張建兵，吳升堅，袁仲楊，范淑珍

（浙江愛科樂環(huán)保有限公司，杭州 310003）

硫化氫（H2S）是強烈的神經(jīng)毒素，對呼吸道黏膜有強烈刺激作用，吸入的H2S會與血液中的酶反應，抑制細胞呼吸導致肺癱瘓，從而使人死亡。人持續(xù)暴露在含低濃度H2S的環(huán)境中，會產(chǎn)生頭痛、頭昏、惡心等癥狀；高濃度H2S會導致人昏迷失去意識；在超過700 mL/L的濃度環(huán)境下暴露30 min以上，會導致死亡[1]。石油提煉廠、污水處理廠、紙和紙漿制造廠、食品加工廠、養(yǎng)豬場和橡膠廠等都是產(chǎn)生H2S氣體的重要場所。若不經(jīng)過處理就直接排放到大氣中，不僅會危害人們的身體健康，還會對環(huán)境造成污染。干式化學濾料吸附法處理H2S主要是通過濾料中的化學品與H2S發(fā)生反應，在濾料的表面形成固體鹽等穩(wěn)定化合物，這些化合物以無機鹽或有機鹽的形式不可逆轉地與濾材結合。通常情況下，這些反應在環(huán)境條件下是不可逆的，從而消除了脫附的可能性。

本實驗通過分析濾料顆粒粒徑、溫濕度及停留時間對H2S去除率的影響，探討提高化學濾料去除H2S效率的可行途徑。同時，研究化學濾料對H2S的吸附容量，為化學濾料在實際工程應用提供設計和工藝控制必需的實驗數(shù)據(jù)。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗氣源

用離心風機（風量300 m3/h，風壓600 Pa）直接抽取某燃料瀝青廠的常壓塔頂外排的工業(yè)廢氣作為實驗氣源。實驗氣源中H2S的濃度約為300～350 mg/m3，氣體的溫度為30～35℃，壓力為常壓，相對濕度為80%～85%。

1.2 實驗裝置與濾料

實驗用的化學濾料采用美國普拉飛公司生產(chǎn)的OCBU型化學濾料，濾料的顆粒直徑約為2～6 mm，濾料的基材為活性氧化鋁，化學介質為氧化鎂和氫氧化鉀，其中氧化鎂含量約為12%，氫氧化鉀含量約為4%，pH值9.5，濾料堆積密度為0.64 g/cm3。吸附裝置采用浙江愛科樂環(huán)保有限公司生產(chǎn)的DS300型干式化學濾料吸附裝置。裝置采用塔形結構，材質為玻璃鋼，塔的內(nèi)徑為500 mm，高度為1 200 mm，濾料的填充高度為60 cm。H2S檢測儀采用深圳市安帕爾科技有限公司生產(chǎn)的型號為APEG-TH2S-B的檢測儀，檢測儀的測量范圍為0～500 mg/m3，顯示分辨率為0.1 mg/m3。溫度和濕度檢測儀采用深圳市華漢維科技有限公司TH40W型數(shù)字溫度濕度計，溫度范圍為-20～80℃，濕度測量范圍為0～100%，裝置連接圖如圖1所示。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test device

2 結果與討論

2.1 濾料粒徑對H2S去除率的影響

濾料顆粒粒徑的大小會影響氣固相的反應速率以及內(nèi)擴散速率。本文實驗時，將濾料分為粒徑1～2 mm、3～4 mm、4～6 mm和2～6 mm四種規(guī)格。四種規(guī)格粒徑的化學濾料對H2S去除率的影響如圖2所示。

圖2 粒徑對H2S去除率的影響Fig.2 Effect of particle size on H2S removal rate

由圖2可以看出，在四種顆粒粒徑規(guī)格的濾料中，不同粒徑濾料對H2S的去除效率由高到底排序為：1～2 mm＞3～4 mm＞2～6 mm＞4～6 mm。這是因為顆粒粒徑的減小，增加了顆粒的比表面積，增大了氣固相的接觸面積，提高了反應速率，同時也提高了氣體的內(nèi)擴散速率，從而使表觀反應速率得以提高。在兩方面同時作用下，去除率隨著粒徑的減小而增加。但是粒徑越小，濾料間的空隙率也會越小，導致氣體通過濾料層的阻力增加，在實際工程應用中會影響能耗。綜合考慮了濾料的吸附性能和氣體透過性能，本文后續(xù)實驗最終選擇顆粒粒徑為2～6 mm化學濾料作為實驗濾料。

2.2 濕度對H2S去除率的影響

Furimsky[2]研究認為采用NaOH改性的活性炭在有水的情況下吸附H2S的效果較好。其主要原因是含氧基團和O2對H2S的氧化導致OH-和O2-兩種自由基的生成，這些自由基和H2S作用加快了氧化的反應速度，有利于H2S的去除。裴晶晶等[3]研究建議化學濾料在相對濕度為20%～80%的范圍內(nèi)工作，以便實現(xiàn)最佳性能。本次實驗通過在實驗裝置前端安裝干燥器對進氣的相對濕度進行調(diào)節(jié)，在停留時間0.8 s的情況下，測試不同濕度下所得的H2S的去除率，結果如表1所示。

