填料塔內(nèi)噴淋氨水同時(shí)脫碳脫硫?qū)嶒?yàn)研究

王春波， 白彥飛

（華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定071003）

燃煤電廠排放大量CO2和SO2等污染物，導(dǎo)致溫室效應(yīng)和酸雨等，影響人類的生存與健康［1］.目前，燃煤電廠對(duì)CO2和SO2的控制主要是先脫硫后脫碳，該方法雖然可以高效脫除CO2和SO2，但是增加了設(shè)備投資和運(yùn)行成本［2］.因此，尋求一種可以同時(shí)脫碳脫硫的工藝成為必然.利用氨水化學(xué)吸收法可以在脫除燃煤煙氣中CO2的同時(shí)脫除SO2.氨水作為吸收劑有諸多優(yōu)勢(shì)：吸收能力強(qiáng)、腐蝕性小、價(jià)格便宜，尤其是其再生能耗較低，不易被降低品質(zhì)［3－5］.Ciferno等［6］認(rèn) 為 氨 水 同 時(shí) 脫 除 煙 氣 中 多 種污染物較單獨(dú)脫除污染物降低能耗約15%.齊國(guó)杰等［7］通過(guò)IECM 軟件，對(duì)氨水同時(shí)脫除CO2和SO2與較傳統(tǒng)的濕法脫硫結(jié)合氨法脫碳工藝進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，得出前者可以有效降低總成本約17.4%.因此，氨水同時(shí)脫碳脫硫技術(shù)很有發(fā)展前景.

目前，氨水同時(shí)脫碳脫硫技術(shù)還處在試驗(yàn)研究初期，這方面的研究工作還較少.Alston公司的冷凍氨法［8］和Powerspan公司的ECO2法［9］只對(duì)氨水溶液聯(lián)合脫除CO2和約10mg／m3數(shù)量級(jí)的低質(zhì)量濃度SO2進(jìn)行了研究.齊國(guó)杰等［10］利用濕壁塔試驗(yàn)臺(tái)研究了SO2的存在對(duì)氨法脫碳傳質(zhì)的影響.但不同的吸收裝置會(huì)得出不同的結(jié)果，填料塔是比較接近實(shí)際應(yīng)用的一種吸收塔.Choi等［11］在填料塔內(nèi)對(duì)有機(jī)胺AMP溶液中添加氨水同時(shí)脫碳脫硫進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出加入氨水可以實(shí)現(xiàn)高效快速吸收CO2和SO2.仇中柱等［12］利用填料塔對(duì)氨水同時(shí)吸收CO2和SO2的體積傳質(zhì)系數(shù)進(jìn)行了研究，認(rèn)為其主要影響因素為氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)和液氣比.以上研究只對(duì)部分影響因素進(jìn)行了分析，考慮到CO2和SO2的脫除效率是氣體溶解度、吸收反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和傳熱傳質(zhì)綜合作用的結(jié)果，因此，有必要對(duì)填料塔同時(shí)脫碳脫硫的各影響因素進(jìn)行系統(tǒng)研究.

鑒于氨水的經(jīng)濟(jì)性和高揮發(fā)性，且氨水同時(shí)脫碳脫硫會(huì)存在煙氣中氣溶膠的攜帶問(wèn)題，故筆者選取較低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氨水溶液作為吸收劑來(lái)進(jìn)行研究，旨在探求較低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氨水溶液與合理的液氣比共同作用達(dá)到較高的脫除效率；由于燃煤電廠脫硫之前煙氣溫度很高，而目前關(guān)于填料塔內(nèi)反應(yīng)溫度的影響研究較少，實(shí)驗(yàn)中采取同時(shí)定溫控制氨水和模擬煙氣溫度的方法共同控制反應(yīng)溫度，以探討最佳反應(yīng)溫度；針對(duì)目前研究比較熱門(mén)的微富氧燃燒技術(shù)，實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了CO2體積分?jǐn)?shù)為30%、SO2體積分?jǐn)?shù)為0.5%的工況.另外，筆者對(duì)氣溶膠的一些影響因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，并提出可行措施，以求完善前人對(duì)氨水同時(shí)脫碳脫硫的探索研究.

