鈉-鈣雙堿法硫酸尾氣脫硫實驗研究

陳 慶

（山西瑞賽科環保科技有限公司，山西 呂梁 030500）

硫酸工業是發展最早的化工行業之一，一直以來在國計民生中扮演著舉足輕重的角色[1]。然而，硫酸工業向大氣中排放大量硫酸尾氣，造成嚴重經濟損失的同時，排入大氣的SO2煙氣對環境還會產生非常大的影響[2]。據統計，我國硫酸工業SO2排放量約10 萬t/a，是化工行業最大的SO2排放源，是造成“酸雨”的主要原因[3]。大氣環境保護關乎人民群眾根本利益，因此煙氣脫硫從而控制SO2污染勢在必行。

我國硫酸尾氣有前端治理和末端治理兩種治理方向[4]。其中，前端治理是通過提高SO2氣體在制酸系統中的轉化率來減排，如改進制酸設備和優化催化劑來提高等；末端治理是通過增加尾氣處理裝置減少尾氣中SO2氣體含量，如氨法脫硫、雙堿法脫硫和活性焦法脫硫等。相比較而言，末端治理是一種簡單有效的治理方法，且工藝較成熟，在尾氣量和濃度變化、開停車和事故狀態下仍可以正常工作。本文研究了模擬硫酸尾氣脫硫實驗工藝條件，采用末端治理中鈉-鈣雙堿法脫硫工藝，確定了各因子對脫硫效率的影響。

1 鈉-鈣雙堿法脫硫基本原理及優勢

雙堿法是堿性吸收液和SO2氣體直接反應，最終生成沉淀和新的吸收劑進而循環使用，其副產品是石膏[5]。鈉-鈣雙堿法脫硫基本原理是：選擇溶解度高、反應速度快的NaOH 和Na2CO3作為脫硫劑，目的是提高反應速度和脫硫效率，并大大減少持液量，反應生成較高溶解度的Na2SO3和NaHSO3，向鹽溶液中加入石灰石粉末等發生再生反應生成NaOH，其又可以作為新的吸收塔內堿性吸收液而循環使用。

鈉-鈣雙堿法脫硫效率最高可達95%甚至更高，同時具有設備簡單，體積較小，布置靈活，投資成本低，運行費用低，且不易堵塞設備等特點，這是相比其他雙堿法的優勢。

2 脫硫實驗設計

2.1 實驗試劑及儀器

氨基磺酸銨、硫酸銨、氫氧化鈉、乙二胺四乙酸二鈉、淀粉、鹽酸、硫代硫酸鈉、碘化鉀、碘、異丙醇、鄰苯二甲酸氫鉀，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；碘酸鉀，優級純，北京市通廣精細化工公司；碳酸鈉等，化學純，國藥集團化學試劑有限公司。

實驗主要設備有直流恒速電動攪拌器（DW-2）、鼓風干燥箱（101-Z）、定量泵（T2M600/2）、密度計（TQ-880）、撞擊流氣-液反應器、100g 精度0.0001g電子天平（CPA225D）、循環水式真空泵（SHB-IIIA）、離心通風機（9-26-11N0AB）、熱球式風速儀（QDF-3）、轉子流量計（LZB-80B）、二氧化硫鋼氣瓶（40L）等。

2.2 實驗分析方法

選用《固定污染源排氣中二氧化硫的測定碘量法》（HJ/T 56—2000），符合硫酸尾氣污染源檢測的要求。測量工業廢氣中的二氧化硫含量的方法有很多種，該測量方法具有操作便利和較高精確度的優點。

2.3 實驗工藝流程

脫硫工藝主要分為兩個階段：首先是撞擊流反應器主體內發生SO2氣體被NaOH 溶液吸收反應；其次是石灰乳與脫硫后的吸收液發生反應生成CaSO3和NaOH。其中，SO2氣體吸收階段脫硫氣排入大氣，脫硫液則進入再生槽；吸收劑再生階段中向再生槽中加入石灰乳，反應后CaSO3沉淀堆棄，NaOH 清液在通過泵再次返回循環使用。值得注意的事，吸收劑的再生主要發生于再生槽中，吸收劑再生過程中，沉淀排出時會帶走少部分Na+，故需定時補充少量新鮮Na2CO3或NaOH，以盡可能地保證脫硫效果。

2.4 實驗方法

脫硫反應雖然很簡單但其涉及的反應過程卻是十分復雜的。單因素實驗是通過只觀察一種因素變化來確定其影響的方法，其能夠較明顯檢查出實驗效果，被試者的需要量較少；正交實驗設計是研究多因素多水平的一種設計方法，其是分式析因設計的主要方法。做單因素實驗是為正交實驗提供一個合理的數據范圍，也因此正交實驗次數大大減少，具有高效、快速、經濟等優勢。

3 單因素實驗確定

通過綜合調研顯示，影響脫硫效果的工藝條件主要有吸收劑NaOH 的濃度、進口SO2的濃度、霧化壓力、撞擊速度等。現通過固定其他因素，分別分7 個梯度改變單個因素考察其對脫硫效果的影響。

