工业烟气的赤泥脱硫研究

李惠萍，靳苏静，李雪平，庞 皓，杨金姬，张 军

(1． 郑州大学 化工与能源学院，河南 郑州450001;2． 河南煤气(集团)有限责任公司 义马气化厂，河南 义马472300;3 郑州新力电力有限公司，河南 郑州450000)

0 引言

赤泥是氧化铝工业生产过程中产生的红褐色粉泥状废弃物，每生产1 t 氧化铝就会产生0．8 ～1．5 t 的干赤泥［1］．中国作为世界第一大氧化铝生产国，每年产生的赤泥约在3000 万t 以上． 中国目前赤泥堆存量为2 亿t，预计到2015 年将达到3．5 亿t［2］．长期堆存不仅占用耕地，碱性赤泥还会造成土壤碱化，带来严重的环境污染和生态破坏．

我国是一个以燃煤为主要能源的国家，而且煤炭含硫量较高，大量燃煤排入大气的SO2逐年增加［3-4］．2008 年，中国因燃煤造成的SO2排放总量超过2 300 万t［5］．较高浓度的SO2烟气多用于制酸，然而低浓度的SO2气体处理及利用都比较困难［6-8］．将氧化铝赤泥用于工业烟气脱硫，是将两种有害物质相互作用，不仅可以降低赤泥的碱性，反应后的赤泥可农用硅钙肥、生产水泥［9］、微晶玻璃等建筑材料［10-11］，同时可以降低烟气中SO2含量达标排放，实现以废治废和赤泥的资源化利用．

1 赤泥物化性质及脱硫可行性分析

1．1 赤泥的化学组成

氧化铝的生产工艺有烧结法、拜耳法和联合法3 种．本实验采用中铝公司河南分公司的联合法赤泥，它的化学成分中Al2O3、Fe2O3、CaO、Na2O为有效固硫成分．

1．2 赤泥的矿物分析

赤泥的矿物组成复杂，其矿物成分可通过X-射线衍射(XRD)分析技术准确鉴定．中铝河南分公司联合法赤泥的XRD 图和矿物组成见图1和表1．

图1 赤泥的XRD 衍射图Fig．1 XRD pattern of red mud

表1 联合法赤泥的矿物组成Tab．1 Mineral component of red mud

1．3 赤泥的粒度分析

用Winner2000B 激光粒度分析仪对中铝河南分公司的联合法赤泥进行了粒度分析，如图2 所示．

图2 中铝公司河南分公司赤泥粒度分布图Fig．2 Grain-size distribution of red mud from Henan Branch of China Aluminum Co．

由2 图可知，粒径在40．72 μm 以下的赤泥占到97%以上．赤泥比石灰石粒度(43 ～74 μm)更细，SO2气体与吸收剂颗粒之间的接触面积更大，对烟气脱硫更有利．

2 实验部分

实验在郑州新力电力有限公司现场搭建的实验室进行，所用烟气由2#增压风机出口引出，其中SO2浓度平均为1 900 mg·m-3，浓度较低，利用困难．实验采用自行设计的1 700 mm ×60 mm玻璃吸收塔装置，配置了实验所需的浆液循环泵、离心风压机、浆液及烟气流量计、阀门等设备及部件，采用正交试验，分析了液固比、烟气流量、液气比等因素对SO2吸收率的影响． 装置及工艺流程如图3 所示．

原烟气经空气压缩机升压后，通过气体流量计计量，进入吸收塔并和塔内雾状液滴充分接触脱硫后再经管道排入大气． 在烟气出口使用德国rbr 公司生产的Ecom -J2KN 手持式烟气分析仪测定烟气中SO2的含量． 循环槽内的浆液通过阀门控制流量，由液体流量计计量后泵入塔上部的喷淋装置内，浆液再通过喷淋装置在吸收塔内形成雾状与烟气逆流接触，进行传质、传热后，下降落入浆液循环槽．实验中每隔10 min 测定一次浆液槽中浆液的pH 值和出口烟气SO2的浓度．

图3 脱硫工艺流程图Fig．3 The process flow chart of desulfurization

3 实验结果与分析

3．1 正交试验方案及结果

采用L9(34)正交试验方案研究液固比(A)、液气比(B)、烟气流量(C)和空列(D)对烟气中SO2吸收率η(SO2)的综合影响规律和显著度，正交试验结果见表2．

