PDF《的SO2 炼铁烧结除尘灰湿法脱除模拟烟气中的》

第13卷第3期2019年 3月 Vol.

13, No.

3 Mar.

2019 环境工程学报 Chinese Journal of Environmental Engineering http://www.cjee.ac.cn E-mail: [email protected] (010)

62941074 王思鼎, 宁平, 张冬冬, 等. 炼铁烧结除尘灰湿法脱除模拟烟气中的SO2 [J]. 环境工程学报, 2019, 13(3): 672-678. WANG Siding, NING Ping, ZHANG Dongdong, et al. Wet desulfurization from simulated flue gas by iron smelting sintering dust[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2019, 13(3): 672-678. 炼铁烧结除尘灰湿法脱除模拟烟气中的 的SO2 王思鼎, 宁平, 张冬冬* , 李创, 吴琼, 李石雷, 张慧芳, 李鹏毅 昆明理工大学环境科学与工程学院,昆明

650500 第一作者:王思鼎(1992―),男,硕士研究生.研究方向:烟气脱硫.E-mail:[email protected] *通信作者:张冬冬(1982―),男,博士,副教授.研究方向:烟气脱硫.E-mail:[email protected] 摘要为了考察炼铁烧结除尘灰作为脱硫剂的效果,研究了湿法脱硫过程中固液比、氧气含量、吸收剂温度、气体 流速、进口SO2质量浓度、搅拌强度等影响因素对脱除效率的影响规律.结果表明,最佳反应温度为25 ℃;

随着温度升 高,SO2 溶解度降低,吸收液对 SO2 吸收能力降低;

气体流量增加,SO2 在吸收剂中停留时间变短,导致脱除率降低;

固 液比增加,气固接触概率也随之增大,SO2 脱除率也增大;

进口 SO2 质量浓度的提高导致液相中氢氧根消耗加剧,使反 应速率减慢,不利于对 SO2 的去除.同时发现,SO2 浓度增加则溶解分数减小,吸收率也会随之降低;

搅拌速率的增加 使得气泡破碎加剧,增大气液接触面积,使除尘灰充分悬浮在液相中,与溶液中的 SO2 迅速反应,有利于 SO2 的吸收. O2 含量增加,有利于 O2 的溶解,增加了化学反应的推动力,有利于 SO2 吸收反应的进行.除尘灰对含二氧化硫气体具有 较好的脱硫效果,有一定的应用前景. 关键词 工业烟气脱硫;

炼铁除尘灰资源化;

脱硫剂 二氧化硫是大气主要污染物之一,国内外学者对烟气脱硫进行了大量研究,已开发了

100 多种脱 硫方法,其中工业化的方法有

10 多种[1-4] .但绝大多数脱硫方法都需要付出高昂的设备投资和运行费 用.已工业化的烟气脱硫方法中,采用石灰石、石膏法所占的比例接近 90%,其优点是价格低廉并可 生产副产品石膏.但我国天然石膏资源丰富,脱硫所得的副产品石膏将难以得到有效利用,经济效益 不明显,且会造成二次污染.近年来,液相催化氧化法烟气脱硫技术越来越受到关注.液相催化氧化 法是利用加入溶液中的 Fe、Mn等过渡金属离子的氧化作用达到催化脱除烟气中 SO2 的目的.其优势在 于,理论上不会消耗催化剂,而且较之于石灰石法,不会得到固体废物,没有二次污染,是一种更为 环境友好的脱硫工艺. 在钢铁行业生产过程中,会产生大量的除尘灰,如烧结灰、高炉灰和电炉灰等.长期以来,这些 除尘灰在烧结工序中循环利用,但存在着许多问题.1) 除尘灰品种、数量多,成分复杂差异大,难以 做到定量配料,造成烧结矿物化性能指标下降;

2) 除尘灰烧结性能差,会使烧结生产能力降低;

3) 除 尘灰中 K、Na、Cl、Zn 等元素富集危害烧结炼铁生产,造成烟尘污染加重,设备维护量加大;

4) 除尘 灰在装、卸现场及运输途中会造成多次扬尘,污染环境[5] .除尘灰中含有大量可溶解的 Fe、Mn 化合 收稿日期: 2018-08-30;

录用日期: 2019-01-02 基金项目:国家自然科学基金资助项目(21507050);

国家重点研发计划项目(2017YFC0210504);

昆明理工大学分析测试基金资助项目 (2017M20162107024, 2017M20162107044, 2018M20172207061, 2018M20172107027, 2018T20120053) 文章栏目: 大气污染防治 DOI 10.12030/j.cjee.201808200 中图分类号 X701 文献标识码 A 第3期 王思鼎等: 炼铁烧结除尘灰湿法脱除模拟烟气中的SO2 物,对SO2 具有催化氧化作用.因此,除尘灰可作为液相催化氧化脱硫剂的原料,在处理工业烟气二 氧化硫污染的同时,也为除尘灰的资源化利用提供一种途径.本研究以炼铁烧结除尘灰为研究对象, 对其脱硫性能及影响因素进行系统地研究,为其资源化利用提供科学依据.

