尿素濕法脫硫劑的制備及性能研究

蘇少龍，曲曉龍，鐘讀樂，孫彥民，南 軍，李世鵬

(1.中海油天津化工研究設計院有限公司，天津 300131； 2.天津市煉化催化技術工程中心，天津 300131)

煤炭是我國能源結構的重要組成部分。煤炭燃燒排放的煙氣中含有二氧化硫等有害物質[1]。二氧化硫會嚴重污染大氣環境、破壞生態平衡、危害人類及動植物的健康、導致酸雨、腐蝕建筑物，對生存環境和生態環境產生巨大危害[2-3]。因此需要對煙氣進行處理，脫除其中的二氧化硫，使其濃度達到環保要求。目前，主要的脫硫技術分干法脫硫、半干法脫硫及濕法脫硫等三大類[4-6]。其中，濕法脫硫技術因為脫硫效率高而被廣泛應用。現有的濕法脫硫技術包括石灰石-石膏濕法脫硫技術、海水煙氣脫硫技術、雙堿法煙氣脫硫技術、氨法脫硫技術、氧化鎂煙氣脫硫技術、微生物法煙氣脫硫技術等[7-10]。本文以尿素濕法脫硫作為研究對象，完成尿素濕法脫硫評價裝置的搭建，確定分析方法，考察尿素、添加劑種類、添加劑濃度、溫度對于濕法脫硫劑脫硫效果的影響。

1 實驗部分

1.1 儀器及試劑

德圖-350型煙氣分析儀、AL204梅特勒-托利多電子分析天平。

尿素，天津渤化化學試劑有限公司；氫氧化鉀，天津金匯太亞化學試劑有限公司；氨水，天津市石英鐘廠霸州市化工分廠。

1.2 評價裝置的搭建及分析方法的確定

1.2.1 尿素濕法脫硫評價裝置的搭建

按照圖1搭建尿素濕法脫硫評價裝置。模擬工業煙氣從氣瓶1中引出，經過氣瓶自帶的減壓閥減壓，進入緩沖瓶2穩壓；再經轉子流量計控制模擬工業煙氣的流量；而后在A1處取樣測定模擬工業煙氣的二氧化硫濃度，經吸收裝置對模擬工業煙氣進行處理，脫除模擬工業煙氣中的二氧化硫；接著在A2處用集氣袋收集尾氣進行分析，多余尾氣排入大氣中。模擬工業煙氣氣瓶中二氧化硫濃度為582.86 mg·m-3，流速控制為10 L·h-1。

1.模擬工業煙氣氣瓶(帶減壓閥)；2.緩沖瓶；3.轉子流量計；4.吸收裝置；A1、A2.分析取樣點圖1 尿素濕法脫硫評價裝置Figure 1 Evaluation device of wet desulfurization by urea

1.2.2 取樣及分析方法

在評價開始前，首先需要使用集氣袋在A1處收集模擬工業煙氣，收集時間為30 min，使用德圖-350型煙氣分析儀對模擬工業煙氣的二氧化硫濃度進行測定。開始評價后，用集氣袋在A2處收集尾氣，每隔30 min更換集氣袋，并使用德圖-350型煙氣分析儀測定尾氣的二氧化硫濃度。計算二氧化硫的去除率。

1.2.3 分析方法的誤差分析

在A2處測定尾氣中二氧化硫濃度時，因模擬工業煙氣經過吸收裝置中液體脫硫劑處理，所以在測定時需要考慮尾氣中水分對測量結果的影響。在吸收裝置中不加水和加水1.00 g兩種情況下，測定尾氣中的二氧化硫濃度，結果如表1所示。

表1 尾氣中水分對測量結果的影響Table 1 Influences of water in tail gas on measurement results

由表1可以看出，吸收裝置中加入少量水相比不加水，尾氣二氧化硫濃度的測量結果在數值上小4.66 mg·m-3，相對誤差為0.8%。說明尾氣中含有少量水分對使用德圖-350型煙氣分析儀測量的結果影響很小，可以忽略。因此，分析方法可行。

