添加濕空氣對(duì)濕法脫硫凈煙氣中細(xì)顆粒物脫除性能

姜業(yè)正　吳　昊　雒　飛　楊林軍

(東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京　210096)

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添加濕空氣對(duì)濕法脫硫凈煙氣中細(xì)顆粒物脫除性能

姜業(yè)正吳昊雒飛楊林軍

(東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210096)

摘要:借鑒大氣環(huán)境中暖濕氣流和冷空氣交匯形成降水的原理，開(kāi)展了在濕法脫硫凈煙氣中注入適量濕空氣促進(jìn)細(xì)顆粒物(PM(2．5))凝結(jié)長(zhǎng)大脫除的研究，數(shù)值計(jì)算了脫硫凈煙氣與濕空氣混合后的水汽過(guò)飽和度及可凝結(jié)水汽量分布特性．采用實(shí)際燃煤試驗(yàn)平臺(tái)，在脫硫凈煙氣中添加濕空氣來(lái)建立細(xì)顆粒凝結(jié)長(zhǎng)大所需的過(guò)飽和水汽環(huán)境，考察了濕空氣溫濕度、添加量和脫硫凈煙氣溫度等對(duì)細(xì)顆粒物脫除的影響．結(jié)果表明:添加適量濕空氣可有效促進(jìn)濕法脫硫凈煙氣中PM(2．5)脫除，混合氣體過(guò)飽和度、可凝結(jié)水汽量隨煙氣與濕空氣的相對(duì)濕度的升高及二者溫差的增大逐漸增加;脫除效率隨煙氣溫度的上升以及濕空氣添加量和相對(duì)濕度的增加而增加，因此添加濕空氣的方式特別適合于脫硫凈煙氣溫度較高(≥55～60℃)的場(chǎng)合．

關(guān)鍵詞:濕法脫硫凈煙氣;細(xì)顆粒物;濕空氣;水汽相變;脫除

引用本文:姜業(yè)正，吳昊，雒飛，等．添加濕空氣對(duì)濕法脫硫凈煙氣中細(xì)顆粒物脫除性能［J］．東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，46(1) : 81－86．DOI: 10．3969/j．issn．1001－0505．2016．01．014．

細(xì)顆粒物(PM2．5)污染已成為我國(guó)突出的大氣環(huán)境問(wèn)題，引起了社會(huì)的普遍關(guān)注［1］．由于PM2．5粒徑小、比表面積大，易于吸附空氣中的有毒、有害物質(zhì)，并可隨呼吸進(jìn)入體內(nèi)，對(duì)人體健康造成急性或慢性危害［2－3］．