3.1 霧化壓力與液氣比關系

通過實驗顯示，霧化壓力高于0.5 MPa 時，其液氣比可達0.3 L/m3以上，可滿足脫除硫酸尾氣中SO2需求。

3.2 進口SO2 含量

通過實驗顯示，在吸收液NaOH 質量分數1.50%、霧化壓力1.1 MPa（液氣比0.46 L/m3）下，其他條件已定時，脫硫效率隨SO2質量濃度（800 mg/m3～1 700 mg/m3）的不斷增加而降低（先降低較快后降低較慢），升高到1 400 mg/m3以后脫硫效率下降趨勢變化很小。這主要是因為進氣口SO2濃度也會增加液相中SO2濃度，根據雙膜理論，總體降低了脫硫效率。在進口SO2含量變化對脫硫效率影響不大的情況下，本次實驗可以取值進口SO2質量濃度為800 mg/m3。

3.3 吸收劑NaOH 濃度

通過試驗顯示，在進氣口SO2質量濃度800 mg/m3、霧化壓力1.1 MPa 條件下，脫硫效率隨NaOH 質量分數（0.5%～2%）的不斷增加而升高（先升高較快后升高較慢），直到NaOH 質量分數達到1.50%以后，脫硫效率的增加速度逐漸趨于平緩。這主要因為，當尾氣中SO2氣體的含量一定時，當吸收液中NaOH 的濃度升高時，吸收劑NaOH 與SO2氣體的反應將更加徹底，吸收反應主要由氣膜控制，影響反應的主要因素是氣相阻力，故變化小。考慮到經濟因素，NaOH 質量分數在1.50%左右較合適。

3.4 霧化壓力

通過實驗顯示，在進氣口SO2質量濃度為800mg/m3、吸收液NaOH 質量分數為1.50%條件下，脫硫效率隨霧化壓力（0.3 MPa～1.5 MPa）的不斷增加先快速升高后趨于平緩。這是因為，增大霧化壓力可以使吸收液NaOH 溶液更好地霧化，增大反應接觸面，但是當其不再是影響反應進程主要因素時，繼續增大則效果不明顯。實際操作中，考慮到設備的能耗及使用壽命，選擇霧化壓力為1.1 MPa 較為適宜。

3.5 撞擊速度

通過實驗顯示，在進氣口SO2質量濃度800 mg/m3、吸收液NaOH 質量分數1.50%、霧化壓力1.1 MPa 條件下，脫硫效率隨撞擊速度（9.7 m/s～17.8 m/s）的不斷增加先增大后減小，脫硫效果相對最高時的最佳撞擊速度在15.2 m/s～16.5 m/s 時。這是因為，增大撞擊速度可以使吸收液NaOH 溶液再次霧化，從而增加傳質面積，但是當撞擊速度過大時，滴粒間會產生并聚而減小傳質面積，反而不利于脫硫。在實際的生產操作中，綜合考慮降低吸收塔的工程造價，防止溢液及增加除霧器的負擔等，選擇的撞擊速度在15.2 m/s～16.5 m/s 比較適宜。

4 正交實驗結果

4.1 正交實驗因子

脫硫反應過程中很多因素都可能影響實驗進程。正交實驗可以全面反映出各因子對脫硫效率的影響。正交實驗設計的關鍵在于實驗因素的安排。綜合前文單因子探索實驗，在撞擊速度均控制在15.2 m/s～16.5 m/s 內并控制氣體流量定量下，選取進氣口SO2濃度、吸收劑NaOH 濃度和霧化壓力3 個因子，模擬硫酸尾氣脫硫實驗進行正交實驗。因子水平如表1。

表1 因子水平表

4.2 正交實驗結果

模擬硫酸尾氣脫硫實驗的正交實驗結果如表2所示。

由表2 可知，實驗方案A4B4C3脫硫效率最高，為98.57%；進氣口SO2質量濃度中K3最大，NaOH 質量分數、霧化壓力中皆是K4最大，顯示增大NaOH 質量分數和霧化壓力可以增強實驗效果，但綜合考慮經濟因素，有必要選擇合適的工藝條件來最大限度地提高經濟效益；脫硫效率R（NaOH 質量分數）〉R（進氣SO2質量濃度）〉R（霧化壓力），說明脫硫效率影響因素的主次順序為NaOH 質量分數〉進氣SO2質量濃度〉霧化壓力，但是工廠中實際硫酸尾氣中SO2含量是波動變化的，故在此可以相對剔除；由k 值的大小可知，只有NaOH 質量分數中k1～k4逐漸增大，表明氣體中SO2質量濃度和霧化壓力大小對脫硫效率的影響較小。

由k 值的大小可知，本次鈉-鈣雙堿法脫硫最佳脫硫反應條件為，SO2質量濃度為1 250 mg/m3最好、NaOH 質量分數為1.50%最好、霧化壓力為1.1 MPa最好，同時通過驗證可知，固定氣體流量，該條件下硫酸尾氣的脫硫效率達到98.79%，故為最適宜的實驗條件。

5 結論

本次鈉-鈣雙堿法脫硫脫硫效率主要影響因素為NaOH 質量分數，其次為霧化壓力；最佳實驗條件為SO2質量濃度1 250 mg/m3、NaOH 質量分數1.50%、霧化壓力1.1 MPa，脫硫效率98.79%，脫硫效率較高。