Amoniac và khí SO2 trong dung dịch nước có phản ứng với nhau tạo ra muối trung gian amoni sunfit lại tác dụng tiếp với SO2 và H2O để tạo ra muối amoni bisunfit theo phản ứng sau:
SO2 + 2 NH3 + H2O = (NH4)2SO3 (NH4)2SO3 + SO2 + H2O = 2 NH4HSO3
Lượng bisunfit tích tụ dần dần có thể hoàn nguyên bằng cách nung nóng trong chân không, kết quả thu được amoni sunfit và SO2. Amoni sunfit này lại có thể tiếp tục sử dụng để khử SO2
2 NH4HSO3 t0 (NH4)2SO3 + SO2 + H2O
Ngoài ra trong dung dịch có thể xảy ra sự phân hủy sunfit và bisunfit amoni thành sunfat amoni và lưu huỳnh đơn chất theo phản ứng sau đây:
2 NH4HSO3 + (NH4)2SO3 = 2 (NH4)2SO4 + S + H2O
Lưu huỳnh đơn chất hình thành theo phản ứng trên đến lượt của mình lại tác dụng với amoni sunfit và tạo ra thiosunfat: (NH4)2SO3 + S = (NH4)2S2O3
hơn gấp 2 lần
(NH4)2S2O3 + 2 NH4HSO3 = 2(NH4)2SO4 + 2S + H2O
Lưu huỳnh đơn chất lại tác dụng với sunfit. Cứ như vậy tốc độ phản ứng phân hủy dung dịch làm việc sẽ hoàn toàn biến thành amoni sunfat và lưu huỳnh đơn chất
a/ Hệ thống xử lý SO2 bằng amoniac theo chu trình
Sơ đồ hệ thống xử lý SO2 bằng ammoniac:
Hình 4.2: Sơ đồ xử lý SO2 bằng amoniac
Khí thải từ lò sau khi được lọc sạch tro bụi đi vào scrubo 1 và được nước tưới tuần hoàn. Khói được làm nguội tới 300C, còn bụi cặn được thải ra ngoài. Trong nước tuần hoàn cho qua trình làm nguội khói trong scrubo 1 có chứa bụi, SO2 và H2SO4. Lượng khí SO2 khử được trong scrubo 1 chiếm khoảng 10% lượng SO2 chung trong khói thải khi nồng độ ban đầu của SO2 trong khói là 0,3 % . Nhiệt độ cuối của nước đạt 500C. Để
không khí đi qua tháp phải được thải ở độ cao thích hợp để đề phòng sự lan tỏa khí SO2 từ nước thoát ra trong quá trình làm nguội nước. Để ngăn chặn sự tích tụ bụi quá mức trong nước tuần hoàn cần phải có bể lắng một bộ phận nước sau khi lắng cặn sẽ thải ra ngoài sau khi trung hòa axit và nước sạch được bổ sung liên tục vào vòng tuần hoàn. Từ scrubo 1 khí đã được làm nguội và đi vào tháp hấp thụ số 3, tại đó quá trình hấp thụ SO2 được thực hiện trên nhiều tầng, một tầng hấp thụ được tưới dung dịch theo chu trình kín, trong khí đó một phần dung dịch từ tầng trên được đưa xuống tưới một cách liên tục cho tầng dưới. Tầng hấp thụ trên cùng được tưới bằng nước sạch với mục đích ngăn cản sự thất thoát khí NH3 đi theo khói thải ra ngoài. Thành phần dung dịch tưới ở mỗi tầng hấp thụ được giữ không đổi. Dung dịch đã hoàn nguyên được cấp vào tầng hấp thụ kề với tầng trên cùng.
Dung dịch đi ra ở tầng hấp thụ dưới cùng có chứa nhiều bisunfit (NH4)2SO3 được tích thụ một phần để đưa vào tháp hoàn nguyên 5, trong đó được cấp nhiệt bằng hơi nước bão hòa khô (đi trong dàn xoắn) để đun nóng dung dịch. Ở đây xảy ra phản ứng
2 NH4HSO3 t0 (NH4)2SO3 + SO2 + H2O
Khí SO2 thoát ra từ tháp hoàn nguyên 5 đạt nồng độ từ 94 – 98% và được sử dụng để điểu chế axit sunfuric . Dung dịch sau khi hoàn nguyên xong ( chứa amoni sunfit) được làm nguội trong thiết bị trao đổi nhiệt 4 và đưa vào chu trình tưới. Như vậy dung dịch hấp thụ được tuần hoàn theo chu trình kín và do đó người ta gọi là phương pháp theo chu trình. Một lượng amoniac NH3 được bổ sung vào chu trình tưới để bù lại lượng NH3 đã tiêu hao để tạo thành amoni sunfit theo phản ứng:
2 NH4HSO3 + (NH4)2SO3 = 2 (NH4)2SO4 + S + H2O
Để tách amoni sunfit hình thành trong qua trình hấp thụ ra khỏi dung dịch, một phần dung dịch sau khi hoàn nguyên được đưa sang thiết bị 6, tại đây người ta cấp nhiệt cho nước bốc hơi, phần còn lại được làm nguội và kết tinh trong thùng 7. Các tinh thể
tưới.
