文_李明波 宋靜 徐夢 南京杰科豐環(huán)保技術裝備研究院有限公司

SO2是引發(fā)酸性降水和大氣環(huán)境質量惡化的重要污染物之一，煙氣脫硫是其主要的控制手段。經過多年發(fā)展，我國煙氣脫硫已由較單一的污染減排逐漸向資源與環(huán)保兼顧的方向轉變，陸續(xù)實施了一批煙氣SO2資源化利用項目，其中利用煙氣SO2制焦亞硫酸鈉是一個重要方向。

焦亞硫酸鈉是重要的化工產品，通常采用三級鼓泡反應器串聯工藝，以SO2和Na2CO3為原料生產，其中核心工藝設備鼓泡反應器是最主要的耗能設備之一，其氣體阻力所產生的能耗約占整個系統能耗的一半，反應器阻力高、能耗大。本文研究了反應器結構和工況參數對設備阻力的影響，以期開發(fā)低阻力反應器，推動焦亞硫酸鈉生產節(jié)能降耗。

1 焦亞硫酸鈉生產工藝簡介

焦亞硫酸鈉生產首先要制備SO2原料氣，傳統焦亞硫酸鈉生產通常采用硫磺等礦物為原料，通過沸騰爐煅燒原料得到含SO2原料氣，原料氣經除塵、水洗、除霧等處理后進入增壓風機，增壓后的原料氣再經溫度調節(jié)進入袋式除塵器過濾去除升華硫和其他雜質后通入反應器，SO2原料氣也可采用部分場合的工業(yè)煙氣或尾氣，如經凈化處理后的活性焦煙氣脫硫再生氣，最終生成焦亞硫酸鈉。典型焦亞硫酸鈉生產流程如圖1 所示。

圖1 典型焦亞硫酸鈉生產流程圖

焦亞硫酸鈉三級鼓泡反應器串聯工藝中，SO2原料氣依次通過第一反應器、第二反應器和第三反應器，尾氣從第三反應器排出；母液和純堿水溶液依次通過第三反應器、第二反應器和第一反應器，在第一反應器內生成的含有焦亞硫酸鈉晶體的漿液被采出后送至分離和干燥等后處理環(huán)節(jié)，制得成品焦亞硫酸鈉。

第三級反應器內的反應如下：

生成的亞疏酸鈉懸浮液依次通過第二級、第一級反應器，與SO2進行吸收反應，生成焦亞硫酸鈉：

從第一級反應器排出的晶漿送往離心機，分離后的母液返回化堿器，濕焦亞硫酸鈉送至氣流干燥器，在160℃下干燥為最終成品。

反應器是焦亞硫酸鈉生產過程中主要的耗能設備之一、設備阻力大，本文通過數值模擬計算，對反應器結構和工況參數對設備阻力的影響進行了分析探討。

2 反應器優(yōu)化研究

2.1 典型工況和反應器情況

2.1.1 工況參數

原料氣流量（最大）10000Nm3/h；原料氣中SO2體積含量6%，其余按氮氣（N2）考慮；原料氣初始溫度50℃；吸收液按碳酸鈉溶液考慮；吸收液溫度40℃。

2.1.2 裝置參數

裝置反應器參數見表1。

名稱 規(guī)格鼓泡反應器尺寸：Ф2200mm×H2500mm持液高度（最大）：2000mm曝氣孔數量：93（均勻分布）順噴預混進氣反應器尺寸：Ф2200mm×H2500mm漿液噴淋量（最大）：160m3/h進氣管數量：1支（Ф300mm）

鼓泡反應器和順噴預混進氣反應簡要結構如圖2 所示。

圖2 反應器結構示意圖

2.2 結果與討論

分別對常規(guī)鼓泡反應器和順噴預混進氣反應器進行了數值模擬，研究探討了工況參數、反應器結構和設備組合情況對阻力、SO2吸收率的影響。

2.2.1 鼓泡反應器

鼓泡反應器相關參數見表1 和圖2（a）。

（1）原料氣流量變化的影響

分析發(fā)現原料氣流量對鼓泡反應器性能有一定影響，當其他條件不變時，SO2吸收率隨著原料氣流量的增大有所下降，鼓泡反應器壓降隨著原料氣流量的增大有所增加，具體如表2 所示。

