楊書懷

（安徽工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽銅陵244000）

硫酸渣吸收二氧化硫廢氣實驗研究*

楊書懷

（安徽工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽銅陵244000）

探索采用硫酸渣作為吸收劑吸收煙氣中二氧化硫廢氣工藝的可行性，對吸收過程進(jìn)行了理論分析和實驗研究，通過正交試驗考察了pH、吸收溫度等因素對二氧化硫吸收率的影響，得到了最佳吸收工藝條件：pH為3左右、吸收溫度為50℃、液氣比為4 L/m3、液固質(zhì)量比為8∶1、空塔氣速為3 m/s-1。實驗結(jié)果表明采用硫酸渣吸收煙氣中二氧化硫廢氣脫硫率較高，可達(dá)到工業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)，該工藝操作簡單，可以達(dá)到以廢制廢，變廢為寶的目的。為工業(yè)廢氣的治理提供了新的途徑。

硫酸渣；二氧化硫；吸收

硫酸渣是以硫鐵礦為原料生產(chǎn)硫酸過程中排出的廢渣 （也稱硫鐵礦燒渣），其鐵含量為30%～60%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。目前，中國的硫酸渣年產(chǎn)量已超過1 000萬t，加上長期未得到有效的開發(fā)利用，現(xiàn)存的硫酸渣儲量已相當(dāng)可觀，既浪費了資源，也不利于行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展［1］。因此，綜合開發(fā)利用硫酸渣具有十分重要的意義。二氧化硫是一種對生態(tài)環(huán)境和人類健康有較大危害的有害氣體，所以亟需對其進(jìn)行控制和治理。目前，通過生產(chǎn)硫酸、硫黃等方法可以直接處理較高濃度的二氧化硫廢氣［2］，但是尚未找到適宜的方法來處理中低濃度二氧化硫廢氣。筆者研究用漿化后的硫酸渣吸收SO2廢氣制備硫酸鐵，該方案既能很好地解決SO2廢氣對環(huán)境的污染問題，又可實現(xiàn)硫酸渣和SO2廢氣的資源化，且副產(chǎn)品硫酸鐵作為凈水劑制備原料市場前景良好。真正能達(dá)到“以廢治廢，變廢為寶”的目的。

1 反應(yīng)原理

在氧化劑存在的情況下，硫酸渣吸收SO2廢氣的過程主要是硫酸渣中Fe3O4、Fe2O3、FeO與H2SO4反應(yīng)的過程，通過文獻(xiàn)［3］可分別計算出在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下3種鐵氧化物與硫酸反應(yīng)的反應(yīng)焓（ΔHθ）和標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能（ΔGθ），結(jié)果見表1。

表1 標(biāo)態(tài)下鐵氧化物與硫酸反應(yīng)的反應(yīng)焓ΔHθ和標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能ΔGθ kJ

由表1可知，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下Fe3O4、Fe2O3、FeO與H2SO4反應(yīng)的ΔHθ和ΔGθ均為負(fù)值，即反應(yīng)過程是放熱反應(yīng)且能自發(fā)進(jìn)行。所以從熱力學(xué)上講，該方案是可行的。

2 實驗條件和方法

2.1 原料

實驗所用硫酸燒渣來自銅陵某企業(yè)，其化學(xué)成分見表2。

表2原料硫酸燒渣化學(xué)組成 %

2.2 實驗方法

實驗采用篩板塔循環(huán)吸收，在證明其流動性前提下將硫酸渣和水配制成礦漿，通過礦漿泵使礦漿在吸收塔內(nèi)循環(huán)吸收煙氣中的SO2，吸收完成后，對礦漿進(jìn)行沉降分離，將上清液進(jìn)一步過濾，濾液經(jīng)靜置、除雜48 h后，將上清液蒸發(fā)熱結(jié)晶后得到硫酸鐵產(chǎn)品，結(jié)晶后母液返回漿化硫酸渣。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 pH和溫度對SO2吸收率的影響

循環(huán)吸收過程中將SO2廢氣與空氣同時鼓入吸收塔，空氣中氧氣溶解在礦漿中將H2SO3氧化成硫酸，生成的硫酸與硫酸渣中鐵發(fā)生氧化反應(yīng)，根據(jù)動力分析該反應(yīng)速率較慢［4］，主要是因為隨著反應(yīng)的進(jìn)行，礦漿中硫酸濃度不斷增大，即礦漿pH不斷下降，導(dǎo)致二氧化硫的吸收越來越困難，因此無法保證二氧化硫廢氣的達(dá)標(biāo)排放。所以反應(yīng)過程中需不斷加入添加劑確保礦漿pH的穩(wěn)定，從而使SO2吸收率提高的同時保證SO2廢氣的達(dá)標(biāo)排放。圖1為pH對SO2吸收率的影響。由圖1可見，當(dāng)pH控制在3左右的時候，SO2的吸收效果最佳。

圖2為溫度對SO2吸收率的影響。由圖2可見，SO2吸收率在溫度升高過程中出現(xiàn)一個最高值，溫度進(jìn)一步升高后，SO2吸收率又開始下降。從動力學(xué)角度分析，對于吸熱反應(yīng)，反應(yīng)速率隨溫度的升高而加快，但同時SO2氣體在水中的溶解度隨溫度的升高而降低。在吸收率達(dá)到最大之前溫度對反應(yīng)速率的影響占主導(dǎo)地位，而在吸收率達(dá)到最大之后溫度對溶解度的影響開始占據(jù)主導(dǎo)地位。綜合考慮這2個因素，吸收溫度應(yīng)控制在50℃左右。