Ngoài amoni sunfat, trong dung dịch ra khỏi tháp hấp thụ 3 còn có thể có thiosunfat. Do đó một phần dung dịch ra khỏi tháp hấp thụ 3 được đưa sang xử lý ở nồi chưng áp 9. Ở đây dưới áp suất và nhiệt độ 1400C sunfit, bisunfit và thiosunfat amoni phân hủy thành amoni sunfat và lưu huỳnh đơn chất theo phản ứng:
(NH4)2S2O3 + 2 NH4HSO3 = 2(NH4)2SO4 + 2S + H2O
Dung dịch amoni sunfat được tách khỏi lưu huỳnh bằng phương pháp lắng và đi vào tháp bốc hơi 6 , còn lưu huỳnh đơn chất được đỗ ra khuôn.
Tinh thể amoni sunfat thu được từ máy ly tâm 8 có thể các thành phần sau:
(NH4)2SO4 92-93%
(NH4)2SO3 2-3%
NH4HSO3 0,5 – 1%
H2O 4-5%
Amoni sunfat là một loại phân bón và mặc dù có lẫn một ít sunfit và bisunfit, chất lượng của nó vẫn không bị ảnh hưởng mấy. Cũng có thể nâng cao chất lượng phân bón bằng cách dùng không khí nóng sấy khô để các sunfit và bisunfit oxi hóa và biến thành amoni sunfat hoàn toàn.
b/ Xử lý SO2 bằngamoniac có chưng áp:
Khí thải sau khi được lọc sạch bụi đi vào tháp hấp thụ 1, ở đó dung dịch hấp thụ được tưới theo chu trình tuần hoàn. Nồng độ muối amoni trong dung dịch hấp thụ đạt khoảng 45%. Người ta bổ sung vào dung dịch tưới một lượng dung dịch nước - amoniac đậm đặc (30%) . Một phần dung dịch tưới tương đương với lượng dung dịch mới bổ sung vào luôn luôn được tách ra sau tháp hấp thụ để đưa vào bộ lọc ép 2, sau đó đi vào thùng chưng áp 3. Ở đây người ta tách một lượng nhỏ axit sunfuric vào dung dịch và đun nóng đến nhiệt độ 180 0C với áp suất dư 14 atm. Dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất nêu trên quá trình oxi hóa tự động xảy ra để tạo thành amoni sunfat và lưu huỳnh đơn chất. Sau khi hoàn thảnh phản ứng oxi hóa, các chất trong thùng trưng áp nguội dần, áp suất dư giảm xuống đến 3,5 atm, lưu huỳnh đơn chất lắng xuống đáy rồi đưa ra đổ thành khuôn. Phân dung dịch nổi bên trên được đưa sang thiết bị bốc hơi chân không 4 rồi đưa qua máy lọc ly tâm 5 để tách amoni sunfat.
Đặc điểm của phương pháp xử lý SO2 bằng amoniac có chưng áp là sản phẩm cuối cùng thu được chủ yếu gồm amoni sunfat.
Hình4.4: Sơ đồ hệ thống xử lý SO2 bằng amoniac kết hợp với sữa vôi
Hỗn hợp hơi nước và amoniac được phun trực tiếp vào khói thải trên đường ống dẫn vào hệ thống hai scrubo lắp nối tiếp 1 và 2. Khí SO2 trong khói thải kết hợp với amoniac tạo thành sunfit và bisunfit amoni. Trong scrubo 1 phần lớn tro bụi và các sản phẩm sunfit, bisunfit được loại ra khỏi dòng khí và theo dung dịch tưới chảy xuống thùng chứa 7. Tại đây nhiệt dộ khí cũng hạ xuống còn khoảng 600C. Tiếp theo khí đi vào scrubo 2 và các sản phẩm tạo thành từ SO2 và amoniac còn sót lại tiếp tục bị tách ra khỏi dòng khí và theo dung dịch chảy xuống thùng chứa 8. Một phần dung dịch tưới từ scrubo 2 chảy xuống thùng chứa 8 được đưa sang tưới cho scrubo 1 và một lượng dung dịch mới được bổ sung vào thùng 8.
Dung dịch đã bảo hòa ở thùng chứa 7 được đưa sang thùng phản ứng 3, tại đó sữa vôi và hơi nước được cấp vào để kết hợp với sunfit và bisunfit amoni tạo thành sunfit và sunfat canxi theo phản ứng sau đây:
NH4HSO3 + Ca(OH)2 = CaCO3 + NH3 + 2H2O (NH4)2SO3 + Ca(OH)2 = CaCO3 + 2NH3 + 2H2O
Amoniac và hơi nước bốc lên từ thùng phản ứng 3 được hút và thu vào đường ống dẫn khói thải , còn bùn nhão lắng ở đáy được đưa sang làm nguội trong thiết bị trao đổi nhiệt 4, sau đó được tách ra ở máy lọc ly tâm 5 và dung dịch trong một phần đưa về thùng 8 để tham gia vào chu trình tưới cho scrubo 2, phần còn lại chảy vào thùng 6 để pha chế sữa vôi mới. Cặn thu được ớ máy lọc ly tâm 5 không chưá canxi bisunfit có tính chất hòa tan nên có thể loại bỏ hoặc được sử dụng như vật liệu san lấp, làm nền đường…
Hiệu quả xử lý SO2 của phương pháp ammoniac - vôi có thể đạt 95%, nồng độ NH3 theo khí sạch thoát ra khoảng 0,001%.
Ưu điểm của phương pháp này so với phương pháp amoniac đơn thuần là rất ít tốn amoniac và có thể áp dụng để khử SO2 trong khói thải có chứa nhiều bụi và ở nhiệt độ cao, hệ thống có thể làm việc với lưu lượng rất lớn.
Nhược điểm của phương pháp này là lượng phế thải nhiều.