工業煙氣的赤泥脫硫研究

李惠萍，靳蘇靜，李雪平，龐 皓，楊金姬，張 軍

(1． 鄭州大學 化工與能源學院，河南 鄭州450001;2． 河南煤氣(集團)有限責任公司 義馬氣化廠，河南 義馬472300;3 鄭州新力電力有限公司，河南 鄭州450000)

0 引言

赤泥是氧化鋁工業生產過程中產生的紅褐色粉泥狀廢棄物，每生產1 t 氧化鋁就會產生0．8 ～1．5 t 的干赤泥［1］．中國作為世界第一大氧化鋁生產國，每年產生的赤泥約在3000 萬t 以上． 中國目前赤泥堆存量為2 億t，預計到2015 年將達到3．5 億t［2］．長期堆存不僅占用耕地，堿性赤泥還會造成土壤堿化，帶來嚴重的環境污染和生態破壞．

我國是一個以燃煤為主要能源的國家，而且煤炭含硫量較高，大量燃煤排入大氣的SO2逐年增加［3-4］．2008 年，中國因燃煤造成的SO2排放總量超過2 300 萬t［5］．較高濃度的SO2煙氣多用于制酸，然而低濃度的SO2氣體處理及利用都比較困難［6-8］．將氧化鋁赤泥用于工業煙氣脫硫，是將兩種有害物質相互作用，不僅可以降低赤泥的堿性，反應后的赤泥可農用硅鈣肥、生產水泥［9］、微晶玻璃等建筑材料［10-11］，同時可以降低煙氣中SO2含量達標排放，實現以廢治廢和赤泥的資源化利用．

1 赤泥物化性質及脫硫可行性分析

1．1 赤泥的化學組成

氧化鋁的生產工藝有燒結法、拜耳法和聯合法3 種．本實驗采用中鋁公司河南分公司的聯合法赤泥，它的化學成分中Al2O3、Fe2O3、CaO、Na2O為有效固硫成分．

1．2 赤泥的礦物分析

赤泥的礦物組成復雜，其礦物成分可通過X-射線衍射(XRD)分析技術準確鑒定．中鋁河南分公司聯合法赤泥的XRD 圖和礦物組成見圖1和表1．

圖1 赤泥的XRD 衍射圖Fig．1 XRD pattern of red mud

表1 聯合法赤泥的礦物組成Tab．1 Mineral component of red mud

1．3 赤泥的粒度分析

用Winner2000B 激光粒度分析儀對中鋁河南分公司的聯合法赤泥進行了粒度分析，如圖2 所示．

圖2 中鋁公司河南分公司赤泥粒度分布圖Fig．2 Grain-size distribution of red mud from Henan Branch of China Aluminum Co．

由2 圖可知，粒徑在40．72 μm 以下的赤泥占到97%以上．赤泥比石灰石粒度(43 ～74 μm)更細，SO2氣體與吸收劑顆粒之間的接觸面積更大，對煙氣脫硫更有利．

2 實驗部分

實驗在鄭州新力電力有限公司現場搭建的實驗室進行，所用煙氣由2#增壓風機出口引出，其中SO2濃度平均為1 900 mg·m-3，濃度較低，利用困難．實驗采用自行設計的1 700 mm ×60 mm玻璃吸收塔裝置，配置了實驗所需的漿液循環泵、離心風壓機、漿液及煙氣流量計、閥門等設備及部件，采用正交試驗，分析了液固比、煙氣流量、液氣比等因素對SO2吸收率的影響． 裝置及工藝流程如圖3 所示．

原煙氣經空氣壓縮機升壓后，通過氣體流量計計量，進入吸收塔并和塔內霧狀液滴充分接觸脫硫后再經管道排入大氣． 在煙氣出口使用德國rbr 公司生產的Ecom -J2KN 手持式煙氣分析儀測定煙氣中SO2的含量． 循環槽內的漿液通過閥門控制流量，由液體流量計計量后泵入塔上部的噴淋裝置內，漿液再通過噴淋裝置在吸收塔內形成霧狀與煙氣逆流接觸，進行傳質、傳熱后，下降落入漿液循環槽．實驗中每隔10 min 測定一次漿液槽中漿液的pH 值和出口煙氣SO2的濃度．

圖3 脫硫工藝流程圖Fig．3 The process flow chart of desulfurization

3 實驗結果與分析

3．1 正交試驗方案及結果

采用L9(34)正交試驗方案研究液固比(A)、液氣比(B)、煙氣流量(C)和空列(D)對煙氣中SO2吸收率η(SO2)的綜合影響規律和顯著度，正交試驗結果見表2．