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1為自行設(shè)計(jì)并搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖.采用填料塔作為氣體吸收的反應(yīng)器，按一定壓力配比好的模擬煙氣由填料塔下部通入，與來(lái)自塔頂噴淋的一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氨水溶液逆向接觸，發(fā)生反應(yīng)；反應(yīng)后塔頂出來(lái)的氣體一部分經(jīng)由電稱低壓沖擊器（ELPI）測(cè)出細(xì)顆粒質(zhì)量濃度和顆粒分布，其余氣體通過(guò)處理與紅外CO2分析儀和SO2煙氣分析儀相并聯(lián)，來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)2種氣體體積分?jǐn)?shù)的變化.

圖1 氨水同時(shí)脫除CO2 和SO2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experiment system for simultaneous removal of CO2and SO2using ammonia solution

實(shí)驗(yàn)中所用氣體純度為CO2體積分?jǐn)?shù)為99.9%，N2體積分?jǐn)?shù)為99.99%，SO2氣體是由N2作為平衡氣體配制而成的.主體設(shè)備是由內(nèi)徑為50 mm 的PVC圓筒做成的填料塔，塔內(nèi)填料采用散堆方式，填料為直徑6mm 的陶瓷拉西環(huán)，填裝高度為25cm.塔底設(shè)水封，目的是防止氣體從塔底泄露.填料塔的進(jìn)氣口和進(jìn)液口均設(shè)有熱電偶，用來(lái)測(cè)量加熱后模擬煙氣和氨水溶液的溫度，塔壁所設(shè)熱電偶用來(lái)測(cè)量反應(yīng)溫度.

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

在填料塔中噴淋氨水來(lái)吸收燃煤電廠煙氣中的CO2和SO2所發(fā)生的反應(yīng)是典型的氣液兩相反應(yīng)，雙膜理論可以很好地解釋這一過(guò)程（見(jiàn)圖2）.氨水與模擬煙氣在填料塔中逆向流動(dòng)，CO2和SO2的吸收過(guò)程均需要由氣相主體擴(kuò)散穿過(guò)氣膜到達(dá)界面，然后氣相分子轉(zhuǎn)化為液相分子，再通過(guò)擴(kuò)散作用進(jìn)入液相主體中，直到達(dá)到傳熱傳質(zhì)平衡.

圖2 氨水同時(shí)脫除CO2 和SO2 的雙模理論模型Fig.2 Two－film theory model for simultaneous removal of CO2and SO2using ammonia solution

SO2與氨水的反應(yīng)為瞬時(shí)反應(yīng)，且主要在液膜中完成，故其總的傳質(zhì)阻力來(lái)自氣膜.而CO2與氨水的反應(yīng)為快速反應(yīng)，主要的傳質(zhì)阻力來(lái)自液膜［13］.在NH3－CO2－SO2－H2O 氣 液 反 應(yīng) 體 系 中，主要的離子反應(yīng)為

由于H2SO3的酸性比H2CO3強(qiáng)，SO2會(huì)從吸收液中置換出CO2.Ebrahimi等［14］認(rèn)為SO2的存在會(huì)使和解析，即：

目前，關(guān)于氨水同時(shí)脫除CO2和SO2的研究相對(duì)較少，并且由于氨水分別脫除CO2和SO2的反應(yīng)機(jī)理尚不完全清楚，氨水與CO2和SO2同時(shí)反應(yīng)的機(jī)理將更加復(fù)雜.

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，先用N2吹掃整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置以減小殘留空氣帶來(lái)的誤差.然后在回液箱內(nèi)配制適量所需質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氨水溶液，打開(kāi)循環(huán)泵將其抽送到供液箱內(nèi)，保證氨水溶液的充分混合，并測(cè)量溶液的pH 值.實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，按一定比例混合好的模擬煙氣先經(jīng)過(guò)旁路管道干燥后經(jīng)煙氣分析儀讀取初值，然后關(guān)閉旁路管道，通入主干路，并接通加熱裝置，被加熱到一定溫度的模擬煙氣由下向上經(jīng)過(guò)填料塔，與從供液箱抽來(lái)由塔頂噴灑而下的氨水溶液在填料塔中接觸反應(yīng).其中氨水由加熱裝置加熱到預(yù)定溫度.反應(yīng)后的氣體一部分進(jìn)入ELPI，測(cè)量其中細(xì)顆粒質(zhì)量濃度和顆粒分布，另一部分經(jīng)過(guò)干燥管的干燥和濃硫酸的洗滌進(jìn)入到煙氣分析儀，測(cè)出實(shí)時(shí)的氣體體積分?jǐn)?shù)值，然后經(jīng)尾氣處理后排空；與SO2和CO2反應(yīng)后的富液則從塔底流入回液箱，準(zhǔn)備再次循環(huán)使用.觀察煙氣分析儀的數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定后，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).6種工況的具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Experimental parameters

