CN103212348A - 一种亚硫酸铵的氧化工艺及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种亚硫酸铵的氧化工艺及装置，装置包括底部带有浆液排出泵的氧化槽，还包括：与所述氧化槽顶部连通的加氨管道；设置在所述氧化槽内且位于下部的氧化风管；设置在所述氧化槽内且位于中部的若干层间隔布置的多孔板。将亚硫酸铵浆液送入浆液槽中，加氨水调节所述亚硫酸铵浆液的pH值为6～8，再从氧化槽的顶部送入氧化槽中，所述亚硫酸铵浆液从氧化槽的顶部缓慢流向氧化槽的底部；氧化空气经氧化风管射流成小气泡进入硫酸铵浆液中，再经多孔板破碎后与硫酸铵浆液接触进行氧化反应；氧化反应结束后由浆液排出泵泵出。本发明能快速氧化高浓度硫酸铵溶液中亚硫酸铵，降低硫酸铵回收成本，氧化过程中不存在氨逃逸和二氧化硫逃逸。
Description
技术领域
本发明涉及资源与环境保护领域，具体涉及一种氨法脱硫中的亚硫酸铵的氧化工艺及装置。
背景技术
我国是世界上二氧化硫排放量最大的国家，二氧化硫污染已使我国超过1/3的国土面积上出现酸雨，成为世界上三大主酸雨区之一。二氧化硫污染已经成为全球关注的环保问题。目前，全世界投入商业应用的FGD工艺主要有：石灰石（石灰）-石膏法、烟气循环流化床法脱硫、喷雾干燥脱硫、炉内喷钙烟气增湿活化法脱硫、海水脱硫、氨法和电子束法等。
氨法脱硫工艺是一种绿色工艺，采用氨水或液氨作为吸收剂除去烟气中的二氧化硫并生成亚硫酸铵，亚硫酸铵也可作为化肥直接施用，但是产品的稳定性较差，难以输送，普遍不被接受；作为造纸厂生产原料，将产生废水，造成二次污染。而硫酸铵产品性能稳定，其中含有氮和硫两种营养元素，对植物生长有利，既能作为单独肥料，也能作为生产复合肥料的原料，故亚硫酸铵的氧化问题越来越受到人们的重视。如何高效经济地将亚硫酸铵转化为硫酸铵是氨法脱硫工艺实现工业化的关键。
亚硫酸铵的氧化过程即是亚硫酸铵与氧气结合生成硫酸铵的过程，低浓度的亚硫酸铵较容易氧化，具有较高的氧化速率，但在亚硫酸铵或硫酸铵浓度较高的溶液中，亚硫酸铵的氧化速率较低，受浆液温度、pH值、O/S比、气液接触面积、盐浓度、氧气溶解速率等多种因素影响。
溶液中氧气的溶液速率越高，对亚硫酸铵的氧化越有利。氧气在水中的溶解度很小，标准状态下，100cm3的水可溶解3.08cm3氧气，50℃时为2.08cm3。在含有高浓度的硫酸铵盐溶液中，溶液的粘度远大于水，氧气的溶解度和溶解速率更低。如何提高氧气在含有硫酸铵盐溶液中的溶解速率是氨法脱硫工艺中的一个难题。
脱硫后的浆液中含有硫酸铵、亚硫酸铵、亚硫酸氢铵，其中亚硫酸铵和亚硫酸氢铵均不稳定，如果pH值控制不当，会存在氨逃逸和二氧化硫逃逸，对环境产生二次污染，如何控制亚硫酸铵浆液氧化过程中的pH值，是氨法脱硫的又一个难题。
关于将亚硫酸铵直接氧化成硫酸铵，曾有人作过反应动力学研究，所研究的亚硫酸铵浓度低，一般在0.1mol/L以下，高浓度下并不理想，亚硫酸铵浓度对试验结果影响很大。
日本曾对亚硫酸盐的直接氧化过程进行了工艺开发与研究，其采用亚硫酸铵浓度也不高，硫酸铵和亚硫酸铵总盐浓度约为13%，不具备工业推广应用价值。
华东理工大学化工学院的李伟等，试验了初始亚硫酸根浓度0.3～0.5mol/L，硫酸铵浓度0～1.5mol/L。其实验结果表明，在高浓度下，氧化速率随亚硫酸根浓度的增加而降低，高浓度的亚硫酸铵不能被迅速完全直接氧化成硫酸铵。
发明内容
本发明提供了一种亚硫酸铵的氧化工艺及装置，能快速氧化高浓度硫酸铵溶液中亚硫酸铵，降低硫酸铵回收成本，氧化过程中不存在氨逃逸和二氧化硫逃逸。
一种亚硫酸铵的氧化装置，包括底部带有浆液排出泵的氧化槽，
还包括：
与所述氧化槽顶部连通的加氨管道；
