三氧化硫酸霧氣溶膠低溫脫除實驗研究

米晨鋒， 馬素霞

(太原理工大學 電氣與動力工程學院， 太原 030024)

目前，燃煤電廠排放的SO2和NOx已有嚴格的國家標準，但SO3排放卻缺少相應的控制標準[1]，燃煤機組加裝選擇性催化還原(SCR)脫硝裝置后，一部分SO2被氧化成SO3，連同燃煤本身產(chǎn)生的SO3隨著煙氣進入濕法脫硫塔內，并與H2O以均相成核或異向成核的方式形成酸霧氣溶膠[2-4]。生成的SO3酸霧氣溶膠粒徑為亞微米級，跟隨性好，難以捕捉，增加了空氣預熱器腐蝕和堵塞風險。同時，這種酸霧氣溶膠排入大氣時，因溫度驟降而凝結為酸霧液滴，經(jīng)陽光折射和散射作用呈現(xiàn)白色、灰色或藍色，被稱為煙羽。燃煤電廠的煙羽是引起霧霾的元兇之一，會造成視覺污染，給人們的身心健康帶來危害[5]。

目前，針對SO3酸霧氣溶膠的脫除主要有2種技術路線：第一種是協(xié)同控制技術，主要采用的方法有低低溫電除塵、濕式電除塵[6]以及濕法脫硫除塵技術；另一種是堿性脫除劑噴射技術，其原理是在煙道的合適位置(如爐內、電除塵器之前、空氣預熱器之前和SCR脫硝裝置之前)噴射堿性脫除劑與酸霧氣溶膠發(fā)生化學反應來脫除SO3[7]，常用的堿性脫除劑有Mg(OH)2、Ca(OH)2和NaHSO3等，反應溫度均在300 ℃左右。目前國內外鮮有關于低溫下酸霧氣溶膠脫除方面的研究，吳昊[8]通過水汽相變凝結的方法增大SO3酸霧氣溶膠的粒徑，從而對酸霧氣溶膠進行物理脫除，揭示了SO3酸霧氣溶膠在熱泳力、擴散泳力和布朗運動下的運動規(guī)律和長大特性。常景彩[9]通過SO3與空氣中的水蒸氣結合形成酸霧氣溶膠的方法進行低溫脫除實驗，但因制備方法粗糙，酸霧氣溶膠粒徑較大，與脫硫塔后粒徑有較大差距。筆者旨在通過實驗研究，探尋40～60 ℃(濕法脫硫塔出口溫度)低溫環(huán)境下不同溫度、摩爾比、堿性脫除劑種類、堿性脫除劑入射角度和霧化氣體積流量等對酸霧氣溶膠脫除特性的影響。

1 實驗系統(tǒng)與方法

1.1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)原理圖如圖1所示，系統(tǒng)由SO3發(fā)生裝置、酸霧氣溶膠生成裝置和脫除裝置以及硫酸根檢測裝置4部分組成。

本實驗用N2、O2、SO2來模擬煙氣的配置，其中N2為平衡氣，與SO2和O2一起流經(jīng)管式爐，經(jīng)過V2O5的高溫(480 ℃)催化，生成SO3氣體，SO3的沸點較高，所以SO3氣體全程由200 ℃的加熱帶進行保溫然后通入酸霧氣溶膠生成裝置。生成裝置的另外兩路分別是水蒸氣和空氣，水蒸氣由特制的水蒸氣發(fā)生器提供，通過蠕動泵控制流量，產(chǎn)生的水蒸氣與SO3氣體在酸霧氣溶膠生成裝置中形成酸霧氣溶膠，全程保溫130 ℃；空氣由空氣壓縮機加壓，并被加熱至50～70 ℃后通入酸霧氣溶膠生成裝置，從而控制其整體溫度。

1-N2氣瓶； 2-SO2氣瓶； 3-O2氣瓶； 4-閥門； 5-質量流量計； 6-預混罐； 7-溫度控制器； 8-管式爐； 9-V2O5催化劑； 10-空氣壓縮機； 11-水蒸氣發(fā)生器； 12-加熱帶； 13-酸霧氣溶膠生成裝置； 14-霧化噴頭； 15-堿性脫除劑溶液； 16-蠕動泵； 17-控溫裝置； 18-采樣槍； 19-蛇形冷凝管； 20-吸收瓶； 21-吸水瓶； 22-抽氣泵； 23-后處理裝置。

酸霧氣溶膠發(fā)生裝置入口處從上到下的氣體分別為SO3、空氣和水蒸氣。由于空氣體積流量(120 L/min)占酸霧氣溶膠發(fā)生裝置總氣量的主要部分，在水蒸氣發(fā)生器的前段，空氣將SO3與水蒸氣分隔開，避免了SO3與水蒸氣在入口處直接混合，在水蒸氣發(fā)生器的后段，SO3與水蒸氣分散均勻，混合后的酸霧氣溶膠粒徑更接近濕法脫硫塔后酸霧氣溶膠的粒徑。