氣體脫除效率η定義如下：

式中：φin為填料塔入口處氣體體積分?jǐn)?shù)，%；φout為填料塔出口處氣體體積分?jǐn)?shù)，%.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)CO2 和SO2 脫除效率的影響

為了研究較低質(zhì)量分?jǐn)?shù)氨水對(duì)CO2和SO2脫除效率的影響，實(shí)驗(yàn)中測(cè)出填料塔出口CO2和SO2體積分?jǐn)?shù)，并由式（7）求出2種氣體的脫除效率.工況1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3.

圖3 氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)CO2 和SO2 脫除效率的影響Fig.3 Influence of ammonia concentration on the CO2and SO2removal efficiency

由圖3可知，氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1%和2%時(shí)，填料塔出口處會(huì)有不到10 mg／m3的SO2，當(dāng)氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2%時(shí)，SO2會(huì)被全部脫除；CO2的脫除效率隨著氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大逐漸提高，且提高趨勢(shì)逐漸減緩.這是由于SO2與氨水的反應(yīng)為瞬時(shí)反應(yīng)，且其體積分?jǐn)?shù)很小，故基本全部被氨水吸收；而CO2與氨水的反應(yīng)為快速反應(yīng)，增大氨水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，NH3與CO2的物質(zhì)的量之比增大，使反應(yīng)（3）和反應(yīng)（4）正向移動(dòng)，從而提高CO2的脫除效率.但是隨著氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，氨的逃逸會(huì)加劇，加上CO2溶解度和傳質(zhì)阻力的影響，CO2脫除效率的提高趨勢(shì)減緩.氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大有利于CO2和SO2的脫除，但相應(yīng)會(huì)增加投資成本，還會(huì)造成氨損失，污染環(huán)境，故需要選取經(jīng)濟(jì)合理的氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù).

2.2 液氣比對(duì)CO2 和SO2 脫除效率的影響

通過(guò)改變氨水體積流量來(lái)研究3種氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)（4%、5%和7%）下液氣比對(duì)CO2和SO2脫除效率的影響，工況2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4.

從圖4可以看出，隨著氨水體積流量的增大，3種氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)下SO2脫除效率一直是100%，即SO2被氨水全部吸收.同一氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)下CO2脫除效率隨氨水體積流量的增大而提高，如氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)0.1～0.2L／min、0.2～0.3L／min、0.3～0.4L／min體積流量下CO2脫除效率的增幅分別為15.74%、4.8%和1.42%，可見(jiàn)其增幅越來(lái)越小.這是由于其他條件不變，氨水體積流量增大時(shí)，填料塔內(nèi)液滴流速、液膜更新速度及填料表面的濕潤(rùn)程度增加，相對(duì)增加了模擬煙氣與氨水的接觸時(shí)間，使反應(yīng)更加充分，從而提高了CO2脫除效率.

圖4 氨水體積流量對(duì)CO2 和SO2 脫除效率的影響Fig.4 Influence of ammonia flow on the CO2and SO2 removal efficiency

綜合考慮氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)和液氣比，氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、體積流量為0.3L／min（即液氣比為75）時(shí)，SO2的脫除效率可達(dá)100%，CO2的脫除效率高達(dá)96.4%，認(rèn)為是本實(shí)驗(yàn)條件下最合適的工況.液氣比和氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大只會(huì)小幅提高脫碳效率，但還會(huì)引起設(shè)備電耗的增加、成本的增加和氨揮發(fā)加重等影響整體經(jīng)濟(jì)性的問(wèn)題.

