钠-钙双碱法硫酸尾气脱硫实验研究

陈 庆

（山西瑞赛科环保科技有限公司，山西 吕梁 030500）

硫酸工业是发展最早的化工行业之一，一直以来在国计民生中扮演着举足轻重的角色[1]。然而，硫酸工业向大气中排放大量硫酸尾气，造成严重经济损失的同时，排入大气的SO2烟气对环境还会产生非常大的影响[2]。据统计，我国硫酸工业SO2排放量约10 万t/a，是化工行业最大的SO2排放源，是造成“酸雨”的主要原因[3]。大气环境保护关乎人民群众根本利益，因此烟气脱硫从而控制SO2污染势在必行。

我国硫酸尾气有前端治理和末端治理两种治理方向[4]。其中，前端治理是通过提高SO2气体在制酸系统中的转化率来减排，如改进制酸设备和优化催化剂来提高等；末端治理是通过增加尾气处理装置减少尾气中SO2气体含量，如氨法脱硫、双碱法脱硫和活性焦法脱硫等。相比较而言，末端治理是一种简单有效的治理方法，且工艺较成熟，在尾气量和浓度变化、开停车和事故状态下仍可以正常工作。本文研究了模拟硫酸尾气脱硫实验工艺条件，采用末端治理中钠-钙双碱法脱硫工艺，确定了各因子对脱硫效率的影响。

1 钠-钙双碱法脱硫基本原理及优势

双碱法是碱性吸收液和SO2气体直接反应，最终生成沉淀和新的吸收剂进而循环使用，其副产品是石膏[5]。钠-钙双碱法脱硫基本原理是：选择溶解度高、反应速度快的NaOH 和Na2CO3作为脱硫剂，目的是提高反应速度和脱硫效率，并大大减少持液量，反应生成较高溶解度的Na2SO3和NaHSO3，向盐溶液中加入石灰石粉末等发生再生反应生成NaOH，其又可以作为新的吸收塔内碱性吸收液而循环使用。

钠-钙双碱法脱硫效率最高可达95%甚至更高，同时具有设备简单，体积较小，布置灵活，投资成本低，运行费用低，且不易堵塞设备等特点，这是相比其他双碱法的优势。

2 脱硫实验设计

2.1 实验试剂及仪器

氨基磺酸铵、硫酸铵、氢氧化钠、乙二胺四乙酸二钠、淀粉、盐酸、硫代硫酸钠、碘化钾、碘、异丙醇、邻苯二甲酸氢钾，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；碘酸钾，优级纯，北京市通广精细化工公司；碳酸钠等，化学纯，国药集团化学试剂有限公司。

实验主要设备有直流恒速电动搅拌器（DW-2）、鼓风干燥箱（101-Z）、定量泵（T2M600/2）、密度计（TQ-880）、撞击流气-液反应器、100g 精度0.0001g电子天平（CPA225D）、循环水式真空泵（SHB-IIIA）、离心通风机（9-26-11N0AB）、热球式风速仪（QDF-3）、转子流量计（LZB-80B）、二氧化硫钢气瓶（40L）等。

2.2 实验分析方法

选用《固定污染源排气中二氧化硫的测定碘量法》（HJ/T 56—2000），符合硫酸尾气污染源检测的要求。测量工业废气中的二氧化硫含量的方法有很多种，该测量方法具有操作便利和较高精确度的优点。

2.3 实验工艺流程

脱硫工艺主要分为两个阶段：首先是撞击流反应器主体内发生SO2气体被NaOH 溶液吸收反应；其次是石灰乳与脱硫后的吸收液发生反应生成CaSO3和NaOH。其中，SO2气体吸收阶段脱硫气排入大气，脱硫液则进入再生槽；吸收剂再生阶段中向再生槽中加入石灰乳，反应后CaSO3沉淀堆弃，NaOH 清液在通过泵再次返回循环使用。值得注意的事，吸收剂的再生主要发生于再生槽中，吸收剂再生过程中，沉淀排出时会带走少部分Na+，故需定时补充少量新鲜Na2CO3或NaOH，以尽可能地保证脱硫效果。

2.4 实验方法

脱硫反应虽然很简单但其涉及的反应过程却是十分复杂的。单因素实验是通过只观察一种因素变化来确定其影响的方法，其能够较明显检查出实验效果，被试者的需要量较少；正交实验设计是研究多因素多水平的一种设计方法，其是分式析因设计的主要方法。做单因素实验是为正交实验提供一个合理的数据范围，也因此正交实验次数大大减少，具有高效、快速、经济等优势。

3 单因素实验确定

通过综合调研显示，影响脱硫效果的工艺条件主要有吸收剂NaOH 的浓度、进口SO2的浓度、雾化压力、撞击速度等。现通过固定其他因素，分别分7 个梯度改变单个因素考察其对脱硫效果的影响。