酸霧氣溶膠脫除裝置由長1 m的水平主煙道和雙流體霧化噴頭組成，主煙道通過加熱帶控制實驗溫度，在入口處設有一個霧化噴頭，堿性脫除劑(如Na2CO3、NaHCO3和NaOH)通過霧化噴頭形成噴霧液滴，以不同的入射角度噴入直管段中，與主流的酸霧氣溶膠進行混合，發(fā)生化學反應，從而實現(xiàn)對酸霧氣溶膠的脫除。

酸霧氣溶膠濃度測量方法——控制冷凝法是國內外技術相對成熟，且有標準(GB/T 21508-2008 《燃煤煙氣脫硫設備性能測試方法》)遵循的SO3取樣方法，通過高溫采樣槍進行取樣，經(jīng)石英過濾器過濾雜質，再進入蛇形冷凝管，控制水浴溫度在酸露點及水露點溫度以下，使酸霧氣溶膠冷凝成酸霧液滴并被蛇形冷凝管收集。利用分光光度計測量與氯化鋇反應之后的樣液渾濁度來測量硫酸根濃度，進而換算出SO3的質量濃度[10]。

1.2 實驗計算

1.2.1 脫除效率

堿性脫除劑對SO3的脫除效率η為：

(1)

式中：ρSO3,in、ρSO3,out分別為脫除裝置入口和出口煙氣中SO3的質量濃度，mg/m3。

1.2.2 主要化學反應

實驗中主要化學反應如下：

Na2CO3+H2SO4=Na2SO4+H2O+CO2

(2)

2NaOH+H2SO4=Na2SO4+2H2O

(3)

2NaHCO3+H2SO4=Na2SO4+2H2O+2CO2

(4)

本實驗中的反應為酸堿中和反應，堿性脫除劑溶液經(jīng)霧化噴頭形成小液滴后，在脫除裝置中與酸霧氣溶膠進行化學反應。

以反應式(2)為例，摩爾比=n(Na2CO3)∶n(H2SO4)，其中n為物質的量。

2 實驗結果與分析

2.1 溫度對脫除效率的影響

溫度對于任何化學反應都是重要的影響因素，溫度越高，化學反應所需的活化能越低，反應越容易發(fā)生。圖2給出了溫度對脫除效率的影響，其中堿性脫除劑為Na2CO3，SO3初始質量濃度為75 mg/m3。以摩爾比為2時為例，當溫度低于52 ℃時，脫除效率與溫度基本呈正相關，當溫度從40 ℃提高至52 ℃時，脫除效率提高21%；溫度為54～60 ℃時，脫除效率為64.5%左右，提升溫度對脫除效率基本無影響。根據(jù)Arrhenius定律，化學反應速率是影響反應的主要因素，當溫度低于臨界溫度(52 ℃)時，溫度升高導致反應物能量增大，活化分子數(shù)增多，化學反應速率加快，脫除效率升高。但繼續(xù)提高溫度時，化學反應速率對脫除效率的控制已達極限，此時化學反應速率不再是影響脫除效率的主要因素，噴霧液滴與堿性脫除劑的碰撞概率和脫除裝置中模擬煙氣的停留時間成為主要控制因素。

圖2 溫度對脫除效率的影響Fig.2 Effect of temperature on removal efficiency

同理，當摩爾比為3和4時，最大脫除效率對應的溫度分別為55 ℃和58 ℃，脫除效率的變化規(guī)律與摩爾比為2時脫除效率的變化規(guī)律基本一致。

2.2 摩爾比對脫除效率的影響

圖3給出了摩爾比對脫除效率的影響，其中堿性脫除劑為Na2CO3，溫度為55 ℃。由圖3可知，當SO3初始質量濃度(即脫除裝置入口煙氣中SO3的質量濃度)為75 mg/m3，摩爾比為1、2、3和4時，脫除效率分別為55%、64%、69%和70%。隨著摩爾比的增大，脫除效率整體呈現(xiàn)遞增趨勢，但增長率卻在下降。當摩爾比從1增大到2時，脫除效率提高了16%，當摩爾比繼續(xù)增大到3時，脫除效率增長率只有7%，當摩爾比從3增大到4時，脫除效率基本持平。這說明低摩爾比時，增大摩爾比可以提高堿性脫除劑濃度，進而提高脫除效率，但是當摩爾比增大到一定程度時，單位體積內的堿性脫除劑摩爾數(shù)對于噴霧液滴已經(jīng)飽和，增大摩爾比，脫除效率不再提高，反而會造成堿性脫除劑的浪費。此時噴霧液滴與酸霧氣溶膠的碰撞概率成為制約脫除效率的主要因素，脫除效率可能與2種反應物的混合方式有關，或與噴霧液滴的物理性質有關。

