燃煤烟气中细颗粒物与共存气态组分对膜吸收CO_2的影响(1).pdf

第 6 4卷第 4 期 2 0 1 3年 4月 化工 CI ESC 学报 J o u r n a l Vo 1 ．6 4 NO ．4 Ap r i l 201 3 燃煤烟气 中细颗粒物与共存气态组分 对膜吸收 C O 的影 响 沙 焱 ，杨林 军 ，陈 浩 ，瞿如敏 东南大学能源与环境学 院，能源热转换及其过程测控教育部 重点实验室 ，江苏 南京 2 1 0 0 9 6 摘 要由于燃煤 烟气 中细颗粒物和气态污染物 难 以完 全脱 除 ，同时 经湿法脱 硫后 烟气 中水汽接 近饱 和状态 ，因 此 ，有必要 揭示 细颗粒物及共存气态组分对膜 吸收 C O 的影响 。采 用燃煤热 态试验装 置 ，考察 了燃煤 烟气 中细 颗粒物 、S O。 、水汽对膜吸收 C O 性能的影响 ，并 进行 了实 际燃煤 湿法 脱硫 净 烟气环 境下 的膜 吸收 c 0 试 验 。 结果表 明 细颗粒物随烟气通过膜组件后 ，部分 细颗粒物 可被膜截 留 ，沉积于膜 表面 ，导致 膜 吸收 C O 效率下 降，其影 响程度 随细颗粒物浓度 的降低而减弱 ，与细颗 粒物 物性有 一定关 系 ，通过 有效 降低 烟气 中细颗 粒物浓 度 ，可显著延长膜的稳定运行时 间；S Oz 的存在会与 C O 产 生竞争吸收现象 ，但 因烟气 中 S O 含量远低于 C O z ， 对 c O。 吸收效率影 响不 明显 ；对 于水汽 ，只需在运行一段 时间后对 膜组件作 气体干燥 反吹 ，可基 本维持 膜组件 的稳 定 运行 。 关键 词 C O ；膜 吸收 ；细颗粒物 ；共存气态组分 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 0 4 3 8 1 1 5 7 ． 2 0 1 3 ． 0 4 ． 0 2 4 中图分类号 X 5 1 文献标 志码 A 文章编号 0 4 3 8 1 1 5 7 2 0 1 3 0 4 1 2 9 3 0 7 Ef f e c t o f f i n e pa r t i c l e s a nd c o e x i s t e nt g a s e o u s c o m p o n e nt s i n f l u e g a s o n CO2 a b s o r p t i o n S HA Ya n，YANG Li n j a n，CHEN Ha o ，Qu Ru mi n Ke y L a b o r a t o r y o f En e r g y Th e r ma l C o n v e r s i o n a n d Co n t r o l o f Mi n i s t r y o f Edu c a t i o n，S c h o o l o f En e r g y a n d En v i r o n me n t ，S o u t h e a s t Un i v e r s i t y，Na n j i n g 2 1 0 0 9 6 ，J i a n gs u，Ch i n a Abs t r a c t Se p a r a t i on o f CO2 f r om we t p r oc e s s de s ul f ur i z e d f l u e g a s by m e m b r a ne a bs o r p t i o n ha s be e n t he s u b j e c t o f ma n y s t u d i e s ， b u t i n v e s t i g a t i o n s o n t h e me mb r a n e p r o c e s s a r e u s u a l l y c a r r i e d o u t u n d e r l a bo r a t o r y c o nd i t i o ns us i ng pur e s i n gl e g a s e s or bi n a r y g a s ．