韓 敏

(信陽市環(huán)境監(jiān)測站，河南 信陽 464000)

0 引言

我國很多城市二氧化硫污染十分嚴(yán)重,為了響應(yīng)中共十八大提出的“環(huán)保、高效、可持續(xù)地發(fā)展工業(yè)”的政策，嚴(yán)格控制二氧化硫排放已刻不容緩.工業(yè)生產(chǎn)中常用的脫硫技術(shù)為煙氣脫硫(FGD)，其中煙氣脫硫技術(shù)中的濕法煙氣脫硫應(yīng)用范圍最廣[1].我國煙氣脫硫技術(shù)的研究起步較晚[2-7]，具有脫硫成本高、脫硫副產(chǎn)物出路難、脫硫技術(shù)國產(chǎn)化進(jìn)程慢等缺點(diǎn)[2]，嚴(yán)重阻礙了我國現(xiàn)階段的國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，所以借助發(fā)達(dá)國家的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)加快脫硫技術(shù)的國產(chǎn)化，積極開發(fā)適合我國國情的脫硫技術(shù)[3]成為當(dāng)務(wù)之急.目前，在我國中小型熱電行業(yè)應(yīng)用較多的是氧化鎂濕法煙氣脫硫技術(shù)[8-12].該法主要是利用氧化鎂在吸收塔內(nèi)和熱水一起吸收工業(yè)煙氣中的SO2和SO3，生成溶解度較大的亞硫酸鎂和硫酸鎂.相比較而言，該技術(shù)成熟可靠，脫硫效率高，副產(chǎn)品也有較高的利用價(jià)值.

針對目前我國廣泛應(yīng)用的氧化鎂濕法煙氣脫硫工藝中存在的諸多問題，筆者探索研究了循環(huán)吸收液pH值、煙氣量、SO2濃度、液氣比、鎂硫摩爾比等一系列工藝參數(shù)對脫硫效率的影響，以期為氧化鎂濕法煙氣脫硫工藝的深度優(yōu)化提供理論依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

氧化鎂濕法煙氣脫硫技術(shù)的核心是：氧化鎂加水、加熱熟化后進(jìn)入到吸收塔噴淋層，與煙氣接觸脫除其中的二氧化硫.其主要化學(xué)反應(yīng)過程如下[9].

MgO的熟化：

MgO+H2O→Mg(OH)2

(1)

脫硫塔中Mg(OH)2與SO2氣體和少量SO3氣體的吸收反應(yīng)：

Mg(OH)2+SO2+2H2O→MgSO3·3H2O

(2)

Mg(OH)2+SO2+5H2O→MgSO3·6H2O

(3)

Mg(OH)2+SO3+6H2O→MgSO4·7H2O

(4)

漿液循環(huán)過程中，MgSO3在酸性條件下與SO2進(jìn)一步反應(yīng)：

SO2+MgSO3·3H2O→Mg(HSO3)2+2H2O

(5)

SO2+MgSO3·6H2O→Mg(HSO3)2+5H2O

(6)

漿液中的Mg(OH)2又與Mg(HSO3)2反應(yīng)：

Mg(OH)2+Mg(HSO3)2+4H2O→2MgSO3·6H2O↓

(7)

Mg(OH)2+Mg(HSO3)2+H2O→2MgSO3·3H2O↓

(8)

氧化反應(yīng)：

(9)

1.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

省內(nèi)某火電廠引進(jìn)日本的氧化鎂濕法煙氣脫硫技術(shù)，建成2×130 t·h-1鍋爐.其中主要的脫硫裝置有：氫氧化鎂儲(chǔ)罐、氫氧化鎂供給泵、預(yù)冷器、脫硫吸收塔、除霧器、循環(huán)泵、循環(huán)槽鼓風(fēng)機(jī)、自來水加壓泵、循環(huán)槽攪拌機(jī)、電除塵器、引風(fēng)機(jī)等.

該廠安裝了兩臺130 t·h-1煤粉鍋爐，設(shè)計(jì)所用煤種的含硫量為0.50%，配套脫硫裝置的脫硫效率為96%，處理煙氣能力為572 516 m3·h-1(標(biāo)況下).脫硫系統(tǒng)接入點(diǎn)處煙氣參數(shù)如表1所示.

表1 脫硫系統(tǒng)接入點(diǎn)處煙氣參數(shù)Tab. 1 Flue gas’s technical specifications of FGD system

鍋爐氣首先經(jīng)過預(yù)處理裝置，去除99%以上的煙塵和氯化氫、氟化氫等氣體.經(jīng)過預(yù)處理的煙氣從底部進(jìn)入脫硫吸收塔，經(jīng)冷卻后與塔頂噴淋而下的氫氧化鎂循環(huán)吸收劑逆流接觸并反應(yīng)，生成副產(chǎn)物亞硫酸鎂或硫酸鎂.副產(chǎn)物經(jīng)氧化處理生成穩(wěn)定的硫酸鎂，含有大量水蒸氣的煙氣經(jīng)除霧器處理后直接由煙囪放空.