3.2 液氣比和液固比對SO2吸收率的影響

圖3為液氣比對SO2吸收率的影響。由圖3可見，液氣比對SO2吸收率影響較大。隨著液氣比的增大，SO2吸收率迅速提高，但是達(dá)到一定程度后液氣比對吸收率的影響則逐漸減小。根據(jù)化學(xué)平衡原理，液氣比增大即增加了反應(yīng)體系中硫酸渣的絕對量，對于硫酸渣與SO2反應(yīng)來說，硫酸渣處于過量，從而可以提高SO2的轉(zhuǎn)化率。另外，液氣比較低時，由于SO2氣體在吸收塔中停留的時間較短，不能充分與礦漿接觸反應(yīng)導(dǎo)致吸收率偏低，隨著液氣比的增加，停留時間增加，吸收率便不斷提高。但吸收過程中液氣比不宜過大，否則在設(shè)備大小不變的條件下會導(dǎo)致SO2氣體流速增大，縮短SO2氣體在吸收塔中停留的時間，最終使SO2吸收率降低；若保持氣體流速不變又需擴大吸收塔，進(jìn)而使投資成本增加。綜合考慮，液氣比控制在4 L/m3左右為宜。

圖4為液固比（液固質(zhì)量比）對SO2吸收率的影響。由圖4可見，在一定范圍內(nèi)，隨著液固比增大，SO2吸收率升高，這是因為在此階段黏度降低，擴散加快，提高了H2SO3與料漿的接觸機率；但液固比越大，礦漿的濃度越稀，使得一定濃度的H2SO3所能接觸到的硫酸渣的量越少，導(dǎo)致SO2吸收率降低。綜合考慮，選擇適宜的液固質(zhì)量比為8∶1。

3.3 空塔氣速對SO2吸收率的影響

在其他條件不變的情況下，考察空塔氣速對SO2吸收率的影響，結(jié)果見圖5。由圖5可見，隨著空塔氣速的增加，SO2吸收率提高，這是因為提高空塔氣速可以增加塔內(nèi)壓降，增加塔板持液量，擴大接觸面積，促進(jìn)傳質(zhì)過程。但若空塔氣速過大會導(dǎo)致塔板壓降過大，同時引起其他工藝條件的波動，不利于吸收塔的穩(wěn)定操作。因此，選擇適宜的氣體流速為3 m/s-1。

3.4 其他影響因素

SO2的入口濃度越高，吸收效果越差，這主要是因為硫酸渣絕對量不變而單方面提高SO2的入口濃度造成逸出相對加大引起的。硫酸渣的粒度對SO2的吸收率也有一定影響，粒度越細(xì)越有利于硫酸渣的顆粒懸浮在礦漿中，從而增大固液的接觸面積，這同樣有利于SO2氣體與硫酸渣的充分接觸，加快反應(yīng)速度，獲得較高的SO2的吸收率。但粒度不宜過細(xì)，否則會增加磨礦時間，使得能耗相應(yīng)增大。同時粒度過細(xì)會使吸收結(jié)束后沉降分離的難度增加。實驗結(jié)果表明，硫酸渣粒度控制在＜150 μm為宜。

4 結(jié)論

硫酸渣吸收SO2廢氣制取硫酸鐵技術(shù)創(chuàng)新先進(jìn)，工藝合理，是一種“以廢治廢，變廢為寶”的新技術(shù)。通過實驗得到最佳吸收工藝參數(shù)：pH為3左右、吸收溫度為50℃、液氣比為4 L/m3、液固質(zhì)量比為8∶1、空塔氣速為3 m/s-1。為該技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

［1］羅道成.易平貴，劉俊峰.硫鐵礦燒渣綜合利用研究進(jìn)展［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2003，29（4）：10-12.

［2］童志權(quán).工業(yè)廢氣凈化與利用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

［3］梁英教.車蔭昌.無機物熱力學(xué)數(shù)據(jù)手冊［M］.沈陽：東北大學(xué)出版社，1993.

［4］鄭雅杰，彭春麗，肖忠良，等.機械活化硫鐵礦還原Fe3+反應(yīng)動力學(xué)［J］.中南大學(xué)報：自然科學(xué)版，2004，35（3）：376-380.

Experiment of absorbing sulfur dioxide fume by pyrite cinder

Yang Shuhuai
（Anhui Industrial V ocational and Technical College，Tongling 244000，China）

pyrite cinder；sulfur dioxide；absorption

TQ125.14

A

1006-4990（2012）11-0049-03

Feasibility of the techn ology that uses pyrite cinder as absorbent to absorb SO2from flue gas was explored. Absorption process was theoretically analyzed and experimentally studied.Influences of pH，temperature，and other factors on SO2absorption rate were investigated by orthogonal experiment and the best absorption process conditions were obtained，as follows：pH≈3，temperature was 50℃，ratio of liquid to gas was 4 L/m3，liquid-solid mass ratio was 8∶1，and empty tower velocity was 3 m/s-1.Experimental results showed that the technology′s desulphurization effect was very good，which could achieve industrial discharge standard.Moreover，it was also very simple to operate，and purpose of‘treating waste with waste and turning waste into treasure’could be achieved.Therefore，it provided a new way for the treatment of industrial waste gas.

安徽省青年人才基金項目（2010SQRL201）。

2012-05-22

楊書懷（1983— ），男，講師，主要研究方向為冶金環(huán)境保護(hù)。

聯(lián)系方式：kinger17@163.com