Und e r r e a l c ond i t i o ns，we t p r oc e s s d e s u l f u r i z e d f l ue g a s c on t a i ns i m p ur i t i e s， s uc h a s f i n e pa r t i c l e s， H 2 O a nd ga s e o us po l l ut a n t ， whi c h wi l l i nf l u e nc e me mbr a ne p e r f o r ma nc e ． I n t hi s pa p e r ， a ho l l ow f i b e r me mbr a n e c on t a c t o r wa s p ut i nt o o pe r a t i on i n t h e we t p r oc e s s de s ul f u r i z e d f l u e g a s a nd t he e f f e c t s o f f i ne pa r t i c l e s ，wa t e r v a po r a nd SO2 o n t he p e r f o r ma nc e a n d i nt e gr i t y o f t he me m br a n e we r e i nv e s t i ga t e d ．The r e s ul t s s ho w t ha t f i n e pa r t i c l e s de po s i t e d o n t he me mbr a ne s ur f a c e r e d uc e CO2 a b s o r pt i on e f f i c i e n c y， a nd t he s t a bi l i t y o f me mbr a ne s c a n b e i m p r ov e d s i gn i f i c a n t l y by d e c r e a s i ng t h e c o nc e nt r a t i on of f i ne pa r t i c l e s i n t he f l u e g a s ． The c o m pe t i t i ve a d s or p t i o n o f SO2 i s n ot ob vi ou s s i nc e i t s c o n t e nt i s muc h l o w e r t ha n t ha t o f CO2 ．I t wi l l be h e l pf ul t o e l i m i na t e t he wa t e r v a po r b y d r y i n g w i t h ba c k b l owi ng g a s a f t e r s ome pe r i od o f t i me，S O t h a t t he m e m b r a ne mod ul e c a n wo r k wi t h a g oo d s t a bi l i t y． 2 0 1 2 0 7 0 9收到初稿 ，2 0 1 3 0 1 o 9收到修改稿 。 联系 人 杨 林 军。 第一 作 者 沙 焱 1 9 8 5 一 ，女 ，硕 士 研 究 生 。 基金项 目国家 自然科学基金项 目 5 1 1 7 6 0 3 4 。 Re c e i v e d d a t e 2 O1 2 0 7 0 9 Co r r e s p o n d j n g a u t h o r YANG Li n j u n，y l j s e u ． e d u ． c n F o u n d a t i o n i t e m s u p p o r t e d by t h e Na t i o na l Na t u r a l S c i e n c e Fo u n d a t i o n o f Chi n a 5 1 1 7 6 03 4 ． 化工学报 第 6 4卷 Ke y wo r d sc a r b on d i o xi d e；m e m b r a ne a b s or p t i o n；f i n e p a r t i c l e；c o e x i s t e n t g a s e o us c o m p o ne nt s 引 言 燃煤 电厂 是 我 国 C O 的 主 要 排 放 源 ，其 尾 部 烟气 中 C O 。