实验所用原料为生石灰，来源于四川江油某石灰石矿厂，通过X射线荧光光谱分析仪(XRF)测得生石灰中钙所占比例为89%。实验前期，经过颚式破碎机将原料粒度破碎为3~5 mm，比表面积为5 m²·g⁻¹。

将破碎后的生石灰原料经过蒸汽动能磨消化处理，得到的产物作为本实验所用脱硫剂。与常规消化脱硫剂相比较，其具有粒度细、分布均匀、无明显大颗粒、流动性好等特点。其粒度为d₁₀=0.992 μm，d₅₀=2.873 μm，d₉₀=8.013 μm，堆密度为0.284 g·cm⁻³，比表面积为24.34 m²·g⁻¹，比常规消石灰比表面积12~14 m²·g⁻¹增大近1倍。通过扫描电镜分析其内部结构，发现物料内部类似蜂窝状结构，饱含多孔的蓬松结构，SEM分析如图1所示。通过XRD及EDTA滴定法分析发现，脱硫剂中生石灰被全部消化，无氧化钙存在，XRD分析结果如图2所示。

众多研究结果^[17-21]表明，在绝对干燥的条件下，Ca(OH)₂和SO₂几乎不发生化学反应，而随着相对湿度的增加，反应速率逐渐升高。本实验中，控制钙硫比、SO₂浓度、烟气温度和气流速度保持恒定，通过改变脱硫塔内的相对湿度，来研究脱硫效率，并确定较优的相对湿度。

实验采用道尔顿的分压定律，通过用水浴锅的温度来控制相对湿度的变化，水浴锅中的水维持恒定的温度，气体通过气流控制器在水中鼓泡，使之达到饱和，获得必要的湿度。实验中水浴锅中的水温控制为30、50、70和80 ℃。相对湿度计算方法^[22]见式(1)。

式中：H为绝对湿度，g·kg⁻¹；ε为相对湿度；P₀为湿空气总压，Pa；P为同温度下水的饱和蒸汽压，Pa。

根据SO₂前后出口浓度计算脱硫率^[23]，计算方法见式(2)。

式中：$\eta $为脱硫效率；C₀为初始二氧化硫浓度，本实验中取C₀=850 mg·m⁻³；C_t为脱硫塔后端的二氧化硫浓度，mg·m⁻³。

烟气脱硫实验装置如图3所示。装置主要由模拟气源装置、气体混合装置、烟气分析处理装置、烟气反应装置和尾气回收装置等5部分组成。模拟气源装置主要包括N₂、O₂、SO₂等，调节烟气流量至700 mL·min⁻¹，SO₂浓度为850 mg·m⁻³，炉内温度为100 ℃，流速为2.4 m·s⁻¹，氧气为12%(据中国环境科学研究院提供的数据分析：脱硫塔内气体中O₂的含量为11.2%~18.5%)^[24-25]。气体混合装置主要由烟气智能混合塔、管道、保温装置和水浴磁力恒温锅等组成。烟气分析处理装置主要为粉尘/水过滤系统和烟气分析仪等，烟气分析仪用来测试前后端反应系统SO₂的浓度值。烟气反应装置主要包括过滤层(含菁青石)、脱硫剂和固定管式炉等。尾气回收装置表示的是装有NaOH水溶液的集气瓶，脱硫塔内没有被吸收的SO₂在集气瓶内与NaOH发生反应，以达到烟气净化的目的。

实验步骤主要包括3部分：首先，将脱硫剂放置在菁青石上，并用脱硫剂专用垫层3M纸包裹，每次脱硫剂质量为5 g(为防止物料漏出，在脱硫剂下面布有玻纤滤纸)；然后，将各气瓶后端连接气体流量计，其流量大小通过混合塔前端的截止阀来控制，并用转子流量计二次测量，矫正后进入混合塔；最后，在反应装置末端，接尾气回收系统，未完全反应的烟气经NaOH溶液吸收后排空。由于SO₂会在水中溶解，所以实验开始前须在常温条件下的水浴瓶中溶解4 h，使其达到饱和状态。

实验参数：SO₂浓度为850 mg·m⁻³，床层温度(T)为100 ℃，停留时间为2 s，相对湿度为0、5%、15%、30%，45%。

实验采用SO₂智能烟气分析仪，反应每隔20 min，记录1组二氧化硫出口浓度，直至二氧化硫出口浓度大于500 mg·m⁻³(穿透浓度)后，记录脱硫剂总的运行时间(穿透时间)。根据式(2)和文献中的方法^[26]计算出脱硫剂的脱硫效率和总固硫量，以此评价脱硫剂的脱硫性能。脱硫剂的固硫量计算方法见式(3)。

