烟气二氧化硫制焦亚硫酸钠反应器的优化研究

文_李明波 宋静 徐梦 南京杰科丰环保技术装备研究院有限公司

SO2是引发酸性降水和大气环境质量恶化的重要污染物之一，烟气脱硫是其主要的控制手段。经过多年发展，我国烟气脱硫已由较单一的污染减排逐渐向资源与环保兼顾的方向转变，陆续实施了一批烟气SO2资源化利用项目，其中利用烟气SO2制焦亚硫酸钠是一个重要方向。

焦亚硫酸钠是重要的化工产品，通常采用三级鼓泡反应器串联工艺，以SO2和Na2CO3为原料生产，其中核心工艺设备鼓泡反应器是最主要的耗能设备之一，其气体阻力所产生的能耗约占整个系统能耗的一半，反应器阻力高、能耗大。本文研究了反应器结构和工况参数对设备阻力的影响，以期开发低阻力反应器，推动焦亚硫酸钠生产节能降耗。

1 焦亚硫酸钠生产工艺简介

焦亚硫酸钠生产首先要制备SO2原料气，传统焦亚硫酸钠生产通常采用硫磺等矿物为原料，通过沸腾炉煅烧原料得到含SO2原料气，原料气经除尘、水洗、除雾等处理后进入增压风机，增压后的原料气再经温度调节进入袋式除尘器过滤去除升华硫和其他杂质后通入反应器，SO2原料气也可采用部分场合的工业烟气或尾气，如经净化处理后的活性焦烟气脱硫再生气，最终生成焦亚硫酸钠。典型焦亚硫酸钠生产流程如图1 所示。

图1 典型焦亚硫酸钠生产流程图

焦亚硫酸钠三级鼓泡反应器串联工艺中，SO2原料气依次通过第一反应器、第二反应器和第三反应器，尾气从第三反应器排出；母液和纯碱水溶液依次通过第三反应器、第二反应器和第一反应器，在第一反应器内生成的含有焦亚硫酸钠晶体的浆液被采出后送至分离和干燥等后处理环节，制得成品焦亚硫酸钠。

第三级反应器内的反应如下：

生成的亚疏酸钠悬浮液依次通过第二级、第一级反应器，与SO2进行吸收反应，生成焦亚硫酸钠：

从第一级反应器排出的晶浆送往离心机，分离后的母液返回化碱器，湿焦亚硫酸钠送至气流干燥器，在160℃下干燥为最终成品。

反应器是焦亚硫酸钠生产过程中主要的耗能设备之一、设备阻力大，本文通过数值模拟计算，对反应器结构和工况参数对设备阻力的影响进行了分析探讨。

2 反应器优化研究

2.1 典型工况和反应器情况

2.1.1 工况参数

原料气流量（最大）10000Nm3/h；原料气中SO2体积含量6%，其余按氮气（N2）考虑；原料气初始温度50℃；吸收液按碳酸钠溶液考虑；吸收液温度40℃。

2.1.2 装置参数

装置反应器参数见表1。

名称 规格鼓泡反应器尺寸：Ф2200mm×H2500mm持液高度（最大）：2000mm曝气孔数量：93（均匀分布）顺喷预混进气反应器尺寸：Ф2200mm×H2500mm浆液喷淋量（最大）：160m3/h进气管数量：1支（Ф300mm）

鼓泡反应器和顺喷预混进气反应简要结构如图2 所示。

图2 反应器结构示意图

2.2 结果与讨论

分别对常规鼓泡反应器和顺喷预混进气反应器进行了数值模拟，研究探讨了工况参数、反应器结构和设备组合情况对阻力、SO2吸收率的影响。

2.2.1 鼓泡反应器

鼓泡反应器相关参数见表1 和图2（a）。

（1）原料气流量变化的影响

分析发现原料气流量对鼓泡反应器性能有一定影响，当其他条件不变时，SO2吸收率随着原料气流量的增大有所下降，鼓泡反应器压降随着原料气流量的增大有所增加，具体如表2 所示。

原料气流量/Nm3/h SO2吸收率/% 鼓泡反应器压降/Pa 10000 85.2 35187 7500 92.7 19790 5000 98.8 8850 2500 99.9 2200

（2）曝气管埋入深度的影响

经分析发现曝气管埋入浆液液面以下的深度对鼓泡反应器性能有一定影响，当其他条件不变时，SO2吸收率随着曝气管埋入浆液液面以下深度的增大而显著上升，鼓泡反应器压降随着曝气管埋入浆液液面以下深度的增大有所增加，具体如表3 所示。

表3 曝气深度对鼓泡反应器性能影响

2.2.2 顺喷预混进气反应器

顺喷预混进气反应器相关参数见表1 和图2（b）。

（1）原料气流量变化的影响

分析发现原料气流量对顺喷预混进气反应器性能有一定影响，当其他条件不变时，SO2吸收率随着原料气流量的增大有所下降，顺喷预混进气反应器压降随着原料气流量的增大显著上升，具体如表4 所示。

表4 原料气流量对顺喷预混进气反应器性能影响

（2）浆液量变化的影响

分析发现浆液喷淋量对顺喷预混进气反应器性能有一定影响，当其他条件不变时，SO2吸收率随着浆液喷淋量的增大而上升，顺喷预混进气反应器压降随着浆液喷淋量的增大有所增加，具体如表5 所示。

表5 浆液喷淋量对顺喷预混进气反应器性能影响

2.2.3 优化分析

对于单级反应器，与常规鼓泡反应器相比，顺喷预混进气反应器可大幅降低系统阻力，但单级顺喷预混进气反应器的SO2吸收率低于常规鼓泡反应器，有待于进一步优化。常规鼓泡反应器与顺喷预混进气反应器的阻力和对SO2的吸收情况如表6 所示。

表6 不同形式反应器性能比较

当三级反应器串联时阻力如图3 所示。三级常规鼓泡反应器串联工艺反应器总阻力约为105561Pa，一级常规鼓泡反应器加两级顺喷预混进气反应器串联工艺的反应器总阻力约为38141Pa，采用一级常规鼓泡反应器和两级顺喷预混进气反应器串联工艺的总阻力约为三级常规鼓泡反应器串联工艺总阻力的36.1%，而两种组合方式可保持SO2总吸收率相近（均接近100%），节能效果明显。

图3 不同反应器串联阻力情况

3 结语

常规鼓泡反应器SO2吸收率随着原料气流量的增大有所下降，压降随着原料气流量的增大有所增加；SO2吸收率随着曝气管埋入浆液液面以下深度的增大而显著上升，压降随着曝气管埋入浆液液面以下深度的增大有所增加。

顺喷预混进气反应器SO2吸收率随着原料气流量的增大有所下降，压降随着原料气流量的增大显著上升；SO2吸收率随着浆液喷淋量的增大而上升，压降随着浆液喷淋量的增大有所增加。

当三级反应器串联时，在保持SO2总吸收率相近的情况下，采用一级常规鼓泡反应器加两级顺喷预混进气反应器串联工艺的反应器总阻力约为三级常规鼓泡反应器串联工艺反应器总阻力的36.1%。

与常规鼓泡反应器相比，顺喷预混进气反应器的阻力更低、节能效果明显，但吸收效率受到一定影响，有待进一步优化。