CO2體積分?jǐn)?shù)對燃煤細(xì)顆粒物在水汽環(huán)境中凝結(jié)長大的影響

徐歡歡， 張 軍, 張園園

(東南大學(xué) 能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點(diǎn)實(shí)驗室, 南京 210096)

燃煤電廠是大氣環(huán)境中細(xì)顆粒物的主要來源之一[1-2]，細(xì)顆粒物即空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑小于或等于 2.5 μm的顆粒物(PM2.5)，由于其粒徑很小，難以被傳統(tǒng)除塵設(shè)備有效脫除。采用預(yù)處理措施使細(xì)顆粒物在物理或化學(xué)作用下長成較大顆粒，然后通過傳統(tǒng)的除塵設(shè)備加以脫除是目前細(xì)顆粒物控制的一個技術(shù)研究方向。

水汽相變技術(shù)[3-5]是一項細(xì)顆粒物預(yù)處理技術(shù)，目前燃煤電廠普遍安裝濕法煙氣脫硫裝置，經(jīng)濕法脫硫后的凈煙氣大多處于飽和狀態(tài)，易建立水汽相變所需的過飽和水汽環(huán)境。水汽相變技術(shù)的原理為：在過飽和水汽環(huán)境中，水蒸氣在細(xì)顆粒物表面凝結(jié)，并同時產(chǎn)生熱泳和擴(kuò)散泳作用，促進(jìn)細(xì)顆粒物遷移運(yùn)動及相互碰撞接觸，使細(xì)顆粒物粒徑增大，質(zhì)量增加，從而使顆粒易受慣性作用發(fā)生碰撞而被捕集。目前，應(yīng)用較為廣泛的過飽和水汽環(huán)境構(gòu)建方式有[6-7]：絕熱膨脹、直接注入蒸汽、低溫飽和煙氣與高溫液體接觸等。筆者采用低溫飽和煙氣與高溫液體相接觸的方法構(gòu)建過飽和水汽環(huán)境。

利用水汽相變作為細(xì)顆粒物預(yù)處理技術(shù)的關(guān)鍵是建立有效的細(xì)顆粒物凝結(jié)長大所需的過飽和水汽環(huán)境。已有研究表明載氣氛圍會影響過飽和水汽環(huán)境的構(gòu)建[8]。實(shí)際燃煤煙氣成分復(fù)雜，主要包括CO2、H2O、SO2、O2、N2等。其中，CO2作為一種主要的煙氣成分，在不同燃燒方式下[9-10]其體積分?jǐn)?shù)變化范圍較大(10%～80%)，且熱物理性質(zhì)與空氣存在較大差異。筆者對多元組分熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行計算，研究不同CO2體積分?jǐn)?shù)對過飽和度的影響，并搭建水汽相變實(shí)驗平臺，測量不同CO2體積分?jǐn)?shù)下細(xì)顆粒物長大前后的粒徑分布，旨在研究CO2體積分?jǐn)?shù)對細(xì)顆粒物在水汽環(huán)境中凝結(jié)長大的影響，并探究其影響機(jī)理。

1 理論計算

1.1 多元組分?jǐn)U散系數(shù)計算

BRUS D等[8]研究指出影響管內(nèi)流動飽和度和溫度分布最主要的熱力學(xué)參數(shù)是平衡蒸汽壓力、二元擴(kuò)散系數(shù)和混合物的導(dǎo)熱系數(shù)。平衡蒸汽壓力與載氣種類無關(guān)，二元擴(kuò)散系數(shù)及導(dǎo)熱系數(shù)受載氣的影響較大。為了探究不同CO2體積分?jǐn)?shù)對過飽和水汽環(huán)境構(gòu)建的影響，應(yīng)先明確不同CO2體積分?jǐn)?shù)下混合煙氣的熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)的變化規(guī)律。

1.1.1 多元組分熱擴(kuò)散系數(shù)