的分离捕集尤其受到关注，其 中膜吸 收法 是有效 的的分离 方法 之一 l 1 ] 。相对 于传 统 的化 学 吸收法 ，膜 吸 收 C O 因 具 有 大 的 接 触 面 积 、 良 好的模块性、更好的操作柔性等优点，使该技术具 有很 好 的应 用 前 景l_ 2 ] 。但 目前 膜 吸收 C o 研 究 基 本采用纯 C O 气体或由 C O 。 和 N 或空气组成 的混合气体，主要集 中在 膜与膜材料的筛选与优 化 、膜组 件 的设计 、操 作条件 的影 响 以及膜孔 润湿 的控制等方面；并依据模拟烟气环境下高传质性能 等 指 标 选 择 与 改 性 膜 及 膜 材 料 、优 化 工 艺 条 件 等 ] 。实 际应用 中 ，膜 吸收 系 统 装 配 于 湿法 烟气 脱 硫 WF GD 系 统 出 口是 最 适 宜 的选 择 ； 出 口 烟 气 中不 仅 包 含 C O 、N。和 O。 ，还 包 含 粉 尘 及 H O、S O 、NO 等气态组分 ，其浓度范围大致如 下 粉 尘≤ 3 0 mg m 数 目浓 度 1 O 。 ～1 O 个 ／ c m。 ，主要 为 空 气 动 力 学 直 径 ≤ 2 ． S t , m 的 细颗 粒 物 P M ，水 汽 接 近 或 处 于 饱 和 状 态 ，S O ≤ 2 0 0 mg m_ ；上述 组分会 对运 行 中膜与 膜材 料 的 稳 定性 及其 C O 分 离 过 程 带来 不 利 影 响 ，但 这 方 面的研 究鲜 有 人 问津 ，已成 为 膜 法 分 离 C O 技 术 未能 投入工 程应 用 的重要 原 因之一l_ 5 。 ] 。 本文采 用燃 煤热 态试 验装 置 ，试 验考察 了燃 煤 烟气 中细颗 粒物 、S O。 、水 汽对膜 吸收 C O 性 能 的 影响，并进行了实际燃煤湿法脱硫净烟气环境下的 膜 吸收 C O 试 验 ；进 而 为 突 破膜 吸收 C O。 技 术 发 展 的瓶颈 ，实现 膜 的稳 定 高 效 运 行 ，以及 C O 吸 收膜 的设 计与 改性 奠定理 论基础 。 l 试验系统 1 ． 1 试 验 系统 试验 系 统 如 图 1所 示 ，主 要 由全 自动 燃 煤 锅 炉、WF GD系统 、膜 吸收系统、测量 控制系统等 组成 。全 自动燃煤 锅炉 产生 的含尘 烟气 经缓 冲装置 由旋风分离器脱除粗颗粒后 ，依次进入烟气调节 室 、脱 硫塔 、膜 吸收 系统等 。设置 空气 电加 热器 以 调节 烟温 ，在烟气 调节 室或 脱硫塔 塔顶 注入适 量水 汽 ，可调节 膜 吸收 系统 入 口烟 气 特 性 如含 湿 量 、 细颗 粒物 浓度等 ，烟气 中 S O 。 浓 度 由 S O 钢 瓶气 调节 ；因实际烟气 中 c O 的浓度不足 ，采用 C O 钢瓶气使其浓度补至 1 2 。依据试验 目的，利用 真空 泵分别 在脱硫 塔进 口、出 口抽 取 1 m。h 的 烟气 进入 膜 吸收系统 ，膜 吸收组 件采 用杭州 洁弗 膜 技术 有 限公 司生 产 的 四寸疏 水 内压式 聚丙烯 中空 纤 维膜组件 ，膜孔 径为 0 ． 0 2 ～0 ． 2 0 m，孔 隙率 为 4 0 ～5 0 ，丝 径 4 5 0 t i m，有 效 长 度 0 ． 9 m，有 效膜 面积 1 6 m ，填充 率 2 1 ． 4 。 单乙醇胺 ME A溶液由泵注入膜吸收组件将 图 1 试 验系统示 意图 Fi g ．1 Sc h e ma t i c di a gr a m o f e xp e r i me nt al s y s t e m 第 4期 沙 焱等 燃 煤烟气中细颗粒物与共存气 态组 分对膜吸收 C O 。的影 响 C O 。吸收 ，废 气 经 脱 碳 后 直 接 排 人 空 气 中 ；试 验 中 ，ME A 的 浓 度 为 0 ． 6 2 too lL，液 气 比 2 4 L r n，气 体温 度参 照 湿法 脱硫 尾 部 烟温选 用 4 5 ～6 0 ℃ ；此外 ，为保证 吸 收液 的性 能一 致 ，吸 收 液不再经解吸后循环使用 。 