鐵法脫硫技術(shù)的工藝原理

復(fù)合鐵脫硫工藝為脫硫化氫提供了恒溫、低成本的操作方法。其化學(xué)反應(yīng)原理是利用空氣中氧氣中的硫化氫將硫化氫氧化。其化學(xué)反應(yīng)方程如下（1）：

H2S 1/2O2 → H2O S （1）

復(fù)合鐵脫硫催化劑利用水溶液中復(fù)合鐵離子的氧化還原，使含硫化氫氣體與含復(fù)合鐵催化劑的水溶液（以下簡稱復(fù)合鐵吸收劑）接觸氣液。氣液的相接觸反應(yīng)首先通過水溶液的堿性，通過酸堿化學(xué)吸收將原料氣體中的硫化氫吸收到水溶液中；在水溶液中，硫化氫氧化成單硫，復(fù)合鐵離子還原為低復(fù)合亞鐵離子。絡(luò)合鐵離子水溶液的吸收氧化反應(yīng)方程式（2）～（5）如下：

水溶液吸收H2S氣體：

H2S(g) H2O(L)H2S(L) H2O(L) （2）

式中：（g）——氣相，下同；

（L）——液相，下同

H2S電離：

H2S(L)→ H (L) HS-(L) （3）

高鐵離子(Fe3 )氧化二價硫：

HS-(L) 2Fe3 (L) → 2Fe2 (L) H (L) S↓ （4）

吸收氧化總反應(yīng)方法 (2)，(3)，(4)疊加

H2S(g) 2Fe3 (L) → 2H (L) S↓ 2Fe2 (L) （5）

水溶液中的復(fù)合亞鐵離子容易被氧氣氧化。因此，復(fù)合亞鐵離子溶液直接與空氣接觸，利用空氣中的氧氣將復(fù)合亞鐵離子氧化成復(fù)合鐵離子。復(fù)合亞鐵離子水溶液的再生還原反應(yīng)方程（6）~（8）如下：

絡(luò)合亞鐵離子水溶液吸收氧氣：

1/2O2 (g) H2O(L) → 1/2O2 (L) H2O(L) （6）

復(fù)合亞鐵離子(Fe2 )再生反應(yīng)：

1/2O2(L) H2O(L) 2Fe2 (L) → 2OH-(L) 2Fe3 (L) （7）

再生還原總反應(yīng)方程式 (即方程式(6)，(7)疊加)

1/2O2(g) H2O(L) 2Fe2 (L) → 2OH-(L) 2Fe3 (L) （8）

在總反應(yīng)中，復(fù)合鐵離子的作用是將吸收反應(yīng)中產(chǎn)生的電子釋放到再生反應(yīng)中。由于每個單質(zhì)硫的產(chǎn)生需要消耗兩個鐵原子，因此在反應(yīng)過程中至少提供兩個鐵原子。因此，鐵離子被用作反應(yīng)物。然而，鐵離子在總反應(yīng)中總反應(yīng)中，鐵離子被用作硫化氫和氧反應(yīng)的催化劑。由于這種雙重功能，鐵離子復(fù)合物通常被定義為催化劑。

循環(huán)水溶液在復(fù)合鐵脫硫過程中pH由于水溶液能吸收水溶液，因此值是一個非常重要的可變操作因素H2S氣體總量完全取決于水溶液pH值(反應(yīng)方程式(2)、(3))。pH值是衡量水溶液酸堿度的一種方法，pH值7代表水溶液為中性，即既不酸也不堿性；pH1~7值表示水溶液為酸性；pH7~14代表水溶液為堿性。如果增加反應(yīng)方程(2)和(3)的雙向箭頭，則表示反應(yīng)處于平衡穩(wěn)定狀態(tài)H 對離子濃度的反應(yīng)將向左進行，H2S能被水溶液吸收的總量減少。如果增加OH-溶液中的離子濃度、H 將被中和形成水(OH- H → H2O)，因此，反應(yīng)將向右進行，H2S能被水溶液吸收的總量增加。