燃煤煙氣排放是大氣中PM2．5的重要來(lái)源［4］．以燃煤電廠為例，雖然現(xiàn)有的靜電除塵設(shè)備除塵效率可高達(dá)99%以上，但難以捕集其中的PM2．5，并且在經(jīng)過(guò)濕法煙氣脫硫(WFGD)系統(tǒng)后，PM2．5的濃度反而會(huì)增加［5－6］．Meij等［7］經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，石灰石/石膏法脫硫系統(tǒng)出口顆粒物基本為PM2．5，除燃煤飛灰外，還含有部分石膏和未反應(yīng)的石灰石等組分．Nielsen等［8］通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，雖然濕法脫硫工藝對(duì)顆粒物的總質(zhì)量脫除率在50%～80%之間，但亞微米級(jí)微粒質(zhì)量濃度卻增加了20%～100%．目前可采用2種途徑降低脫硫凈煙氣中PM2．5濃度:①在現(xiàn)有WFGD系統(tǒng)出口安裝濕式電除塵，該方式雖可取得較好的脫除效果，但投資運(yùn)行費(fèi)用較高;②利用外場(chǎng)作用促使PM2．5長(zhǎng)大，使其易于被除霧器捕集．在這些外場(chǎng)作用中，采用過(guò)飽和水汽在顆粒表面凝結(jié)并促使細(xì)顆粒長(zhǎng)大的技術(shù)是一種降低PM2．5濃度的重要手段，且特別適合煙氣中水汽含量較高的環(huán)境［9］．在脫硫塔洗滌過(guò)程中高溫?zé)煔馀c中低溫脫硫液接觸，部分脫硫液汽化，煙溫降低，煙氣相對(duì)濕度增大，并可接近飽和狀態(tài)．因此，現(xiàn)有WFGD系統(tǒng)較易實(shí)現(xiàn)PM2．5凝結(jié)長(zhǎng)大所需的過(guò)飽和水汽環(huán)境．Yan等［10］和鮑靜靜等［11］均采用添加蒸汽的方法建立過(guò)飽和水汽環(huán)境，促進(jìn)PM2．5的長(zhǎng)大脫除，但通過(guò)添加蒸汽方式建立的過(guò)飽和度隨脫硫凈煙氣溫度的升高而急劇減小［12］，使得煙溫較高(≥55～65℃)時(shí)，蒸汽耗量過(guò)高．Heidenreich等［13］通過(guò)混合2股不同溫濕度的氣體來(lái)建立過(guò)飽和水汽環(huán)境，發(fā)現(xiàn)當(dāng)凝結(jié)水汽量為5．5 g/m3時(shí)，亞微米級(jí)微?？煽焖?≤0．1 s)長(zhǎng)大至2～3 μm．

本文對(duì)濕空氣與脫硫凈煙氣混合后的過(guò)飽和度和可凝結(jié)水汽量進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并采用實(shí)際多功能燃煤試驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展了在濕法脫硫凈煙氣中添加適量濕空氣促進(jìn)PM2．5脫除的研究，考察了濕空氣相對(duì)濕度、添加量以及脫硫凈煙氣溫度對(duì)顆粒物脫除的影響．

1　理論計(jì)算

濕空氣與濕法脫硫凈煙氣在混合過(guò)程中進(jìn)行充分的熱、質(zhì)交換，混合后的煙氣可達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)．當(dāng)混合后煙氣的過(guò)飽和度超過(guò)水汽相變臨界過(guò)飽和度時(shí)，過(guò)飽和水汽將以細(xì)顆粒物為凝結(jié)核開(kāi)始凝結(jié)，促使細(xì)顆粒粒度增大．為簡(jiǎn)化計(jì)算，本文將濕空氣與脫硫凈煙氣的混合看成是2股不同溫濕度的濕氣體絕熱混合，忽略濕空氣中的燃煤飛灰、部分石膏和未反應(yīng)的石灰石等不溶物組分，且不考慮相態(tài)變化．根據(jù)混合前后的質(zhì)量及能量守恒可得如下關(guān)系式:

式中，h1，h2，h3分別為脫硫凈煙氣、濕空氣以及混合后煙氣的比焓; d1，d2，d3分別為脫硫凈煙氣、濕空氣以及混合后煙氣的含濕量．

混合后煙氣的含濕量為

式中，Pb為飽和水汽壓力，可以通過(guò)查表獲得;φ為相對(duì)濕度; d為含濕量; P為大氣壓力．

通過(guò)上述方法可以得出濕空氣和煙氣混合后的過(guò)飽和度S．當(dāng)S大于臨界過(guò)飽和度時(shí)，發(fā)生相變．Chen等［14］在對(duì)SiO2和TiO2的異質(zhì)成核研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，亞微米級(jí)顆粒在溫度為10～50℃時(shí)凝結(jié)長(zhǎng)大的臨界過(guò)飽和度為1．01～1．14．凡鳳仙等［15］通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法研究了水汽在具有不同接觸角的顆粒物(0．1～10 μm)表面的異質(zhì)核化特性認(rèn)為，PM2．5凝結(jié)長(zhǎng)大所需的臨界過(guò)飽和度約為1．00～1．10．