1 ． 2分 析 测试 系统 采用艾默生公司的气体分析仪测量烟气 中 C O 的含量 ；烟 气 中 S O 。浓 度 采 用 德 国 MRU 公 司 的 D e l t a 2 0 0 0 C D - I V 型烟气 分析仪 测量 ；颗粒 物浓度 及粒径分布采用芬兰 D e k a t i 公 司的电称低 压 冲击 器 e l e c t r i c a l l o w p r e s s u r e i r n p a c t o r ，E L P I 实 时 在线 测量 ，测量 时先 对采 样 烟气进 行稀 释 稀 释 比 为 8 ． 1 8 1 ，之后 进入 E L P I 测 试 系统 I 8 ] ；烟 气温 湿度由芬兰维萨拉公司生产的 HMT 3 3 7温湿度变 送 器检 测 ；颗粒 形貌 、元 素组 成 和膜 结构 均 由荷兰 F E L公 司 的 S i r i o n 2 0 0场 发 射 扫 描 电 子 显 微 镜 分 析 ，该 扫 描 电 镜 配 有 美 国 E D AX 公 司 的 Ge n e s i s 6 0 s I M4 0 0能谱分析系统 。 2 结果 与分析 2 ． 1 细 颗粒 物对 膜 吸收 C O 性 能 的影响 先采用 C O 。与 N 。配制的模拟气体进行膜 吸收 C O 的连 续试 验 ，结果 如 图 2所示 。可见 ，在 无细 颗粒物和共存 S O 。 、H O组分 的环境 中，连续运 行 7 h ，膜 吸 收 C O 的效 率 基 本 可 以 保 持 高 效 稳 定 ，一 直 维 持 在 8 3 左 右 。在 此 基 础 上 ，利 用 真 空 泵在脱 硫 塔烟 气入 口处 抽 取 1 m。h 的 烟气 进 入膜吸收系统 ，试验 中，发现膜组件气体出口处压 力表的读数有变化，表明细颗粒物随烟气通过膜组 件时被截留在膜表面或者堵塞 了膜孔隙，使气体通 图 2 C O 。 与 N z配制 的模 拟气体环境下膜吸收 C O。 性能 Fi g．2 Pe r f o r ma nc e o f CO2 a bs or pt i on b y me m b r a n es u n d e r s i mu l a t e d C O2 ／ N2 g a s 过时压降增 大。图 3为烟气 中细颗 粒物对膜 吸收 C 0 。 影 响 的 二 次 试 验 结 果 ，膜 组 件 气 体 入 口处 细 颗粒 物 的数 浓 度 约 为 4 ． 5 1 0 ／ c m。 。可 见 ，随 着 试验 的进行膜 吸收 C O 的效率不断降低 ，在试 验 进行到第 7 h ，C O 吸收效率 由开始时的 8 3 降至 不 足 6 O ；这 表 明 当有 颗 粒 物 在 膜 表 面 附着 或 者 堵塞 膜孔 时 可 导 致 膜 吸收 C O 效 率 显 著 降低 。此 外 ，试验 还发 现膜 组 件 经 由 N 钢 瓶 气 反 吹后 ，膜 吸收 C O 的效率上升不到 1 ，这表 明细颗粒物对 膜组 件 的 影 响 是 不 可 逆 的 ，会 永 久 损 坏 膜 组 件 性能 。 苫 ；宅 ＼ 0 U 昌 磐 甚 ∞ C 0 宝 图 3 细 颗 粒 物 对 膜 吸 收 COz的 影 响 Fi g． 3 Ef f e c t o f f i ne p ar t i c l e s on CO2 a bs or pt i on b y me mb r a n e s 图 4为 烟气经 膜 吸收 系统前 后 细颗 粒物数 浓 度 分布变化 ；试验烟气中的燃煤细颗粒物数浓度峰值 粒径为 0 ． 0 3 p t r n ，数浓 度约 为 4 ． 5 1 0 ／ c m。 ，主 要为亚微米级颗粒 ；可见 ，伴随着气体通过膜组件 后 细颗粒 物 数 浓 度 显 著 降 至 约 9 ． 01 0 ／ c m。 ；这 表明在膜吸收实 际燃煤烟气 C O 。过程 中，存 在明 显 的细颗 粒 物在 吸收膜 中吸附沉 积效 应 。通 常 ，细 颗粒 物在 膜 中 的吸附沉 积 是膜 与细颗 粒 物相 互作 用 的结果 ，主 要取 决于 膜微 结构 如 孔结 构 、表面 物 化特性等和细颗粒物物性；一方面 ，微孑 L 吸收膜 孔 径大 多在 0 ． 