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)研究

2.1.1 循環(huán)吸收液pH對脫硫效率的影響

結(jié)合前期的氧化鎂濕法煙氣脫硫的實(shí)驗(yàn)原理研究可知，該工藝中的循環(huán)吸收劑漿液中的主要成分是Mg(OH)2.循環(huán)吸收漿液中Mg(OH)2濃度愈高，則消耗煙氣中的SO2愈多，脫硫效果愈好，但此時(shí)循環(huán)吸收液的pH值就愈高，同時(shí)循環(huán)吸收漿液中過量的Mg(OH)2對脫硫工藝中的設(shè)備和管線會(huì)造成一定的磨損，且循環(huán)吸收液中的脫硫副產(chǎn)物MgSO3的溶解度下降，在一些流動(dòng)不暢的地方會(huì)造成系統(tǒng)結(jié)垢和堵塞.若循環(huán)吸收漿液中Mg(OH)2濃度太低，則直接造成脫硫效率下降，致使該工藝的脫硫成本增加.所以，循環(huán)吸收液的pH值是影響脫硫效率的重要參數(shù)之一.為了尋求在固定循環(huán)吸收劑流量和鍋爐負(fù)荷的情況下，可以維持循環(huán)吸收劑較高的脫硫效率的最佳pH值，筆者通過改變循環(huán)吸收液的補(bǔ)給量，考察循環(huán)吸收液的pH值與其脫硫效率的關(guān)系.圖1給出了含硫量為0.5%、負(fù)荷為130 t·h-1的兩臺鍋爐工作時(shí)循環(huán)吸收劑漿液的pH值與脫硫效率的關(guān)系.

圖1 循環(huán)吸收液的pH值與脫硫效率的關(guān)系曲線Fig. 1 The relation between the absorption liquid pH value and the desulphurization efficiency

由圖1可知，在pH值很小的情況下，脫硫效率很低；隨著pH值的增大，脫硫效率也隨之增大；當(dāng)pH值大于4.5時(shí)，脫硫效率隨pH值的變化率減小，此時(shí)再增大pH值，脫硫效率也不會(huì)有很大的提高.有實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)可知[13]，當(dāng)吸收液的pH值小于6.0時(shí)能夠保證不結(jié)垢.因此，為保證脫硫效率的和脫硫系統(tǒng)的穩(wěn)定、運(yùn)行可靠，本實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果是：吸收液的pH值應(yīng)控制在4.5～6.0之間，其中最佳pH值為5.5.

2.1.2 煙氣量對脫硫效率的影響

從理論上來說，循環(huán)吸收液的流量一定時(shí)，進(jìn)入脫硫塔的煙氣量愈大，脫硫系統(tǒng)要承受的負(fù)荷愈大.這主要是因?yàn)檫M(jìn)入脫硫塔的煙氣量愈大，塔內(nèi)的SO2就愈多，要保持脫硫效率就需要更大的液氣接觸面積.所以，為了考察在循環(huán)吸收液的流量一定時(shí)，進(jìn)入脫硫塔的煙氣量與脫硫效率的關(guān)系，利用轉(zhuǎn)移鍋爐的負(fù)荷來控制進(jìn)入脫硫塔的煙氣量，含硫量為0.5%，兩臺鍋爐運(yùn)行時(shí)煙氣量與脫硫效率的關(guān)系如圖2所示.

圖2 煙氣量與脫硫效率的關(guān)系曲線Fig. 2 The relation between the flue-gas flow rate and the desulphurization efficiency

由圖2可知，當(dāng)循環(huán)吸收液流量一定時(shí)，脫硫效率隨著煙氣量的增大呈下降趨勢.煙氣量較小時(shí)，脫硫效率受煙氣量的影響較大，這是因?yàn)殡S著煙氣量的增大，加速了脫硫塔內(nèi)煙氣的流動(dòng)，增加了單位吸收液內(nèi)的氣液傳質(zhì)面積，從而提高了系統(tǒng)的脫硫效率.煙氣量較大時(shí)，煙氣中的SO2濃度一定時(shí)，系統(tǒng)的脫硫負(fù)荷增大，致使脫硫效率下降.

2.1.3 煙氣中SO2濃度對脫硫效率的影響

從以上理論分析可知，當(dāng)塔內(nèi)循環(huán)吸收液的流量、pH值，進(jìn)入脫硫塔的煙氣流量都固定時(shí)，該系統(tǒng)的脫硫效率與煙氣中SO2的濃度近似成反比.改變塔內(nèi)煙氣入口處SO2的濃度，考察其與系統(tǒng)脫硫效率的關(guān)系如圖3所示.