原料氣流量/Nm3/h SO2吸收率/% 鼓泡反應器壓降/Pa 10000 85.2 35187 7500 92.7 19790 5000 98.8 8850 2500 99.9 2200

（2）曝氣管埋入深度的影響

經分析發(fā)現曝氣管埋入漿液液面以下的深度對鼓泡反應器性能有一定影響，當其他條件不變時，SO2吸收率隨著曝氣管埋入漿液液面以下深度的增大而顯著上升，鼓泡反應器壓降隨著曝氣管埋入漿液液面以下深度的增大有所增加，具體如表3 所示。

表3 曝氣深度對鼓泡反應器性能影響

2.2.2 順噴預混進氣反應器

順噴預混進氣反應器相關參數見表1 和圖2（b）。

（1）原料氣流量變化的影響

分析發(fā)現原料氣流量對順噴預混進氣反應器性能有一定影響，當其他條件不變時，SO2吸收率隨著原料氣流量的增大有所下降，順噴預混進氣反應器壓降隨著原料氣流量的增大顯著上升，具體如表4 所示。

表4 原料氣流量對順噴預混進氣反應器性能影響

（2）漿液量變化的影響

分析發(fā)現漿液噴淋量對順噴預混進氣反應器性能有一定影響，當其他條件不變時，SO2吸收率隨著漿液噴淋量的增大而上升，順噴預混進氣反應器壓降隨著漿液噴淋量的增大有所增加，具體如表5 所示。

表5 漿液噴淋量對順噴預混進氣反應器性能影響

2.2.3 優(yōu)化分析

對于單級反應器，與常規(guī)鼓泡反應器相比，順噴預混進氣反應器可大幅降低系統阻力，但單級順噴預混進氣反應器的SO2吸收率低于常規(guī)鼓泡反應器，有待于進一步優(yōu)化。常規(guī)鼓泡反應器與順噴預混進氣反應器的阻力和對SO2的吸收情況如表6 所示。

表6 不同形式反應器性能比較

當三級反應器串聯時阻力如圖3 所示。三級常規(guī)鼓泡反應器串聯工藝反應器總阻力約為105561Pa，一級常規(guī)鼓泡反應器加兩級順噴預混進氣反應器串聯工藝的反應器總阻力約為38141Pa，采用一級常規(guī)鼓泡反應器和兩級順噴預混進氣反應器串聯工藝的總阻力約為三級常規(guī)鼓泡反應器串聯工藝總阻力的36.1%，而兩種組合方式可保持SO2總吸收率相近（均接近100%），節(jié)能效果明顯。

圖3 不同反應器串聯阻力情況

3 結語

常規(guī)鼓泡反應器SO2吸收率隨著原料氣流量的增大有所下降，壓降隨著原料氣流量的增大有所增加；SO2吸收率隨著曝氣管埋入漿液液面以下深度的增大而顯著上升，壓降隨著曝氣管埋入漿液液面以下深度的增大有所增加。

順噴預混進氣反應器SO2吸收率隨著原料氣流量的增大有所下降，壓降隨著原料氣流量的增大顯著上升；SO2吸收率隨著漿液噴淋量的增大而上升，壓降隨著漿液噴淋量的增大有所增加。

當三級反應器串聯時，在保持SO2總吸收率相近的情況下，采用一級常規(guī)鼓泡反應器加兩級順噴預混進氣反應器串聯工藝的反應器總阻力約為三級常規(guī)鼓泡反應器串聯工藝反應器總阻力的36.1%。

與常規(guī)鼓泡反應器相比，順噴預混進氣反應器的阻力更低、節(jié)能效果明顯，但吸收效率受到一定影響，有待進一步優(yōu)化。