海水煙氣脫硫技術(shù)的研究進展

姜 琦，何永美，吳泳霖，金彥江，奠 波，李天國，郭建芳，蔣 明

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650201)

二氧化硫(SO2)是一種典型的酸性氣態(tài)污染物，其主要產(chǎn)生于煤炭燃燒[1]、石油加工[2]、工業(yè)制品的加工等[3-4]。根據(jù)中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部公布的2020中國生態(tài)環(huán)境狀況公報，2020年酸雨區(qū)面積約為46.6萬km2，約占中國國土總面積的4.8%，其中酸雨降雨中主要陰離子為硫酸根，酸雨類型以硫酸型為主[5]。SO2的污染正是造成酸雨的主要原因，因此其進入環(huán)境前需要進行脫除[6]。目前，SO2的脫除凈化技術(shù)主要以干法、半干法和濕法為主。干法脫除SO2是利用固體脫除材料對SO2進行脫除的方式，主要有吸附法、催化氧化法等，其中催化氧化法中的石灰石/石灰法是當(dāng)前最常用的干法脫除SO2的方式，該法操作簡單、成本低，但仍存在一些問題，如脫硫效率低(<80%)、固體生成物易堵塞設(shè)備管道等[7-8]。半干法脫除SO2是使用具有一定含水率的固體脫除材料對SO2進行脫除的方式，如使用石灰石、電石渣、消石灰等[9-11]。半干法可以提高干法脫除SO2的效率，通過添加強氧化劑的方式還可以增加脫除材料的利用率[11]，但存在著脫除材料含水率的控制相對復(fù)雜等問題。濕法脫除SO2相對于干法和半干法來說具有較高的脫除效率，主要是通過使用各種堿性吸收液與SO2進行氣液反應(yīng)達(dá)到脫除目的，常用的方式有鎂法(MgO、Mg(OH)2等)[12]、鈣法(CaO、Ca(OH)2、CaCO3等)[13]、氨法(主要為氨水)[14-15]以及海水法等[16]。其中，海水作為天然的吸收劑，其pH值約7.95～8.35[17]，利用海水對SO2進行脫除，不產(chǎn)生有害的固體廢物，對沿海區(qū)域的電廠煙氣脫硫具有很好的適用性。

1 海水煙氣脫硫技術(shù)原理

SO2+H2O→H2SO3

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2 工藝流程

圖1 海水脫硫工藝流程圖

3 影響因素

相關(guān)研究表明，海水對SO2脫除效果的影響因素主要體現(xiàn)在吸收液溫度[22]、氣體流速[23]及海水堿度[24]等方面。

3.1 溫度

海水煙氣脫硫系統(tǒng)中的氣—氣熱交換器是控制海水與SO2反應(yīng)溫度的唯一裝置，反應(yīng)溫度對海水脫除SO2的效率有一定影響。趙偉等人[25]在3 ℃、13 ℃、23 ℃和33 ℃的溫度梯度下分別做了海水吸收SO2的影響因素實驗，研究結(jié)果表明，溫度越低所用海水達(dá)到飽和狀態(tài)所需時間越長, 溶解度越大。因此，反應(yīng)溫度越低，海水吸收SO2的效果越好，反之則不利于SO2的吸收。這是由于SO2在水中的溶解是放熱反應(yīng)，溫度越低越利于SO2的溶解。因此，在滿足水蒸氣無法結(jié)露的前提下，可以適當(dāng)降低煙氣與海水反應(yīng)溫度，以增加SO2的吸收率，又不使后續(xù)升溫耗能過高[25]。

3.2 氣體流速

在實際應(yīng)用過程中，氣液比對海水煙氣脫硫有著一定的影響，而當(dāng)海水吸收液體積一定時，氣體流速將直接影響著氣液比[26]。一般來說，氣體流速越大，SO2與海水接觸時間越短，部分SO2未與海水接觸逃逸釋放，脫硫率也就越低；而氣體流速過低時，單位時間內(nèi)脫硫量太少，則不利于實際工業(yè)化應(yīng)用。因此氣體流速需要根據(jù)現(xiàn)實狀況進行確定，趙小芳等人[24]在25 ℃、SO2濃度為3 140 mg/m3的條件下，研究了不同氣體流速對SO2脫除率的影響，結(jié)果表明，氣速過大時會發(fā)生氣阻現(xiàn)象，使脫硫過程無法正常進行，且適當(dāng)降低氣體流速可提高液氣比以增加脫硫效率，在該試驗條件下，氣速為100 mL/min時最佳[24]。

