孟　強(qiáng)　 徐俊超　 張　軍　 于　燕　 鐘　輝

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

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利用冷卻法構(gòu)建濕氣流過飽和場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)研究

孟強(qiáng) 徐俊超 張軍 于燕 鐘輝

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

以模擬濕法脫硫后的高濕煙氣為工質(zhì),采用冷卻的方式在相變室內(nèi)建立水汽過飽和環(huán)境.提出一種間接測(cè)量水汽過飽和度的方法來衡量水汽相變過飽和場(chǎng)構(gòu)建效果.考察了不同氣流溫濕度、冷卻水溫度以及相變室壁面材料對(duì)水汽過飽和場(chǎng)的影響.結(jié)果表明,提高氣流相對(duì)濕度以及適當(dāng)提高氣流溫度都有助于提高水汽過飽和度;冷卻水溫度對(duì)過飽和場(chǎng)建立有非常明顯的影響,冷卻溫度越低,得到的水汽過飽和場(chǎng)過飽和度越高;采用低表面能的聚四氟乙烯材料作為相變室內(nèi)內(nèi)壁可有效增強(qiáng)相變效果,獲得較大過飽和度的水汽氛圍;當(dāng)相變室入口氣流溫、濕度分別為50 ℃,90%且冷卻水溫度為20 ℃時(shí),采用有機(jī)玻璃材料的相變室內(nèi)水汽過飽度可以達(dá)到1.5左右.

濕法脫硫;冷卻;水汽過飽和環(huán)境;過飽和度測(cè)量

細(xì)顆粒物PM2.5是燃煤電廠產(chǎn)生的主要污染物之一[1],而傳統(tǒng)除塵設(shè)備對(duì)于細(xì)顆粒尤其是1 μm以下的細(xì)顆粒的脫除效率非常低.目前燃煤細(xì)顆粒排放控制技術(shù)發(fā)展的主要途徑之一是設(shè)置預(yù)處理措施,使細(xì)顆粒通過化學(xué)或物理作用長(zhǎng)大成較大顆粒,然后再加以脫除[2-5].其中,應(yīng)用蒸汽相變?cè)泶偈辜?xì)顆粒凝聚并長(zhǎng)大是一項(xiàng)極具應(yīng)用前景的預(yù)處理技術(shù)[5].

應(yīng)用蒸汽相變預(yù)調(diào)節(jié)技術(shù)的關(guān)鍵是構(gòu)建低能耗下的過飽和環(huán)境.由于燃燒源煙氣水汽含量較低,通過添加蒸汽或冷卻方法達(dá)到過飽和時(shí)能耗過高,因此本文對(duì)水汽含量較高的煙氣進(jìn)行研究.通常情況下,煙氣經(jīng)濕法脫硫后溫度由80～150 ℃降至40～60 ℃,相對(duì)濕度由5%～10%增至90%～95%[6],煙氣處于飽和或接近飽和狀態(tài),容易實(shí)現(xiàn)水汽過飽場(chǎng)的建立.因此,將蒸汽相變預(yù)調(diào)節(jié)技術(shù)與現(xiàn)有燃煤煙氣濕法脫硫技術(shù)相結(jié)合可能實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的工程應(yīng)用.

對(duì)于將蒸汽相變作為脫除細(xì)顆粒物的預(yù)處理措施已有較多的研究[7-9],然而,大多研究針對(duì)燃燒源顆粒的宏觀脫除效果[10-12],未能深入研究相變室內(nèi)過飽和水汽氛圍的形成規(guī)律.且相變室主要采用添加蒸汽的方式建立過飽和環(huán)境[12-13],煙氣冷卻條件下操作參數(shù)對(duì)過飽和氛圍的影響機(jī)制還不明確;此外,相變室內(nèi)水汽過飽和度只停留在理論計(jì)算階段[14],缺乏實(shí)驗(yàn)證明.為此,本文建立了一套間接測(cè)量水汽過飽和度的實(shí)驗(yàn)裝置,研究了不同氣流特性(溫度、濕度)以及不同冷卻條件對(duì)建立過飽和場(chǎng)的影響.此外,還分析了不同相變室壁面材料對(duì)水汽過飽和度的影響.

1　實(shí)驗(yàn)

1.1測(cè)量方法

實(shí)驗(yàn)中采用過飽和度S來考察過飽和環(huán)境的建立效果,S定義如下:

(1)

式中,Pv為蒸汽分壓;Pv,∞(T)為當(dāng)?shù)貧怏w溫度下的飽和蒸汽壓力.

