湿法脱硫烟气组分测定与比热容计算

李永田

湿法脱硫烟气组分测定与比热容计算

李永田

（东华大学，上海，200051）

湿法脱硫烟气（Desulfurized Flue Gas，DFG）含湿量与组分测定的准确性，制约着烟气处理设备的设计成败。基于热管式烟气—烟气再热器（Gas Gas Heater，GGH）的结构，制定实验流程，搭建实验装置，对原烟气和净烟气中的水分含量分别进行计算，得到了总含湿量。接着探讨了烟气中SO2、O2和CaSO4的浓度，以及N2、O2、CO2和水分等组分的测定方法，最终获得了DFG混合气体比热容计算公式，为烟气脱硫（Flue Gas Desulfurization，FGD）工程设计提高参数准确性提供了重要借鉴。

脱硫烟气；含湿量；组分测定；烟气—烟气再热器；实验

引言

湿式石灰石—石膏法脱硫工艺在国内外烟气脱硫技术中占据着主导地位[1]。湿法烟气脱硫（Flue Gas Desulfurization ，FGD）是抑制二氧化硫污染的有效途径之一，但经过该工艺处理后，烟气温度较低（低于55℃），如不经过再热而直接排放，那么烟气抬升高度受限且不易扩散，容易在烟囱附近形成酸雾污染，因此通常需配套烟气再热系统以保证烟气合理扩散。M公司为了确保热管式烟气—烟气再热器（Gas Gas Heater，GGH）满足工程需要，委托国内一所985高校对其实验模型进行优化、测试、分析，以评价其换热性能。该实验利用相似原理，将具体工程的特征数按比例缩小，以获得所需数据。由于经过FGD的烟气湿度对GGH的换热性能影响较大，因此着重探讨烟气含湿量的测定，并辅以其它相关组分的测定。约定含湿量指湿空气中与1 kg干空气并存的水蒸气质量[2]。

1　GGH实验搭建

1.1热管式GGH结构

图1所示为热管式GGH的结构示意图。下降管束、冷凝管束、上升管束和蒸发管束构成换热主体。在冷凝管束外围构造流体流通管道，构成净烟气箱；在蒸发管束外围构造流体流通管道，构成原烟气箱[3]。

图1　GGH结构示意图

1.2实验流程

如图2所示，烟气是烟气发生器的主产物。在烟气调节室内，烟气发生雾化，辅以SO2和煤粉的添加，得到接近工程实际的模拟烟气。模拟烟气经过GGH蒸发侧、FDG吸收塔、GGH冷凝侧，最后经过烟道，借助引风机所提供的动力排放于大气中。

图2　实验流程

2　烟气含湿量测定

原烟气和净烟气中水分含量差异较大，应分别研究其测定方法。

对于原烟气，其中的水分一般不会达到饱和态，故可利用便携式湿度仪直接测量相对湿度和温度值，再根据温度查得烟气相应的饱和水蒸气含量。用该值乘以测得的相对湿度，即得到绝对含湿量，即水分含量。

对于净烟气，因其来自湿法脱硫装置，烟气中可能携带少量细小雾滴，使烟气处于过饱和状态。对于过饱和烟气，由于其相对湿度大于100%，因此无法利用湿度仪直接进行测定，而应首先将待测样气导入装有变色硅胶的干燥管中，利用其吸收烟气中的部分水分，再用湿度仪测量干燥后烟气的相对湿度。流经干燥管的气体流量将由累积式流量计进行测量，而干燥管的吸湿量将根据通气前后干燥管质量的变化值来确定[4]。由此测得的烟气含湿量则分为两部分：一部分是由干燥管吸湿量除以流经烟气量所测得的含湿量；另一部分是由湿度仪所测得的含湿量，二者之和即为净烟气中的水分含量[5]。

2.1含湿量测定系统

主要由干燥吸收瓶、湿度分析仪、陶瓷过滤器、质量流量计、真空泵及烟气分析仪构成（如图3所示），不仅可以测定原烟气、净烟气中的含湿量，稍加改造后，也可对烟气中各组分的含量进行测定。

图3　烟气含湿量测定流程示意图

2.2测定方法及流程

测量前，应先打开真空泵及旁路阀门，令样气由进气口L1流经系统管路5 min，使得气流状态稳定。初始测量过程中，应防止因管壁吸附样气中的水分而导致的误差。

（1）对原烟气含湿量进行测定时，选用英国生产的Testo 410-2便携式湿度仪，其温度测定误差＜0.2℃，相对湿度测定误差＜0.5%。主要操作流程：打开真空泵和质量流量计，控制烟气流量为200 mL/ min，同时关闭旁路，打开原烟气测量管路上的阀门，样气由进气口L1流经湿度分析仪，得到其温度与湿度值，再通过换算得到原烟气中水分含量。

