濕法脫硫煙氣組分測定與比熱容計算

李永田

濕法脫硫煙氣組分測定與比熱容計算

李永田

（東華大學，上海，200051）

濕法脫硫煙氣（Desulfurized Flue Gas，DFG）含濕量與組分測定的準確性，制約著煙氣處理設備的設計成敗?；跓峁苁綗煔狻獰煔庠贌崞鳎℅as Gas Heater，GGH）的結構，制定實驗流程，搭建實驗裝置，對原煙氣和凈煙氣中的水分含量分別進行計算，得到了總含濕量。接著探討了煙氣中SO2、O2和CaSO4的濃度，以及N2、O2、CO2和水分等組分的測定方法，最終獲得了DFG混合氣體比熱容計算公式，為煙氣脫硫（Flue Gas Desulfurization，FGD）工程設計提高參數準確性提供了重要借鑒。

脫硫煙氣；含濕量；組分測定；煙氣—煙氣再熱器；實驗

引言

濕式石灰石—石膏法脫硫工藝在國內外煙氣脫硫技術中占據著主導地位[1]。濕法煙氣脫硫（Flue Gas Desulfurization ，FGD）是抑制二氧化硫污染的有效途徑之一，但經過該工藝處理后，煙氣溫度較低（低于55℃），如不經過再熱而直接排放，那么煙氣抬升高度受限且不易擴散，容易在煙囪附近形成酸霧污染，因此通常需配套煙氣再熱系統以保證煙氣合理擴散。M公司為了確保熱管式煙氣—煙氣再熱器（Gas Gas Heater，GGH）滿足工程需要，委托國內一所985高校對其實驗模型進行優化、測試、分析，以評價其換熱性能。該實驗利用相似原理，將具體工程的特征數按比例縮小，以獲得所需數據。由于經過FGD的煙氣濕度對GGH的換熱性能影響較大，因此著重探討煙氣含濕量的測定，并輔以其它相關組分的測定。約定含濕量指濕空氣中與1 kg干空氣并存的水蒸氣質量[2]。

1　GGH實驗搭建

1.1熱管式GGH結構

圖1所示為熱管式GGH的結構示意圖。下降管束、冷凝管束、上升管束和蒸發管束構成換熱主體。在冷凝管束外圍構造流體流通管道，構成凈煙氣箱；在蒸發管束外圍構造流體流通管道，構成原煙氣箱[3]。

圖1　GGH結構示意圖

1.2實驗流程

如圖2所示，煙氣是煙氣發生器的主產物。在煙氣調節室內，煙氣發生霧化，輔以SO2和煤粉的添加，得到接近工程實際的模擬煙氣。模擬煙氣經過GGH蒸發側、FDG吸收塔、GGH冷凝側，最后經過煙道，借助引風機所提供的動力排放于大氣中。

圖2　實驗流程

2　煙氣含濕量測定

原煙氣和凈煙氣中水分含量差異較大，應分別研究其測定方法。

對于原煙氣，其中的水分一般不會達到飽和態，故可利用便攜式濕度儀直接測量相對濕度和溫度值，再根據溫度查得煙氣相應的飽和水蒸氣含量。用該值乘以測得的相對濕度，即得到絕對含濕量，即水分含量。

對于凈煙氣，因其來自濕法脫硫裝置，煙氣中可能攜帶少量細小霧滴，使煙氣處于過飽和狀態。對于過飽和煙氣，由于其相對濕度大于100%，因此無法利用濕度儀直接進行測定，而應首先將待測樣氣導入裝有變色硅膠的干燥管中，利用其吸收煙氣中的部分水分，再用濕度儀測量干燥后煙氣的相對濕度。流經干燥管的氣體流量將由累積式流量計進行測量，而干燥管的吸濕量將根據通氣前后干燥管質量的變化值來確定[4]。由此測得的煙氣含濕量則分為兩部分：一部分是由干燥管吸濕量除以流經煙氣量所測得的含濕量；另一部分是由濕度儀所測得的含濕量，二者之和即為凈煙氣中的水分含量[5]。

2.1含濕量測定系統

主要由干燥吸收瓶、濕度分析儀、陶瓷過濾器、質量流量計、真空泵及煙氣分析儀構成（如圖3所示），不僅可以測定原煙氣、凈煙氣中的含濕量，稍加改造后，也可對煙氣中各組分的含量進行測定。

圖3　煙氣含濕量測定流程示意圖

2.2測定方法及流程

測量前，應先打開真空泵及旁路閥門，令樣氣由進氣口L1流經系統管路5 min，使得氣流狀態穩定。初始測量過程中，應防止因管壁吸附樣氣中的水分而導致的誤差。

（1）對原煙氣含濕量進行測定時，選用英國生產的Testo 410-2便攜式濕度儀，其溫度測定誤差＜0.2℃，相對濕度測定誤差＜0.5%。主要操作流程：打開真空泵和質量流量計，控制煙氣流量為200 mL/ min，同時關閉旁路，打開原煙氣測量管路上的閥門，樣氣由進氣口L1流經濕度分析儀，得到其溫度與濕度值，再通過換算得到原煙氣中水分含量。

