氨法脱硫实验研究分析

高善彬，鲁希振

（1.山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013；2.大唐黄岛发电有限责任公司，山东 青岛 266500）

随着我国经济的快速发展，在最近20~30年中，能源的需求量也在不断增长，作为一次能源的煤炭，在相当长的时期内仍然是我国主要能量来源。目前，中国电力能源结构中，煤电约占3/4，而且在今后相当长的时期不会有很大的变化。燃煤火电厂在将一次能源煤炭转换为二次能源电力的过程中，会产生废气、废水、灰渣及噪声等污染物，其废气中的SO2是大气的主要污染物之一，SO2的大量排放既严重污染环境又造成硫资源的巨大浪费。2002年，全国废气中SO2排放总量为1926.6万t，其中工业来源的排放量1562.0万t，生活来源的排放量364.6万t。部分城市SO2污染严重，南方地区酸雨污染较重，酸雨控制区内90%以上的城市出现了酸雨。脱硫工程的建设属于当前国家重点鼓励和发展的项目，项目的建设是符合国家产业政策的[1]。

目前世界各国研究开发的脱硫技术达200多种，这些技术按燃烧过程可分为3大类：燃烧前脱硫、燃烧中脱硫、燃烧后脱硫即烟气脱硫（FGD）。后一种脱硫技术是目前应用最广、效率最高的脱硫技术。烟气脱硫按工艺特点可分为干法，半干法和湿法3大类。湿法脱硫主要为石灰/石灰石法[2~3]、钠碱双碱法、钠盐循环法、碱式硫酸铝—石膏法等[4~8]，其优点是脱硫率高、操作稳定且经验多，但存在着易造成二次污染，脱硫后的烟气需再加热，易造成腐蚀和结垢等问题。而氨法脱硫技术将回收的二氧化硫、氨全部转化为化肥，不产生任何废水、废液和废渣，没有二次污染，是一项真正意义上的将污染物全部资源化，符合循环经济要求的脱硫技术，具有高效、低能耗、防腐蚀以及运行可靠等优点。因此，本文针对氨法烟气脱硫的主要影响因素进行了模拟实验，研究其对脱硫效率的影响。

1 实验设计

为了研究氨法脱硫特性，搭建了一套实验系统，如图1所示。实验空气由风机供给，经缓冲箱后与SO2气体混合形成烟气，SO2由SO2钢瓶提供，用于调节烟气中的SO2至所需的浓度。SO2和烟气在混和室内充分混和后，进入脱硫塔。塔径为150mm，塔高1.5m，塔内装有3级旋流板，脱硫塔顶部装有高效除雾器。

额定烟气量150~300L·min-1，并用烟气分析仪（德国德图TESTO 350Pro烟气分析仪）测量烟气中SO2的浓度。其中脱硫液水中亚硫酸铵作为吸收液，大部分的SO2都会在脱硫塔中和氨水反应，从而被吸收。

图1 氨法脱硫实验系统

2 氨法脱硫的原理

烟气与氨水在脱硫塔某一特定位置内混合发生脱硫反应，生成亚硫酸铵，亚硫酸铵溶液流入脱硫塔底部的氧化段，用氧化风机送入的空气进行强制氧化，将亚硫酸盐氧化成硫酸盐；氧化后的吸收液经泵送入脱硫塔浓缩段进行浓缩结晶，形成固含量5%~10%的硫酸铵浆液；硫酸铵浆液经硫铵泵送入硫酸铵系统。脱硫后的净烟气经除雾器除去烟气中携带的液沫和雾滴，再经塔顶烟囱直接排出。工艺水从塔顶补入，既冲洗除雾器又保持系统的水平衡。其化学反应原理为[9~10]：

3 实验结果分析

氨法脱硫工艺运行稳定阶段的脱硫剂是亚硫酸铵，这是脱硫工艺的主要部分。本文以亚硫酸铵为吸收剂进行实验和分析，讨论影响氨法脱硫效果的影响因素，主要考察气液比、吸收液pH值、吸收液浓度以及进口烟温对脱硫效率的影响。