式中，q1=ρw1v1，q2=ρw2v2分別為濕空氣和脫硫凈煙氣的質(zhì)量流量，ρw1，ρw2分別為濕空氣和脫硫凈煙氣的密度，v1，v2分別為濕空氣和脫硫凈煙氣的體積流量．

由下式可以求得混合后煙氣的相對(duì)濕度:

2　試驗(yàn)

2．1試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括燃煤鍋爐、電除塵器、濕法脫硫系統(tǒng)、增濕塔、測(cè)試控制系統(tǒng)等，如圖1所示．燃煤鍋爐產(chǎn)生的煙氣量為350 m3/h，煙氣經(jīng)過(guò)緩沖罐后獲得顆粒物濃度分布均勻的含塵煙氣．煙氣由靜電除塵器脫除大部分粗顆粒物后進(jìn)入脫硫塔．脫硫塔采用三級(jí)噴淋結(jié)構(gòu)，高度為5 150 mm，塔徑為200 mm．其中，水汽相變區(qū)設(shè)置在脫硫塔頂，高度為1 000 mm，水汽相變區(qū)入口設(shè)置折流板除霧器以去除脫硫凈煙氣夾帶的粗脫硫漿液液滴，水汽相變區(qū)頂部設(shè)置絲網(wǎng)除霧器，用于脫除凝結(jié)長(zhǎng)大后的含塵液滴．經(jīng)過(guò)脫硫洗滌后的脫硫凈煙氣與一定溫濕度的濕空氣在水汽相變室內(nèi)充分混合，脫硫凈煙氣中的細(xì)顆粒在過(guò)飽和水汽環(huán)境中凝結(jié)長(zhǎng)大，并最終由安裝在塔頂?shù)母咝Ыz網(wǎng)除霧器脫除．其中，增濕塔為濕空氣的制備系統(tǒng)，通過(guò)向塔內(nèi)通入一定量的空氣，經(jīng)過(guò)噴淋水洗滌混合后，產(chǎn)生一定溫濕度的濕空氣，并通入脫硫塔頂．通過(guò)調(diào)節(jié)水量及風(fēng)量的大小可以改變濕空氣的溫濕度．

圖1　燃煤試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

2．2測(cè)試方法

利用電稱低壓沖擊器(ELPI)實(shí)時(shí)在線測(cè)量細(xì)顆粒物的濃度和粒徑分布，ELPI粒徑測(cè)量范圍為0．023～9．314 μm;由于測(cè)量的煙氣濕度較高，水汽易在采樣管路及沖擊盤上凝結(jié)，故對(duì)采樣管路采取加熱保溫措施，并加入高溫凈化空氣來(lái)稀釋煙氣，稀釋比為8．19∶1．濕空氣及脫硫凈煙氣的溫濕度采用Vaisala-HMT337型溫濕度變送器測(cè)定．