0 1 ～1 ． 0“ m 范 围 ；同 时 ，细颗 粒 物 比表面积大 ，表面能高 ，容易在固体表面发生吸附 沉 积 。因此 ，细 颗粒 物有 可能 同时在膜 表 面及膜 孔 内壁吸 附沉 积 ，进 而 导致 膜 的表 面性质 及孔 结构 发 生 改变 ，影 响膜 吸收 C O 的性 能 。 图 5所 示 的是 在 经过 细颗 粒物 影响 试验后 ，被 膜拦 截 的细 颗粒 物附 积在膜 表 面 的场发 射 电镜 扫 描 照 片 。可 见 ，当烟气 通过膜 组 件时 ，烟 气 中所 含 的 ＼ L 0uJ 0 A 。 口 0 I 。 疆 口 0 口音0 ∞ 案 1 2 9 6 第 6 4卷 图 4 膜 吸收系统前后细颗粒物数浓度分布变化 Fi g ．4 Numb er c onc e nt r a t i o n d i s t r i but i o n c h a nge of f i ne p a r t i c l e s be f o r e a nd a f t e r me mb r a n e a bs or pt i on s y s t e m 图 5颗粒物沉积于膜表面的 S E M 照片 Fi g ．5 SEM i ma ge s of f i ne p a r t i c l e s o n me mb r a n e s ur f a c e K S i K U l 2 j 4 6 e n e r g y ／ k e Y 图 6沉积膜表面的细颗粒物 能谱分析 Fi g ．6 EDX o f f i n e pa r t i c l e s o n me m b r a ne s u r f a c e 细颗粒 物可 沉 积 于 膜 表 面 ，导 致 C O 通 过 吸 收膜 的传质阻力增大 ，在膜孔这一界面上无法与吸收液 完 全接 触 ，从而严 重影 响膜 组 件 吸收 C O 的性 能 。 图 6为沉积 于膜 表面 的细颗 粒物元 素分 析结果 ，可 见 ，其 元 素 组 分 主 要 为 0、C、S i 、 K、 A1 、Mg 等，从其元素的种类可知其为燃煤细颗粒。 2 ． 2 S O 对膜 吸收 C O 性能 的影 响 鉴于实 际燃 煤湿 法脱硫 净烟 气 中还存在 少量 未 能脱 除的 S O ，为 此 ，在 C O 与 N 。配制 的模 拟气 体 中加入不 同含 量 的 S O。以考 察 S O 。的影 响 ，结 果 如 图 7所 示 。可 见 虽 然 随 着 烟 气 中 S O 浓 度 增 大 ，C O 的 吸 收效 率 在 不 断 减 小 ，但 是 相 对 减 幅 不 大 ；造 成此 现 象 的原 因是 S O 。的 存 在 会 与 C O 产 生竞 争吸 收 ，且 S O 。与 单 乙醇 胺 的 反 应 能 力 强 于 C O 。 ，即单 乙醇胺溶 液会优 先 吸收 S 0 ；但 因与 C O 相 比 ，烟 气 中 S O 含量 极 少 ，使 得单 位 吸 收 液 量 的消耗 相 对 较 少 ，即 对 C O。 吸 收 效 率 的影 响 并不十分明显 。此外，试验中膜组件的气体出口处 检 测不 到 S O ，这表 明吸 收液会 优先 吸收酸 性较 强 的 S O 气 体 。 因此 ，在 实 际操 作 过 程 中 ，为 了消 除 S 0 的存 在 所 产 生 的 影 响 ，只需 加 大 吸 收 剂 的 流量或 者 增 加 其 浓 度 ，消 耗 一 定 量 的 溶 液 吸 收 完 S O，即 可 。 S 02 c o n c e n t r a t i o n ／ m g m一 图 7 S O。对 膜 吸 收 CO。性 能 的影 响 Fi g ．7 Ef f e c t o f SO2 on CO2 ab s o r p t i on b y me mbr a ne s 2 ． 3 水汽对 膜 吸收 C O 性 能 的影响 由空气 电加 热器产 生 的热 空气 和蒸 汽在烟 气调 节室混 合 均匀 后 引 入 膜 吸 收 C O 。系 统 ，混 合 气 温 度约 为 5 0 ℃ ，相对 湿 度 约 8 0 ～ 9 O ；注入 蒸 汽 前后 ，膜组 件 气 体 进 出 口处 压 力 表 的 读 数 没 有 变 化 ，这 表 明水 汽对 膜组 件仅就 对气 体进 出 口压 力这 一 方 面 ，没 有细 颗粒物 的影 响大 。