2.3 SO2 體積分?jǐn)?shù)對(duì)SO2 和CO2 脫除效率的影響

分別對(duì)比氨水在低質(zhì)量分?jǐn)?shù)（1%）和較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)（4%）下SO2體積分?jǐn)?shù)對(duì)CO2和SO2脫除效率的影響，工況3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5.

圖5 SO2 體積分?jǐn)?shù)對(duì)CO2 和SO2 脫除效率的影響Fig.5 Influence of SO2concentration on the CO2and SO2removal efficiency

由圖5可以看出，2 種氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的SO2脫除效率均很高，其中1%氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，0～0.5%的SO2脫除效率由100%降到99.7%.5%氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，填料塔出口處測(cè)不到SO2體積分?jǐn)?shù)，即全部被吸收.2種氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，CO2的脫除效率均出現(xiàn)下降，低質(zhì)量分?jǐn)?shù)氨水時(shí)的下降趨勢(shì)較為明顯，這是因?yàn)殡S著SO2體積分?jǐn)?shù)的增大，其氣相分壓增大，與其反應(yīng)的氨水溶液增多，從而減少了與CO2反應(yīng)的氨水溶液，導(dǎo)致CO2脫除效率下降.氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，與SO2反應(yīng)的氨水所占份額越大，CO2脫除效率下降趨勢(shì)越明顯.由此可知，雖然在燃煤電廠煙氣中SO2的含量很小，但是其對(duì)氨水脫碳影響很大，尤其在用較低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氨水作為吸收劑時(shí)影響更明顯.

2.4 CO2 體積分?jǐn)?shù)對(duì)SO2 和CO2 脫除效率的影響

改變CO2體積分?jǐn)?shù)來(lái)研究其對(duì)CO2和SO2脫除效率的影響，工況4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6.

圖6 CO2 體積分?jǐn)?shù)對(duì)CO2 和SO2 脫除效率的影響Fig.6 Influence of CO2concentration on the CO2and SO2removal efficiency

由圖6 可知，隨著CO2體積分?jǐn)?shù)的增大，SO2被全部脫除，這也說(shuō)明SO2較CO2更容易與氨水發(fā)生反應(yīng)，且其反應(yīng)基本不受CO2體積分?jǐn)?shù)的影響.保持其他條件不變，當(dāng)CO2體積分?jǐn)?shù)增大時(shí)，一方面，由于CO2的氣相分壓增大，反應(yīng)推動(dòng)力增大，會(huì)有更多的CO2與氨水發(fā)生反應(yīng)；另一方面，NH3與CO2的物質(zhì)的量之比相應(yīng)減小，氨水吸收CO2的能力不變，但所吸收的CO2增加量小于初始CO2體積分?jǐn)?shù)的增加［15］.兩者的綜合表現(xiàn)是CO2的脫除效率隨著CO2體積分?jǐn)?shù)的增大逐漸降低.從氨利用角度分析，由于更多的NH3與CO2發(fā)生了反應(yīng)，有效提高了單次吸收氨利用率.

2.5 反應(yīng)溫度對(duì)CO2 和SO2 脫除效率的影響

氣液兩相反應(yīng)尤其是液氣比較大時(shí)，單純靠改變煙氣的溫度來(lái)調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度難度較大，比熱容較大的氨水很快會(huì)將比熱容相對(duì)很小的模擬煙氣的溫度冷卻下來(lái)，另外由于填料塔的散熱，很難提高反應(yīng)溫度，本實(shí)驗(yàn)中將同時(shí)調(diào)節(jié)填料塔入口前的氨水溫度和模擬煙氣溫度，并在填料塔外加裝保溫層，這樣能很好地控制反應(yīng)溫度.工況5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7.

圖7 反應(yīng)溫度對(duì)CO2 和SO2 脫除效率的影響Fig.7 Influence of reaction temperature on the CO2and SO2removal efficiency