圖3 煙氣中SO2濃度與脫硫效率的關(guān)系曲線Fig. 3 The relation between the inlet concentration of SO2 and the desulphurization efficiency

由圖3可知，一定的塔內(nèi)循環(huán)吸收液的流量、pH值及進(jìn)入脫硫塔的煙氣流量下，隨著煙氣中SO2的濃度增大，脫硫效率呈直線下降.這是因?yàn)楫?dāng)塔內(nèi)循環(huán)吸收液的流量、pH值及進(jìn)入脫硫塔的煙氣流量都一定時(shí)，煙氣中SO2的濃度愈高，系統(tǒng)的脫硫負(fù)荷愈大，從而導(dǎo)致脫硫效率的大幅下降.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在保證足夠的塔內(nèi)傳質(zhì)推動(dòng)力的情況下，煙氣中SO2的濃度愈低，系統(tǒng)的脫硫效率愈高.在本實(shí)驗(yàn)方案中設(shè)計(jì)的SO2的濃度范圍內(nèi)，SO2的濃度為1000 mg·m-3時(shí)，脫硫效率最高.

2.1.4 液氣比對脫硫效率的影響

該脫硫工藝系統(tǒng)的液氣比是循環(huán)吸收液容積流量(L·h-1)與脫硫處理的煙氣量(m3·h-1)之比.圖4反映了煤的含硫量為0.5%，循環(huán)吸收液的流量、pH值，煙氣流量及煙氣中SO2的濃度等參數(shù)一定的條件下，液氣比與脫硫效率之間的關(guān)系特征.

圖4 液氣比與脫硫效率的關(guān)系曲線Fig. 4 The relation between the liquid-gas ratio and the desulphurization efficiency

由圖4可知，隨著液氣比的增大，脫硫效率一直增大，但增大的速率越來越小.在液氣較小時(shí)，脫硫效率受液氣比的影響較大，這是因?yàn)槊摿蛩?nèi)液氣比的增大加大了傳質(zhì)面積，提高了化學(xué)反應(yīng)速率，從而極大地提高了脫硫效率.隨著液氣比的增大，脫硫效率增長變得緩慢.這表現(xiàn)出脫硫效率與液氣比之間具有飽和特征.在液氣比到達(dá)4.2后，脫硫效率隨著液氣比的增長量很小，可認(rèn)為其已達(dá)到飽和，由此可以得出：在鎂法煙氣脫硫時(shí)，液氣比保持在4.2到5.0之間為最佳.

2.1.5 Mg2+/S(鎂硫摩爾比)對脫硫效率的影響

控制硫鎂比實(shí)際上是控制循環(huán)吸收液中氫氧化鎂的濃度[14-15]，鎂硫摩爾比與脫硫效率的關(guān)系如圖5所示.

圖5 Mg2+/S與脫硫效率的關(guān)系曲線Fig. 5 The relation between the Mg2+/S and the desulphurization efficiency

如圖5所示，該系統(tǒng)的脫硫效率隨鎂硫摩爾比的增大而增大， 且增大的速率逐漸變緩.由脫硫的化學(xué)反應(yīng)過程中的化學(xué)計(jì)量系數(shù)比可知，鎂硫摩爾比小于1時(shí)，脫硫塔內(nèi)參與反應(yīng)的SO2過量，此時(shí)，系統(tǒng)的脫硫效率決定于循環(huán)吸收液的反應(yīng)量；鎂硫摩爾比大于1時(shí)，系統(tǒng)中循環(huán)吸收液過量，吸收液利用率下降.為了提高脫硫系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性及確保需要的脫硫效率，由圖5可知，可控制系統(tǒng)的鎂硫摩爾比在1.1～1.4，最佳鎂硫摩爾比為1.2.

表2 因素水平表Tab. 2 Factors and levels

表3 實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析Tab. 3 Experimental program and interpretation

2.2 正交試驗(yàn)研究

該實(shí)驗(yàn)的目的是提高脫硫系統(tǒng)的脫硫效率并選取最優(yōu)的脫硫條件，實(shí)驗(yàn)的指標(biāo)為單指標(biāo)脫硫效率，因素和水平如表2所示.該實(shí)驗(yàn)為4水平實(shí)驗(yàn)，一共有5個(gè)因素，可應(yīng)用L16(45)正交表，正交試驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如表3所示.

通過直觀分析得到最優(yōu)的脫硫方案是A2B1C2D3E4，即循環(huán)吸收液pH值為5.0，煙氣量為325 000 m3·h-1，煙氣中SO2濃度為1100 mg·m-3，液氣比為4.7，鎂硫摩爾比為1.4.此時(shí)，脫硫效率為95.8%.

3 結(jié)論

通過單因素實(shí)驗(yàn)研究得出了各個(gè)因素對脫硫效率的影響.脫硫效率隨循環(huán)吸收液pH值、液氣比、鎂硫摩爾比的增大而增大；隨煙氣量及煙氣中SO2濃度的增大而減小.通過正交試驗(yàn)研究確定出了影響脫硫效率的主次因素，依次為：鎂硫摩爾比、煙氣量、循環(huán)吸收液pH值、煙氣中SO2濃度、液氣比；同時(shí)也得出了最優(yōu)的脫硫方案：循環(huán)吸收液pH值為5.0，煙氣量為325 000 m3·h-1，煙氣中SO2濃度為1100 mg·m-3，液氣比為4.7，鎂硫摩爾比為1.4.此時(shí)，該系統(tǒng)的脫硫效率高達(dá)95.8%.