1 材料与方法 1.1 主要仪器和原料 内径

20 mm,高180 mm 玻璃反应器(云南瑞祥化玻教仪研发有限公司);

601 QC7-1S 型大气采样仪 (北京市劳动保护科学研究所);

ESJ200-4B 型电子天平(沈阳龙腾电子有限公司);

LZB-3WB 型转子流量 计(常州双环热工仪表有限公司);

J2KN pro型烟气分析仪(重庆海坤电气自动化设备有限公司);

DF-101S 型集热式恒温磁力搅拌器(上海予申仪器有限公司);

ICP-OES 电感耦合等离子体发射光谱仪(德国斯派 克分析仪器公司). 除尘灰来自云南昆明某钢铁企业烧结除尘工段,除尘灰为多次多点采样后混合过筛,具体成分 见表1. 1.2 实验方法 除尘灰脱除 SO2 实验装置流程如图

1 所示, 实验采用静态配气法[6] 模拟工业SO2排放烟气,由 转子流量计控制流量从气瓶中按比例抽气充入大 气采样袋,混合均匀配置成实验所需气体.反应动力由大气采样仪提供,通过转子流量计控制气体流 速后进入反应器内部.反应器内部放入磁性转子,采用集热恒温磁力搅拌器使吸收液混合均匀并保持 反应温度,防止沉淀.反应器气体出口连接烟气分析仪,通过分析仪记录出口浓度及反应时间.反应 后尾气通过碱液吸收瓶吸收后排空.反应前气体通过烟气分析仪测定 SO

2、O2 浓度.实验前用氮气吹 洗系统,防止气路内其他气体的干扰.

2 结果与讨论 2.1 固液比对脱除 SO2 效率的影响 实验设置除尘灰脱硫浆液固液比分别为 2%、4%、6%、8%、10%,在烟气流量

300 mL ・ min-1 、 SO2 入口浓度

9 000 mg ・ m-3 、反应温度

25 ℃、搅拌器转速

520 r ・ min-1 、氧气含量 2% 条件下考察固液 比对脱除效率的影响.实验结果如图

2 所示,当固液比为 2%、4%、6%、8%、10% 时,吸收剂去除 表1 除尘灰元素含量 Table

1 Elements content in iron smelting sintering dust % Fe 52.69 Mg 4.81 Si 1.77 Ca 1.4 Mn 0.65 Na 0.31 Zn 0.25 Al 0.23 Cr 0.02 图1 实验装置流程图 Fig.

1 Schematic diagram of experimental setup

673 第13卷环境工程学报SO2 保持效率 90%以上的持续时间分别为

74、

149、

285、

345、461 min.由此可以看出,随着固液比增 加,除尘灰用量增加,溶解在液相中的 Fe、Mn过渡金属离子浓度增大,与SO2 接触机会变大,因此脱 硫效率升高[7] ;

同时,如图3所示,随着固液比的加大,pH也随之上升,有利于SO2的吸收[8] . 2.2 反应过程中吸收液 pH 变化的影响 在除尘灰脱硫浆液固液比 6%、烟气流量

300 mL ・ min-1 、SO2 入口浓度

9 000 mg ・ m-3 、反应温度

25 ℃、搅拌器转速

520 r ・ min-1 、氧气含量 2% 的条件 下考察吸收反应过程中吸收液的 pH 变化情况.随着反 应进行,溶液的 pH 不断降低(图4),SO2 吸收效率持续 降低.分析其原因为:吸收液的 pH 越低,溶液中 H+ 浓 度就越大,从而抑制了 SO2 ・ H2O 的电离,增大了 SO2 在水中溶解的阻力[9-10] ,不利于 SO2 的吸收.除尘灰液 相脱除 SO2 反应过程中,初期溶液呈碱性,对SO2 的吸 收有利,随着反应的进行,pH 迅速下降;

反应中期, 随着 pH 不断降低,除尘灰中铁的氧化物以离子形态大 量溶解于吸收液中参与催化氧化反应,脱硫效率较高;

在反应进行到末期,可观察到反应器瓶壁上生成大量 红色沉淀物,原因在于处于反应后期的 pH 较低条件 下,在催化氧化过程中起主要作用的 Fe3+ 离子发生水解 沉淀,以Fe(OH)3 的形式析出,脱离了反应体系,使催 化氧化体系中的 Fe3+ 离子浓度降低,导致脱硫效率 下降. 2.3 气体流速对脱除 SO2 效率的影响 在固液比 6%、入口浓度

9 000 mg ・ m-3 、反应温度

25 ℃、搅拌器转速

520 r ・ min-1 、氧气含量 2% 条件下 考察吸收反应中气体流速对脱除效率的影响.实验结 果如图

5 所示.当气体流速为

300、

400、

500、

600、

700 mL ・ min-1 时,吸收剂对 SO2 脱除率达到 90% 以上 的时间分别为

285、

203、

141、

121、77 min.结果表 图4 pH随反应时间的变化 Fig.

4 Change in pH value with react........