3　結(jié)果分析

3．1理論結(jié)果

本文利用在濕法脫硫凈煙氣中添加適量濕空氣來(lái)建立細(xì)顆粒凝結(jié)長(zhǎng)大所需的過(guò)飽和水汽環(huán)境，分析了濕空氣溫濕度、添加量及脫硫凈煙氣參數(shù)等對(duì)水汽過(guò)飽和度的影響特性．理論計(jì)算條件:脫硫凈煙氣相對(duì)濕度為95%;濕空氣溫度為20，25℃，相對(duì)濕度取90%;脫硫凈煙氣與濕空氣體積流量比為10∶3．計(jì)算結(jié)果如圖2所示．由圖可知，在濕空氣溫濕度不變的情況下，隨著脫硫凈煙氣溫度的升高，混合后煙氣的過(guò)飽和度呈上升趨勢(shì)．當(dāng)濕空氣溫度為20℃、相對(duì)濕度為90%時(shí)，隨著脫硫凈煙氣溫度由44℃升高到68℃，水汽過(guò)飽和度由1．05升至1．25．由此可見(jiàn)，水汽過(guò)飽和度隨著煙氣與濕空氣溫差的增大而增加，這是因?yàn)樵谝欢窨諝馓砑臃秶鷥?nèi)，隨著二者溫差的加大，混合時(shí)脫硫凈煙氣的溫降增加，導(dǎo)致混合煙氣能夠獲得更高的過(guò)飽和度．可凝結(jié)水汽量是指煙氣中可以凝結(jié)的水汽質(zhì)量，這部分水汽除了主要凝結(jié)在顆粒物表面外，還有可能凝結(jié)在相變室壁面以及脫硫液滴表面等，因此試驗(yàn)中需要對(duì)相變室進(jìn)行保溫，以減少細(xì)顆粒在其表面的凝結(jié)．如圖2所示，可凝結(jié)水量與水汽過(guò)飽和度的變化趨勢(shì)一致，當(dāng)脫硫凈煙氣溫度為68℃時(shí)，可凝結(jié)水量最高可達(dá)38．17 g /m3．

圖2　脫硫凈煙氣溫度對(duì)過(guò)飽和水汽環(huán)境的影響

3．2脫硫凈煙氣中顆粒物分布特性

試驗(yàn)過(guò)程中先啟動(dòng)燃煤鍋爐，待燃燒工況穩(wěn)定和顆粒物濃度達(dá)到穩(wěn)定后，在脫硫塔層采用ELPI對(duì)顆粒物濃度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集．圖3為脫硫凈煙氣中顆粒物的數(shù)量濃度和數(shù)量濃度累計(jì)分布測(cè)試結(jié)果．圖中，N為數(shù)量濃度; Dp為顆粒物粒徑．可見(jiàn)顆粒物數(shù)量濃度在ELPI可測(cè)范圍內(nèi)呈單峰分布，峰值粒徑為0．07 μm左右．從圖中可知，大多數(shù)顆粒為亞微米級(jí)顆粒物，集中分布于0．03～0．4 μm粒徑范圍內(nèi)．由顆粒物數(shù)量濃度累計(jì)分布圖可以看出，n(PM2．5) /n(PM10)≈0．99，即煙氣中細(xì)顆粒物在數(shù)量上占有很大的比例．因此，控制細(xì)顆粒物數(shù)量濃度比控制其質(zhì)量濃度更有實(shí)際意義，以下討論中均基于細(xì)顆粒物數(shù)量濃度．

圖3　燃煤細(xì)顆粒物粒徑分布

3．3添加濕空氣對(duì)細(xì)顆粒物脫除的影響

3．3．1濕空氣添加量對(duì)脫除效果的影響

濕空氣與脫硫凈煙氣的體積比會(huì)直接影響混合后的水汽過(guò)飽和度，試驗(yàn)考察了濕空氣添加量對(duì)細(xì)顆粒物脫除效果的影響．在計(jì)算效率時(shí)，已考慮了濕空氣對(duì)煙氣的稀釋作用，本文中的脫除效率是指添加濕空氣前、后脫硫塔出口顆粒物數(shù)量濃度降低的百分?jǐn)?shù)．試驗(yàn)時(shí)脫硫塔進(jìn)口煙氣溫度為110～120℃，液氣比為10 L /m3，脫硫漿液溫度為50℃，空塔氣速為3．1 m /s;脫硫凈煙氣與濕空氣的體積比分別取10∶1．5，10∶2．0，10∶2．5及10∶3．0，煙氣溫度為55℃左右，濕空氣相對(duì)濕度為90%左右．