表1 濕度對H2S去除率的影響Table 1 Influence of humidity on H2S removal rate

由表1可知，隨著氣體相對濕度的提高，H2S的去除效率也隨之提高，但氣體相對濕度達到80%后，去除效率有所下降，氣體相對濕度在20%以下時，去除效率明顯低于相對濕度在20%以上，相對濕度在20%～95%，去除效率都維持在90%以上，且相對穩(wěn)定。對活性炭的物理吸附，在較低濕度條件下，相對濕度對吸附量的影響不大；當相對濕度高于70%～80%時，水蒸氣會與不溶于水的化合物產(chǎn)生競爭吸附，從而降低對該化合物的吸附量，而對有水參與反應的化學吸附過程，濕度越高，對吸附的促進效果越好[4]。由此可見，相對濕度小于20%或大于80%的情況下化學濾料對H2S的去除效率較低，主要原因是：“干燥”的氣體導致濾料中的化學浸漬從溶液中流出，不利于化學反應；氣體的相對濕度過高，導致化學濾料表面形成大量的水膜，而這些水膜隔斷了濾料中化學成分與氣體的接觸，同時由于濾料濕度增加后易出現(xiàn)濾料的沉降，濾料間擠壓得更緊，減少了濾料與氣體接觸的比表面積，這些都會影響到濾料對H2S的去除效率。

2.3 停留時間和溫度對H2S去除率的影響

張文俊等[5]用含次氯酸鈣的化學吸附劑吸附PH3，發(fā)現(xiàn)隨著停留時間的增加，穿透時間和穿透吸附容量均增加，即吸附性能增加，但穿透吸附容量的增加趨勢逐漸趨于平緩。陳凡植等[6]利用臭氧氧化處理H2S和硫醇廢氣，發(fā)現(xiàn)臭氧氧化法隨著停留時間的延長，H2S和硫醇的去除率增高，當停留時間為1 s時已基本達到氧化反應的化學平衡狀態(tài)。

本實驗綜合考慮溫度和停留時間對H2S去除率的影響，保持化學濾料厚度不變，通過改變進氣的氣體流量來調(diào)整氣體在濾料層的停留時間；通過進氣端的加熱器對氣體進行加溫，考慮到實驗氣源的正常工況溫度為30～35℃，故采用加溫的方式來改變溫度，實施三種溫度下去除率的測試，本次測試溫度分別為30℃、50℃和70℃，通過在三種溫度下進行測試，可以得出停留時間、溫度與去除率的關系，見圖3。

圖3 停留時間對H2S去除率的影響Fig.3 Influence of residence time on H2S removal efficiency

由圖3可知，隨著氣體在濾料層停留時間的增加，在三種不同的溫度下，化學濾料對H2S的去除率都明顯提高，三種溫度下去除率的曲線走向基本保持一致，當停留時間達到0.8 s后，H2S的去除率基本穩(wěn)定在同一水平上。主要原因是，當停留時間不足時，H2S氣體與化學濾料的接觸不充分，部分H2S氣體還沒有與化學成分反應就穿透過濾料層，導致去除率不高。隨著停留時間的增加，H2S氣體與化學濾料的接觸越來越充分，H2S的去除率逐漸提高，但當達到足夠的接觸時間后，受化學濾料的吸附容量和化學吸附平衡狀態(tài)等因素的影響，去除率提高并不明顯。

三種不同溫度的工況下，溫度為50℃情況下去除率高于30℃和70℃時的去除率，而30℃情況下去除率又高于70℃時的去除率。主要是因為溫度高分子運動更劇烈，分子的平均動能增大，分子間碰撞發(fā)生鍵合的概率增大，即在一定的時間內(nèi)反應進行得更快，有利于提高化學吸附的反應速率。而70℃情況時，溫度的升高導致氣體相對濕度的降低，這與前文描述的濕度對去除率的影響中得出的“干燥”的氣體導致濾料中的化學浸漬從溶液中流出，不利于化學反應，導致去除率降低的結論一致。

2.4 化學濾料吸附容量的評價

吸附容量是評價化學濾料性能的一個重要指標，本實驗首先測定H2S穿透濾料時間（H2S的去除率小于50%時視為穿透），再根據(jù)該時間計算出濾料的穿透吸附容量，穿透吸附容量的計算公式為：

式中：XB為穿透吸附容量，mg/kg；Q為氣體流量，L/min；ρ為進口氣體質量濃度，mg/L；t為穿透時間，min；m為化學濾料用量，kg。由于穿透前出口氣體的質量濃度極低，在計算時忽略不計。

本實驗在常溫常壓下，氣體的停留時間為0.6 s，相對濕度控制在85%左右，通過測試，濾料的穿透時間如圖4所示。

圖4 H2S穿透時間Fig.4 H2S penetration time

根據(jù)圖4的數(shù)據(jù)可以看出，H2S的進氣濃度基本維持在320～330 mg/m3，出口的濃度在測試的前23 d內(nèi)，基本維持在20 mg/m3，去除率保持在90%以上，從第24 d開始，去除率下降明顯，當穿透實驗到第32 d時，H2S的去除率降50%以下，并趨于平穩(wěn)。本次實驗以第32 d作為穿透時間節(jié)點，計算化學濾料對H2S的吸附容量。根據(jù)公式（1）計算，得出該化學濾料對H2S的吸附容量為45.3%。該濾料具有較高的吸附容量，主要原因是濾料中有化學介質在吸附過程中并不完全直接參與反應，而是以催化劑的形式為化學反應提供催化條件。氧化鎂吸附H2S的化學反應機理推測如下：

3 結語

（1）隨著化學濾料顆粒粒徑的減小，化學濾料的吸附性能增強。

（2）隨著濕度的提升，H2S的去除效率也相應提高，相對濕度為20%～95%時，去除效率都能維持在90%以上，且相對穩(wěn)定，相對濕度小于20%或大于80%的情況下化學濾料對H2S的去除效率有所下降。

（3）隨著停留時間的增加，H2S的去除效率明顯提高，當停留時間達到0.8 s后，去除效率基本達到90%以上，效果較為穩(wěn)定；同時低溫和高溫都會降低化學濾料的吸附性能。

（4）含氧化鎂的化學濾料有高達45%以上的吸附容量，吸附劑吸附H2S后，生成單質S、MgSO4和水。