图 8为水 汽对膜 组件 吸收 C O。 影 响的试验 结果 ，可见 ，连 续试 验 7 h后 ，C O 吸 收效率 仅 从 开 始 时 的 8 3 ． 5 9 下 降至 7 9 ． 。 9 。水汽使膜吸收 C O。 效率降低但降幅不 明 显 的原 因是 试 验所用 的膜材 料 聚丙烯 为疏水 性材 料 ，与水分 子之 间难 以形成有 效 的氢键 ，所 以容易 产生水 分子 的成簇 迁移 的现 象 ，一 旦水分 子体 积变 大 ，迁 移速 度相 对减慢 ，致使 其他 气体 的运 动渗透 减慢 ，最 终 表 现 为 膜 吸 收 效 率 的下 降 。 。此 外 ， 图 8中 C O 吸收效率 在 5 h处存在 峰值 可能是 试验 过程 中烟 气 中水 汽 含 湿 量 出 现 扰 动 ，有 小 幅下 降 约 降至 6 5 所致 。对 于实 际燃 煤 湿法 脱 硫 净烟 第 4期 沙焱等 燃煤烟气 中细颗粒 物与共存气态组分对膜 吸收 C O 的影响 J 2 9 7 图 8水 汽 对 膜 吸 收 COz性 能 的 影 响 Fi g．8 Ef f e c t o f wa t e r va p or on CO2 a bs o r pt i o n by me mbr a ne s 气 环境 ， 由于 水汽 接近 或处 于饱 和状 态 ，对膜 组件 的脱碳效率会造成 一定影 响，特别是 对于亲水性 膜 ，水 汽 影 响 可 能 会 相 对 显 著 。此 外 ，试 验 还 发 现 ，经 N 钢瓶 气反 吹或 自然 风干 后 ，即可 恢 复其 正常高效的膜吸收 C O。 的能力。 2 ． 4 细颗 粒物 和水 汽 共存对 膜 吸收 C O 性 能的 影 响 由全 自动 燃煤 锅炉 产生 烟气 ，同时在 烟气 调节 室 内添加适 量 水汽 ，使 之接 近饱 和状 态 ，然后 利用 真 空 泵在脱 硫 塔烟气 入 口处 抽 取 1 m。h 的 烟气 进入膜吸收系统 ，膜组件气体入 口处细颗粒物的数 浓度 约 为 4 ． 0 1 0 ／ c m。 图 9为 细 颗 粒 物 的数 浓 度分 布 ，人 口烟 温约 为 5 O ℃ ，结 果 如 图 1 O所 示 。 可见 ，与细颗 粒物单一 影 响试 验结果 图 3 相 比，水汽 共 存 不 会 加 速 膜 吸 收 C O 效 率 的 下 降 ， 这表 明水 汽 的存在 对膜 组件 的效 率影 响不 大 ，至少 不 占主导 作 用 。此外 ，膜 吸 收 C O 效 率 下 降情 况 与细颗粒物单一影响试验略有差异主要是 由于两者 试验所用煤 的成分 及燃烧工况不 能保证完全相 同 图 4 、图 9 ，导 致 烟 气 中 颗粒 物 的粒 径 分 布 及 浓 度特 性有 所差 异所 致 。 2 ． 5 实际燃 煤湿 法脱 硫 净烟气 环境 下 的膜 吸收 Co2性 能 鉴 于 WF GD系 统 出 口烟气 污 染 物 浓 度 及 烟 温 较低 ，实际 应 用 中 ，膜 吸 收 C O 系 统 装 配 于脱 硫 系统 出 口是 最 适 宜 的选 择 。在 W F GD过 程 中 ，通 过脱硫浆液洗涤作用可协 同脱除烟气中的部分细颗 粒 物 ；但 是 由于 存在脱 硫 浆液 雾化 夹带 、脱 硫产 物 结晶析出，以及脱硫剂、细颗粒物与烟气中的 S O 等气态组分之间的复杂非均相反应过程 ，本身又会 m 图 9 细颗粒物和水汽共存 时试 验中的颗粒数浓度分布 Fi g ． 9 Nu mb e r c o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o n o f f i n e p a r t i c l e s t i me ／ h 图 1 O 细颗 粒物与水汽共存对膜吸收 C O 性能的影响 Fi g ． 1 0 Ef f e c t o f f i n e p a r t i c l e s a n d wa t e r v a p o r o n CO2 a bs o r pt i o n by me mb r a ne s 形 成细 颗粒 物 ，使得 烟气 经湿 法脱 硫后 细颗 粒物 浓 度 反 而 有 可 能 增 加 ，且 物 性 产 生 显 著 变 化 l 1 。 