圖4為濕空氣添加量對(duì)顆粒物數(shù)量濃度分布的影響．由圖可知，添加不同量的濕空氣時(shí)，顆粒物的濃度均有不同程度的下降，且隨著濕空氣量的增加，顆粒物濃度降低．圖5為顆粒物脫除效率及水汽過(guò)飽和度隨不同濕空氣添加量的變化．由圖可知，當(dāng)脫硫凈煙氣與濕空氣的體積比由10∶1．0增加到10∶3．0時(shí)，其脫除效率由16%增加到40%左右．隨體積比的增大，水汽過(guò)飽和度也隨之增大．當(dāng)體積比由10∶1．0增加到10∶3．0時(shí)，過(guò)飽和度由1．02增加到1．15．但隨濕空氣添加量的進(jìn)一步增加，細(xì)顆粒物脫除效率將趨于平緩并逐漸降低;混合煙氣溫度隨著低溫濕空氣添加量的增加而降低，有利于過(guò)飽和水汽環(huán)境的建立;同時(shí)，由于濕空氣含濕量低于脫硫凈煙氣的含濕量，故混合后的含濕量隨著濕空氣添加量的增加反而減少，不利于過(guò)飽和水汽環(huán)境的建立．此外，濕空氣添加量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致煙氣量顯著增加，導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)或增壓風(fēng)機(jī)能耗增大．因此，依據(jù)本文試驗(yàn)結(jié)果，適宜的脫硫凈煙氣與濕空氣混合體積比為10∶2．5～10∶3．0．

圖4　濕空氣添加量對(duì)細(xì)顆粒物濃度分布的影響

圖5　濕空氣添加量與細(xì)顆粒物脫除效率及過(guò)飽和度的關(guān)系

3．3．2濕空氣相對(duì)濕度對(duì)脫除效果的影響

圖6為添加4種不同相對(duì)濕度的濕空氣后顆粒物的脫除效率．試驗(yàn)操作條件同3．3．1節(jié)．脫硫凈煙氣與濕空氣體積比為10∶3．0，溫度為55℃左右;濕空氣相對(duì)濕度分別為73%～75%，80%～82%，89%～90%以及98%～100%．由圖可知，隨著相對(duì)濕度的增大，顆粒物的脫除效率也逐漸增大，當(dāng)濕空氣接近飽和狀態(tài)時(shí)，顆粒物脫除效率可達(dá)43%左右．同時(shí)，當(dāng)脫硫凈煙氣與濕空氣體積比為10∶3．0、煙氣溫度為55℃、相對(duì)濕度為95%、濕空氣溫度為20℃時(shí)，水汽過(guò)飽和度隨著濕空氣相對(duì)濕度增大而增大，當(dāng)相對(duì)濕度由75%上升到95%左右時(shí)，過(guò)飽和度由1．13增加到1．143，水汽過(guò)飽和度的升高促進(jìn)了細(xì)顆粒物的長(zhǎng)大，提高了細(xì)顆粒物的脫除效率．

圖6　濕空氣濕度與細(xì)顆粒物脫除效率及過(guò)飽和度的關(guān)系

由此可見(jiàn)，濕空氣相對(duì)濕度能夠明顯影響細(xì)顆粒物脫除效果，這是因?yàn)闈窨諝庀鄬?duì)濕度增大時(shí)，煙氣與濕空氣混合后的水汽過(guò)飽和度增加，可凝結(jié)水量增加，因而水汽更易凝結(jié)在細(xì)顆粒物上，同時(shí)也保證了細(xì)顆粒物的進(jìn)一步長(zhǎng)大并脫除．

3．3．3脫硫凈煙氣溫度對(duì)脫除效果的影響

當(dāng)脫硫凈煙氣溫度分別為46，51，56及60℃、脫硫凈煙氣與濕空氣體積比為10∶3．0、濕空氣相對(duì)濕度為90%左右時(shí)，細(xì)顆粒物脫除效率及水汽過(guò)飽和度隨脫硫凈煙氣溫度的變化規(guī)律如圖7所示．由圖可以看出，顆粒物脫除效率隨著脫硫后煙氣溫度升高而增大．當(dāng)煙氣溫度由46℃上升到60℃時(shí)，顆粒物脫除效率從18%上升到45%左右，水汽過(guò)飽和度由1．06升高到1．18．上述結(jié)果表明，與添加蒸汽方式不同，添加濕空氣方式特別適合于脫硫凈煙氣溫度較高(≥55～60℃)的場(chǎng)合．