（2）对净烟气含湿量进行测定时，选用干燥法。主要操作流程：打开真空泵和质量流量计，控制烟气流量为200 mL/min，同时关闭旁路，打开净烟气测量管路上的阀门。烟气首先由进气口L2进入干燥吸收瓶中（吸收瓶内装有变色硅胶，测量前先对吸收瓶进行恒重标定），则其中大部分水分及悬浮液滴均被吸收。控制系统以200 mL/min的烟气量持续进气10 min，并在第10 min吸收结束时（同时应保证硅胶层未被穿透），打开湿度分析仪两端阀门，关闭其旁路阀门，测定当前经干燥吸收瓶吸收后烟气的湿度与温度值。吸收操作完毕后，关闭干燥吸收瓶两端阀门，将吸收瓶从系统中取出并称重，得到干燥吸收瓶在测定前后的质量差值，即为其在10 min中内所流经样气中水分的吸收量。用该质量差除以样气体积（2 L），得到烟气水分含量a；再用湿度分析仪所测湿度和温度值计算得到烟气水分含量b，两者相加即得到净烟气的总水分含量g。

2.3注意事项

需要说明的是，原烟气温度较高，而取样时由于烟气温度下降，烟气可能从未饱和状态变为饱和。若测定时发现湿度分析仪的示数已超过量程（相对湿度最大量程为100%），则应对原烟气采用与对净烟气相同的水分含量测定方法进行分析。

3　烟气组分测定

烟气组分的测定是本实验测试指标之一。利用烟气湿度/含湿量/组分测定装置，实现原烟气/净烟气中SO2、O2和CaSO4的浓度测定，以及N2、O2、CO2和水分等的组分测定和分析，流程如图4所示。

图4　烟气浓度/组分测定流程示意图

3.1SO2、O2浓度测定

开启烟气分析仪，同时打开装置的旁路阀门，样气从测点引出后进入进气口L1，利用真空泵将待测气体引至烟气分析仪，待示数稳定后，可直接读取样气中SO2和O2的含量值。烟道内相对压力低，尤其是净烟气烟道的压力为负压，而烟气分析仪自带抽气泵的抽吸力十分有限，有可能无法采集到气样，因此需要利用真空泵为气体升压。同时，由于真空泵抽气量较大，在测试时需要将真空泵与烟气分析仪之间的旁路排空阀门打开，以避免过大的气量直接冲击烟气分析仪，起到了分流作用，并避免了设备损坏。

3.2CaSO4浓度测定

净烟气中携带的CaSO4会在换热器内的热交换管表面沉积，长期运行则会影响到热交换管的传热效果，故对净烟气中CaSO4的浓度进行测定[6]。

测量前，首先在吸收瓶内加入0.1 mol/L的盐酸溶液作为吸收剂，同时打开真空泵及旁路阀门，使得样气流经系统管路。调节质量流量计，控制气流量为100 mL/min并保持稳定。5 min后，将吸收瓶两端的阀门打开，同时关闭旁路阀门，则气样由进气口L2流经吸收瓶，其中的CaSO4组分被吸收剂吸收溶解。连续采集吸收30 min的气样（3 L）后，将吸收瓶两端的阀门关闭，取下吸收瓶，完成气样采集吸收操作。求取样气中CaSO4浓度的化学分析方法步骤如下：

（1）将吸收瓶中的溶液转移至洁净烧杯内，并用去离子水反复冲洗吸收瓶2～3次，洗涤后一并倒入烧杯中；

（2）取10 g氯化钡，溶于100 mL去离子水中，并滤除溶液中的不溶性杂质；

（3）将氯化钡溶液缓慢滴加入（1）的溶液中，直到不再出现沉淀为止。其标准为：取少量上清液于试管中，滴入1～2滴氯化钡溶液，若无白色沉淀产生即可。检测完毕后，再将试管内的液体倒回反应液内，并洗涤2～3次，再过量滴入2 mL，并煮沸5 min；