由圖7可知，5%氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，SO2脫除效率受反應(yīng)溫度的影響很小，只在小范圍內(nèi)波動(dòng)，上下浮動(dòng)0.18%，且保持在99.8%以上.CO2的脫除效率隨反應(yīng)溫度的升高呈先升高后下降然后繼續(xù)升高的趨勢(shì)，在35 ℃左右時(shí)，達(dá)到本次實(shí)驗(yàn)的最高CO2脫除效率.具體來(lái)看，在15～35℃時(shí)，氣液兩相分子運(yùn)動(dòng)加劇，擴(kuò)散系數(shù)增大，SO2反應(yīng)的活化能較低，故一直保持較高的脫除效率，而CO2反應(yīng)的活化能較高，故隨著反應(yīng)溫度的升高，CO2的轉(zhuǎn)化率增大.但是，CO2與氨水可逆反應(yīng)的正向反應(yīng)是放熱反應(yīng)，溫度在35～50℃階段，正向反應(yīng)受到抑制，反應(yīng)向逆向偏移，且此因素占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致CO2的脫除效率降低.反應(yīng)溫度繼續(xù)升高，氨水的電離程度增大，溶液的堿性增強(qiáng)，這成為提高CO2脫除效率的主要因素.但是反應(yīng)溫度越高，氨逃逸越嚴(yán)重，會(huì)造成氨利用率降低.填料塔出口處的NH3濃度增大會(huì)對(duì)本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)尾氣處理設(shè)備造成很大壓力，故出于安全考慮，本實(shí)驗(yàn)中反應(yīng)溫度最高設(shè)為60 ℃.

2.6 pH 值對(duì)CO2 和SO2 脫除效率的影響

配制初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的氨水溶液，測(cè)其pH值，然后噴淋進(jìn)入填料塔脫除煙氣中的CO2和SO2，反應(yīng)后的富液作為吸收液進(jìn)行再循環(huán)，每次循環(huán)之前測(cè)量溶液的pH 值，工況6 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8.

圖8 pH 值對(duì)CO2 和SO2 脫除效率的影響Fig.8 Influence of pH value on the CO2and SO2removal efficiency

實(shí)驗(yàn)中每次反應(yīng)后的溶液pH 值逐漸下降，由圖8可知，隨著吸收液pH 值的降低，SO2的脫除效率在前6次均為100%，只在第7 次循環(huán)時(shí)下降了0.05%.而CO2脫除效率下降較為明顯，但在pH值在9.6～10.2出現(xiàn)略微波動(dòng).分析認(rèn)為，開(kāi)始階段吸收液中的主要成分是氨水溶液，隨著吸收的進(jìn)行，溶液中的（NH4）2CO3與（NH4）2SO3增多，即溶液負(fù)載量增大，導(dǎo)致脫除效率下降.（NH4）2CO3與（NH4）2SO3達(dá) 到 一 定 程 度 后，即 開(kāi) 始 生 成NH4HCO3與NH4HSO3，此時(shí)CO2的脫除效率會(huì)有一定程度的提高，而后CO2脫除效率會(huì)隨著溶液中有效吸收成分的減少而逐漸降低.

實(shí)際應(yīng)用中，反應(yīng)后生成的富液經(jīng)過(guò)再生塔加熱處理可以脫去CO2負(fù)載.向負(fù)載液中增加鉀離子，通過(guò)生成較低溶解度的硫酸鉀等鹽類結(jié)晶的方法可以實(shí)現(xiàn)SO2負(fù)載的清除［7］.脫除負(fù)載后的氨水溶液可以循環(huán)再利用，有效地提高了氨水的利用率.

2.7 最佳工況連續(xù)循環(huán)運(yùn)行

常規(guī)燃煤電廠中，煙氣中CO2體積分?jǐn)?shù)約為15%，SO2體積分?jǐn)?shù)約為0.2%，模擬煙氣總體積流量固定為4L／min，配制1L 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、體積流量為0.3L／min的氨水溶液，反應(yīng)溫度控制在35℃.選取上述最佳工況，實(shí)驗(yàn)連續(xù)循環(huán)運(yùn)行260 min.圖9為填料塔出口處CO2和SO2體積分?jǐn)?shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線.