圖7　脫硫煙氣溫度與細(xì)顆粒物脫除效率及過(guò)飽和度的關(guān)系

因此，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)濕法脫硫凈煙氣溫度來(lái)選擇添加濕空氣或蒸汽方式，有利于降低建立過(guò)飽和水汽環(huán)境所需的能耗．

4　結(jié)論

1)脫硫凈煙氣中顆粒物數(shù)量濃度在ELPI測(cè)試范圍內(nèi)呈單峰分布，且大多數(shù)為亞微米級(jí)顆粒物．

2)通過(guò)對(duì)脫硫凈煙氣與濕空氣的熱、質(zhì)混合計(jì)算可知，隨著脫硫凈煙氣溫度的上升以及濕空氣添加量和相對(duì)濕度的增加，水汽過(guò)飽和度及可凝結(jié)水汽量都隨之增大，且都能夠達(dá)到并超過(guò)異質(zhì)凝結(jié)所需的臨界過(guò)飽和度值．

3)利用燃煤試驗(yàn)平臺(tái)考察濕空氣添加量、溫濕度及脫硫凈煙氣溫濕度對(duì)細(xì)顆粒物脫除效率的影響．可以看出，隨著脫硫煙溫的上升以及濕空氣添加量和相對(duì)濕度的增加，顆粒物脫除效率增大．

4)添加濕空氣建立過(guò)飽和水汽環(huán)境，水汽過(guò)飽和度、可凝結(jié)水汽量及細(xì)顆粒物脫除效率均隨脫硫凈煙氣溫度升高而增加，因此該方式適合于脫硫凈煙氣溫度較高(≥55～60℃)的場(chǎng)合．

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Performance study on fine particle removal from wet desulfurized flue gas by adding humid air

Jiang Yezheng Wu Hao Luo Fei Yang Linjun
(Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education，Southeast University，Nanjing 210096，China)

Abstract:Based on the principle of rainfall formation by the mixture of warm wet air flow and cold air in atmospheric environment，an investigation was conducted on promoting the growth and removal of fine particle (PM(2．5)) by adding moderate humid air into wet desulfurized flue gas．The degree of water vapor supersaturation and the amount of condensable water vapor distribution after mixing the desulfurized flue gas and humid air were calculated numerically．Supersaturated water vapor environment of fine particle growth was established by adding humid air into desulfurized flue gas on the actual coal-fired experimental platform．The influences of the temperature and relative humidity，the addition of humid air and the desulfurized flue gas temperature on fine particle removal were analyzed．The results show that PM(2．5)in the desulfurized flue gas can be removed effectively by adding moderate humid air．The degree of the mixed flue gas supersaturation and the amount of condensable water vapor increase with the increase of the relative humidity of flue gas and humid air and the temperature difference between these two．The removal efficiency of fine particles increases with the increase of the desulfurized flue gas temperature and the addition and relative humidity of humid air．It would be appropriate by adding humid air while the desulfurized flue gas temperature is higher(≥55 to 60℃)．

Key words:wet desulfurized flue gas; fine particles; humid air; heterogeneous condensation;removal

基金項(xiàng)目:國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2013CB228505)、國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21276049)．

收稿日期:2015-07-06．

作者簡(jiǎn)介:姜業(yè)正(1990—)，女，碩士生;楊林軍(聯(lián)系人)，男，博士，教授，101010340@ seu．edu．cn．

DOI:10．3969/j．issn．1001－0505．2016．01．014

中圖分類號(hào):X513

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1001－0505(2016) 01-0081-06