濕法脫硫煙氣組分測定與比熱容計(jì)算

李永田

濕法脫硫煙氣組分測定與比熱容計(jì)算

李永田

（東華大學(xué)，上海，200051）

濕法脫硫煙氣（Desulfurized Flue Gas，DFG）含濕量與組分測定的準(zhǔn)確性，制約著煙氣處理設(shè)備的設(shè)計(jì)成敗?；跓峁苁綗煔狻獰煔庠贌崞鳎℅as Gas Heater，GGH）的結(jié)構(gòu)，制定實(shí)驗(yàn)流程，搭建實(shí)驗(yàn)裝置，對原煙氣和凈煙氣中的水分含量分別進(jìn)行計(jì)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(jì)算公式，為煙氣脫硫（Flue Gas Desulfurization，F(xiàn)GD）工程設(shè)計(jì)提高參數(shù)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)

引言

濕式石灰石—石膏法脫硫工藝在國內(nèi)外煙氣脫硫技術(shù)中占據(jù)著主導(dǎo)地位[1]。濕法煙氣脫硫（Flue Gas Desulfurization ，F(xiàn)GD）是抑制二氧化硫污染的有效途徑之一，但經(jīng)過該工藝處理后，煙氣溫度較低（低于55℃），如不經(jīng)過再熱而直接排放，那么煙氣抬升高度受限且不易擴(kuò)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(tǒng)以保證煙氣合理擴(kuò)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(nèi)一所985高校對其實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行優(yōu)化、測試、分析，以評價(jià)其換熱性能。該實(shí)驗(yàn)利用相似原理，將具體工程的特征數(shù)按比例縮小，以獲得所需數(shù)據(jù)。由于經(jīng)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(guān)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(zhì)量[2]。

1　GGH實(shí)驗(yàn)搭建

1.1熱管式GGH結(jié)構(gòu)

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

圖1　GGH結(jié)構(gòu)示意圖

1.2實(shí)驗(yàn)流程

如圖2所示，煙氣是煙氣發(fā)生器的主產(chǎn)物。在煙氣調(diào)節(jié)室內(nèi)，煙氣發(fā)生霧化，輔以SO2和煤粉的添加，得到接近工程實(shí)際的模擬煙氣。模擬煙氣經(jīng)過GGH蒸發(fā)側(cè)、FDG吸收塔、GGH冷凝側(cè)，最后經(jīng)過煙道，借助引風(fēng)機(jī)所提供的動(dòng)力排放于大氣中。

圖2　實(shí)驗(yàn)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(yīng)分別研究其測定方法。

對于原煙氣，其中的水分一般不會達(dá)到飽和態(tài)，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(jù)溫度查得煙氣相應(yīng)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(xì)小霧滴，使煙氣處于過飽和狀態(tài)。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(jìn)行測定，而應(yīng)首先將待測樣氣導(dǎo)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(jīng)干燥管的氣體流量將由累積式流量計(jì)進(jìn)行測量，而干燥管的吸濕量將根據(jù)通氣前后干燥管質(zhì)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(jīng)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(tǒng)

主要由干燥吸收瓶、濕度分析儀、陶瓷過濾器、質(zhì)量流量計(jì)、真空泵及煙氣分析儀構(gòu)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(jìn)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(yīng)先打開真空泵及旁路閥門，令樣氣由進(jìn)氣口L1流經(jīng)系統(tǒng)管路5 min，使得氣流狀態(tài)穩(wěn)定。初始測量過程中，應(yīng)防止因管壁吸附樣氣中的水分而導(dǎo)致的誤差。

（1）對原煙氣含濕量進(jìn)行測定時(shí)，選用英國生產(chǎn)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(zhì)量流量計(jì)，控制煙氣流量為200 mL/ min，同時(shí)關(guān)閉旁路，打開原煙氣測量管路上的閥門，樣氣由進(jìn)氣口L1流經(jīng)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(jìn)行測定時(shí)，選用干燥法。主要操作流程：打開真空泵和質(zhì)量流量計(jì)，控制煙氣流量為200 mL/min，同時(shí)關(guān)閉旁路，打開凈煙氣測量管路上的閥門。煙氣首先由進(jìn)氣口L2進(jìn)入干燥吸收瓶中（吸收瓶內(nèi)裝有變色硅膠，測量前先對吸收瓶進(jìn)行恒重標(biāo)定），則其中大部分水分及懸浮液滴均被吸收。控制系統(tǒng)以200 mL/min的煙氣量持續(xù)進(jìn)氣10 min，并在第10 min吸收結(jié)束時(shí)（同時(shí)應(yīng)保證硅膠層未被穿透），打開濕度分析儀兩端閥門，關(guān)閉其旁路閥門，測定當(dāng)前經(jīng)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(guān)閉干燥吸收瓶兩端閥門，將吸收瓶從系統(tǒng)中取出并稱重，得到干燥吸收瓶在測定前后的質(zhì)量差值，即為其在10 min中內(nèi)所流經(jīng)樣氣中水分的吸收量。用該質(zhì)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(jì)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(xiàng)