圖3 摩爾比對脫除效率的影響Fig.3 Effect of molar ratio on removal efficiency

在摩爾比為1時，高SO3初始質量濃度(150 mg/m3)比低SO3初始質量濃度(75 mg/m3)的脫除效率高18%，其原因是SO3初始質量濃度提高，單位體積內的酸霧氣溶膠也隨之增多，進而提高了堿性脫除劑與酸霧氣溶膠的碰撞概率，所以脫除效率較高。隨著摩爾比的增大，酸霧氣溶膠與堿性脫除劑的碰撞概率不再受摩爾比的影響，不同SO3初始質量濃度的脫除效率也接近一致。

2.3 堿性脫除劑種類對脫除效率的影響

圖4給出了堿性脫除劑種類對脫除效率的影響，其中堿性脫除劑為Na2CO3、NaOH和NaH-CO3。由圖4可知，NaHCO3的脫除效率略高于其他2種堿性脫除劑，但差距不大。

圖4 堿性脫除劑種類對脫除效率的影響Fig.4 Effect of types of alkaline sorbents on removal efficiency

2.4 入射角度對脫除效率的影響

通過改變堿性脫除劑的入射角度，使其與主流空氣的夾角分別呈45°、70°、90°、110°和135°，通過考察不同入射角度對噴霧液滴在脫除裝置中擴散程度的影響，進而分析入射角度對脫除效率的影響(見圖5，其中堿性脫除劑為Na2CO3，摩爾比為2，溫度為55 ℃)。

圖5 入射角度對脫除效率的影響Fig.5 Effect of incident angle on removal efficiency

由圖5可知，當入射角度為90°時，即堿性脫除劑入射方向垂直于主流方向，脫除效率為64.5%，在所有入射角度中90°時的脫除效率最低。入射角度為135°時，脫除效率為72.81%(比90°入射角度時的脫除效率提高13%)，高于入射角度為45°時的脫除效率(67.91%)。這是因為當堿性脫除劑噴霧液滴進入主流管段后，噴霧液滴在主流方向上的受力各不相同。其中，135°入射角度時噴霧液滴進入管段后沿主流方向的分速度與主流速度相反，由于氣液間的相互耦合作用導致的動量傳遞，噴霧液滴沿主流截面豎直方向的速度變化最為劇烈，相較于其他入射角度，噴霧液滴受到的擾動最強，擴散體積最大，故脫除效率最高。90°入射角度時噴霧液滴進入主流管段后，無主流方向的分速度，受到的上下擾動最小，故脫除效率最低。

2.5 霧化氣體積流量對脫除效率的影響

圖6給出了霧化氣體積流量對脫除效率的影響，其中堿性脫除劑為Na2CO3，摩爾比為2，溫度為55 ℃。由于采用的是雙流體霧化噴嘴，霧化氣體積流量對于噴嘴產(chǎn)生的堿性脫除劑粒徑大小起決定性作用，這會影響堿性脫除劑與酸霧氣溶膠的接觸面積和碰撞概率，從而影響脫除效率。

圖6 霧化氣體積流量對脫除效率的影響Fig.6 Effect of volume flow rate of atomized gas onremoval efficiency

由圖6可知，當霧化氣體積流量從7.5 L/min增加到12.5 L/min時，脫除效率升高了10%，霧化氣體積流量為12.5 L/min時基本達到最大脫除效率，其原因是霧化氣體積流量增加，破碎效果增強，霧化噴頭產(chǎn)生的噴霧液滴粒徑減小，小粒徑噴霧液滴的總表面積較大，與酸霧氣溶膠的反應面積變大，總反應速率增大，故脫除效率呈上升趨勢。但當霧化氣體積流量繼續(xù)增加時，制約化學反應的主要因素不再是反應面積，所以脫除效率上升并不明顯，基本保持不變。

3 結 論

(1) 溫度對脫除效率的影響至關重要，本文中酸霧氣溶膠最佳脫除溫度為54～58 ℃。

(2) 增大堿性脫除劑與H2SO4的摩爾比會提升脫除效率，摩爾比為3時基本達到最大脫除效率。

(3) Na2CO3、NaOH和NaHCO3對酸霧氣溶膠的脫除效果基本一致，其中NaHCO3的脫除效果略好于其他2種堿性脫除劑。

(4) 堿性脫除劑入射角度為135°時，噴霧液滴充滿整個空間的體積分數(shù)最大，脫除效果最好。

(5) 增加霧化氣體積流量會使噴霧液滴粒徑減小，提升脫除效率，霧化氣體積流量為12.5 L/min時基本達到最大脫除效率。