常壓下混合氣體導(dǎo)熱系數(shù)的計算式[11]為：

(1)

常壓下混合氣體比定壓熱容cp為：

cp=∑ui·cpi

(2)

常壓下混合氣體密度ρ為：

ρ=∑ui·ρi

(3)

式中：cpi為組分i的比定壓熱容，J/(kg·K)；ρi為組分i的密度，kg/m3。

混合氣體的熱擴(kuò)散系數(shù)αm為：

(4)

1.1.2 多元組分質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)

多元組分物系傳質(zhì)過程中某一組分的傳質(zhì)通量除了與其濃度梯度有關(guān)外，還與其他組分的濃度梯度有關(guān)。多元組分物系的傳質(zhì)普遍化MS(Maxwell-Stefen)方程形式[12-13]為：

J=-ctDΓu=-ctB-1Γu

(5)

式中：J為擴(kuò)散通量，mol/(m2·s)；ct為總濃度， mol/m3；Γ為熱力學(xué)因子矩陣，對于理想氣體組成的物系，其為單位矩陣；u為濃度梯度，m-1；D為多元組分物系傳質(zhì)過程MS擴(kuò)散系數(shù)矩陣，假設(shè)為n組分物系；B為二元對MS擴(kuò)散系數(shù)倒數(shù)矩陣。

i=1,2,…,n-1

(6)

i=1,2,…,n-1,j=1,2,…,n-1

(7)

D′ij(i≠j)的計算式[14]為：

(8)

式中：p為系統(tǒng)壓力，Pa；σij為組分i和組分j的碰撞直徑；Ωij為組分i和組分j的分子擴(kuò)散碰撞積分。

常壓下非極性氣體組分i的自擴(kuò)散系數(shù)D′ii的計算式[15]為：

(9)

對于極性氣體，D′ii的計算式為：

(10)

式中：σ為碰撞直徑；Ω為分子擴(kuò)散碰撞積分； ∑Vi為組分i的分子擴(kuò)散體積。

1.1.3 CO2對熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)的影響

圖1為不同CO2體積分?jǐn)?shù)下混合煙氣的熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)變化情況。模擬煙氣組成為:φ(SO2)=0.1%，φ(O2)=5%，其他為N2+CO2；相對濕度為100%，溫度為303 K。

圖1 不同CO2體積分?jǐn)?shù)下的熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)

從圖1可以看出：隨著CO2體積分?jǐn)?shù)增加，混合煙氣的熱擴(kuò)散系數(shù)及水蒸氣的質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)均呈現(xiàn)下降的趨勢；當(dāng)CO2體積分?jǐn)?shù)從10%增加到80%時，煙氣的熱擴(kuò)散系數(shù)降低了38%，水蒸氣在煙氣中的質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)降低了14%。隨著CO2體積分?jǐn)?shù)的增加，傳熱傳質(zhì)過程均變得較為緩慢。

圖2為不同煙氣溫度對應(yīng)混合煙氣熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)的變化情況?；旌蠠煔饨M成為：φ(CO2)=10%,φ(SO2)=0.1%,φ(O2)=5%,其他為N2；相對濕度為100%。

圖2 不同煙氣溫度下熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)

從圖2可以看出，隨著溫度的增加，熱質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)均有所上升。當(dāng)煙氣溫度從283 K提升至323 K時，混合煙氣的熱擴(kuò)散系數(shù)提高了26.5%，水蒸氣在煙氣中的質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)提高了26%。隨著溫度的升高，混合煙氣的熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)提高明顯，傳熱傳質(zhì)過程加快。

圖3為不同SO2體積分?jǐn)?shù)下混合煙氣的熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)變化情況。模擬煙氣組成為：φ(CO2)= 10%，φ(O2)=5%，其他為N2+SO2；相對濕度為100%，溫度為303 K。

圖3 不同SO2體積分?jǐn)?shù)下的熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)