3.3 海水堿度

海水堿度一般約為1.2 mmol/L～2.5 mmol/L[27]，而海水在淡化、循環(huán)冷卻等過程中會被濃縮，其鹽堿度會相應(yīng)提高，SO2脫除率也會增強[28]。有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)海水的堿度增大時，溫度對其脫硫的影響會減小，因此，當(dāng)使用濃海水脫硫時，可以減小氣—氣熱交換器產(chǎn)生的溫度差，減少熱能耗。

4 改進方法

在現(xiàn)階段，海水脫硫主要適用在低硫煤燃燒煙氣的體系下[29]，因此，如何提高海水脫硫的效率，使其適應(yīng)更多的煙氣存在條件，是眾多學(xué)者的研究熱點。當(dāng)前，更換氣液接觸方式[30]及外源添加材料[31]是強化海水脫硫的主要研究方向，表1為海水脫硫改進方法的具體效果及優(yōu)缺點。

表1 海水脫硫的改進方法

4.1 更換氣液接觸方式

Flagiello等人[32]使用填料柱對海水脫硫裝置中的噴淋柱進行了替換，優(yōu)化了洗滌器的設(shè)計，研究發(fā)現(xiàn)，對于低至500 mg/kg的SO2濃度，通過使用約為2.91 kg/kg的液氣質(zhì)量比，使用填料柱可以達(dá)到98%以上的SO2吸收率。因此，通過改變海水與SO2的氣液接觸方式，優(yōu)化脫硫裝置，或能增強海水脫硫的適用性與高效性，實現(xiàn)SO2的深度脫除。

4.2 外源添加材料

外源添加材料是改變海水堿性的直接方式，文中提到增加海水堿性不僅會對SO2脫除率的提高有著顯著效果，還會使溫度對其影響減小。朱培怡等人[33]通過對海水添加氧化鎂(MgO)研究了其對SO2的脫除效果，結(jié)果表明，MgO可以增加海水堿性，提高海水的脫硫效率，在投加MgO為0.5 g/L時，其脫硫容量可以達(dá)到純海水的3倍～6倍。此外，由于部分地區(qū)發(fā)電廠與堿廠臨近，堿廠產(chǎn)生的白泥乳液對環(huán)境有著一定影響，其主要成分為CaCO3和Mg(OH)2，可以被應(yīng)用于海水脫硫中以提高海水堿性[34]。王文宗等人[35]將白泥作為海水脫硫添加劑研究其對海水脫硫的增強效果，研究發(fā)現(xiàn)，添加白泥可以將海水的脫硫效果提高15%～20%，且環(huán)境溫度越高，提升效果越明顯。

5 結(jié)語

海水煙氣脫硫技術(shù)具有運行、維護成本低和不產(chǎn)生有害固廢等優(yōu)點，但也存在著一些局限性，如脫硫效率有限、不適用于高濃度SO2的煙氣、會受溫度影響較大以及對區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境的影響尚不明確等，這對海水煙氣脫硫技術(shù)的推廣產(chǎn)生了制約。因此，可以通過一些措施及方法對海水煙氣脫硫技術(shù)進行改進。

1)對海水煙氣脫硫工藝流程或工藝設(shè)備進行優(yōu)化，提高海水脫硫效率，增強海水煙氣脫硫技術(shù)的適應(yīng)性。

2)對外源添加材料強化海水脫硫效果的方式進行完善，防止添加材料對海水體系造成污染，將海水煙氣脫硫綠色化、無害化。

3)針對性的對海水煙氣脫硫應(yīng)用區(qū)域進行評估，提出存在的問題并對其進行優(yōu)化。