设置在所述氧化槽内且位于下部的氧化风管；
设置在所述氧化槽内且位于中部的若干层间隔布置的多孔板。
作为优选，所述多孔板设置为2～5层，每层间距为1～4m，多孔板的孔径为2-20mm，孔心距为孔径的2-5倍。
作为优选，所述氧化风管距离氧化槽底部的距离为0.3-0.6m。
作为优选，氧化风管的下方设有若干个出气孔，所述出气孔的孔径为3-15mm，孔心间距为出气孔孔径的5-50倍。
作为优选，所述氧化槽顶部设有放空管，所述放空管上设有空气控制阀。
作为优选，所述氧化槽顶部设有压力表。
本发明还提供了一种利用所述的氧化装置进行亚硫酸铵氧化的工艺，包括如下步骤：
将亚硫酸铵浆液加氨水调节pH值为6～8，从氧化槽的顶部送入氧化槽中，所述亚硫酸铵浆液在浆液排出泵的抽力作用下从氧化槽的顶部向氧化槽的底部流动；
氧化空气经氧化风管射流成小气泡进入硫酸铵浆液中，再经多孔板破碎后与硫酸铵浆液接触进行氧化反应；
氧化反应结束后的浆液由浆液排出泵泵出。
作为优选，所述亚硫酸铵浆液在氧化槽中的停留时间为10-60min，流速为10-50m/h。
作为优选，所述氧化空气的风量满足氧化过程中O/S比为2-5。
亚硫酸铵浆液经氨水调节好pH值后由氧化槽的顶部进入，在浆液排出泵的抽力作用下，向氧化槽底部流动。氧化空气经高压氧化风机由氧化槽底部的氧化风管高速向氧化槽底部射出，气泡在浮力的作用下向上移动与溶液中的亚硫酸铵接触氧化，生成硫酸铵溶液；氧化空气在上升过程中经过若干层多孔板，在孔板的作用下将上升的气泡破碎，增大气液接触面积提高亚硫酸铵的氧化速率。
调节氧化槽顶部的空气控制阀，用于增加氧化槽内的空气压力，增加了氧气在溶液中的溶解速率，保证亚硫酸铵具有较高的氧化速率，亚硫酸铵浆液在氧化槽中呈由上至下均匀流动，浆液流动到氧化槽底部时实现完全氧化，氧化完全的硫酸铵溶液被浆液排出泵送至后处理系统进行浓缩结晶，生产高纯度的硫酸铵晶体。
所述的浆液排出泵用于控制浆液在氧化槽内的流速、停留时间和排出氧化完全的硫酸铵浆液。浆液排出泵的流量过大，来料浆液亚硫酸铵浆液在氧化槽中的流速过快，氧化时间过短，而氧化不完全；浆液排出泵流量过小，浆液氧化时间过长，来料浆液在到达氧化槽中部就已经完全氧化，造成投资成本和运行成本的浪费。因此，作为优选，所述浆液排出泵的流量控制应保证亚硫酸铵浆液在氧化槽中的停留时间在10min-60min，在氧化槽中的流速在10m/h-50m/h。
所述的氧化风机由氧化槽底部连通处向氧化槽输送氧化空气，为了保证浆液中亚硫酸铵氧化充分，必须有足够的气量，作为优选，氧化风机的风量满足氧化过程中的O/S比为2-5。
所述的氧化风管位于氧化槽底部，为了氧化空气与浆液之间有足够的气液接触面积，氧化风管底部设置若干等间距的出气孔，氧化空气经出气孔高速射出，形成大量的体积较小的气泡，有效的提高了亚硫酸铵的氧化速率。氧化风管可以设置为相互平行的若干根风管，也可以设置为若干根风管交错布置的网状结构。优选地，氧化风管位于氧化槽底部上方0.3m-0.6m，氧化风管下方出气孔的孔径范围为3mm-15mm，孔心间距为出气孔孔径的5-50倍。
所述的多孔板位于氧化槽中部，将氧化槽分成若干区域，有效的防止氧化浆液产生涡流而氧化不均匀，在若干层多孔板的分隔下，亚硫酸铵浆液均匀速向氧化槽底部流动。由氧化槽底部向上流动的氧化空气气泡在经过多孔板的气孔时，气泡被破碎成更小的气泡，增加了气液接触面积，提高氧气的溶解速率，亚硫酸铵的氧化速率迅速提高。作为优选，氧化槽中的多孔板根据浆液中亚硫酸根的浓度设置2-5层，每层间距为1m-4m，多孔板的孔径为2mm-20mm，孔心距为孔径的2-5倍。
所述的加氨管道位于氧化槽顶部，即为氧化前加氨中和，亚硫酸铵浆液经加氨调节到一定的pH值后，有效的防止氧化过程中产生的氨逃逸和二氧化硫逃逸，作为优选，亚硫酸铵浆液经加氨控制的pH值范围为6-8。
