣由風(fēng)機(jī)供給，經(jīng)緩沖箱后與SO2氣體混合形成煙氣，SO2由SO2鋼瓶提供，用于調(diào)節(jié)煙氣中的SO2至所需的濃度。SO2和煙氣在混和室內(nèi)充分混和后，進(jìn)入脫硫塔。塔徑為150mm，塔高1.5m，塔內(nèi)裝有3級(jí)旋流板，脫硫塔頂部裝有高效除霧器。

額定煙氣量150~300L·min-1，并用煙氣分析儀（德國(guó)德圖TESTO 350Pro煙氣分析儀）測(cè)量煙氣中SO2的濃度。其中脫硫液水中亞硫酸銨作為吸收液，大部分的SO2都會(huì)在脫硫塔中和氨水反應(yīng)，從而被吸收。

圖1 氨法脫硫?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)

2 氨法脫硫的原理

煙氣與氨水在脫硫塔某一特定位置內(nèi)混合發(fā)生脫硫反應(yīng)，生成亞硫酸銨，亞硫酸銨溶液流入脫硫塔底部的氧化段，用氧化風(fēng)機(jī)送入的空氣進(jìn)行強(qiáng)制氧化，將亞硫酸鹽氧化成硫酸鹽；氧化后的吸收液經(jīng)泵送入脫硫塔濃縮段進(jìn)行濃縮結(jié)晶，形成固含量5%~10%的硫酸銨漿液；硫酸銨漿液經(jīng)硫銨泵送入硫酸銨系統(tǒng)。脫硫后的凈煙氣經(jīng)除霧器除去煙氣中攜帶的液沫和霧滴，再經(jīng)塔頂煙囪直接排出。工藝水從塔頂補(bǔ)入，既沖洗除霧器又保持系統(tǒng)的水平衡。其化學(xué)反應(yīng)原理為[9~10]：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

氨法脫硫工藝運(yùn)行穩(wěn)定階段的脫硫劑是亞硫酸銨，這是脫硫工藝的主要部分。本文以亞硫酸銨為吸收劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和分析，討論影響氨法脫硫效果的影響因素，主要考察氣液比、吸收液pH值、吸收液濃度以及進(jìn)口煙溫對(duì)脫硫效率的影響。

3.1 氣液比對(duì)脫硫效率的影響

亞硫酸銨吸收液的氣液比對(duì)脫硫效率的影響如圖2所示，其中煙氣量為160m3·h-1，SO2濃度為2650mg·m-3，亞硫酸銨濃度為5%，氣溫為30℃。

圖2 氣液比與脫硫效率關(guān)系

由圖2可知，氨法脫硫效率與氣液比大致成線性關(guān)系，而且隨著氣液比的增大，脫硫效率逐漸降低。氣液比高時(shí)，吸收液不夠多，導(dǎo)致其與煙氣中的SO2接觸面積比較小，傳熱系數(shù)低，反應(yīng)時(shí)間短，從而有比較大一部分SO2沒有被吸收，所以導(dǎo)致SO2脫硫效率低。最低時(shí)，氣液比為0.5L·m-3，脫硫效率只有53%，而當(dāng)氣液比達(dá)到0.2L·m-3時(shí)，脫硫效率可以上升到96%。

3.2 吸收液PH值與脫硫效率的關(guān)系

在煙氣量為 160m3·h-1，SO2濃度為 2650mg·m-3，亞硫酸銨濃度為5%，氣溫為30℃，氣液比為0.3L·m-3時(shí)，吸收液pH值與脫硫效率的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 吸收液PH值與脫硫效率的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了21組工況測(cè)試，將測(cè)得的數(shù)據(jù)處理得到圖3關(guān)系曲線，由圖可知，脫硫效率隨著吸收液pH值的增大而增大，pH值在4.5~5.4之間時(shí)脫硫效率隨pH值上升得比較緩慢，之后上升速率加大，當(dāng)pH值達(dá)到8.8時(shí)，脫硫效率上升到了96%。中間過程出現(xiàn)一個(gè)比較平穩(wěn)的階段，即pH值為6~7.5時(shí)，脫硫效率增加量不超過10%，屬于比較平穩(wěn)的階段。

3.3 吸收液濃度與脫硫效率的關(guān)系

在研究吸收液濃度對(duì)脫硫效率的影響時(shí)，我們做了20組工況，選取其中14組得到圖4關(guān)系曲線，實(shí)驗(yàn)工況為：煙氣量為160m3·h-1，SO2濃度為2650mg·m-3，氣溫為 30℃，氣液比為 0.3L·m-3。由圖4可知脫硫效率隨吸收液濃度增大出現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，在中間會(huì)有最大值出現(xiàn)，即會(huì)有一個(gè)最佳的吸收液濃度使得脫硫效率達(dá)到最好。這個(gè)最大值大概在吸收液濃度為5.5%時(shí)出現(xiàn)。

圖4 吸收液濃度與脫硫效率的關(guān)系

3.4 進(jìn)口煙溫與脫硫效率的關(guān)系

煙氣溫度會(huì)影響化學(xué)反應(yīng)速度，為了研究其是否會(huì)對(duì)脫硫效率產(chǎn)生影響，我們?cè)O(shè)定了多個(gè)煙氣溫度，分別為 25、30、45、50、60、70、80、90、100℃以及115℃。實(shí)驗(yàn)工況為：煙氣量為160m3·h-1，SO2濃度為2650mg·m-3，亞硫酸銨濃度為5%，氣液比為0.3L·m-3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5，由圖可知，溫度對(duì)氨法脫硫效率的影響比較小，溫度從25~100℃變化過程中，脫硫效率基本不變，原因是亞硫酸銨吸收SO2的反應(yīng)是傳質(zhì)控制的反應(yīng)，并非反應(yīng)控制。

圖5 進(jìn)口煙溫與脫硫效率的關(guān)系

從以上各因素對(duì)脫硫效率的影響，我們可以控制各個(gè)參量，使得脫硫效率最大化。首先考慮氣液比，氣液比在0.2~0.25時(shí)脫硫效率最大且比較平穩(wěn)；pH值越大脫硫效果越好，但是pH值太高，氨氣容易揮發(fā)，吸收液利用率不高，當(dāng)pH值為6~7.5時(shí)，脫硫效率增加量不超過10%，比較穩(wěn)定，選擇此段pH值比較合適；吸收液濃度為5.5%左右時(shí)，脫硫效率達(dá)到最大；而溫度對(duì)脫硫效率影響不大。

4 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)研究了氨法脫硫中脫硫效率的相關(guān)影響因素，對(duì)氣液比、吸收液pH值、吸收液濃度以及進(jìn)口煙溫和脫硫效率的關(guān)系進(jìn)行了深入的分析和研究，得到如下結(jié)果：

（1）氣液比越小，脫硫效率越高；吸收液pH值越大，脫硫效果越好；脫硫效率隨吸收液濃度增大，先增加后減小，中間存在最大值；溫度對(duì)脫硫效果的影響不大。

（2）通過對(duì)影響因素的分析，得到使脫硫效果比較好的參數(shù)控制范圍，即在煙氣量為160m3·h-1，SO2濃度為2650mg·m-3下，氣液比選擇在0.2~0.25L·m-3范圍內(nèi)，pH值選擇為6~7.5，吸收液濃度為5.5%左右時(shí)，實(shí)驗(yàn)表明脫硫效果最好，這一結(jié)果對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用有一定指導(dǎo)意義。

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