米晨鋒， 馬素霞

(太原理工大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院， 太原 030024)

目前，燃煤電廠排放的SO2和NOx已有嚴(yán)格的國家標(biāo)準(zhǔn)，但SO3排放卻缺少相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)[1]，燃煤機(jī)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(jìn)入濕法脫硫塔內(nèi)，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(jí)，跟隨性好，難以捕捉，增加了空氣預(yù)熱器腐蝕和堵塞風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，這種酸霧氣溶膠排入大氣時(shí)，因溫度驟降而凝結(jié)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(lán)色，被稱為煙羽。燃煤電廠的煙羽是引起霧霾的元兇之一，會(huì)造成視覺污染，給人們的身心健康帶來危害[5]。

目前，針對(duì)SO3酸霧氣溶膠的脫除主要有2種技術(shù)路線：第一種是協(xié)同控制技術(shù)，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(shù)；另一種是堿性脫除劑噴射技術(shù)，其原理是在煙道的合適位置(如爐內(nèi)、電除塵器之前、空氣預(yù)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(xué)反應(yīng)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(yīng)溫度均在300 ℃左右。目前國內(nèi)外鮮有關(guān)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(jié)的方法增大SO3酸霧氣溶膠的粒徑，從而對(duì)酸霧氣溶膠進(jìn)行物理脫除，揭示了SO3酸霧氣溶膠在熱泳力、擴(kuò)散泳力和布朗運(yùn)動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和長(zhǎng)大特性。常景彩[9]通過SO3與空氣中的水蒸氣結(jié)合形成酸霧氣溶膠的方法進(jìn)行低溫脫除實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)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(duì)酸霧氣溶膠脫除特性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)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(cè)裝置4部分組成。

本實(shí)驗(yàn)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(diǎn)較高，所以SO3氣體全程由200 ℃的加熱帶進(jìn)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(dòng)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(jī)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(zhì)量流量計(jì)； 6-預(yù)混罐； 7-溫度控制器； 8-管式爐； 9-V2O5催化劑； 10-空氣壓縮機(jī)； 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(dòng)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(zhǎng)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(shí)驗(yàn)溫度，在入口處設(shè)有一個(gè)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(jìn)行混合，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)酸霧氣溶膠的脫除。

酸霧氣溶膠濃度測(cè)量方法——控制冷凝法是國內(nèi)外技術(shù)相對(duì)成熟，且有標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 21508-2008 《燃煤煙氣脫硫設(shè)備性能測(cè)試方法》)遵循的SO3取樣方法，通過高溫采樣槍進(jìn)行取樣，經(jīng)石英過濾器過濾雜質(zhì)，再進(jìn)入蛇形冷凝管，控制水浴溫度在酸露點(diǎn)及水露點(diǎn)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(jì)測(cè)量與氯化鋇反應(yīng)之后的樣液渾濁度來測(cè)量硫酸根濃度，進(jìn)而換算出SO3的質(zhì)量濃度[10]。

1.2 實(shí)驗(yàn)計(jì)算

1.2.1 脫除效率

堿性脫除劑對(duì)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(zhì)量濃度，mg/m3。

1.2.2 主要化學(xué)反應(yīng)

實(shí)驗(yàn)中主要化學(xué)反應(yīng)如下：

Na2CO3+H2SO4=Na2SO4+H2O+CO2

(2)

2NaOH+H2SO4=Na2SO4+2H2O

(3)

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

(4)

本實(shí)驗(yàn)中的反應(yīng)為酸堿中和反應(yīng)，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(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。

以反應(yīng)式(2)為例，摩爾比=n(Na2CO3)∶n(H2SO4)，其中n為物質(zhì)的量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 溫度對(duì)脫除效率的影響

溫度對(duì)于任何化學(xué)反應(yīng)都是重要的影響因素，溫度越高，化學(xué)反應(yīng)所需的活化能越低，反應(yīng)越容易發(fā)生。圖2給出了溫度對(duì)脫除效率的影響，其中堿性脫除劑為Na2CO3，SO3初始質(zhì)量濃度為75 mg/m3。以摩爾比為2時(shí)為例，當(dāng)溫度低于52 ℃時(shí)，脫除效率與溫度基本呈正相關(guān)，當(dāng)溫度從40 ℃提高至52 ℃時(shí)，脫除效率提高21%；溫度為54～60 ℃時(shí)，脫除效率為64.5%左右，提升溫度對(duì)脫除效率基本無影響。根據(jù)Arrhenius定律，化學(xué)反應(yīng)速率是影響反應(yīng)的主要因素，當(dāng)溫度低于臨界溫度(52 ℃)時(shí)，溫度升高導(dǎo)致反應(yīng)物能量增大，活化分子數(shù)增多，化學(xué)反應(yīng)速率加快，脫除效率升高。但繼續(xù)提高溫度時(shí)，化學(xué)反應(yīng)速率對(duì)脫除效率的控制已達(dá)極限，此時(shí)化學(xué)反應(yīng)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(shí)間成為主要控制因素。