所述的空气控制阀位于氧化槽出口的排空管道上，调节空气控制阀来增加氧化槽内氧化空气的压力，提高反应体系的氧分压，促进氧气在浆液中的氧化速率，作为优选，氧化槽顶部的压力控制范围为0.01MP-0.3MP。
本发明的有益效果：
本发明在亚硫酸铵进行氧化前调节其pH值为6-8，有效防止氧化过程中产生的氨逃逸和二氧化硫逃逸；氧化过程中将氧化空气以小气泡状射流进浆液后再经多孔板破碎，增大氧化空气与亚硫酸根的接触面积，提高氧气的溶解速率，亚硫酸铵的氧化速率迅速提高。采用本发明的工艺及装置进行亚硫酸铵氧化后的出槽氧化率达到99.9%，能实现硫酸铵浓度不低于30%的浆液中亚硫酸铵的快速氧化。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中所示附图标记如下：
1-氧化槽 2-氧化风机 3-多孔板
4-氧化风管 5-来料浆液管道 6-加氨管道
7-浆液排出泵 8-压力表 9-空气控制阀。
具体实施方式
如图1所示，一种亚硫酸铵的氧化装置，包括氧化槽1，氧化槽1为常规的罐体结构，氧化槽1的底部连通一台浆液排出泵7，氧化槽1内布置氧化风管4，氧化风管4距离氧化槽1底部的距离为0.3～0.6m，该氧化风管4可以是相互平行的若干根，也可以是若干根风管交错布置的网状结构，所有的风管通过一根总管外接一台氧化风机2。
氧化风管4朝向氧化槽1底部的一方设置有若干个等距出气孔，该出气孔的孔径为3～15mm，相邻的出气孔的孔心间距为出气孔孔径的5～50倍。
氧化槽1内从上到下依次设置有若干层多孔板3，优选为2～5层，该多孔板3将氧化槽1内部分隔成若干区域，相邻两层多孔板3之间的间距为1～4m，多孔板3的孔径为2～20mm，孔心间距为孔径的2～5倍。
氧化槽1的顶部设有浆液入口，该浆液入口与来料浆液管道5连通，加氨管道6连接至来料浆液管道5上，在亚硫酸铵浆液送入氧化槽1前对浆液进行pH值调节；氧化槽1的顶部还开设有放空口，该放空口连通排空放空管道，该放空管道上设置空气控制阀9，氧化槽1的顶部还设有压力表8。
本发明的工艺流程如下：
脱硫后的亚硫酸铵浆液（即来料浆液）经来料浆液管道5从氧化槽1的顶部送入氧化槽1中，在来料浆液管道5中经加氨管道6加氨水调节pH值后由顶部进入氧化槽1，由于来料浆液含有硫酸铵、亚硫酸铵、亚硫酸氢铵等组分，其中亚硫酸铵和亚硫酸氢铵均不稳定，如果pH值控制不当，在鼓风氧化过程中会存在氨逃逸和二氧化硫逃逸，对环境产生二次污染，通过加氨管道将来料浆液的pH值控制在6-8，能很好的避免氨逃逸和二氧化硫逃逸。
来料浆液进入氧化槽1以后，在浆液排出泵7的抽力和浆液自身重力作用下，缓慢匀速向氧化槽1底部流动，氧化槽1中设置的若干层多孔板3有效的防止浆液出现涡流，本实施方式中，氧化槽1中的多孔板3根据浆液中亚硫酸根的浓度设置2-5层，每层间距为1m-4m。
氧化空气经氧化风机2送入氧化槽1底部的氧化风管4，经过氧化风管4底部的出气孔高速射向氧化槽1底部，产生大量的小气泡在浮力作用下向上移动，与向下流动的浆液充分接触、氧化，出气孔的射流作用增加了气液接触面积，提高氧气在溶液中的溶解速率。
经出气孔射流出去后的气泡在上升过程中，因为压力的减小和彼此富集，氧化空气的气泡会逐渐变大，气液接触面积会逐渐减小，当气泡变大经过多孔板3时，在气孔的破碎作用下，大气泡重新生成较小体积的气泡，在多孔板3处与浆液因对流产生剧烈扰动快速氧化。
为了保证浆液在氧化槽1中有足够的停留时间完成氧化，来料浆液在氧化槽1中的停留时间在10min-60min，在氧化槽1中的流速在10m/h-50m/h；为了保证浆液在氧化槽1中的氧化率，氧化风管4位于氧化槽1底部上方0.3m-0.6m，氧化风管4下方出气孔的孔径范围为3mm-15mm，孔心间距为出气孔孔径的5-50倍，多孔板3的孔径为2mm-20mm，孔心距为孔径的2-5倍。
