煙氣脫硫工藝的研究進展

張伊晗，張子晴，郭宇萱，張淑惠，王夢岑

(河北農業大學理工學院，河北保定071000)

1　引言

隨著重工業的迅速發展，二氧化硫成為大氣中的主要污染物之一。二氧化硫的過多排放造成了酸雨的形成［1］，給人類日常生活帶來了消極影響。為了解決環境污染，煙氣脫硫產業迅速發展。目前該類技術主要應用于煤場、煉油廠、化工廠等大型耗能企業，根據國務院下發的“十二五”規劃，脫硫工藝已經得到大力推廣實施［2］。目前國內外脫硫方法按漿液狀態均可分為:濕法煙氣脫硫［3］和干法煙氣脫硫［4］。煙氣脫硫工藝在實際工業生產中的應用，減輕了環境壓力，也使很多煙氣變廢為寶，起到了重復利用的價值，這對國家長期的可持續發展有著深遠的意義。

2　脫硫工藝

2.1　干法煙氣脫硫

干法脫硫是利用粉末狀的吸收劑或催化劑去脫除煙氣中的含硫組分，一般是將其氧化成硫單質或者其它有副價值的產物，如硫酸鹽和硫酸等。常用的方法有Claus法、噴霧干式煙氣脫硫、氧化鐵法、碳法煙氣脫硫等。干式煙氣脫硫工藝簡單，能耗特別低，而且煙氣排除時溫度較高，有利于煙氣在大氣層中的擴散。

2.1.1克勞斯法

克勞斯法［5］主要是將硫化氫轉變成硫磺的工藝方法。首先將煙氣通入燃燒爐中，會有接近三分之一的硫化氫氣體被氧化成二氧化硫;然后新生成的二氧化硫和未發生反應的硫化氫進入到轉化器中，對煙氣催化轉化，這時二氧化硫會和硫化氫反應生成硫單質;轉化器中的產物再進入冷凝冷卻器中，可以最終達到一個硫回收的目的。轉化器中的反應是硫回收率高低的關鍵，要嚴格控制硫化氫和二氧化硫的摩爾比為2，且采用氧化鋁為催化劑。為了使硫回收率有一個更高值，工業中一般還設有二、三、四級轉化器，轉化器的級數越大，硫轉化率越高?？藙谒狗ɑ厥樟虻募兌瓤筛哌_99.8%。后來研究發現，催化劑對克勞斯法脫硫效率的影響很大，No-Kuk Park等研究發現鈰基催化劑對克勞斯反應表現出很高的活性。

2.1.2氧化鐵法

氧化鐵因為再生容易、硫容大等優點，經常被用作常溫脫硫劑。氧化鐵法脫硫原理［6］是催化和吸附兩個作用，常溫下是利用水合氧化鐵 (Fe2O3·H2O)來脫除H2S，反應過程如下:

首先，硫化氫被吸附在水合氧化鐵的表面，發生解離反應，解離出的S2-等離子會和Fe2O3·H2O中的氧晶格快速反應，生成水合硫化鐵。反應方程式如下:

當生成的硫化物與空氣中的氧氣接觸后，水合硫化物又會轉化為開始的水合氧化鐵，并生成硫單質。這樣水合氧化鐵可以多次重復利用，直至失去活性為止，該步的反應方程式如下:

該方法設備簡單、操作簡便易于操作、脫硫率高，適用于各種含H2S中的煙氣中。Xinmei Liu等［7］通過固態反應法合成了具有介孔結構的納米氧化鐵晶體，并利用高濃度硫化氫煙氣對其脫硫性能進行了研究。結果表明，硫容受到氧化鐵孔結構和羥基的強烈影響，其中直徑在2和4.5nm之間的孔是用于除去H2S最活躍的孔，并且表面羥基有利于硫容量的提高，因此在今后對脫硫效率的研究中，可以系統地研究孔徑對硫容量的影響。

2.2　濕法煙氣脫硫

與干法脫硫相比，濕法煙氣脫硫技術由于其簡單和效率高而被廣泛應用，濕法煙氣脫硫為氣液反應，反應比干法脫硫要迅速，在國內外也比較成熟，占地面積小、運行安全可靠。通常，利用堿性吸附劑如石灰石，氫氧化鎂或氨的漿液去吸收和去除煙氣中的SO2。