表2 正交试验结果Tab．2 Results of orthogonal experiments

由此可见影响赤泥脱硫效果的因素主次顺序为:液气比＞烟气流量＞液固比．由于赤泥的脱硫效果越高越好，从表数据来看，操作条件应定在A2B2C3D1，即液固质量比为7∶1(kg/kg)，烟气流量为3．6 m3/h，液气比为12 L/m3，其脱硫效率为98．8%．

3．2 单因素考察实验

由正交试验得到脱硫的最佳条件，下面采用单因素实验进行验证．

3．2．1 液气比的影响

保持赤泥浆液液固比7∶1、烟气流量3．6 m3/h，改变浆液流量，测量不同液气比下的脱硫率，获得吸收塔出口处脱硫率与液气比的关系曲线，如图4 所示．

图4 SO2 吸收率与液气比的关系Fig．4 The relationship between absorption efficiency and liquid-gas ratio

由图4 可知，在不同液气比下，脱硫率随着液气比增加而增加;但液气比太大会使气体阻力过大，不利于气体和赤泥颗粒的充分接触反应．综合考虑，取液气比12 L/m3较合适．

3．2．2 液固比的影响

SO2与赤泥中的碱反应，是一个扩散传质和化学反应的综合结果．随着液固比的变化，矿浆吸收体系黏度必定发生变化，这将影响SO2的吸收率．保持液气比12 L/m3、烟气流量3．6 m3/h 不变，改变赤泥浆液的液固比，测量脱硫率，相应关系曲线见图5 所示．

图5 SO2 吸收率与液固比的关系Fig．5 The relationship between absorption efficiency and liquid-solid ratio

由图5 可知，随着液固比的增加，脱硫率先增大后减小，出现一极大值94．3%．当液固比为5∶1时，浆液浓度过高，黏度太大，反应速率较低，脱硫效果不好;但液固比过高，浆液太稀，同样导致脱硫率不高．

3．2．3 烟气流量的影响

在浆液液固比为7∶1，液气比为12 L/m3的条件下，SO2吸收效率随烟气流量的关系变化图见图6．

图6 SO2 吸收率与烟气流量的关系Fig．6 The relationship between absorption efficiency and flue gas flow

从图6 可看出，保持其他参数不变，赤泥的脱硫率随烟气流量的增加缓慢增加，当达到极大值后减小．烟气流量增加意味着气速增加，提高气速可提高气液两相的湍动程度，减小烟气与液滴间的膜厚度，提高了传质系数，可提高脱硫效率．另外，气量太大，气—液接触时间缩短，甚至造成烟气短路，未参与反应的SO2被烟气带出，导致脱硫效率下降．因此，烟气流量在3．5 ～4．5 m3/h 之间最适宜．

3．3 烟气的赤泥脱硫与石灰石法对比

在液固比为7∶1(赤泥和石灰石质量均为150 g)，浆液流量为45 L/h，烟气流量为3．6 m3/h 的条件下，石灰石与赤泥浆液的SO2吸收率随时间变化的关系见图7．

图7 赤泥脱硫与石灰石脱硫效果对比Fig．7 Comparison on desulfurization effect of red mud and limestone

由图7 可看出，石灰石浆液的吸收率在开始的3 h 内稳定在82．2% ～83%之间，之后迅速下降．而赤泥的吸收率在开始后4 h 都保持在93%左右，之后赤泥的吸收率缓慢下降，故无论从吸收效率还是吸收时间来说，赤泥的脱硫效果优于目前采用的石灰石—石膏湿法．

4 结论

将联合法赤泥用于处理热电厂的烟气，可以实现以废治废和资源的综合利用． 采用自行设计的吸收塔获得最佳的脱硫工艺条件:液固比为7∶1，烟气流量为3．6 m3/h，液气比为12 L/m3．在此条件下赤泥脱硫率可以达到95%以上，可以实现热电厂烟气达标排放．

对比赤泥脱硫和目前采用的石灰石- 石膏法，可知在脱硫效率和反应时间上，赤泥脱硫都要优于石灰石-石膏法． 赤泥用于烟气脱硫具有很好的社会效益、经济效益和环境效益．

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