2 結果與討論

2.1 尿素對濕法脫硫劑脫硫效果的影響

室溫下，在吸收裝置中分別加入相同質量的水和溶質含量為20%的尿素溶液，考察尿素對濕法脫硫劑脫硫效果的影響，結果如表2所示。

表2 尿素對濕法脫硫劑脫硫效果的影響Table 2 Influences of urea on the desulfurization effect of the wet desulfurizer

由表2可知，20%尿素溶液的脫硫效果比水好，二氧化硫的脫除率可達100%。說明尿素的加入使得濕法脫硫劑具有顯著的脫硫效果。這是因為：一方面，20%尿素溶液中的水能與二氧化硫反應，形成亞硫酸，從而將二氧化硫吸附；另一方面，尿素與亞硫酸反應形成亞硫酸銨，再經氧氣氧化形成硫酸銨。

2.2 添加劑對濕法脫硫劑脫硫效果的影響

添加劑對濕法脫硫劑的脫硫效果具有促進作用。在吸收裝置中分別加入A、B、C三種溶液，考察添加劑對濕法脫硫效果的影響。A、B、C三種溶液的組成見表3，三種溶液的脫硫效果見表4。

表3 三種溶液(A、B、C)的組成Table 3 Composition of three solutions (A， B， C)

表4 三種溶液(A、B、C)的脫硫效果Table 4 Desulfurization effect of three solutions (A，B，C)

由表4可知，各濕法脫硫劑的二氧化硫脫除率隨著時間的增加而降低；加入添加劑氫氧化鉀和氨水后，濕法脫硫劑的脫硫效果都有提高；并且在加入量相同的情況下，氫氧化鉀對于濕法脫硫劑脫硫效果的提升作用比氨水更顯著。故后續實驗中，以氫氧化鉀作為添加劑。

2.3 添加劑濃度對濕法脫硫劑脫硫效果的影響

室溫下，在吸收裝置中分別加入不同濃度的氫氧化鉀，考察氫氧化鉀濃度對濕法脫硫劑的影響，結果見圖2。由圖2可知，濕法脫硫劑的脫硫效果隨著氫氧化鉀濃度的升高而提高。氫氧化鉀濃度的升高，使得濕法脫硫劑的pH值升高，從而促進了濕法脫硫劑的脫硫效果。但隨著氫氧化鉀濃度的升高，濕法脫硫劑脫硫效果的評價時間隨之增加，不便于評價。綜合考慮脫硫效果和評價時間，后續實驗中添加劑的濃度選擇為0.6%。

圖2 不同氫氧化鉀濃度對脫硫效果的影響Figure 2 Influences of different concentrations of potassium hydroxide on the desulfurization

2.4 溫度對濕法脫硫劑脫硫效果的影響

溫度對濕法脫硫劑脫硫效果的影響見圖3。

圖3 溫度對脫硫效果的影響Figure 3 Influences of temperatures on the desulfurization

由圖3可知，隨著溫度的升高，濕法脫硫劑的二氧化硫脫除率提高。實驗結果與黃建洪等的研究結果相吻合[11]，說明總反應吸熱。

3 結 語

完成了尿素濕法脫硫評價裝置的搭建，確定分析方法；考察尿素、添加劑種類、添加劑濃度、溫度對于濕法脫硫劑脫硫效果的影響。結果表明：(1)尿素作為濕法脫硫劑的主要成分具有脫硫效果，能夠使二氧化硫的脫除率達到100%；(2)添加劑對濕法脫硫劑的脫硫效果具有顯著的促進作用，且氫氧化鉀的促進效果優于氨水；(3)增加添加劑的濃度有助于提高濕法脫硫劑的脫硫效果；(4)尿素濕法脫硫總反應吸熱，升高溫度有助于提高脫硫效果。