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

同理，當(dāng)摩爾比為3和4時(shí)，最大脫除效率對(duì)應(yīng)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(shí)脫除效率的變化規(guī)律基本一致。

2.2 摩爾比對(duì)脫除效率的影響

圖3給出了摩爾比對(duì)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(dāng)SO3初始質(zhì)量濃度(即脫除裝置入口煙氣中SO3的質(zhì)量濃度)為75 mg/m3，摩爾比為1、2、3和4時(shí)，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(shì)，但增長(zhǎng)率卻在下降。當(dāng)摩爾比從1增大到2時(shí)，脫除效率提高了16%，當(dāng)摩爾比繼續(xù)增大到3時(shí)，脫除效率增長(zhǎng)率只有7%，當(dāng)摩爾比從3增大到4時(shí)，脫除效率基本持平。這說明低摩爾比時(shí)，增大摩爾比可以提高堿性脫除劑濃度，進(jìn)而提高脫除效率，但是當(dāng)摩爾比增大到一定程度時(shí)，單位體積內(nèi)的堿性脫除劑摩爾數(shù)對(duì)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(huì)造成堿性脫除劑的浪費(fèi)。此時(shí)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(yīng)物的混合方式有關(guān)，或與噴霧液滴的物理性質(zhì)有關(guān)。

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

在摩爾比為1時(shí)，高SO3初始質(zhì)量濃度(150 mg/m3)比低SO3初始質(zhì)量濃度(75 mg/m3)的脫除效率高18%，其原因是SO3初始質(zhì)量濃度提高，單位體積內(nèi)的酸霧氣溶膠也隨之增多，進(jìn)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(zhì)量濃度的脫除效率也接近一致。

2.3 堿性脫除劑種類對(duì)脫除效率的影響

圖4給出了堿性脫除劑種類對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)噴霧液滴在脫除裝置中擴(kuò)散程度的影響，進(jìn)而分析入射角度對(duì)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(duì)脫除效率的影響Fig.5 Effect of incident angle on removal efficiency

由圖5可知，當(dāng)入射角度為90°時(shí)，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(shí)的脫除效率最低。入射角度為135°時(shí)，脫除效率為72.81%(比90°入射角度時(shí)的脫除效率提高13%)，高于入射角度為45°時(shí)的脫除效率(67.91%)。這是因?yàn)楫?dāng)堿性脫除劑噴霧液滴進(jìn)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(shí)噴霧液滴進(jìn)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(dǎo)致的動(dòng)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(dòng)最強(qiáng)，擴(kuò)散體積最大，故脫除效率最高。90°入射角度時(shí)噴霧液滴進(jìn)入主流管段后，無主流方向的分速度，受到的上下擾動(dòng)最小，故脫除效率最低。

2.5 霧化氣體積流量對(duì)脫除效率的影響

圖6給出了霧化氣體積流量對(duì)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(duì)于噴嘴產(chǎn)生的堿性脫除劑粒徑大小起決定性作用，這會(huì)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(duì)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(dāng)霧化氣體積流量從7.5 L/min增加到12.5 L/min時(shí)，脫除效率升高了10%，霧化氣體積流量為12.5 L/min時(shí)基本達(dá)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(qiáng)，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(yīng)面積變大，總反應(yīng)速率增大，故脫除效率呈上升趨勢(shì)。但當(dāng)霧化氣體積流量繼續(xù)增加時(shí)，制約化學(xué)反應(yīng)的主要因素不再是反應(yīng)面積，所以脫除效率上升并不明顯，基本保持不變。

3 結(jié) 論

(1) 溫度對(duì)脫除效率的影響至關(guān)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(huì)提升脫除效率，摩爾比為3時(shí)基本達(dá)到最大脫除效率。

(3) Na2CO3、NaOH和NaHCO3對(duì)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(shí)，噴霧液滴充滿整個(gè)空間的體積分?jǐn)?shù)最大，脫除效果最好。

(5) 增加霧化氣體積流量會(huì)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(shí)基本達(dá)到最大脫除效率。