。 。 本 文采 用氨 法脱 硫工 艺 ，对实 际燃 煤湿 法脱 硫净 烟 气 环境 下 的膜 吸收 C O 。 性 能 开 展 了试 验 。试 验 中 ， 在脱 硫 塔 出 口以 1 r n 。 h 的流 量抽 取 脱硫 净 烟 气 进 入 C O 膜 吸收 系统 ，脱 硫 净 烟 气 中 细 颗 粒 物 浓 度 约 为 4 ． 5 1 O 个 ／ c m。 ，试 验 结 果 如 图 l 1所 示 ， 可见 ，在最 初 的 2 h ，膜 组 件 C O。的吸收 效 率有 明 显 的 下 降 ，从 正 常 稳 定 工 作 时 的 8 3 左 右 降 至 7 1 ． 9 ，在进行 7 h之后 ，吸收效率降至 6 0 以 下 。此 外 ，采用 F S E M E D X 分 析 沉 积 于膜 表 面 的 颗粒元素组成发现 ，颗粒物 中 s 、O元素含量显著 增 加 ，并 出现 N 元 素 ，而 Al 、S i 的 含 量 均 很 低 ； 从 元素 组分 含量 可 以推知 该颗 粒 主要 为含硫 、氧和 氮的气溶 胶颗粒 ，如 NH S O 、 NH 。 S O 。 等，这说明被膜组件截留的颗粒物中含有氨法脱硫 时产生 的气溶胶 ，可见无论是燃煤烟气中原本就存 在 的细颗粒物还是湿法脱硫时产生的气溶胶微粒 ， ＼ 0u 0言皇 一 } J 0 一 d J 0 ∞ D 对 D／ 0 ＼ L OuJ o 。 口 l 3 1 d0 一 }0 ∞ 嚆 化工学报 第 6 4卷 0 rJ 呈 竺 甚 舌 宝 图 1 1 氨法脱硫净 烟气环境下 的膜吸收 C O z 性能 Fi g ．1 1 Pe r f o r ma nc e of CO2 a bs or pt i on by me mbr a ne s und e r de s u l f ur i z e d f l ue ga s 都会 堵 塞膜孔 或者 在膜 表面沉 积 ，最终影 响膜 组件 吸收 C O z的效率 。 此 外 ，对 比图 1 0 、图 1 1可 见 ，虽 烟气 中细颗 粒 物浓 度相 近 ，且 水汽 均接 近饱 和状态 ，但膜 吸收 C O 的效 率 有 所 差 异 ；这 可 能 与 烟 气 经 氨 法 脱 硫 后 ，细 颗粒 物物性 发生 较大 变化有 关 ，在氨 法脱硫 过 程 中 ，一方 面 可 由烟气 中 的 S O。和脱 硫 液 中挥 发 逸 出 的 气 态 氨 直 接 反 应 生 成 NH 。 S O 。 、 NH 。 S O 等无 机 盐 气 溶 胶 颗 粒 ； 同时 吸 收 烟气 中 S O 生成 的含 NH 。 S O。 、 NH S O 等 组 分的细液滴 可蒸发析 出固体 晶粒[ 1 ；最终使 细颗 粒 物粒 径 、元素 和物相 组成 均发 生较 大变化 。 为 考察脱 硫 净烟气 中细颗粒 物浓度 的影 响 ，开 展 了在脱硫净烟气中添加适量水汽使烟气达到过饱 和 ，进 而利 用过 饱和水 汽在 细颗 粒物表 面 的凝 结特 性使其凝结长大并由丝 网除雾器部分脱除，数浓度 降低 约 6 0 后 的膜 吸收 C O。 性 能 ，如 图 1 2所 示 ， 图 1 3为浓度 调节 前 后 的 细颗 粒 粒 度分 布与 吸 收效 率 的关 系 ；可见 ，经过 浓度 调节 后 ，在 试验 开始后 的 2 h ，膜组件吸收 C O 的效率虽略有降低 ，但降 幅并不 大 ，整 个 试 验 期 间 ，膜 吸 收 C O 没 出 现显 著降低 现 象 ；此 外 ， 由图 1 2可 知 ，经 调节 后 ，粒 径 在 0 ． 2 0 ～ 0 ． 3 0肛 m 以下 的颗 粒 浓 度 减 少更 为显 著 ，而 这部 分颗 粒可进 入膜 孔 内。这表 明 ，一方 面 细颗粒 物对 膜 吸收 C O 的影 响 与颗 粒 物浓 度 有关 ； 同时与颗粒物粒度分布特性也有一定关系 ，与膜孔 孔径相 当的颗粒 物影 响相对 较大 ，细 颗粒 物进入膜 孔 内部 比沉 积 于膜 表 面对 膜 吸收 C O 性 能 影 响 可 能更 为显 著 ，减 少可 进入 膜孔 内部 的细颗粒 物量 可 望延 长膜 的稳定 运行 时 间 。