（2）對凈煙氣含濕量進行測定時，選用干燥法。主要操作流程：打開真空泵和質量流量計，控制煙氣流量為200 mL/min，同時關閉旁路，打開凈煙氣測量管路上的閥門。煙氣首先由進氣口L2進入干燥吸收瓶中（吸收瓶內裝有變色硅膠，測量前先對吸收瓶進行恒重標定），則其中大部分水分及懸浮液滴均被吸收。控制系統以200 mL/min的煙氣量持續進氣10 min，并在第10 min吸收結束時（同時應保證硅膠層未被穿透），打開濕度分析儀兩端閥門，關閉其旁路閥門，測定當前經干燥吸收瓶吸收后煙氣的濕度與溫度值。吸收操作完畢后，關閉干燥吸收瓶兩端閥門，將吸收瓶從系統中取出并稱重，得到干燥吸收瓶在測定前后的質量差值，即為其在10 min中內所流經樣氣中水分的吸收量。用該質量差除以樣氣體積（2 L），得到煙氣水分含量a；再用濕度分析儀所測濕度和溫度值計算得到煙氣水分含量b，兩者相加即得到凈煙氣的總水分含量g。

2.3注意事項

需要說明的是，原煙氣溫度較高，而取樣時由于煙氣溫度下降，煙氣可能從未飽和狀態變為飽和。若測定時發現濕度分析儀的示數已超過量程（相對濕度最大量程為100%），則應對原煙氣采用與對凈煙氣相同的水分含量測定方法進行分析。

3　煙氣組分測定

煙氣組分的測定是本實驗測試指標之一。利用煙氣濕度/含濕量/組分測定裝置，實現原煙氣/凈煙氣中SO2、O2和CaSO4的濃度測定，以及N2、O2、CO2和水分等的組分測定和分析，流程如圖4所示。

圖4　煙氣濃度/組分測定流程示意圖

3.1SO2、O2濃度測定

開啟煙氣分析儀，同時打開裝置的旁路閥門，樣氣從測點引出后進入進氣口L1，利用真空泵將待測氣體引至煙氣分析儀，待示數穩定后，可直接讀取樣氣中SO2和O2的含量值。煙道內相對壓力低，尤其是凈煙氣煙道的壓力為負壓，而煙氣分析儀自帶抽氣泵的抽吸力十分有限，有可能無法采集到氣樣，因此需要利用真空泵為氣體升壓。同時，由于真空泵抽氣量較大，在測試時需要將真空泵與煙氣分析儀之間的旁路排空閥門打開，以避免過大的氣量直接沖擊煙氣分析儀，起到了分流作用，并避免了設備損壞。

3.2CaSO4濃度測定

凈煙氣中攜帶的CaSO4會在換熱器內的熱交換管表面沉積，長期運行則會影響到熱交換管的傳熱效果，故對凈煙氣中CaSO4的濃度進行測定[6]。

測量前，首先在吸收瓶內加入0.1 mol/L的鹽酸溶液作為吸收劑，同時打開真空泵及旁路閥門，使得樣氣流經系統管路。調節質量流量計，控制氣流量為100 mL/min并保持穩定。5 min后，將吸收瓶兩端的閥門打開，同時關閉旁路閥門，則氣樣由進氣口L2流經吸收瓶，其中的CaSO4組分被吸收劑吸收溶解。連續采集吸收30 min的氣樣（3 L）后，將吸收瓶兩端的閥門關閉，取下吸收瓶，完成氣樣采集吸收操作。求取樣氣中CaSO4濃度的化學分析方法步驟如下：

（1）將吸收瓶中的溶液轉移至潔凈燒杯內，并用去離子水反復沖洗吸收瓶2～3次，洗滌后一并倒入燒杯中；

（2）取10 g氯化鋇，溶于100 mL去離子水中，并濾除溶液中的不溶性雜質；

（3）將氯化鋇溶液緩慢滴加入（1）的溶液中，直到不再出現沉淀為止。其標準為：取少量上清液于試管中，滴入1～2滴氯化鋇溶液，若無白色沉淀產生即可。檢測完畢后，再將試管內的液體倒回反應液內，并洗滌2～3次，再過量滴入2 mL，并煮沸5 min；

（4）用已稱重過的G4玻璃坩堝過濾沉淀，將沉淀全部轉移至坩堝中后，用去離子水反復濾洗沉淀5～6次，以充分去除可能存在的氯離子；

（5）將坩堝置于105℃環境下干燥2～3 h，再冷卻至室溫條件下進行稱重。將坩堝前后兩次的稱重值相減，得到硫酸鋇沉淀的質量m（單位g）。

那么，煙氣中CaSO4濃度的計算公式為

其中，0.5833是硫酸鋇換算到硫酸鈣質量的系數，V表示所吸收氣樣的體積（該實驗中設定為3L）。

3.3N2、O2、CO2和水分組分測定

混合煙氣主要組分包括N2、O2、CO2及水分，其中O2濃度已由煙氣分析儀測得；CO2濃度可通過燃油消耗量和總煙氣量計算得到；水分含量可通過第2章節中的闡述的過程測定；N2作為煙氣中的平衡組分，其含量為混合煙氣中去除O2、CO2及水分的含量百分比所剩下組分的百分含量。