3.1 雾化压力与液气比关系

通过实验显示，雾化压力高于0.5 MPa 时，其液气比可达0.3 L/m3以上，可满足脱除硫酸尾气中SO2需求。

3.2 进口SO2 含量

通过实验显示，在吸收液NaOH 质量分数1.50%、雾化压力1.1 MPa（液气比0.46 L/m3）下，其他条件已定时，脱硫效率随SO2质量浓度（800 mg/m3～1 700 mg/m3）的不断增加而降低（先降低较快后降低较慢），升高到1 400 mg/m3以后脱硫效率下降趋势变化很小。这主要是因为进气口SO2浓度也会增加液相中SO2浓度，根据双膜理论，总体降低了脱硫效率。在进口SO2含量变化对脱硫效率影响不大的情况下，本次实验可以取值进口SO2质量浓度为800 mg/m3。

3.3 吸收剂NaOH 浓度

通过试验显示，在进气口SO2质量浓度800 mg/m3、雾化压力1.1 MPa 条件下，脱硫效率随NaOH 质量分数（0.5%～2%）的不断增加而升高（先升高较快后升高较慢），直到NaOH 质量分数达到1.50%以后，脱硫效率的增加速度逐渐趋于平缓。这主要因为，当尾气中SO2气体的含量一定时，当吸收液中NaOH 的浓度升高时，吸收剂NaOH 与SO2气体的反应将更加彻底，吸收反应主要由气膜控制，影响反应的主要因素是气相阻力，故变化小。考虑到经济因素，NaOH 质量分数在1.50%左右较合适。

3.4 雾化压力

通过实验显示，在进气口SO2质量浓度为800mg/m3、吸收液NaOH 质量分数为1.50%条件下，脱硫效率随雾化压力（0.3 MPa～1.5 MPa）的不断增加先快速升高后趋于平缓。这是因为，增大雾化压力可以使吸收液NaOH 溶液更好地雾化，增大反应接触面，但是当其不再是影响反应进程主要因素时，继续增大则效果不明显。实际操作中，考虑到设备的能耗及使用寿命，选择雾化压力为1.1 MPa 较为适宜。

3.5 撞击速度

通过实验显示，在进气口SO2质量浓度800 mg/m3、吸收液NaOH 质量分数1.50%、雾化压力1.1 MPa 条件下，脱硫效率随撞击速度（9.7 m/s～17.8 m/s）的不断增加先增大后减小，脱硫效果相对最高时的最佳撞击速度在15.2 m/s～16.5 m/s 时。这是因为，增大撞击速度可以使吸收液NaOH 溶液再次雾化，从而增加传质面积，但是当撞击速度过大时，滴粒间会产生并聚而减小传质面积，反而不利于脱硫。在实际的生产操作中，综合考虑降低吸收塔的工程造价，防止溢液及增加除雾器的负担等，选择的撞击速度在15.2 m/s～16.5 m/s 比较适宜。

4 正交实验结果

4.1 正交实验因子

脱硫反应过程中很多因素都可能影响实验进程。正交实验可以全面反映出各因子对脱硫效率的影响。正交实验设计的关键在于实验因素的安排。综合前文单因子探索实验，在撞击速度均控制在15.2 m/s～16.5 m/s 内并控制气体流量定量下，选取进气口SO2浓度、吸收剂NaOH 浓度和雾化压力3 个因子，模拟硫酸尾气脱硫实验进行正交实验。因子水平如表1。

表1 因子水平表

4.2 正交实验结果

模拟硫酸尾气脱硫实验的正交实验结果如表2所示。

由表2 可知，实验方案A4B4C3脱硫效率最高，为98.57%；进气口SO2质量浓度中K3最大，NaOH 质量分数、雾化压力中皆是K4最大，显示增大NaOH 质量分数和雾化压力可以增强实验效果，但综合考虑经济因素，有必要选择合适的工艺条件来最大限度地提高经济效益；脱硫效率R（NaOH 质量分数）〉R（进气SO2质量浓度）〉R（雾化压力），说明脱硫效率影响因素的主次顺序为NaOH 质量分数〉进气SO2质量浓度〉雾化压力，但是工厂中实际硫酸尾气中SO2含量是波动变化的，故在此可以相对剔除；由k 值的大小可知，只有NaOH 质量分数中k1～k4逐渐增大，表明气体中SO2质量浓度和雾化压力大小对脱硫效率的影响较小。

由k 值的大小可知，本次钠-钙双碱法脱硫最佳脱硫反应条件为，SO2质量浓度为1 250 mg/m3最好、NaOH 质量分数为1.50%最好、雾化压力为1.1 MPa最好，同时通过验证可知，固定气体流量，该条件下硫酸尾气的脱硫效率达到98.79%，故为最适宜的实验条件。

5 结论

本次钠-钙双碱法脱硫脱硫效率主要影响因素为NaOH 质量分数，其次为雾化压力；最佳实验条件为SO2质量浓度1 250 mg/m3、NaOH 质量分数1.50%、雾化压力1.1 MPa，脱硫效率98.79%，脱硫效率较高。