李永田
（东华大学 上海 200051）
摘要
FDG烟气含湿量及其成分的测量一直是较为困扰工程技术人员的工作，而烟气的含湿量及其成分直接影响烟气处理设备的设计成败，也制约着工程设计的准确性，为此，有必要通过实验对其含湿量及其成分进行测量。受M公司委托，笔者与国内某985高校通过具体热工实验进行测定，本文是对实验过程及实验结果进行汇总、描述、整理、归纳。
关键词：含湿量 实验 比热容 GGH
0 背景
M公司为了确保热管式GGH能满足工程需要，委托国内一所985高校对热管式GGH实验Model进行优化、测试、分析、评价，以获得该GGH的换热性能。
湿式石灰石- 石膏法脱硫工艺，无论在国外还是国内的烟气脱硫中都占据了主导地位[1]。抑制二氧化硫污染的有效途径是湿法烟气脱硫（FGD），但经过FGD 工艺处理后的烟气温度较低（低于55℃），如不经过再热直接排放，烟气抬升高度受限且不易扩散，容易在烟囱附件形成酸雾污染，通常FGD需配套烟气再热系统来保证烟气的合理扩散。特别是经过FGD后的烟气，其烟气湿度对GGH的换热性能影响较大，本文着重探讨其含湿量的测定。
1 GGH实验流程描述
1.1 热管式GGH的结构
图1-1 GGH结构示意图
1下降管束 2 冷凝管束 3上升管束 4 蒸发管束
该热管式GGH由下降管束、冷凝管束、上升管束、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。
1.2 实验气体运行流程
烟气是烟气发生器的主产物，在烟气调节室内经过雾化及添加SO2和煤粉，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，再经烟道，由引风机提供动力，排放于大气中。见图1-2 
图1-2 运行流程
2.烟气含湿量测量
原烟气和净烟气中水分含量的差异较大，测定应分别研究。
对于原烟气，其中的水分一般不会达到饱和态，利用便携式湿度仪直接测量原烟气中的湿度和温度值，再根据所测得温度查到烟气在该温度下的饱和水蒸气含量，用该值乘以测得的相对湿度，则得到烟气中的绝对含湿量，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的细小雾滴，使该气体处于过饱和状态。对于过饱和烟气，其相对湿度由于大于100%，因此不能利用湿度仪直接进行测定，采用的办法是将待测量样气先导入装有变色硅胶干燥管中，利用干燥管吸收烟气中的部分水分，而干燥后烟气再用湿度仪测量其相对湿度。流经干燥管中气体流量将由累积式流量计测量，而干燥管的吸湿量将根据通气前后干燥管质量的增加值来确定。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得到的含湿量；另一部分是由湿度仪测得的含湿量，而通过二者之和则可以得到净烟气中的水分含量[2]。
2.1 含湿量测定系统介绍
该测量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（见图2-1）。其不仅可以测量原、净烟气中的含湿量，也可以烟气中的各组分含量进行测定。
图2-1 烟气含湿量测定流程示意图
2.2测定方法及操作流程
测量前应先打开真空泵及旁路阀门，让样气由进口I1流经系统管路，流通5Min，气流状态稳定后，再进行测定。应防止初始测量过程中，因管壁吸附样气中的水分而导致产生的测定误差。
1）对原烟气湿度进行测量时，选用英国产Testo 410-2便携式湿度仪，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200mL/min，同时关闭旁路，打开原烟气测量管路上的阀门，样气由进口I1进入后流经湿度分析仪进行测定，并得到样气的温度与湿度值。再通过该测量结果的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200mL/min，同时关闭旁路，打开净烟气测量管路上的阀门。烟气由进口I2首先进入干燥吸收瓶中（吸收瓶内装有变色硅胶，测定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200mL/min的烟气量持续进气10min。并在第10min吸收结束时（同样保证该过程中硅胶层未被穿透）打开湿度分析仪两端的阀门，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。当吸收操作完毕后，关闭干燥吸收瓶两端的阀门，将吸收瓶从系统中取出并称重，则得到干燥吸收瓶在测定前后的重量差值，即为其在10min中内对所流经样气内水分的吸收量。用重量差除以样气体积（2L），得到烟气水分含量a；另外再用湿度分析仪所测的湿度和温度值计算得到烟气水分含量b。用烟气水分含量a加上烟气水分含量b则得到净烟气的总水分含量g。
