氣體采樣中的硫磺酸

氣體采樣中的硫磺酸

硫磺酸是氣體采樣中最常見的。這里我們將要討論氣體采樣中由硫磺酸產生的問題,氣體采樣中酸的源頭和在盡量不損失采樣中的化合物情況下除去這些的方法。

硫磺酸帶來的問題

純的硫磺酸(H2SO4)是清澈、無色,在室溫下呈油狀液態。它是一種強酸,具有高腐蝕性。它對水很有親和力,并會從周圍空氣中吸收水分。它的沸點約為290℃。在340℃時分解為SO3和水,所以在高溫下它在燃燒過程中出現,但磺酸基不會出現,只出現SO3。然而當氣體冷卻,SO3很容易和水反應形成硫磺酸。在低濃度高溫下,硫磺酸只會以氣態出現,但由于氣體冷卻后以硫磺酸霧形式出現(微小液滴)。酸霧凝聚在分析系統的一個組件上,由于腐蝕或堵塞造成損害。

由于硫磺酸只在低溫下形成,酸不會被煙道探頭上的過濾器去除,因為氣體仍然非常熱。即使被冷凍器和冷凝器系統在采樣除水過程中充分除去,硫磺酸還是經常緩慢的形成。當這發生時,硫磺酸就腐蝕下游的冷凍器,損壞分析儀或者采樣系統中的其他組件。

復雜的混合氣體的 Dew Point 并不單純取決于水的濃度;最終 Dew Point 實際上取決于不僅是水含量,還有其他可在室溫下凝聚成液體的化合物成分。其他化合物的沸點越高,對 Dew Point 的影響越大。因為硫有非常高的沸點(290℃),它對最終的采樣 Dew Point 會產生很大影響。其他的酸如鹽酸或硝酸對 Dew Point 的影響較小,因為它們的沸點很低。由于硫磺酸的強腐蝕性,它在高于僅由采樣中含水量預測的 Dew Point 溫度形成酸霧,去除酸霧和硫磺酸是煙氣采樣分析常見難題。

硫磺酸的源頭

硫磺酸一般由以下兩種主要方式形成::
1.???? 接觸過程
2.???? 級聯過程
在硫磺酸合成接觸過程中,通過二次反應在氧和水存在情況下二氧化硫形成硫磺酸:
2SO2 + O2 –> 2SO3
SO3 + H2O –> H2SO4

在這個過程中的第一次反應會持續進行直到三氧化硫含量達到二氧化硫的10%,取決于煙氣采樣中氧含量因素。當溫度低于340℃時,第二個反應很快的進行并形成硫磺酸。因此當氣體采樣中的二氧化硫含量很高時,就會產生硫磺酸。

硫磺酸合成反應的鉛室法,在有氮氧化物,氧氣和水的場合下,和二氧化硫形成硫磺酸,這通過了略有不同的兩步反應:

2NO + O2 –> 2NO2
NO2 + SO2 + H2O –> H2SO4 + NO

這第二個反應意味著如果氮氧化物含量高且有足夠的二氧化硫存在的話,硫磺酸問題就會出現。

當含有硫的燃料燃燒時就會產生二氧化硫。接觸過程和級聯過程是產生硫磺酸的兩種不同方式例子,在這些方式下二氧化硫會轉而同燃燒過程產生的氣體中的其他化合物反應形成硫磺酸(氧氣,水,氮氧化物)。

硫磺酸問題的消除

即使氣體采樣中形成了硫磺酸,只要它一直保持在氣相階段,通常很少導致或根本沒有問題。當水和硫磺酸的濃度足夠高,在室溫下形成酸霧時,可能會發生腐蝕問題。?

氣流的 Dew Point 也會納入計算酸的濃度,可能是通過設定公式計算。作為一個實際問題,大部分氣體采樣來自于以煤或石油為燃料的燃燒過程,含有約10%-12%的水。燃燒過程產生的氣體如天然氣,燃燒后的氣體含有約22%的水,因為燃料有許多的氫可以形成水。濕法洗滌系統產生的氣體的水分含量要高得多,通常是40-60%。請注意,按重量計算,假設2%的二氧化硫可以反應生成三氧化硫。

當氣體采樣中的二氧化硫以幾百ppm或更小濃度出現時,形成酸霧通常不是問題,除非環境溫度相當低。如果采樣中的二氧化硫氣體的濃度超過1000ppm,酸霧的問題更容易產生,尤其是氮氧化物的含量也很高。解決這個問題的一種簡單方法是,降低水含量。由于酸的 Dew Point 取決于水含量以及酸,降低足夠的水分含量將防止酸霧的形成,除非酸含量相當高。?

博純Nafion?氣體干燥器可以減少采樣中的水含量,把 Dew Point 降至-45℃?Dew Point (大約75ppm的水),盡管一般來說 Dew Point 是-10℃至-25℃。博純的GASS?氣體分析采樣系統有幾種類型可供選擇,把這些整合進完整采樣處理系統可為分析制備氣體采樣。?

GASS-2040氣體分析采樣系統是專為解決這個問題而設計的。在這個系統中,氣體干燥器的上游安裝了一個凝聚過濾器。該過濾器和哈氏合金換熱器的溫度是單獨受控制的。通過降低氣體采樣的溫度(通常下降60 -75℃的溫度),而采樣中仍然含有大量的水,硫磺酸可以被強制冷凝。然后凝聚過濾器將從氣流中除去酸。一個自動排水管會定期排出冷凝的酸。這一過程幾乎不會除去其他氣體,甚至是可溶于水的如二氧化硫和氮氧化物,因為只有硫磺酸被冷凝而不是水。換熱器的存在使采樣有充分的時間冷卻下來,使硫磺酸霧液滴可以達到能被過濾器有效去除的大小。?

在大量的硫磺酸被除去后,采樣會被重新加熱然后流經一個Nafion氣體干燥器被有選擇地去除水。在采樣氣體離開GASS系統后,采樣中的硫磺酸和水的濃度都變得很低,所以在下游不會產生酸霧。不幸的是,有時一個采樣中的硫磺酸含量太高,僅僅去除水是不夠的。上面的公式1中可以看到,即使是含水量為零,僅硫磺酸就促成了它本身的的 Dew Point 。如果硫磺酸濃度相當高,有必要減少硫磺酸濃度和水濃度以防止酸霧的形成。另一方面冷卻器/冷凝器系統往往無法除去極細的酸霧,這些是在很短的時間內在這些系統的冷卻區域形成的。

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