3.1 气液比对脱硫效率的影响

亚硫酸铵吸收液的气液比对脱硫效率的影响如图2所示，其中烟气量为160m3·h-1，SO2浓度为2650mg·m-3，亚硫酸铵浓度为5%，气温为30℃。

图2 气液比与脱硫效率关系

由图2可知，氨法脱硫效率与气液比大致成线性关系，而且随着气液比的增大，脱硫效率逐渐降低。气液比高时，吸收液不够多，导致其与烟气中的SO2接触面积比较小，传热系数低，反应时间短，从而有比较大一部分SO2没有被吸收，所以导致SO2脱硫效率低。最低时，气液比为0.5L·m-3，脱硫效率只有53%，而当气液比达到0.2L·m-3时，脱硫效率可以上升到96%。

3.2 吸收液PH值与脱硫效率的关系

在烟气量为 160m3·h-1，SO2浓度为 2650mg·m-3，亚硫酸铵浓度为5%，气温为30℃，气液比为0.3L·m-3时，吸收液pH值与脱硫效率的关系曲线如图3所示。

图3 吸收液PH值与脱硫效率的关系

实验中进行了21组工况测试，将测得的数据处理得到图3关系曲线，由图可知，脱硫效率随着吸收液pH值的增大而增大，pH值在4.5~5.4之间时脱硫效率随pH值上升得比较缓慢，之后上升速率加大，当pH值达到8.8时，脱硫效率上升到了96%。中间过程出现一个比较平稳的阶段，即pH值为6~7.5时，脱硫效率增加量不超过10%，属于比较平稳的阶段。

3.3 吸收液浓度与脱硫效率的关系

在研究吸收液浓度对脱硫效率的影响时，我们做了20组工况，选取其中14组得到图4关系曲线，实验工况为：烟气量为160m3·h-1，SO2浓度为2650mg·m-3，气温为 30℃，气液比为 0.3L·m-3。由图4可知脱硫效率随吸收液浓度增大出现先增大后减小的规律，在中间会有最大值出现，即会有一个最佳的吸收液浓度使得脱硫效率达到最好。这个最大值大概在吸收液浓度为5.5%时出现。

图4 吸收液浓度与脱硫效率的关系

3.4 进口烟温与脱硫效率的关系

烟气温度会影响化学反应速度，为了研究其是否会对脱硫效率产生影响，我们设定了多个烟气温度，分别为 25、30、45、50、60、70、80、90、100℃以及115℃。实验工况为：烟气量为160m3·h-1，SO2浓度为2650mg·m-3，亚硫酸铵浓度为5%，气液比为0.3L·m-3。实验结果见图5，由图可知，温度对氨法脱硫效率的影响比较小，温度从25~100℃变化过程中，脱硫效率基本不变，原因是亚硫酸铵吸收SO2的反应是传质控制的反应，并非反应控制。

图5 进口烟温与脱硫效率的关系

从以上各因素对脱硫效率的影响，我们可以控制各个参量，使得脱硫效率最大化。首先考虑气液比，气液比在0.2~0.25时脱硫效率最大且比较平稳；pH值越大脱硫效果越好，但是pH值太高，氨气容易挥发，吸收液利用率不高，当pH值为6~7.5时，脱硫效率增加量不超过10%，比较稳定，选择此段pH值比较合适；吸收液浓度为5.5%左右时，脱硫效率达到最大；而温度对脱硫效率影响不大。

4 结论

通过实验研究了氨法脱硫中脱硫效率的相关影响因素，对气液比、吸收液pH值、吸收液浓度以及进口烟温和脱硫效率的关系进行了深入的分析和研究，得到如下结果：

（1）气液比越小，脱硫效率越高；吸收液pH值越大，脱硫效果越好；脱硫效率随吸收液浓度增大，先增加后减小，中间存在最大值；温度对脱硫效果的影响不大。

（2）通过对影响因素的分析，得到使脱硫效果比较好的参数控制范围，即在烟气量为160m3·h-1，SO2浓度为2650mg·m-3下，气液比选择在0.2~0.25L·m-3范围内，pH值选择为6~7.5，吸收液浓度为5.5%左右时，实验表明脱硫效果最好，这一结果对实际工程应用有一定指导意义。

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