2.3注意事项
需要说明的是，由于原烟气温度较高，而取样时由于烟气温度下降，烟气可能从未饱和变为饱和状态。若测定时发现湿度分析仪的示数已超过量程（相对湿度>100%），则对原烟气应采用与对净烟气相同的水分含量测定方法进行分析。
3 烟气成分分析
对于烟气成分的测定作为本实验中的一项测试指标，包括对原/净烟气中SO2、O2及CaSO4浓度的测定。
3.1 SO2、O2浓度测定
利用烟气湿度/含湿量/组分测定装置进行烟气中SO2、O2含量分析其流程如图2-6所示：
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I1，利用真空泵将待测气体引至烟气分析仪后，待烟气分析仪示数稳定后可直接读取样气中的SO2和O2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，有可能无法采到气样，因此需要真空泵给气体升压。同时，由于真空泵抽气量较大，需要在测试时将真空泵与烟气分析仪间的旁路排空阀门打开，以便于分流，避免过大的气量直接冲击烟气分析仪从而损坏设备。
图2-6烟气成分测定流程示意图
3.2 CaSO4浓度测定
净烟气中携带的CaSO4 会在换热器内热交换管表面沉积，长期运行则会影响到热交换管的传热效果，为此对净烟气中CaSO4浓度的测定[3] 。
测定前先在吸收瓶内加入0.1mol/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100mL/min并使其稳定。5min后将吸收瓶两端的阀门打开，同时关闭旁路阀门，则气样由进口I2流经吸收瓶，其中的CaSO4成分被吸收剂吸收溶解。连续采集吸收30min的气样后（3L），将吸收瓶两端的阀门关闭，取下吸收瓶，完成了气样采集吸收操作。求样气中
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10g氯化钡，溶于100mL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（检测方法为取上清液少量至试管中，滴入1~2滴氯化钡溶液，检测有无白色沉淀产生。检测完毕后再将试管内液体倒回反应液内，并洗涤2~3次），再过量2mL。并煮沸5min；
4）用已称重过的G4玻璃坩埚（已称量得到坩埚重量）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2~3h，之后冷却至室温条件下进行称重
6）将坩埚前后两次的称重值相减，则得到硫酸钡沉淀的质量m（单位g）。
之后的烟气中CaSO4浓度计算公式如下：
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）。
3.3 烟气比热计算
模拟烟气的比热容作为评价换热器工作效果的重要参数之一，在本实验中并非直接测量得到，而是通过测定或分析烟气中的主要成分，并通过加权法间接计算获得的。则其燃烧产生烟气量可计算如下：
（1）
从化学反应式子得出，燃烧1mol柴油的同时需要消耗氧气14mol，并产生11mol二氧化碳和6mol水蒸气。因柴油（C11H12)的分子量为144，则1000克柴油物质的量为1000/144=6.944mol，则生成气体的增量为：
不同气体在标准状态下的mol体积均为22.4L，因此1kg柴油燃烧所导致的烟气体积变化量（增加量）为：
单位时间内，燃油量所产生的烟气增量为：0.82×0.467m = 0.38294 m Nm3/h
本实验中，需要混合烟气的温度为125~135℃，需要对助燃空气进行过量配置，以便得到该温度下，且体积约为2000Nm3/h；经测定，柴油的消耗量约为15L/h，烟气流量增量约为0.38294×15 = 5.7441 Nm3/h，5.7441/2000=0.29%，由于柴油燃烧所带来的烟气体积增量很小。
烟气主要成分包括N2、O2、CO2及水分，其中O2浓度由烟气分析仪直接测得；CO2浓度通过燃油消耗量和总烟气量计算得到；烟气中水分含量由相应分析仪器测得；N2作为烟气中的平衡组分，其含量为烟气中除上述成分之外的剩余百分含量。
模拟烟气比热容的计算方法，以1Nm3模拟烟气为例：
前提与假设：原烟气是指压力为常压，温度为130℃；净烟气是指压力为常压，温度为40℃。