從圖3可以看出：隨著SO2體積分?jǐn)?shù)的增加，混合煙氣的熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)均有所下降，隨著SO2體積分?jǐn)?shù)從0.1%增加至5%，煙氣的熱擴(kuò)散系數(shù)降低了5.5%，水蒸氣在煙氣中的質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)降低了2.5%。

圖4為不同O2體積分?jǐn)?shù)下混合煙氣的熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)變化情況。模擬煙氣組成為：φ(CO2)=10%，φ(SO2)=0.1%，其他為N2+O2；相對濕度為100%，溫度為303 K。

圖4 不同O2體積分?jǐn)?shù)下的熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)

從圖4可以看出：隨著O2體積分?jǐn)?shù)的增加，混合煙氣的熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)略有升高，隨著O2體積分?jǐn)?shù)從1%增加至20%，煙氣的熱擴(kuò)散系數(shù)及水蒸氣在煙氣中的質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)分別增加了0.1%和2.5%。

1.2 過飽和度計算

1.2.1 傳熱傳質(zhì)模型及計算參數(shù)選定

生長管內(nèi)過飽和度計算采用二維傳熱傳質(zhì)模型[16]，選取半圓柱體的某一界面進(jìn)行研究，以該截面的徑向r和軸向z為坐標(biāo)軸建立坐標(biāo)系，見圖5(其中，Tw為管壁溫度，R為生長管半徑)。

圖5 生長管坐標(biāo)示意圖

取微圓長方形drdz進(jìn)行分析，能量平衡方程為：

(11)

式中：U為氣流的平均速度，m/s。

定義無量綱坐標(biāo)x=r/R、y=z/R，以及無量綱參數(shù)fT=(T-Tw)/(T0-Tw)，其中T0為進(jìn)氣溫度，K，將式(11)簡化為：

(12)

同樣的，生長管內(nèi)蒸汽分壓pv滿足以下方程：

(13)

式中：無量綱參數(shù)fv=(pv-pv,w)/(pv,in-pv,w)，其中pv,in為進(jìn)氣飽和蒸汽分壓， Pa，pv,w為管壁溫度Tw下的飽和蒸汽分壓，Pa。

生長管內(nèi)過飽和度S計算式[17]為：

(14)

式中：pv,∞(T)為當(dāng)?shù)販囟认碌娘柡驼羝謮? Pa。

生長管各參數(shù)見表1。

表1 生長管參數(shù)

1.2.2 CO2體積分?jǐn)?shù)對生長管內(nèi)過飽和度的影響

圖6為管壁溫度為303 K時，不同CO2體積分?jǐn)?shù)下生長管內(nèi)的過飽和度分布。

圖6 不同CO2體積分?jǐn)?shù)下生長管內(nèi)過飽和度分布

從圖6可以看出：隨著CO2體積分?jǐn)?shù)的增加，過飽和度分布呈增加趨勢，這是因為隨著CO2體積分?jǐn)?shù)的增加，熱擴(kuò)散系數(shù)降低，傳熱過程變得緩慢，溫度降低使氣流的飽和蒸汽分壓降低?？傮w來說，過飽和度分布表現(xiàn)為先增加后降低的規(guī)律。

圖7為不同CO2體積分?jǐn)?shù)及不同管壁溫度下生長管內(nèi)的平均過飽和度。從圖7可以看出：隨著管壁溫度的提高，生長管中構(gòu)建的過飽和度不斷增大，當(dāng)管壁溫度為303 K時，隨著CO2體積分?jǐn)?shù)從10%分別提高至30%和50%時，生長管內(nèi)的平均過飽和度分別增加了0.6%和1.3%。當(dāng)管壁溫度為313 K時，隨著CO2體積分?jǐn)?shù)從10%分別提高至30%和50%時，生長管內(nèi)的平均過飽和度分別增加了1.9%和4%。當(dāng)管壁溫度為323 K時，隨著CO2體積分?jǐn)?shù)從10%分別提高至30%和50%時，生長管內(nèi)的平均過飽和度分別增加了3.2%和7%。隨著管壁溫度的升高，CO2體積分?jǐn)?shù)的增加更加有利于生長管中平均過飽和度的提高,這可能是因為隨著管壁溫度的升高，混合煙氣中蒸汽的質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)明顯變大，傳質(zhì)過程加快，蒸汽分壓增大，從而使生長管內(nèi)的過飽和度提高。

