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目前,在我国能源资源结构中,煤炭约占中国能源生产和消耗的70%,仍处于主导地位。由于我国的原煤中灰分和硫分含量较高,因此在燃烧过程中会产生大量SO2。大量SO2排入环境,不仅会严重影响人体的健康,造成多种疾病,而且给生态环境带来严重的酸雨问题。因此,解决SO2的污染问题日益受到人们的关注和重视。烟气脱硫是控制燃煤电厂SO2的有效办法,在此背景下各种烟气脱硫技术也得到了很大的发展。其中,从资源的综合利用来看,发展氨法烟气脱硫技术,对解决我国大气污染和促进经济的可持续发展非常重要。
相对于其他钙基脱硫工艺来说,氨法脱硫工艺具有自己鲜明的特点,如脱硫效率高(高达95%)、适用煤种含硫量范围广、不产生废水、废渣,副产品硫酸铵是一种性能优良的氮肥,无二次污染,不会对环境造成负面的影响。总之,氨法脱硫技术是比较适宜中国国情的一项烟气脱硫技术,深入研究影响亚硫酸铵氧化的主要因素和亚硫酸铵的氧化机制,对提高其氧化速率、完善湿式氨法脱硫技术的基础理论、优化脱硫工艺过程均具有重要的参考价值。
本文利用建立的鼓泡反应装置,开展了多组空气强制氧化亚硫酸铵相关实验。通过进行单因素实验,研究考察了反应温度、pH值、空气流量、亚硫酸铵浓度和硫酸铵初始浓度等因素对亚硫酸铵氧化率和反应速率的影响,并计算出各因素对应的反应级数,得出亚硫酸铵的氧化反应动力学方程。通过设计正交实验,考察了各因素对氧化反应的影响程度大小,以找寻出最适宜反应条件。研究表明:
①反应温度越高,氧化速率越快,但亚硫酸氢根也分解较多,温度宜控制在40~50℃范围内,计算得反应活化能为14.68kJ/mol;当流量变大时,反应的氧化率和反应速率也增大,但是空气流量大于280L/h时,氧化速率增加不明显,在考虑能耗问题情况下空气流量不宜过高,其反应级数为0.499;随着pH的增大,氧化变得困难,但pH值过低会导致SO32-分解严重,最佳pH宜控制在4.5~5.5之间,其反应级数为-0.7857;在亚硫酸铵浓度低于1.0mol/L时,随着其浓度增加,氧化率减小而反应速率变大,对应反应级数为0.4736,在亚硫酸铵浓度高于1.0mol/L时,随着其浓度增加,氧化率减小且反应速率也变小,对应反应级数为-0.7218;硫酸铵初始浓度越大时,氧化反应的氧化率将越低,其对应的反应级数为-0.291。
②由正交实验结果得各因素对反应氧化率的影响程度为:亚硫酸铵浓度>空气流量>pH值>温度。在各个因素的四个水平范围内的最适反应条件为:pH为4.8,反应温度为45℃,空气流量为320L/h,亚硫酸铵浓度为0.2mol/L。
通过投加Fe2+与Mn2+催化剂初步研究了二者对亚硫酸铵氧化过程的催化效果。实验结果表明:Fe2+与Mn2+催化剂对氧化反应的促进效果明显,氧化率提高较多;在使用Mn2+、Fe2+联合进行催化氧化反应时,在反应过程中出现了协同效应,催化效果要优于单一催化剂的催化效果。