式中：$\varphi \left( t \right)$为脱硫剂在相同条件下总的固硫量，mg；C₀和C_t为脱硫剂在反应前后端的SO₂浓度，mg·m⁻³；t为烟气反应时间，min；V为烟气的体积流量，m³·min⁻¹。

图4反映了相对湿度为0、5%、15%、30%、45%时，二氧化硫出口浓度随运行时间的变化情况。图5反映了脱硫剂的脱硫效率与运行时间的关系。可以看出，当相对湿度从0变化到45%时，脱硫剂的总反应时间不断增加，同时随着反应时间的增加，二氧化硫出口浓度不断升高，脱硫效率逐渐降低。

由图4可以看出，相对湿度对SO₂出口浓度的影响比较显著。当相对湿度为0，总反应时间为160 min时，SO₂出口浓度为510.3 mg·m⁻³，超过穿透浓度，将该段时间定义为脱硫剂穿透时间，那么相对湿度为0的烟气穿透时间就是160 min。当反应时间在20 min时，可以满足国家大部分地区SO₂排放浓度低于35 mg·m⁻³的要求^[5]。结合图5可以发现，当反应20 min时，由于脱硫剂本身含有微量水且本身孔隙发达，此时脱硫率可达96.57%；反应时间在160 min时，脱硫效率降至42.92%。相对湿度从0提高到5%时，烟气穿透时间增加并不明显，由160 min增加到180 min，反应20 min的脱硫效率从96.57%增至100%，足以满足35 mg·m⁻³的排放标准。当相对湿度为15%时，达到100%脱硫效率的反应为120 min，烟气穿透时间为340 min，浓度不低于35 mg·m⁻³的反应时间为140 min。当相对湿度为30%时，达到100%脱硫效率的反应时间为420 min，烟气穿透时间为640 min，浓度不低于35 mg·m⁻³的反应时间为440 min。当相对湿度为45%时，达到100%脱硫效率的反应时间580 min，烟气穿透时间为720 min，浓度不低于35 mg·m⁻³的反应时间为640 min。由图5还可以看出，随着相对湿度的增大，烟气穿透速率也缓慢增加，这是由于相对湿度增加，脱硫剂在反应床内部的松装密度变小，蓬松度减小，烟气穿透时间减小。

根据式(3)，用origin软件计算得出相对湿度在0、5%、15%、30%、45%的脱硫剂总的SO₂固硫量，结果如图6所示。在本实验中，相对湿度为0、5%、15%、30%和45%，总固硫量分别为43.37、58.29、124.05、274.58和332.09 mg。当相对湿度升高时，总固硫量也升高，相对湿度从0增加至45%，固硫量增大7.6倍，这是由于含湿脱硫剂的硫盐化反应速率明显高于干燥脱硫剂。随着反应炉内相对湿度的不断增加，脱硫剂表面越湿润，气相SO₂在颗粒表面的溶解及液相中的离解反应都起到了相应的促进作用，${\rm{HSO}}_3^ - $、${\rm{SO}}_3^{2 - }$与Ca²⁺等离子的扩散速率越大，Ca(OH)₂、H₂O与SO₂等接触的可能性就越高，继而增加了脱硫剂的脱硫效率。因此，在工业应用中，当脱硫塔内部不出现黏壁等现象并有利于烟气排放的情况时，尽量增大脱硫塔内的相对湿度，以提高脱硫效率^{[17, 20]}。本次干法烟气脱硫实验条件下，由于在相对湿度45%时，出现略微黏壁现象，如图7所示，此时相对湿度过高，脱硫剂、烟气与H₂O反应后，有剩余的水分且此部分水不能完全蒸发，脱硫产物中部分呈半干状态。因此，为了保证烟气脱硫的稳定进行，相对湿度宜选择45%。

1)随着相对湿度的升高，烟气穿透时间增加，烟气脱硫效率增大，因此，在工业应用中，在保证脱硫塔内部不出现黏壁现象时，为增加脱硫剂的脱硫效率，可以提高脱硫塔内的相对湿度。

2)在本实验条件下，钙基脱硫剂在相对湿度为45%时脱硫效率较优，此时可以达到100%脱硫效率的运行时间为580 min，总反应时间为720 min，浓度不低于35 mg·m⁻³的运行时间为640 min，总固硫量为332.09 mg。

3)本实验采用道尔顿的分压定律来计算相对湿度，但是此种方式忽略了烟气带入水本身温度的问题，建议下一阶段对此问题展开更加细致的研究。