尿素湿法添加高锰酸钾联合脱硫脱硝

2014-12-31王伟

山西化工 2014年1期

王伟

（中北大学化工与环境学院，山西太原 030051）

我国能源消费以煤为主，煤炭已成为我国环境污染的主要污染源，对其燃烧产生的以SOx和NOx为主的污染物排放进行控制已刻不容缓。其中，SOx中的SO2和SO3、NOx中的NO和NO2是污染大气的主要成分，能引起人体中毒、植物损害、酸雨酸雾等，并与碳氢化合物形成光化学烟雾，造成臭氧层的破坏［1］。此外，汽车消费量的快速增加，燃油消耗年平均增长达6%，大城市空气的NOx、SO2及相关污染物浓度升高［2］。近年来，暴露于未达标空气质量的城市人口占统计城市人口的近三分之二。北京、沈阳等大城市曾被列入世界十大污染城市，中国城市空气污染已明显引起公共健康效应和经济损失［3］。

由于湿法FGD工艺（烟气脱硫）在当前市场上占据了主要地位，所以在原有湿法脱硫系统上采用促进NOx吸收的化学添加剂对我国烟气联合脱硫脱硝的控制战略有重要影响。尿素法同时脱硫脱硝技术目前仍处在探索阶段，国内外研究很少。但有文献报道，该法对烟气中SO2和NOx的脱除效率较高。现有的尿素法有CaCO3／尿素法、尿素／添加剂法。该法的反应产物为N2、CO2、硫酸铵，无二次污染的产生。本文将对尿素添加高锰酸钾联合脱硫脱硝进行深入的研究，明确其机理、影响因素、适宜的操作条件以及合适的比例，为该法的真正工业化打下坚实的理论和实验基础。

1 实验部分

1.1 实验装置

实验采用自行设计的1套以喷淋塔为核心的脱硫脱硝一体化实验装置，如第40页图1所示。实验装置主要包括3大部分，分别为烟气模拟系统（模拟烟气由SO2液化气、NO压缩气、N2及压缩空气按比例配制）、反应系统及烟气监测系统（实现SO2、NO在线即时监测）。喷淋塔塔体高1.6m，内径0.28m，安装有2层锥形喷嘴，产生均匀分布的雾滴，覆盖整个塔截面［4］。

1.2 实验方法

配制10L尿素／高锰酸钾复合吸收液于储液槽内，调节吸收液循环流量至实验所需流量后，由循环泵提升并经2层喷嘴雾化，在喷淋塔内与逆流烟气接触，将其洗涤［5］并充分氧化吸收，反应后的吸收液回落至储液槽内，循环吸收。在线监测反应过程中SO2、NO浓度值，并按第40页式（1）、（2）计算SO2、NO去除率η。

图1 实验装置示意图

此外，储液槽内尿素与高锰酸钾浓度恒定，吸收液初始pH值由硫酸及氢氧化钠溶液调节，反应温度通过加热装置（TN99温控器）加热吸收液调节。

2 结果与讨论

经综合考虑，实验选用SO2初始质量浓度为2 850mg／m3，NO初始质量浓度为670mg／m3。大量文献表明，当尿素质量分数为5%时，脱硫脱硝效率最高，故本实验采用质量分数5%的尿素。

2.1 吸收液初始浓度对脱硫脱硝效率的影响（见图2）

图2 吸收液质量浓度对脱硫脱硝效率的影响

由图2中可观察到，最终总脱硝率分别为63.1%、68.5%、69.6%、78.9%、83.0%；脱硫效率为74.7%、79.1%、82.3%、85.2%、90.2%。高锰酸钾的加入，使得脱硫脱硝效率有了明显的提高。这说明，高锰酸钾的浓度对脱硝率影响很大。发生这种现象的主要原因是，NOx和SO2的氧化是脱硫脱硝的关键因素，而高锰酸钾有利于NOx和SO2氧化的提高，从而加大溶液中氮氧化物和硫氧化物的吸收。当高锰酸钾质量浓度增大至2.0g／L时，脱硝率和脱硫率均可达到95%以上。但是，高锰酸钾过多，易造成过重的色度污染和浪费，也不利于仪器清洗。综合考虑，选择高锰酸钾质量浓度为0.2g／L。

2.2 温度对脱硫脱硝效率的影响（见图3）

图3 温度对脱硫脱硝效率的影响

由图3可观察到，最终总脱硝率分别为50.3%、55.8%、60.2%、80.6%、86.5%、92.1%、90.4%、87.3%，脱硫效率为 55.8%、63.7%、77.5%、83.6%、88.9%、93.2%、94.4%、89.3%。当反应温度不超过70℃时，脱硝率随着反应温度的增加而上升。这主要是因为，温度升高，反应速率常数加大，NOx的氧化反应加快。同时，由图3可以看出，当温度超过70℃后，脱硝率会有所下降。

发生这种现象主要是因为，温度升高，NO等在水中的溶解度会下降，导致NO液相氧化速度减慢。另外，温度过高会使尿素的水解反应速度加快，尿素水解生成NH3。由图3可以看出，随着温度的升高，脱硫效率渐渐升高，当反应温度超过80℃时，脱硫效率有所下降，其原因与氮氧化物的变化趋势是相同的。该研究结果与岑超平等的研究结果相吻合。综合考虑，实际适宜的脱氮温度定为60℃～70℃。

2.3 吸收液初始pH值对脱硫脱硝效率的影响

第41页图4为吸收液初始pH值对脱硫脱硝效率的影响曲线。由图4可以看出，脱硫效率为83.5%、88.9%、90.2%、93.5%、92.2%、85.1%，脱硝效率为53.7%、62.1%、73.9%、82.7%、72.9%、63.2%。根据数据可知，pH值的变化对脱硫效率影响不是很大，脱硫效率为85%～95%，只有少量的变化，但是脱硝的效率变化比较大。从图4可以看出，当吸收液的pH＜7的时候，随着pH值的升高，脱硝效率渐渐增大；当pH值超过7的时候，随着温度的升高，脱硝效率在下降。

图4 吸收液初始pH值对脱硫脱硝效率的影响

发生这种现象主要是因为，在尿素湿法中，酸性条件下，亚硝酸易分解成NO，而且也不利于NO的氧化；尿素在过酸或过碱溶液中易发生水解，同时会对设备造成腐蚀。但针对高锰酸钾而言，其氧化能力随着酸性的增强而增强，在中性或碱性条件下，氧化能力较弱。至于在尿素／高锰酸钾溶液中，何种因素在起关键作用，有待进行进一步的研究。综合经济成本等各种因素，实验条件下选择最佳的pH值为7。