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海水烟气脱硫技术的研究进展

2022-05-19何永美吴泳霖金彦江李天国郭建芳

盐科学与化工 2022年4期
关键词:干法气液流速

姜 琦,何永美,吴泳霖,金彦江,奠 波,李天国,郭建芳,蒋 明

(云南农业大学 资源与环境学院,云南 昆明 650201)

二氧化硫(SO2)是一种典型的酸性气态污染物,其主要产生于煤炭燃烧[1]、石油加工[2]、工业制品的加工等[3-4]。根据中华人民共和国生态环境部公布的2020中国生态环境状况公报,2020年酸雨区面积约为46.6万km2,约占中国国土总面积的4.8%,其中酸雨降雨中主要阴离子为硫酸根,酸雨类型以硫酸型为主[5]。SO2的污染正是造成酸雨的主要原因,因此其进入环境前需要进行脱除[6]。目前,SO2的脱除净化技术主要以干法、半干法和湿法为主。干法脱除SO2是利用固体脱除材料对SO2进行脱除的方式,主要有吸附法、催化氧化法等,其中催化氧化法中的石灰石/石灰法是当前最常用的干法脱除SO2的方式,该法操作简单、成本低,但仍存在一些问题,如脱硫效率低(<80%)、固体生成物易堵塞设备管道等[7-8]。半干法脱除SO2是使用具有一定含水率的固体脱除材料对SO2进行脱除的方式,如使用石灰石、电石渣、消石灰等[9-11]。半干法可以提高干法脱除SO2的效率,通过添加强氧化剂的方式还可以增加脱除材料的利用率[11],但存在着脱除材料含水率的控制相对复杂等问题。湿法脱除SO2相对于干法和半干法来说具有较高的脱除效率,主要是通过使用各种碱性吸收液与SO2进行气液反应达到脱除目的,常用的方式有镁法(MgO、Mg(OH)2等)[12]、钙法(CaO、Ca(OH)2、CaCO3等)[13]、氨法(主要为氨水)[14-15]以及海水法等[16]。其中,海水作为天然的吸收剂,其pH值约7.95~8.35[17],利用海水对SO2进行脱除,不产生有害的固体废物,对沿海区域的电厂烟气脱硫具有很好的适用性。

1 海水烟气脱硫技术原理

SO2+H2O→H2SO3

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

2 工艺流程

图1 海水脱硫工艺流程图

3 影响因素

相关研究表明,海水对SO2脱除效果的影响因素主要体现在吸收液温度[22]、气体流速[23]及海水碱度[24]等方面。

3.1 温度

海水烟气脱硫系统中的气—气热交换器是控制海水与SO2反应温度的唯一装置,反应温度对海水脱除SO2的效率有一定影响。赵伟等人[25]在3 ℃、13 ℃、23 ℃和33 ℃的温度梯度下分别做了海水吸收SO2的影响因素实验,研究结果表明,温度越低所用海水达到饱和状态所需时间越长, 溶解度越大。因此,反应温度越低,海水吸收SO2的效果越好,反之则不利于SO2的吸收。这是由于SO2在水中的溶解是放热反应,温度越低越利于SO2的溶解。因此,在满足水蒸气无法结露的前提下,可以适当降低烟气与海水反应温度,以增加SO2的吸收率,又不使后续升温耗能过高[25]。

3.2 气体流速

在实际应用过程中,气液比对海水烟气脱硫有着一定的影响,而当海水吸收液体积一定时,气体流速将直接影响着气液比[26]。一般来说,气体流速越大,SO2与海水接触时间越短,部分SO2未与海水接触逃逸释放,脱硫率也就越低;而气体流速过低时,单位时间内脱硫量太少,则不利于实际工业化应用。因此气体流速需要根据现实状况进行确定,赵小芳等人[24]在25 ℃、SO2浓度为3 140 mg/m3的条件下,研究了不同气体流速对SO2脱除率的影响,结果表明,气速过大时会发生气阻现象,使脱硫过程无法正常进行,且适当降低气体流速可提高液气比以增加脱硫效率,在该试验条件下,气速为100 mL/min时最佳[24]。

3.3 海水碱度

海水碱度一般约为1.2 mmol/L~2.5 mmol/L[27],而海水在淡化、循环冷却等过程中会被浓缩,其盐碱度会相应提高,SO2脱除率也会增强[28]。有研究发现,当海水的碱度增大时,温度对其脱硫的影响会减小,因此,当使用浓海水脱硫时,可以减小气—气热交换器产生的温度差,减少热能耗。

4 改进方法

在现阶段,海水脱硫主要适用在低硫煤燃烧烟气的体系下[29],因此,如何提高海水脱硫的效率,使其适应更多的烟气存在条件,是众多学者的研究热点。当前,更换气液接触方式[30]及外源添加材料[31]是强化海水脱硫的主要研究方向,表1为海水脱硫改进方法的具体效果及优缺点。

表1 海水脱硫的改进方法

4.1 更换气液接触方式

Flagiello等人[32]使用填料柱对海水脱硫装置中的喷淋柱进行了替换,优化了洗涤器的设计,研究发现,对于低至500 mg/kg的SO2浓度,通过使用约为2.91 kg/kg的液气质量比,使用填料柱可以达到98%以上的SO2吸收率。因此,通过改变海水与SO2的气液接触方式,优化脱硫装置,或能增强海水脱硫的适用性与高效性,实现SO2的深度脱除。

4.2 外源添加材料

外源添加材料是改变海水碱性的直接方式,文中提到增加海水碱性不仅会对SO2脱除率的提高有着显著效果,还会使温度对其影响减小。朱培怡等人[33]通过对海水添加氧化镁(MgO)研究了其对SO2的脱除效果,结果表明,MgO可以增加海水碱性,提高海水的脱硫效率,在投加MgO为0.5 g/L时,其脱硫容量可以达到纯海水的3倍~6倍。此外,由于部分地区发电厂与碱厂临近,碱厂产生的白泥乳液对环境有着一定影响,其主要成分为CaCO3和Mg(OH)2,可以被应用于海水脱硫中以提高海水碱性[34]。王文宗等人[35]将白泥作为海水脱硫添加剂研究其对海水脱硫的增强效果,研究发现,添加白泥可以将海水的脱硫效果提高15%~20%,且环境温度越高,提升效果越明显。

5 结语

海水烟气脱硫技术具有运行、维护成本低和不产生有害固废等优点,但也存在着一些局限性,如脱硫效率有限、不适用于高浓度SO2的烟气、会受温度影响较大以及对区域内的生态环境的影响尚不明确等,这对海水烟气脱硫技术的推广产生了制约。因此,可以通过一些措施及方法对海水烟气脱硫技术进行改进。

1)对海水烟气脱硫工艺流程或工艺设备进行优化,提高海水脱硫效率,增强海水烟气脱硫技术的适应性。

2)对外源添加材料强化海水脱硫效果的方式进行完善,防止添加材料对海水体系造成污染,将海水烟气脱硫绿色化、无害化。

3)针对性的对海水烟气脱硫应用区域进行评估,提出存在的问题并对其进行优化。

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