需要說明的是，原煙氣溫度較高，而取樣時(shí)由于煙氣溫度下降，煙氣可能從未飽和狀態(tài)變?yōu)轱柡?。若測定時(shí)發(fā)現(xiàn)濕度分析儀的示數(shù)已超過量程（相對濕度最大量程為100%），則應(yīng)對原煙氣采用與對凈煙氣相同的水分含量測定方法進(jìn)行分析。

3　煙氣組分測定

煙氣組分的測定是本實(shí)驗(yàn)測試指標(biāo)之一。利用煙氣濕度/含濕量/組分測定裝置，實(shí)現(xiàn)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(shí)打開裝置的旁路閥門，樣氣從測點(diǎn)引出后進(jìn)入進(jìn)氣口L1，利用真空泵將待測氣體引至煙氣分析儀，待示數(shù)穩(wěn)定后，可直接讀取樣氣中SO2和O2的含量值。煙道內(nèi)相對壓力低，尤其是凈煙氣煙道的壓力為負(fù)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(shí)，由于真空泵抽氣量較大，在測試時(shí)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(shè)備損壞。

3.2CaSO4濃度測定

凈煙氣中攜帶的CaSO4會在換熱器內(nèi)的熱交換管表面沉積，長期運(yùn)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(jìn)行測定[6]。

測量前，首先在吸收瓶內(nèi)加入0.1 mol/L的鹽酸溶液作為吸收劑，同時(shí)打開真空泵及旁路閥門，使得樣氣流經(jīng)系統(tǒng)管路。調(diào)節(jié)質(zhì)量流量計(jì)，控制氣流量為100 mL/min并保持穩(wěn)定。5 min后，將吸收瓶兩端的閥門打開，同時(shí)關(guān)閉旁路閥門，則氣樣由進(jìn)氣口L2流經(jīng)吸收瓶，其中的CaSO4組分被吸收劑吸收溶解。連續(xù)采集吸收30 min的氣樣（3 L）后，將吸收瓶兩端的閥門關(guān)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(xué)分析方法步驟如下：

（1）將吸收瓶中的溶液轉(zhuǎn)移至潔凈燒杯內(nèi)，并用去離子水反復(fù)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(zhì)；

（3）將氯化鋇溶液緩慢滴加入（1）的溶液中，直到不再出現(xiàn)沉淀為止。其標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)生即可。檢測完畢后，再將試管內(nèi)的液體倒回反應(yīng)液內(nèi)，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(zhuǎn)移至坩堝中后，用去離子水反復(fù)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(huán)境下干燥2～3 h，再冷卻至室溫條件下進(jìn)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(zhì)量m（單位g）。

那么，煙氣中CaSO4濃度的計(jì)算公式為

其中，0.5833是硫酸鋇換算到硫酸鈣質(zhì)量的系數(shù)，V表示所吸收氣樣的體積（該實(shí)驗(yàn)中設(shè)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(jì)算得到；水分含量可通過第2章節(jié)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(shè)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(shí)驗(yàn)過程中單位時(shí)間消耗的柴油質(zhì)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(shí)氣態(tài)水含量為0.0508 kg/Nm3，設(shè)水分含量為Z2kg/Nm3，則凈煙氣中水的濃度為（Z2-0.0508）Kg/ Nm3。進(jìn)而，原煙氣中N2的百分含量為：

其中，1.244為Z1kg/Nm3轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換所得體積濃度，即0.0508/18×22.4=6.321%。

4　比熱容計(jì)算

對于原煙氣，可利用工具書查得O2、CO2、 N2及水蒸氣在130℃時(shí)的質(zhì)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(guī)律，即混合氣體比熱為各組分比熱容之加權(quán)。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(shí)的質(zhì)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(jì)算得到比熱容

其中，Cp凈的單位是kJ/(Nm3·℃)。

5　結(jié)論

通過熱管分體式GGH模型的模擬實(shí)驗(yàn)，能夠獲得工程所需實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括FDG的含濕量與各組分濃度。并通過實(shí)驗(yàn)分析，獲得FDG混合氣體比熱容，對工程設(shè)計(jì)中，提高參數(shù)準(zhǔn)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(yīng)用[J]. 電力科技與環(huán)保, 2005, 21(4): 22-23, doi: 10.3969/j.issn.1674-8069.2005.04.007.

[2]姜業(yè)正, 吳昊, 雒飛, 等. 添加濕空氣對濕法脫硫凈煙氣中細(xì)顆粒物脫除性能[J]. 東南大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)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(yīng)用技術(shù)[J]. 鍋爐技術(shù), 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(tǒng)排放煙氣含水量的測定[J]. 環(huán)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(huán)境保護(hù)總局. 水和廢水監(jiān)測分析方法[M]. 中國環(huán)境科學(xué)出版社, 2009.

[6]水質(zhì)硫酸鹽的測定 重量法: GB 11899-1989 [S].

李永田(1976-)，男，吉林農(nóng)安人，漢族，熱能動(dòng)力機(jī)械與裝置專業(yè)高級技術(shù)職稱，現(xiàn)就讀于東華大學(xué)工程管理專業(yè)研究生，從事工業(yè)節(jié)能、系統(tǒng)能效分析及工程管理等相關(guān)工作。職務(wù)：第十三屆MBA聯(lián)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(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL: http://www.china-iti.com

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.05.029