2.2.1石灰石/石膏法

煙氣脫硫 (FGD)最常見的是濕法煙氣脫硫，其中待處理的煙氣通過與石灰石之類的堿性吸附劑接觸，生成石膏，從而起到脫硫的作用。

煙塵先通過顆粒收集裝置如靜電除塵器或織物過濾器被除去，然后煙氣與吸收塔中的石灰石漿液接觸 ，進而煙氣中的SO2被去除。石灰石與煙氣中SO2的化學反應產生廢物固體，必須從漿液回路中連續地除去。這些廢物固體濃縮在增稠劑中，然后在真空過濾器中脫水以生成可銷售的石膏。該工藝不僅去除了煙氣中的硫成分，還將其變成了有價值的產品，非常有實用價值。后國內外在此基礎上對反應的裝置進行了改善，取得了更高的脫硫效率。Hongliang Gao等［8］采用一種新型濕式光子晶體光纖器件 (中國標識)用于脫除混合氣體中的SO2，利用氣液傳質雙膜理論對光子晶體光纖器件中的脫硫過程進行了分析。結果表明，該裝置壓降小，吸收率高，脫水性能好。在溫和的條件下，出口煙氣中SO2的濃度比允許的要低得多。

2.2.2氨法煙氣脫硫

氨-硫酸按法脫硫工藝［9，10］是用氨作為吸收劑去吸收煙氣中的二氧化硫，吸收液經氧氣或壓縮空氣氧化生成硫酸銨，再經加熱蒸發結晶，析出硫酸銨，過濾干燥后得最終產品硫酸銨。該工藝主要包括三個過程:吸收、氧化、結晶。在噴霧洗滌器中，煙氣向上流動并接觸從噴嘴噴出的漿液滴，以去除SO2，反應如下:

在噴霧區吸收SO2后，漿液滴落到儲存罐中。然后通過在儲罐中鼓入空氣將漿料中形成的亞硫酸鹽氧化成硫酸鹽。相應的氧化反應如下:

為了保持溶液密度在一定范圍內，儲罐中的部分漿液被排出以產生硫酸銨。儲罐中的大部分漿液通過再循環泵再次噴入噴淋區。工廠中干燥蒸發可用煙氣的余熱，節約能源。

盡管如此，在濕法煙氣脫硫過程中產生的副產品，如石膏，硫酸鎂或硫酸銨，由于其市場不佳而成為了一個沉重的負擔］。因此，開發與傳統濕法煙氣脫硫副產品相比具有更高經濟價值或更好市場前景的新型煙氣脫硫技術具有重要意義。在另一個FGD系統中，SO2可轉化為硫酸，硫酸是世界上生產量最大的工業化學品。

3　結束語

干法脫硫和濕法脫硫都各有千秋，在目前工業領域上一般均為濕法脫硫，脫硫效率比較高，但是投資比較大，建設周期長。干法脫硫投資少，脫硫效率比較低，一般用于小場合。但是都存在易腐蝕的問題，今后我們要不斷完善脫硫工藝和系統優化，解決工業廢氣的脫硫問題，讓我們的環境得到改善。

參考文獻:

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［2］ Zhang J，Jiang H，Liu G，Zeng W.Journal of Cleaner Production，2018，176:629-635.

［3］ Heidel B，Klein B.INTERNATIONAL JOURNAL OF COAL GEOLOGY，2017，170(SI):28-34.

［4］Fang D，Liao X，Zhang X，Teng A，Xue X.Journal of Hazardous Materials，2018，342:436-445.

［5］趙鵬 (Zhao Peng).天津大學，2012.

［6］賀恩云 (He Enyun)，樊惠玲 (Fan Huiling)，王小玲(Wang Xiaoling)，王龍江 (Wang Longjiang)，李葉 (Li Ye)，黃冠(Huang Guan).天然氣化工 (C1化學與化工)，2014，(05):70-74.

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［9］葛能強 (Ge Nengqiang)，邵永春 (Shao Yongchun).硫酸工業，2006，(06):10-15.

［10］ Jia Y，Yin L，Xu Y，Ding X，Sheng G.Atmospheric Pollution Research，2015，6(6):997-1003.