为了加快氧气在溶液中的溶解速度，同时降低乃至消除氧气在溶液中的扩散阻力，最有效的方法有二，一是通过增加氧化空气的氧气分压来提高氧气的溶解速率；二是通过增加气液接触面积，来提高氧气的溶解速率。在氧化槽1顶部出口设压力表8、在氧化空气出口管道设空气控制阀9，增加氧化槽1内氧化空气的压力，提高氧分压，氧化槽1顶部的压力控制在0.01MP-0.3MP。
实施例1
某烧结厂，2台260m2烧结烟气氨法脱硫工程采用本氧化工艺，烟气中SO2浓度为2316mg/m3，氧化槽入口浆液pH值控制在7.0，浆液在氧化槽中的流速为40m/h，氧化风的O/S比控制在3，氧化风管出气孔径为8mm，多孔板间距2.0m，2层多孔板孔径为10mm，孔心距30mm，氧化槽顶部压力控制在0.05MP。浆液出槽氧化率为99.8%，氧化后浆液中硫酸铵浓度为33.7%。
实施例2
某热电厂，2台135WM机组烟气氨法脱硫工程采用本氧化工艺，烟气中SO2浓度为3560mg/m3，氧化槽入口浆液pH值控制在7.1，浆液在氧化槽中的流速为45m/h，氧化风的O/S比控制在3，氧化风管出气孔径为10mm，多孔板间距2.0m，3层多孔板孔径为10mm，孔心距40mm，氧化槽顶部压力控制在0.05MP。浆液出槽氧化率为99.9%，氧化后浆液中硫酸铵浓度为32.6%。
实施例3
某自备电厂，1台410t/h锅炉烟气氨法脱硫工程采用本氧化工艺，烟气中SO2浓度为1830mg/m3，氧化槽入口浆液pH值控制在7.0，浆液在氧化槽中的流速为50m/h，氧化风的O/S比控制在3，氧化风管出气孔径为10mm，多孔板间距2.0m，2层多孔板孔径为10mm，孔心距35mm，氧化槽顶部压力控制在0.05MP。浆液出槽氧化率为99.9%，氧化后浆液中硫酸铵浓度为33.7%。
Claims (9)
1.一种亚硫酸铵的氧化装置，包括底部带有浆液排出泵的氧化槽，
其特征在于，
还包括：
与所述氧化槽顶部连通的加氨管道；
设置在所述氧化槽内且位于下部的氧化风管；
设置在所述氧化槽内且位于中部的若干层间隔布置的多孔板。
2.根据权利要求1所述的氧化装置，其特征在于，所述多孔板设置为2～5层，每层间距为1～4m，多孔板的孔径为2-20mm，孔心距为孔径的2-5倍。
3.根据权利要求2所述的氧化装置，其特征在于，所述氧化风管距离氧化槽底部的距离为0.3-0.6m。
4.根据权利要求3所述的氧化装置，其特征在于，氧化风管的下方设有若干个出气孔，所述出气孔的孔径为3-15mm，孔心间距为出气孔孔径的5-50倍。
5.根据权利要求1所述的氧化装置，其特征在于，所述氧化槽顶部设有放空管，所述放空管上设有空气控制阀。
6.根据权利要求1所述的氧化装置，其特征在于，所述氧化槽顶部设有压力表。
7.一种利用权利要求1所述的氧化装置进行亚硫酸铵氧化的工艺，
其特征在于，包括如下步骤：
将亚硫酸铵浆液加氨水调节pH值为6～8，从氧化槽的顶部送入氧化槽中，所述亚硫酸铵浆液在浆液排出泵的抽力作用下从氧化槽的顶部向氧化槽的底部流动；
氧化空气经氧化风管射流成小气泡进入硫酸铵浆液中，再经多孔板破碎后与硫酸铵浆液接触进行氧化反应；
氧化反应结束后的浆液由浆液排出泵泵出。
8.根据权利要求7所述的工艺，其特征在于，所述亚硫酸铵浆液在氧化槽中的停留时间为10-60min，流速为10-50m/h。
9.根据权利要求7所述的工艺，其特征在于，所述氧化空气的风量满足氧化过程中O/S比为2-5。
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