表2 正交試驗結果Tab．2 Results of orthogonal experiments

由此可見影響赤泥脫硫效果的因素主次順序為:液氣比＞煙氣流量＞液固比．由于赤泥的脫硫效果越高越好，從表數據來看，操作條件應定在A2B2C3D1，即液固質量比為7∶1(kg/kg)，煙氣流量為3．6 m3/h，液氣比為12 L/m3，其脫硫效率為98．8%．

3．2 單因素考察實驗

由正交試驗得到脫硫的最佳條件，下面采用單因素實驗進行驗證．

3．2．1 液氣比的影響

保持赤泥漿液液固比7∶1、煙氣流量3．6 m3/h，改變漿液流量，測量不同液氣比下的脫硫率，獲得吸收塔出口處脫硫率與液氣比的關系曲線，如圖4 所示．

圖4 SO2 吸收率與液氣比的關系Fig．4 The relationship between absorption efficiency and liquid-gas ratio

由圖4 可知，在不同液氣比下，脫硫率隨著液氣比增加而增加;但液氣比太大會使氣體阻力過大，不利于氣體和赤泥顆粒的充分接觸反應．綜合考慮，取液氣比12 L/m3較合適．

3．2．2 液固比的影響

SO2與赤泥中的堿反應，是一個擴散傳質和化學反應的綜合結果．隨著液固比的變化，礦漿吸收體系黏度必定發生變化，這將影響SO2的吸收率．保持液氣比12 L/m3、煙氣流量3．6 m3/h 不變，改變赤泥漿液的液固比，測量脫硫率，相應關系曲線見圖5 所示．

圖5 SO2 吸收率與液固比的關系Fig．5 The relationship between absorption efficiency and liquid-solid ratio

由圖5 可知，隨著液固比的增加，脫硫率先增大后減小，出現一極大值94．3%．當液固比為5∶1時，漿液濃度過高，黏度太大，反應速率較低，脫硫效果不好;但液固比過高，漿液太稀，同樣導致脫硫率不高．

3．2．3 煙氣流量的影響

在漿液液固比為7∶1，液氣比為12 L/m3的條件下，SO2吸收效率隨煙氣流量的關系變化圖見圖6．

圖6 SO2 吸收率與煙氣流量的關系Fig．6 The relationship between absorption efficiency and flue gas flow

從圖6 可看出，保持其他參數不變，赤泥的脫硫率隨煙氣流量的增加緩慢增加，當達到極大值后減小．煙氣流量增加意味著氣速增加，提高氣速可提高氣液兩相的湍動程度，減小煙氣與液滴間的膜厚度，提高了傳質系數，可提高脫硫效率．另外，氣量太大，氣—液接觸時間縮短，甚至造成煙氣短路，未參與反應的SO2被煙氣帶出，導致脫硫效率下降．因此，煙氣流量在3．5 ～4．5 m3/h 之間最適宜．

3．3 煙氣的赤泥脫硫與石灰石法對比

在液固比為7∶1(赤泥和石灰石質量均為150 g)，漿液流量為45 L/h，煙氣流量為3．6 m3/h 的條件下，石灰石與赤泥漿液的SO2吸收率隨時間變化的關系見圖7．

圖7 赤泥脫硫與石灰石脫硫效果對比Fig．7 Comparison on desulfurization effect of red mud and limestone

由圖7 可看出，石灰石漿液的吸收率在開始的3 h 內穩定在82．2% ～83%之間，之后迅速下降．而赤泥的吸收率在開始后4 h 都保持在93%左右，之后赤泥的吸收率緩慢下降，故無論從吸收效率還是吸收時間來說，赤泥的脫硫效果優于目前采用的石灰石—石膏濕法．

4 結論

將聯合法赤泥用于處理熱電廠的煙氣，可以實現以廢治廢和資源的綜合利用． 采用自行設計的吸收塔獲得最佳的脫硫工藝條件:液固比為7∶1，煙氣流量為3．6 m3/h，液氣比為12 L/m3．在此條件下赤泥脫硫率可以達到95%以上，可以實現熱電廠煙氣達標排放．

對比赤泥脫硫和目前采用的石灰石- 石膏法，可知在脫硫效率和反應時間上，赤泥脫硫都要優于石灰石-石膏法． 赤泥用于煙氣脫硫具有很好的社會效益、經濟效益和環境效益．

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