1）O2成分的比热容计算。O2在标准状况下密度为1.429kg/m3，查得原烟气中对应O2比热容为0.9420 kJ/（kg*℃），设其浓度为X1%，1Nm3原烟气热容为X1%*1.429*0.9420 = 1.3461*X1%（kJ/℃）；对净烟气而言，查得净烟气对应O2比热容为0.9226 kJ/(kg*℃），设其浓度为X2%，1Nm3原烟气热容为X2%*1.429*0.9226 = 1.3184*X2%（kJ/℃）；
2）CO2成分的热容计算。设定柴油消耗量为Y（L/h），每公斤柴油燃烧将生成76.384mol的CO2，柴油密度为0.85kg/L，CO2的生成量（标况）为Y*0.85*22.4*76.384 = 1454.4Y（L/h）= 1.4544Y（m3/h）。考虑供风中残留的CO2的因素，假定原烟气流量为V1 Nm3/h，净烟气流量为V2 Nm3/h，则原烟气中的CO2总浓度为（0.033%*V1+1.4544Y）/V1；净烟气中的CO2总浓度为（(0.033%*V2)+1.4544Y）/V2。
CO2 在标准状况下密度为1.964kg/m3，对于原烟气而言，查得对应比热容为0.9420 kJ/(kg*℃），单位体积热容为1.964*0.9420*（(0.033%*V1)+1.4544Y）/V1= (0.0006+2.6907Y/V1)（kJ/℃）；对于净烟气而言，查得对应比热容为0.8785 kJ/(kg*℃），单位体积热容为1.964*0.9420*（(0.033%*V2)+1.4544Y）/V2= (0.0006+2.6907Y/V2)（kJ/℃）；
3）水分的热容量计算。设原烟气中测得的水分含量为Z1 kg/Nm3，水分全部以蒸汽的形态存在，则在常压，130℃条件下水蒸气的比热容为2.014 kJ/(kg*℃），单位体积原烟气中水分的热容为2.014*Z1（kJ/℃）；
设原烟气中测得的水分含量为Z2 kg/Nm3，此处水分的存在分为两种状态，一种是烟气中的饱和态水，另一种是雾滴状的液态水。在常压，40℃条件下饱和时气态水含量为0.0508kg/Nm3，比热容为2.060 kJ/(kg*℃），该状态下的液态水比热容为4.179 kJ/(kg*℃），则1Nm3净烟气中水分的热容为0.0508*2.060 +4.1790*（Z, 2-0.0508) = 4.1790*Z2-0.1076（kJ/℃）；
4）对于N2成分的热容计算，标准状态下N2的密度为1.251 kg/m3，根据上述计算结果，在原烟气中N2的百分浓度n1% = 1- X1%-（(0.033%*V1)+1.4544Y）/V1 -1.2444*Z1（1.244*Z1为Z1kg水蒸气在1Nm3烟气中的体积分数），在常压，130ºC条件下N2的比热容为1.0459 kJ/(kg*℃），单位体积原烟气中N2的热容为1.0459*1.251*n1% = 1.3084*n1%（kJ/℃）；
在净烟气中N2的百分浓度：n2% = 1 - X2% -（(0.033%*V2)+1.4544Y）/V2 - 6.321%其中：6.321%，40℃下饱和烟气中的水蒸气换算成标准状态下的体积分数；查取40℃条件下N2的比热容为1.0415kJ/(kg*℃），1Nm3净烟气中N2的热容为1.0415*1.251*n2% = 1.3029*n2%（kJ/℃）；
综上所述，对于与原烟气，计算得到的比热容值为1Nm3原烟气中四种组分的热容之和，即Cp原= （1.3461*X1% ）+（0.0006+2.6907Y/V1）+（2.014*Z1）+（1.3084*n1%）（kJ/℃·Nm3），其中n1% = 1 - X1%-（(0.033%*V1)+1.4544Y）/V1 - 1.2444*Z1。对于净烟气，类似计算得到的比热容Cp净= （1.3184*X2% ）+（0.0006+2.6907Y/V2）+（4.1790*Z2-0.1076）+（1.3029*n2%）（kJ/℃·Nm3），其中n2% = 1 - X2% -（(0.033%*V2)+1.4544Y）/V2 - 6.321%。
4 结论
通过该热管式GGH模型的模拟实验，能够获得工程所需的实验数据，FDG的含湿量、烟气成分，并通过实验分析，能够获得FDG混合气体比热容，对工程设计参数准确性的提高有很好的借鉴作用。
[1] 卢作基, 孙克勤.热管式GGH在湿法烟气脱硫中的应用[J].电力环境保护.21(4).2005.12:22～23
[2]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.2009.7
[3]水质硫酸盐的测定重量法[Z]1989.7:217～21