圖7 不同CO2體積分?jǐn)?shù)下生長管內(nèi)平均過飽和度

圖8為管壁溫度為303 K時，不同SO2體積分?jǐn)?shù)下生長管內(nèi)的過飽和度分布。從圖8可以看出：隨著SO2體積分?jǐn)?shù)的增加，過飽和度分布呈增加趨勢，但增加幅度比變CO2時小。

圖8 不同SO2體積分?jǐn)?shù)下生長管內(nèi)過飽和度分布

圖9為管壁溫度為303 K時，不同O2體積分?jǐn)?shù)下生長管內(nèi)的過飽和度分布。從圖9可以看出：隨著O2體積分?jǐn)?shù)的增加，生長管內(nèi)的過飽和度幾乎不變。

圖9 不同O2體積分?jǐn)?shù)下生長管內(nèi)過飽和度分布

2 實(shí)驗分析

2.1 實(shí)驗系統(tǒng)及參數(shù)

圖10為實(shí)驗系統(tǒng)圖，主要由氣溶膠發(fā)生系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、顆粒長大系統(tǒng)、測量系統(tǒng)等組成。實(shí)驗以空氣作為背景氣體，再配比不同體積分?jǐn)?shù)的CO2氣體來進(jìn)行。一定流量的空氣進(jìn)入氣溶膠發(fā)生器與細(xì)顆粒物混合后進(jìn)入混合箱，細(xì)顆粒物的種類為SiO2，混合箱上設(shè)置氣體添加口，添加一定流量的CO2氣體用于模擬不同CO2體積分?jǐn)?shù)氛圍；對進(jìn)入系統(tǒng)的氣流的溫濕度進(jìn)行測定，根據(jù)氣流的溫濕度來設(shè)定低溫恒溫槽的溫度，從而保證氣溶膠氣流進(jìn)入生長管之前達(dá)到飽和狀態(tài)；將混合氣溶膠氣流通入生長管內(nèi),生長管由有機(jī)玻璃制成，熱水恒溫槽中的熱水通過水泵切向送入生長管，在生長管內(nèi)壁形成一層水膜，煙氣流自下而上流經(jīng)生長管與熱水接觸形成過飽和水汽環(huán)境，使得經(jīng)過生長管的細(xì)顆粒物核化凝結(jié)長大；最后通過設(shè)置在生長管出口處的激光粒度儀測量細(xì)顆粒物核化凝結(jié)長大前后的粒徑分布，得出細(xì)顆粒物長大的規(guī)律。實(shí)驗相關(guān)參數(shù)見表2。

圖10 實(shí)驗系統(tǒng)圖

表2 相關(guān)實(shí)驗參數(shù)

表3為空氣成分組成。從表3可以看出：空氣中的主要成分為N2和O2，CO2的含量極低，而通過計算可知O2對于混合氣體熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)及過飽和度的影響十分微小，故單獨(dú)研究CO2體積分?jǐn)?shù)對過飽和水汽環(huán)境條件下細(xì)顆粒物長大的影響時，可以用空氣代替混合氣進(jìn)行實(shí)驗。