圖9 填料塔出口處CO2 和SO2 體積分?jǐn)?shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線Fig.9 Real－time monitoring curve of the CO2and SO2concentration at tower outlet

從圖9可知，填料塔出口處CO2和SO2體積分?jǐn)?shù)分別在約5min和3min內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，且CO2的脫除效率達(dá)90%以上，SO2的脫除效率為100%.由于氨水溶液只有1L，所以在運(yùn)行約30min后，CO2的體積分?jǐn)?shù)開(kāi)始出現(xiàn)較快的上升趨勢(shì)，而氨水與煙氣中的 CO2和 SO2反應(yīng)，產(chǎn)物中出現(xiàn)的（NH4）2CO3極 易 吸 收CO2向NH4HCO3溶 液 轉(zhuǎn)換.因此，在約120 min時(shí)出現(xiàn)CO2體積分?jǐn)?shù)的波動(dòng).在約200 min 以后，吸收劑的主要成分為（NH4）2CO3，CO2的體積分?jǐn)?shù)基本保持平穩(wěn)的增長(zhǎng)趨勢(shì).在整個(gè)過(guò)程中，SO2體積分?jǐn)?shù)增長(zhǎng)緩慢，即使CO2脫除效率降到接近0的狀況下，SO2的脫除效率仍高達(dá)92%.這一方面是由于氨水選擇性地優(yōu)先與SO2發(fā)生反應(yīng)，其脫除比較完全；另一方面，可能發(fā)生式（5）和式（6）所示的反應(yīng).

為了探討CO2和SO2的長(zhǎng)期高效穩(wěn)定脫除，通過(guò)添加吸收劑方法（補(bǔ)氨）模擬等效再生實(shí)驗(yàn)，即在循環(huán)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到25 min時(shí)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的稀氨水，模擬等效解析再生的吸收劑.由圖9可知，添加吸收劑能夠有效抑制脫除效率的下降，使CO2和SO2的脫除效率長(zhǎng)期保持在較高的水平，在150 min左右，CO2的脫除效率仍高達(dá)86.18%，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，CO2的脫除效率為74.85%，SO2的脫除效率維持在93%以上.補(bǔ)氨實(shí)驗(yàn)不僅可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間高效地脫除CO2和SO2，而且還可以避免氨水在吸收過(guò)程中負(fù)載積累過(guò)多引起產(chǎn)物不穩(wěn)定現(xiàn)象的出現(xiàn)，更好地控制CO2和SO2的脫除效率.

3 氣溶膠影響因素研究

模擬煙氣中的SO2會(huì)與氨水溶液中揮發(fā)出來(lái)的氣態(tài)NH3發(fā)生反應(yīng)生成（NH4）2SO3、NH4HSO3和（NH4）2SO4等0.07～0.7μm 的無(wú)機(jī)鹽顆粒，這是濕式氨法煙氣脫硫過(guò)程中氣溶膠的主要成分.實(shí)驗(yàn)中采用芬蘭DEKATI公司生產(chǎn)的ELPI來(lái)在線檢測(cè)氣溶膠的粒徑分布和質(zhì)量濃度，ELPI可測(cè)粒徑范圍為0.03～10μm.由于經(jīng)過(guò)填料塔的煙氣中攜帶較多水蒸氣，為了防止水蒸氣在ELPI沖擊盤(pán)上的凝結(jié)對(duì)測(cè)量值造成影響，采用經(jīng)恒溫加熱器加熱的純N2作為稀釋氣體以減小誤差.

實(shí)驗(yàn)中模擬煙氣的總體積流量控制為4 L／min，CO2體積分?jǐn)?shù)為15%，SO2體積分?jǐn)?shù)為0.2%.圖10給出了氨水體積流量為0.2L／min的條件下，填料塔反應(yīng)溫度和氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)氣溶膠排放質(zhì)量濃度的影響.圖11給出了常溫下，吸收液的pH 值和液氣比對(duì)氣溶膠排放質(zhì)量濃度的影響.

由圖10可知，同一氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，隨著反應(yīng)溫度的升高，氣溶膠的排放質(zhì)量濃度逐漸增大；同一反應(yīng)溫度下，氣溶膠排放質(zhì)量濃度隨氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大；較低反應(yīng)溫度時(shí)，氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大對(duì)氣溶膠排放質(zhì)量濃度的影響要明顯小于較高反應(yīng)溫度時(shí).這主要是因?yàn)榉磻?yīng)溫度的升高一方面促進(jìn)了氨水中NH3的揮發(fā)，另一方面有利于煙氣所攜帶的吸收了SO2后的脫硫液滴蒸發(fā)后析出固態(tài)晶粒.而氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大有利于氣態(tài)NH3的揮發(fā)，根據(jù)勒夏特列原理，NH3與CO2的反應(yīng)將正向移動(dòng)，氣溶膠排放質(zhì)量濃度將會(huì)增大.脫碳脫硫液滴的蒸發(fā)結(jié)晶也在一定程度上增大了氣溶膠的排放質(zhì)量濃度.