反應(yīng)方程(1)表示沒有反應(yīng)H 離子和OH-離子的凈產(chǎn)物生成，所以水溶液的pH值不會改變。但副作用會釋放H 離子，使水溶液pH降低值較終導(dǎo)致水溶液吸收H2S總量減少。其中一種副作用如反應(yīng)方程式(9)所示，根(S2O32-)有利于脫硫工藝，使之前提到的螯合劑更加穩(wěn)定，同時減少了螯合劑的分解。

2HS-(L) 2O2(L) →S2O32-(L) H2O(L) （9）

當(dāng)反應(yīng)與電離反應(yīng)(方程式(3))結(jié)合時，可以看到硫代硫酸根(S2O32-)產(chǎn)生，H 離子產(chǎn)生凈產(chǎn)物，使水溶液pH值降低。

因為處理后的氣相含有二氧化碳(CO2)，特別是在高壓下，二氧化碳容易溶于水，形成碳酸氫鹽(HCO3-)和碳酸鹽(CO32-)，然后發(fā)生副作用，以減少水溶液pH值

CO2 (g) H2O (L) → H2CO3 (L) （10）

H2CO3 (L) → H (L) HCO3-(L) （11）

HCO3-(L) → CO32-(L) H (L) （12）

穩(wěn)定水溶液pH氫氧化鉀需要在系統(tǒng)中加入，與二氧化碳的反應(yīng)如式(13)~(15):

CO2 (g) H2O(L) → H2CO3(L) （13）

H2CO3(L) 2KOH (L)→ K2CO3 (L) 2H2O(L) （14）

K2CO3(L) H2CO3 (L)→ 2KHCO3(L) （15）

通常，更高pH該值可以提高反應(yīng)效率，促進硫代硫酸鹽離子的形成，減少氧氣的吸收，但也阻礙單質(zhì)硫的凝結(jié)；過低pH值會阻礙H2S吸收氣體。因此，控制pH值為8.0-9.弱堿性水溶液。

該系統(tǒng)采用堿性復(fù)合鐵催化劑的氧化還原性，吸收酸性氣體H2S。H2S被復(fù)合鐵直接氧化產(chǎn)生單質(zhì)硫，復(fù)合鐵轉(zhuǎn)化為復(fù)合鐵，然后將空氣鼓入再生沉降罐，將空氣氧化堿性吸收劑中的復(fù)合鐵轉(zhuǎn)化為復(fù)合鐵，再生再利用。同時，硫磺沉降分離形成硫磺漿，硫磺漿送至硫磺回收系統(tǒng)。該方法的特點是采用高硫容量的復(fù)合鐵催化劑，不僅適用于高硫原料氣處理，而且循環(huán)液量小，設(shè)備尺寸小，可直接產(chǎn)生單質(zhì)硫，無二次污染問題。

綠源復(fù)合鐵脫硫工藝流程：脫硫塔與循環(huán)泵從下到上的貧液反向接觸，氣體從脫硫塔頂部進入汽水分離器，通過汽水分離器捕獲游離水進入后續(xù)工藝。脫硫塔底部溶液中的三價鐵吸收沼氣中的硫化氫，變成二價鐵，溶液變成含硫富液，自流進入氧化再生塔，氧化氧化風(fēng)扇鼓入的空氣。富液中的二價鐵通過氧化風(fēng)鼓入的氧氣氧化后變成三價鐵的貧液。同時，氧化再生塔中的單質(zhì)硫經(jīng)各隔間逐層生長，與部分貧液一起進入沉降槽。硫顆粒由于重量沉積在沉降槽錐體底部，上層分離硫的貧液通過循環(huán)泵輸送至脫硫塔脫硫。底部硫磺漿通過硫磺漿泵送至沉降罐底部進行循環(huán)擾動，防止堵塞。硫含量達到一定濃度后，硫漿泵進入板框壓濾機進行固液分離，液體回收到系統(tǒng)，硫膏可銷售。