尿素湿法脱硫剂的制备及性能研究

苏少龙，曲晓龙，钟读乐，孙彦民，南 军，李世鹏

(1.中海油天津化工研究设计院有限公司，天津 300131； 2.天津市炼化催化技术工程中心，天津 300131)

煤炭是我国能源结构的重要组成部分。煤炭燃烧排放的烟气中含有二氧化硫等有害物质[1]。二氧化硫会严重污染大气环境、破坏生态平衡、危害人类及动植物的健康、导致酸雨、腐蚀建筑物，对生存环境和生态环境产生巨大危害[2-3]。因此需要对烟气进行处理，脱除其中的二氧化硫，使其浓度达到环保要求。目前，主要的脱硫技术分干法脱硫、半干法脱硫及湿法脱硫等三大类[4-6]。其中，湿法脱硫技术因为脱硫效率高而被广泛应用。现有的湿法脱硫技术包括石灰石-石膏湿法脱硫技术、海水烟气脱硫技术、双碱法烟气脱硫技术、氨法脱硫技术、氧化镁烟气脱硫技术、微生物法烟气脱硫技术等[7-10]。本文以尿素湿法脱硫作为研究对象，完成尿素湿法脱硫评价装置的搭建，确定分析方法，考察尿素、添加剂种类、添加剂浓度、温度对于湿法脱硫剂脱硫效果的影响。

1 实验部分

1.1 仪器及试剂

德图-350型烟气分析仪、AL204梅特勒-托利多电子分析天平。

尿素，天津渤化化学试剂有限公司；氢氧化钾，天津金汇太亚化学试剂有限公司；氨水，天津市石英钟厂霸州市化工分厂。

1.2 评价装置的搭建及分析方法的确定

1.2.1 尿素湿法脱硫评价装置的搭建

按照图1搭建尿素湿法脱硫评价装置。模拟工业烟气从气瓶1中引出，经过气瓶自带的减压阀减压，进入缓冲瓶2稳压；再经转子流量计控制模拟工业烟气的流量；而后在A1处取样测定模拟工业烟气的二氧化硫浓度，经吸收装置对模拟工业烟气进行处理，脱除模拟工业烟气中的二氧化硫；接着在A2处用集气袋收集尾气进行分析，多余尾气排入大气中。模拟工业烟气气瓶中二氧化硫浓度为582.86 mg·m-3，流速控制为10 L·h-1。

1.模拟工业烟气气瓶(带减压阀)；2.缓冲瓶；3.转子流量计；4.吸收装置；A1、A2.分析取样点图1 尿素湿法脱硫评价装置Figure 1 Evaluation device of wet desulfurization by urea

1.2.2 取样及分析方法

在评价开始前，首先需要使用集气袋在A1处收集模拟工业烟气，收集时间为30 min，使用德图-350型烟气分析仪对模拟工业烟气的二氧化硫浓度进行测定。开始评价后，用集气袋在A2处收集尾气，每隔30 min更换集气袋，并使用德图-350型烟气分析仪测定尾气的二氧化硫浓度。计算二氧化硫的去除率。

1.2.3 分析方法的误差分析

在A2处测定尾气中二氧化硫浓度时，因模拟工业烟气经过吸收装置中液体脱硫剂处理，所以在测定时需要考虑尾气中水分对测量结果的影响。在吸收装置中不加水和加水1.00 g两种情况下，测定尾气中的二氧化硫浓度，结果如表1所示。

表1 尾气中水分对测量结果的影响Table 1 Influences of water in tail gas on measurement results

由表1可以看出，吸收装置中加入少量水相比不加水，尾气二氧化硫浓度的测量结果在数值上小4.66 mg·m-3，相对误差为0.8%。说明尾气中含有少量水分对使用德图-350型烟气分析仪测量的结果影响很小，可以忽略。因此，分析方法可行。

2 结果与讨论

2.1 尿素对湿法脱硫剂脱硫效果的影响

室温下，在吸收装置中分别加入相同质量的水和溶质含量为20%的尿素溶液，考察尿素对湿法脱硫剂脱硫效果的影响，结果如表2所示。

表2 尿素对湿法脱硫剂脱硫效果的影响Table 2 Influences of urea on the desulfurization effect of the wet desulfurizer

由表2可知，20%尿素溶液的脱硫效果比水好，二氧化硫的脱除率可达100%。说明尿素的加入使得湿法脱硫剂具有显著的脱硫效果。这是因为：一方面，20%尿素溶液中的水能与二氧化硫反应，形成亚硫酸，从而将二氧化硫吸附；另一方面，尿素与亚硫酸反应形成亚硫酸铵，再经氧气氧化形成硫酸铵。

2.2 添加剂对湿法脱硫剂脱硫效果的影响

添加剂对湿法脱硫剂的脱硫效果具有促进作用。在吸收装置中分别加入A、B、C三种溶液，考察添加剂对湿法脱硫效果的影响。A、B、C三种溶液的组成见表3，三种溶液的脱硫效果见表4。

表3 三种溶液(A、B、C)的组成Table 3 Composition of three solutions (A， B， C)

表4 三种溶液(A、B、C)的脱硫效果Table 4 Desulfurization effect of three solutions (A，B，C)

由表4可知，各湿法脱硫剂的二氧化硫脱除率随着时间的增加而降低；加入添加剂氢氧化钾和氨水后，湿法脱硫剂的脱硫效果都有提高；并且在加入量相同的情况下，氢氧化钾对于湿法脱硫剂脱硫效果的提升作用比氨水更显著。故后续实验中，以氢氧化钾作为添加剂。

2.3 添加剂浓度对湿法脱硫剂脱硫效果的影响

室温下，在吸收装置中分别加入不同浓度的氢氧化钾，考察氢氧化钾浓度对湿法脱硫剂的影响，结果见图2。由图2可知，湿法脱硫剂的脱硫效果随着氢氧化钾浓度的升高而提高。氢氧化钾浓度的升高，使得湿法脱硫剂的pH值升高，从而促进了湿法脱硫剂的脱硫效果。但随着氢氧化钾浓度的升高，湿法脱硫剂脱硫效果的评价时间随之增加，不便于评价。综合考虑脱硫效果和评价时间，后续实验中添加剂的浓度选择为0.6%。

图2 不同氢氧化钾浓度对脱硫效果的影响Figure 2 Influences of different concentrations of potassium hydroxide on the desulfurization

2.4 温度对湿法脱硫剂脱硫效果的影响

温度对湿法脱硫剂脱硫效果的影响见图3。

图3 温度对脱硫效果的影响Figure 3 Influences of temperatures on the desulfurization

由图3可知，随着温度的升高，湿法脱硫剂的二氧化硫脱除率提高。实验结果与黄建洪等的研究结果相吻合[11]，说明总反应吸热。

3 结 语

完成了尿素湿法脱硫评价装置的搭建，确定分析方法；考察尿素、添加剂种类、添加剂浓度、温度对于湿法脱硫剂脱硫效果的影响。结果表明：(1)尿素作为湿法脱硫剂的主要成分具有脱硫效果，能够使二氧化硫的脱除率达到100%；(2)添加剂对湿法脱硫剂的脱硫效果具有显著的促进作用，且氢氧化钾的促进效果优于氨水；(3)增加添加剂的浓度有助于提高湿法脱硫剂的脱硫效果；(4)尿素湿法脱硫总反应吸热，升高温度有助于提高脱硫效果。