設原煙氣O2濃度為X1%、凈煙氣O2濃度為X2%。原煙氣流量為V1 Nm3/h，則其中CO2的濃度為(0.033%V1+1.4544Y)/V1；凈煙氣流量為V2Nm3/h，則其中CO2的濃度為(0.033%V2+1.4544Y)/V2。其中Y表示實驗過程中單位時間消耗的柴油質量，kg/h。原煙氣溫度為130℃，可直接測得起水蒸氣濃度為Z1kg/Nm3；凈煙氣溫度為40℃，有冷凝水析出，飽和時氣態水含量為0.0508 kg/Nm3，設水分含量為Z2kg/Nm3，則凈煙氣中水的濃度為（Z2-0.0508）Kg/ Nm3。進而，原煙氣中N2的百分含量為：

其中，1.244為Z1kg/Nm3轉換所得體積百分比，即Z1×1000/18×22.4/1000=1.2444Z1；同理，凈煙氣中N2的百分含量為：

其中，6.321%為0.0508 kg/Nm3轉換所得體積濃度，即0.0508/18×22.4=6.321%。

4　比熱容計算

對于原煙氣，可利用工具書查得O2、CO2、 N2及水蒸氣在130℃時的質量比熱容與濃度，分別表示為：Cp1與ρ1、Cp2與ρ2、Cp3與ρ3、Cp4與ρ4?；旌蠚怏w的比熱服從迭加規律，即混合氣體比熱為各組分比熱容之加權。從而原煙氣的定壓體積比熱可表示為：

其中，Cp原的單位是kJ/(Nm3·℃)。

對于凈煙氣，可利用工具書查得O2、CO2、 N2及水蒸氣在40℃時的質量比熱容與濃度，分別表示為：Cp1-1與ρ1-1、Cp2-1與ρ2-1、Cp3-1與ρ3-1、Cp4-1與ρ4-1。類似計算得到比熱容

其中，Cp凈的單位是kJ/(Nm3·℃)。

5　結論

通過熱管分體式GGH模型的模擬實驗，能夠獲得工程所需實驗數據，包括FDG的含濕量與各組分濃度。并通過實驗分析，獲得FDG混合氣體比熱容，對工程設計中，提高參數準確性有極大的借鑒作用。

[1]盧作基, 孫克勤. 熱管式GGH在濕法煙氣脫硫中的應用[J]. 電力科技與環保, 2005, 21(4): 22-23, doi: 10.3969/j.issn.1674-8069.2005.04.007.

[2]姜業正, 吳昊, 雒飛, 等. 添加濕空氣對濕法脫硫凈煙氣中細顆粒物脫除性能[J]. 東南大學學報: 自然科學版, 2016(1): 81-86, doi: 10.3969/j.issn.1001-0505.2016.01.014.

[3]陳東祥, 蔡明坤, 賴炎顯. 煙氣加熱器(GGH)的應用技術[J]. 鍋爐技術, 2003, 34(4): 67-71, doi: 10.3969/j.issn.1672-4763.2003.04.017.

[4]田剛, 柬韞, 劉宇, 等. 濕法脫硫系統排放煙氣含水量的測定[J]. 環境污染與防治, 2015, 37(11): 47-51, doi: 10.15985/ j.cnki.1001-3865.2015.11.009.

[5]國家環境保護總局. 水和廢水監測分析方法[M]. 中國環境科學出版社, 2009.

[6]水質硫酸鹽的測定 重量法: GB 11899-1989 [S].

李永田(1976-)，男，吉林農安人，漢族，熱能動力機械與裝置專業高級技術職稱，現就讀于東華大學工程管理專業研究生，從事工業節能、系統能效分析及工程管理等相關工作。職務：第十三屆MBA聯合會副主席兼秘書長。

E-mail: kkklyt@163.com

Composition Determination and Specific Heat Capacity Calculation for Desulfurized Flue Gas under Wet Process

LI Yong-tian
(Donghua University, Shanghai, 200051, China)

Accurate determination of moisture content and composition for DFG (Desulfurized Flue Gas) is a main constraint on design of flue gas processing equipment. A set of experimental procedure and device is established based on structure of heat pipe GGH (Gas Gas Heater), to obtain moisture content through respective calculations of water component in untreated gas and net flue gas. Also, determination methods of concentrations of SO2, O2and CaSO4, as well as components of N2, O2, CO2and water, are investigated. Specific heat capacity formulation of DFG is derived providing essential references for accuracy improvement on engineering design parameters of FGD (Flue Gas Desulfurization).

Desulfurized Flue Gas (DFG); Moisture Content; Component Determination; Gas Gas Heater (GGH); Experimental Study

TK314

B

2095-8412 (2016) 05-937-04工業技術創新 URL: http://www.china-iti.com

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.05.029