（4）用已称重过的G4玻璃坩埚过滤沉淀，将沉淀全部转移至坩埚中后，用去离子水反复滤洗沉淀5～6次，以充分去除可能存在的氯离子；

（5）将坩埚置于105℃环境下干燥2～3 h，再冷却至室温条件下进行称重。将坩埚前后两次的称重值相减，得到硫酸钡沉淀的质量m（单位g）。

那么，烟气中CaSO4浓度的计算公式为

其中，0.5833是硫酸钡换算到硫酸钙质量的系数，V表示所吸收气样的体积（该实验中设定为3L）。

3.3N2、O2、CO2和水分组分测定

混合烟气主要组分包括N2、O2、CO2及水分，其中O2浓度已由烟气分析仪测得；CO2浓度可通过燃油消耗量和总烟气量计算得到；水分含量可通过第2章节中的阐述的过程测定；N2作为烟气中的平衡组分，其含量为混合烟气中去除O2、CO2及水分的含量百分比所剩下组分的百分含量。

设原烟气O2浓度为X1%、净烟气O2浓度为X2%。原烟气流量为V1 Nm3/h，则其中CO2的浓度为(0.033%V1+1.4544Y)/V1；净烟气流量为V2Nm3/h，则其中CO2的浓度为(0.033%V2+1.4544Y)/V2。其中Y表示实验过程中单位时间消耗的柴油质量，kg/h。原烟气温度为130℃，可直接测得起水蒸气浓度为Z1kg/Nm3；净烟气温度为40℃，有冷凝水析出，饱和时气态水含量为0.0508 kg/Nm3，设水分含量为Z2kg/Nm3，则净烟气中水的浓度为（Z2-0.0508）Kg/ Nm3。进而，原烟气中N2的百分含量为：

其中，1.244为Z1kg/Nm3转换所得体积百分比，即Z1×1000/18×22.4/1000=1.2444Z1；同理，净烟气中N2的百分含量为：

其中，6.321%为0.0508 kg/Nm3转换所得体积浓度，即0.0508/18×22.4=6.321%。

4　比热容计算

对于原烟气，可利用工具书查得O2、CO2、 N2及水蒸气在130℃时的质量比热容与浓度，分别表示为：Cp1与ρ1、Cp2与ρ2、Cp3与ρ3、Cp4与ρ4。混合气体的比热服从迭加规律，即混合气体比热为各组分比热容之加权。从而原烟气的定压体积比热可表示为：

其中，Cp原的单位是kJ/(Nm3·℃)。

对于净烟气，可利用工具书查得O2、CO2、 N2及水蒸气在40℃时的质量比热容与浓度，分别表示为：Cp1-1与ρ1-1、Cp2-1与ρ2-1、Cp3-1与ρ3-1、Cp4-1与ρ4-1。类似计算得到比热容

其中，Cp净的单位是kJ/(Nm3·℃)。

5　结论

通过热管分体式GGH模型的模拟实验，能够获得工程所需实验数据，包括FDG的含湿量与各组分浓度。并通过实验分析，获得FDG混合气体比热容，对工程设计中，提高参数准确性有极大的借鉴作用。

[1]卢作基, 孙克勤. 热管式GGH在湿法烟气脱硫中的应用[J]. 电力科技与环保, 2005, 21(4): 22-23, doi: 10.3969/j.issn.1674-8069.2005.04.007.

[2]姜业正, 吴昊, 雒飞, 等. 添加湿空气对湿法脱硫净烟气中细颗粒物脱除性能[J]. 东南大学学报: 自然科学版, 2016(1): 81-86, doi: 10.3969/j.issn.1001-0505.2016.01.014.

[3]陈东祥, 蔡明坤, 赖炎显. 烟气加热器(GGH)的应用技术[J]. 锅炉技术, 2003, 34(4): 67-71, doi: 10.3969/j.issn.1672-4763.2003.04.017.

[4]田刚, 柬韫, 刘宇, 等. 湿法脱硫系统排放烟气含水量的测定[J]. 环境污染与防治, 2015, 37(11): 47-51, doi: 10.15985/ j.cnki.1001-3865.2015.11.009.

[5]国家环境保护总局. 水和废水监测分析方法[M]. 中国环境科学出版社, 2009.

[6]水质硫酸盐的测定 重量法: GB 11899-1989 [S].

李永田(1976-)，男，吉林农安人，汉族，热能动力机械与装置专业高级技术职称，现就读于东华大学工程管理专业研究生，从事工业节能、系统能效分析及工程管理等相关工作。职务：第十三届MBA联合会副主席兼秘书长。

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工业技术创新 URL: http://www.china-iti.com

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.05.029