表3 空氣成分組成 %

2.2 實(shí)驗結(jié)果及分析

圖11為管壁溫度為303 K條件下，改變模擬煙氣中CO2體積分?jǐn)?shù)時生長管中細(xì)顆粒物長大后的粒徑分布。

圖11 不同CO2體積分?jǐn)?shù)下細(xì)顆粒物的長大粒徑分布

從圖11可以看出：隨著CO2體積分?jǐn)?shù)由10%分別提高到30%和50%，細(xì)顆粒的長大效果得到一定程度的提高；小于0.1 μm的顆粒數(shù)量占比由82.4%分別降低至74.9%和72.1%，粒徑大于1 μm的顆粒數(shù)量占比由4.4%分別增加到5.1%和5.5%，這說明CO2體積分?jǐn)?shù)的增加提高了細(xì)顆粒的長大效果，這是因為當(dāng)CO2體積分?jǐn)?shù)由10%分別提高至30%和50%時，平均過飽和度分別提高了0.6%和1.3%

圖12為不同管壁溫度下細(xì)顆粒長大后的算術(shù)平均粒徑。

圖12 不同CO2體積分?jǐn)?shù)下細(xì)顆粒長大算術(shù)平均粒徑

從圖12可以看出：隨著管壁溫度的提高，長大后顆粒的平均粒徑顯著提高。當(dāng)管壁溫度為303 K時，長大后顆粒的算術(shù)平均粒徑分別增大了7.4%和13%；當(dāng)管壁溫度為313 K時，長大后顆粒的算術(shù)平均粒徑分別增大了8.3%和15.5%；當(dāng)管壁溫度為323 K時，長大后顆粒的算術(shù)平均粒徑分別增大了9.3%和19.3%。這說明CO2體積分?jǐn)?shù)的增加顯著提高了細(xì)顆粒的長大效果，且隨著管壁溫度的提高，CO2體積分?jǐn)?shù)的增加更加有利于過飽和水平的提高，這是因為當(dāng)管壁溫度從303 K增加到323 K時，隨著CO2體積分?jǐn)?shù)從10%增長到50%,生長管內(nèi)的平均過飽和度分別提高了1.3%和7%，也就是說管壁溫度越高，隨著CO2體積分?jǐn)?shù)的增加，生長管內(nèi)的過飽和度水平提高的比例越高。過飽和度越大，顆粒凝結(jié)長大的速度也越快，這為細(xì)顆粒物長大提供了非常有力的過飽和水汽環(huán)境條件。

3 結(jié)語

筆者利用數(shù)值分析和實(shí)驗研究對燃煤煙氣中CO2體積分?jǐn)?shù)對水汽相變促進(jìn)細(xì)顆粒物長大的影響進(jìn)行探究。計算了不同CO2體積分?jǐn)?shù)下混合氣體的熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，預(yù)測了不同CO2體積分?jǐn)?shù)下生長管內(nèi)的過飽和度分布；并且搭建了水汽相變實(shí)驗平臺，研究了不同CO2體積分?jǐn)?shù)下細(xì)顆粒物的長大特性。主要結(jié)論如下：

(1) 隨著CO2體積分?jǐn)?shù)的增加，混合氣體的熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)均有所下降，熱擴(kuò)散系數(shù)降低的幅度高于質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)降低的幅度；隨著SO2體積分?jǐn)?shù)的增大，熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)均有所降低，而O2體積分?jǐn)?shù)的增加會使熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)略有提升。

(2) 溫度的升高對于熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)的影響較大。隨著煙氣溫度從283 K增至323 K，熱、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)增加幅度超過25%。

(3) 隨著CO2體積分?jǐn)?shù)的增加，生長管內(nèi)的過飽和度顯著提高，同時管壁溫度越高，隨著CO2體積分?jǐn)?shù)的增加，生長管內(nèi)平均過飽和度升高的比例越大；隨著SO2體積分?jǐn)?shù)的增加，生長管內(nèi)的過飽和度略有提高，而O2體積分?jǐn)?shù)的增加對于過飽和度的影響非常小。

(4) 隨著CO2體積分?jǐn)?shù)的增加，細(xì)顆粒物長大的效果越明顯，同時管壁溫度越高，細(xì)顆粒物粒徑越大。