圖10 反應(yīng)溫度和氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)氣溶膠排放質(zhì)量濃度的影響Fig.10 Influence of reaction temperature on the aerosol emission with ammonia solution of different concentrations

圖11 pH 值和液氣比對(duì)氣溶膠排放質(zhì)量濃度的影響Fig.11 Influence of pH value on the aerosol emission at different liquid－gas ratios

由圖11可知，pH 值在9.39～10.5時(shí)，同一液氣比下，氣溶膠的排放質(zhì)量濃度相差不大；但pH 值在10.5～12內(nèi)，氣溶膠排放質(zhì)量濃度增加明顯.顯然較小的pH 值有利于減少氣溶膠的生成.這是由于吸收液pH 值增大，溶液堿性增強(qiáng)，有利于NH3的揮發(fā)，氣溶膠的排放質(zhì)量濃度將會(huì)增大.當(dāng)pH 值一定時(shí)，液氣比的增大會(huì)相應(yīng)增大氣溶膠排放質(zhì)量濃度，分析認(rèn)為，液氣比增大一方面增加了吸收液中NH3的揮發(fā)量，導(dǎo)致NH3與SO2反應(yīng)生成的氣溶膠增多；另一方面煙氣攜帶的霧滴也隨之增加，霧滴蒸發(fā)形成氣溶膠顆粒，造成氣溶膠的排放質(zhì)量濃度也有所增大.

綜上所述，隨著氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溶液pH 值和液氣比的增大以及反應(yīng)溫度的升高，氣溶膠的排放質(zhì)量濃度均會(huì)增大.這與張文武等［16］所得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論相同.因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要在保證高效脫除SO2和CO2的前提下，選取最佳的工況將氣溶膠排放質(zhì)量濃度控制在要求范圍內(nèi).由于排出煙氣溫度低于30 ℃時(shí)極易生成0.07～0.7μm 的亞硫酸銨，而當(dāng)排出煙氣溫度高于45 ℃時(shí)可以有效控制氣溶膠的生成，所以排出煙氣溫度一般要求控制在45～50 ℃.鮑靜靜等［17］利用蒸汽相變?cè)恚捎锰砑舆m量蒸汽的方法，可有效脫除濕式氨法脫硫中形成的氣溶膠.

4 結(jié) 論

（1）隨著氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)和液氣比的增大，CO2脫除效率明顯提高，SO2脫除效率基本維持在100%不變，通過(guò)對(duì)比得出最佳的氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、體積流量為0.3L／min；SO2和CO2初始體積分?jǐn)?shù)的增大降低了CO2脫除效率，但對(duì)SO2的脫除效率影響不大.

（2）反應(yīng)溫度升高對(duì)SO2的脫除效率影響很小，但CO2的脫除效率出現(xiàn)先升高后降低接著又升高的“N”形曲線，在15～60 ℃內(nèi)，35 ℃左右時(shí)CO2的脫除效率最高；隨著pH 值的減小，SO2脫除效率變化很小，CO2的脫除效率呈整體下降趨勢(shì)，但在9.6～10.2內(nèi)出現(xiàn)波動(dòng).

（3）260min連續(xù)循環(huán)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)中，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的氨水能夠較快地脫除模擬煙氣中的CO2和SO2，且在前30 min內(nèi)能維持較高的脫除效率，尤其是SO2的脫除效率能夠一直保持在92%以上.25 min開(kāi)始的等效再生補(bǔ)氨實(shí)驗(yàn)，有效提高了脫碳脫硫效率，可以實(shí)現(xiàn)CO2與SO2長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定脫除.

（4）隨著氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溶液pH 值和液氣比的增大以及反應(yīng)溫度的升高，氣溶膠排放質(zhì)量濃度均會(huì)增大，在保證氨水同時(shí)脫碳脫硫較高效率的前提下，提出了一些能夠降低出口煙氣中氣溶膠攜帶量的措施.

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