除颗 粒物 浓度 和粒度 分 詈 图 1 2 细颗粒 物浓度对 细颗粒物粒度分布 的影响 Fi g ． 1 2 Nu mb e r c o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o n o f f i n e p a r t i c l e s 图 1 3 细颗粒物浓度及粒度分布 与膜 吸收 C O 性 能的关 系 Fi g ．1 3 Re l a t i on s hi p b e t we e n numbe r c on c e n t r a t i o n di s t r i bu t i on of f i ne p a r t i c l e s a n d pe r f o r ma n c e o f CO2 a bs or pt i on by me mbr a ne s 布外 ，颗粒物的黏结性也可能存在显著影响 ，黏性 强 的颗粒一 旦 吸附沉积 在膜表 面或 者膜 孔径 中 ，难 以被气体反吹，最终会使膜组件有不可逆的损坏 ； 后续研 究 中 ，计 划采用 原子力 显微 镜 ，通过测 试 细 颗粒 物与膜 材料 之间 的作用力 ，预测细 颗粒物 在膜 表面及 内部 黏 附沉 积 与其物性 的关 系 。 3 结 论 本 文采 用燃煤 热态 试验装 置 ，考察 了燃煤 烟气 中细 颗粒 物 、S O 、水 汽 对 膜 吸 收 C O 性 能 的影 响 ，并 进行 了实 际燃煤 湿法脱 硫净 烟气 环境下 的膜 吸收 C 0 试 验 ，研究结 果表 明 1 细颗粒物随烟气通过膜组件后 ，部分细颗 粒物被膜截 留，沉积于膜表面，导致 c O 吸收效 率下降，其影 响程度 随细颗粒物浓度 的降低 而减 弱 ，与细颗粒物物性有一定关 系，通过有效降低烟 气 中细颗粒 物浓 度 ，特别是 与膜孔 孔径 相 当的颗 粒 ＼ 0u A 。 口 【 。 g 口 0 e0 呐 号 第 4期 沙 焱等 燃煤 烟气中细颗粒物与共存气态组分对 膜吸收 C O z的影 响 1 2 9 9 物浓度 ，可显著延长膜 的稳定运行时间； 2 S O 的存在会 与 c O 产生竞争吸 收，但 因烟气 中 S O 含量 较 少 ，对 C O 。吸 收 效 率 的 影 响 不 明显 ，通 过增加 吸收液 的 流量或 者 提高其 浓 度就 可基 本 消除 S O 的影 响 ； 3 在 高 湿 环 境 下 ， 因有 水 分 子 成 簇 迁 移 现 象 ，增加 C O 在膜中的渗 透阻力 ，使 吸收效率略 有降低 ；但在运行一段时问后对膜组件作气体干燥 反吹，可基本恢复膜组件的吸收能力。 Re f e r e n c e s [ 1 ] E 2 ] [ 3 ] E 4 3 [ 5 ] E 6 ] Me r k e l T C，Li n H Q，W e i X T，e t a 1 ． P o we r p l a n t p o s t c o m b u s t i o n c a r b o n d i o x i d e c a p t u r e a n o p p o r t u n i t y f or me mb r a n e s[ J ] ． J o u r n a l o f Me mb r a n e S c i e n c e ，2 0 1 0， 3 5 9 1 2 6 1 3 9 Z h a n g We i f e n g 张卫风 ，Wa n g Qi u h u a 王 秋华 ，F a n g Me n g x i a n g 方梦祥 ．E x p e r i me n t a l c o mp a r i s o n o f f l u e g a s CO2 s e p a r a t i o n wi t h me m b r a n e a b s o r p t i o n a n d c he mi c a l a b s o r p t i o n E J ] ．J o u r n a l o f Po we r E n g i n e e r i n g 动力工程 学报 ，2 0 0 8 ， 2 8 5 7 5 9 7 6 3 P