氧化镁法烟气脱硫工艺原理概述

esse2012

氧化镁法烟气脱硫工艺原理概述
1、工艺原理
该工艺采用氧化镁做脱硫吸收剂，氧化镁与水混合制成吸收浆液。在吸收塔内，烟气中的SO2与浆液中的Mg(OH)2以及空气进行化学反应生成MgSO4溶液及MgSO3混合溶液，S02被脱除。将此混合液过滤，去除固体杂质后经过蒸发结晶、干燥、等工序后成为MgSO4•7H2O成品包装回收。脱硫后的烟气经除雾器去水直接排向大气。
烟气从吸收塔下侧进入，与吸收浆液逆流接触，在塔内Mg(OH)2与S02、H2O进行反应，生成MgSO3和HO2；落入吸收塔浆浆池的MgSO3和O2再进行氧化反应，得到MgSO4溶液。
这两个过程的化学反应方程式如下：
Mg(OH)2+SO2=MgSO3+H2O
MgSO3+1/2O2=MgSO4
2、原理分析
该工艺是采用吸收法来净化烟气，它包含着物理和化学两个过程。
烟气中的SO2在收塔内从气相进入液相循环浆液的过程为物理吸收过程，该过程可用薄膜理论解释，分为如下几个阶段：气态反应物从气相内部迁移到相界面→气态反应物在相界面上从气相进入液相→反应组分从相界面迁移到液相内部→进入液相的反应组分与液相组分发生反应→已溶解的反应物的迁移和由反应引起的浓度梯度产生的反应物的迁移。
整个反应过程主要由气态和液态的扩散及伴随的化学反应完成的，液态中发生的化学反应可加快物质交换速度。
氧化镁法烟气脱硫（FGD）是由物理吸收和化学吸收两个过程组成。在物理吸收过程中SO2溶解于吸收剂中，只要气相中被吸收气体的分压大于液相呈平衡时该气体分压时，吸收过程就会进行，吸收过程取决于气-液平衡，满足亨利定律。由于物理吸收过程的推动力很小，所以吸收速率较低。而化学吸收过程使被吸收的气体组分发生化学反应从而有效地降低了溶液表面上被吸收气体的分压，增加了吸收过程的推动力，吸收速率较快。FGD反应速率取决于四个速率控制步骤，即SO2的吸收、HSO3-氧化、MgO的溶解和MgSO4溶液及MgSO3混合溶液的浓度控制。
2.1物理过程原理
SO2吸收是从气相传递到液相的相间传质过程。对于吸收机理以双膜理论模型的应用较广，双膜理论模型如图2-1所示。图中p表示SO2在气相主体中的分压，pi表示在界面上的分压，c和ci则分别表示SO2组分在液相主体及界面上的浓度。把吸收过程简化为通过气膜和液膜的分子扩散，通过两层膜的分子扩散阻力就是吸收过程的总阻力。
气体吸收质在单位时间内通过单位面积界面而被吸收剂吸收的量称为吸收速率。根据双膜理论，在稳定吸收操作中，从气相传递到界面吸收质的通量等于从界面传递到液相主体吸收质的通量。吸收传质速率方程一般表达式为：吸收速率=吸收推动力×吸收系数，或者吸收速率=吸收推动力/吸收阻力。吸收系数和吸收阻力互为倒数。
2.2 化学过程原理
（1） SO2、SO3和HCl的吸收：
烟气中的SO2和SO3与浆液液滴中的水发生如下反应：
SO2 + H2O → HSO3- + H+
SO3 + H2O → H2SO4
HCl遇到液滴中的水即可迅速被水吸收而形成盐酸。
（2）氧化镁法脱硫机理：
MgO+H2O→Mg(OH)2                                          
SO2+H2O→H++HSO3-
Mg(OH)2+2H++2HSO3-→Mg2 ++2HSO3-+H2O
Mg(OH)2+Mg2++2HSO3-→2MgSO3↓+2H2O         
MgSO3+1/2O2→Mg 2++SO42-
硫酸镁形成：
MgSO4＋7H2O→MgSO4•7H2O

3、脱硫反应阶段
    3.1第一阶段——二氧化硫的吸收
二氧化硫的吸收过程包括物理吸收和化学反应两个过程。二氧化硫被吸入水后发生如下反应：
H2O＋SO2＝HSO3－+H＋=SO32－+H＋                    (1—3)
该式表示溶液成分与pH值之间的关系。在pH值为7．2时，生成SO32－和HSO3－的混合物；在pH值为5以下时，只存在HSO3－；在pH值为4．5以下时，S02和水的混合物比例增大，S02达到物理溶解平衡。
吸收塔内浆液的pH值基本在5～6之间，其中溶解的S02主要以HSO3－的形式存在，为了更有效地捕集S02，必须在式(1—3)中消耗一相反应物，以保持产生的浓度梯度。所以，一方面通过加入氧气(02)使HSO3－氧化反应生成SO42-；另一方面，通过加入氧化镁消耗H＋。
     3.2第二阶段——硫酸盐的形成
二氧化硫吸收到溶液中生成亚硫酸盐HSO3－。一方面维持SO2的物质交换所需的浓度梯度；一方面引入空气，将HSO3－氧化成H2S04，并很快分解成SO32-，这样就保持SO2溶解时所需要的浓度梯度。化学反应式如下：
        HSO3－＋1/2O2= HSO4－= SO42－＋H＋              (1—4)
由于释放额外的亚硫酸盐离子SO32－，使pH值趋于下降。实验证明在有充足的氧化剂的条件下，任何可能少量存在的亚硫酸根离子都能直接转化成硫酸根。
        SO32－+1/2O2= SO42－                           (1—5)

图1—2  亚硫酸盐HSO3－的氧化率与pH值的关系曲线
图1—2是亚硫酸盐的氧化与pH值的关系，pH值对亚硫酸根的氧化反应有很大影响，在pH值4．5～4.7点达到最高。除此以外，还有诸如温度和溶液中的杂质(锰、铁、高锰酸钾等催化激活金属)也起了一定的作用。这些微量的金属主要是通过吸收剂和烟气进入洗涤悬浮液中的。
形成硫酸盐之后，俘获二氧化硫(S02)的反应进入最终阶段，即生成亚硫酸镁和硫酸镁的混合溶液。当pH值控制在6.5 和7.0之间时排出混合溶液。含有90%以上成份的MgSO4溶液经过进一步的浓缩、冷却结晶，生成MgSO4•7H2O。
Mg2++ SO42－+7H2O =  MgS04•7H2O
    3.3第三阶段——硫酸镁的制备
硫酸镁制备是最终工艺阶段，对于整个工艺过程非常重要，对最终产品的质量起决定性的影响。为生产符合国家化工标准的产品必须对硫酸镁的过滤、蒸发结晶过程进行有效的控制。
曝气后的溶液送入过滤机去除杂质，得到不含固体杂质的清液，过滤细度大于等于20微米。将去除杂质后的清液送入三效蒸发器结晶器。
将蒸发、冷却后得到的湿的七水硫酸镁进行干燥，经干燥后的成品通过输送带送入包装车间直接打包成袋。
影响硫酸镁制备的要素主要是化学反应时间的控制、MgSO4的生成量及质量、蒸发器、结晶器的选型等。