過飽和狀態(tài)的氣體并不穩(wěn)定,目前還沒有儀器能直接測(cè)量過飽和場(chǎng)中蒸汽的分壓.為此,本文提出了一種間接測(cè)量過飽和度平均值的方法.圖1為實(shí)驗(yàn)中濕氣體狀態(tài)在焓濕圖上的變化過程,圖中,A狀態(tài)濕空氣進(jìn)入相變室中,減濕冷卻到O狀態(tài),隨后進(jìn)入表面加熱器等濕加熱到B狀態(tài).通過測(cè)量O點(diǎn)的溫度與B點(diǎn)的溫、濕度,即可以計(jì)算出O狀態(tài)點(diǎn)的過飽和度.

上述測(cè)量方法雖然只能測(cè)出所形成的過飽和場(chǎng)中過飽和度的平均值,但是考慮到利用冷卻法構(gòu)建的過飽和水汽環(huán)境比較均勻[14],所以該測(cè)量方法可以用于衡量和比較過飽和場(chǎng)的構(gòu)建效果.

1.2實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要有壓縮空氣、氣流溫濕度調(diào)節(jié)室、相變室、冷卻系統(tǒng)以及等濕加熱系統(tǒng)等,如圖2所示.由氣瓶產(chǎn)生一定流量的空氣進(jìn)入溫濕度調(diào)節(jié)室,通過調(diào)節(jié)加熱帶溫度以及注入水蒸氣來控制相變室入口氣流的溫、濕度.氣流達(dá)到設(shè)定溫、濕度后,將其通入相變室,利用冷卻水使氣流溫度降低,建立水汽過飽和場(chǎng).相變室為管狀,內(nèi)徑為45 mm,壁厚3 mm,長(zhǎng)度為300 mm,根據(jù)該尺寸以及實(shí)驗(yàn)中氣流流量(5 L/min)等參數(shù),計(jì)算得到Re≈132(<2 300),因此可以確定管內(nèi)氣流流動(dòng)為穩(wěn)定層流.相變室外側(cè)設(shè)置一層循環(huán)水夾套,通過恒溫循環(huán)流動(dòng)水來控制管壁的冷卻溫度.在相變室出口連接有加熱管道可以對(duì)過飽和水汽進(jìn)行等濕加熱,然后測(cè)量加熱后的氣體溫、濕度.

圖2　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

選用芬蘭Vaisala公司生產(chǎn)的Vaisala-HMT337型溫濕度變送器(濕度精度為±1%,溫度精度為±0.2 ℃)測(cè)試實(shí)驗(yàn)溫、濕度,循環(huán)冷卻水由南京舜瑪儀器設(shè)備有限公司的低溫恒溫槽提供.

1.3實(shí)驗(yàn)過程及條件

實(shí)驗(yàn)過程中,通過調(diào)節(jié)恒流泵流量和加熱帶加熱溫度來控制入口氣流相對(duì)濕度與溫度;通過調(diào)節(jié)低溫恒溫槽溫度來控制相變室壁面冷卻溫度;氣流流量為5 L/min.

相變室材料的表面性能會(huì)影響水汽在其表面的凝結(jié),進(jìn)而可能影響相變室中的過飽和環(huán)境.為此,本文實(shí)驗(yàn)中采用有機(jī)玻璃管和聚四氟乙烯管2種不同表面性能的材料構(gòu)建相變室.其中,有機(jī)玻璃管的表面能為30 mN/m,聚四氟乙烯的表面能為18 mN/m.實(shí)驗(yàn)條件如表1所示.

表1　實(shí)驗(yàn)條件

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1相變室入口氣流相對(duì)濕度對(duì)過飽和度的影響

圖3為相變室入口不同濕度條件對(duì)相變室內(nèi)過飽和水汽環(huán)境影響曲線.實(shí)驗(yàn)中,選擇相變室管壁溫度Tw為接近自來水常溫25 ℃,相變室入口氣流溫度Tin為50 ℃(因?yàn)闈穹摿蚝髢魺煔鉁囟却蠖酁?5～60 ℃).

圖3　相變室入口氣流相對(duì)濕度對(duì)水汽過飽和度的影響(Tw=25 ℃,Tin=50 ℃

圖3中給出了通過計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差得出的測(cè)量值誤差棒,從中可以看出,所測(cè)結(jié)果波動(dòng)很小,這也說明了實(shí)驗(yàn)所用測(cè)量方法非?？煽?由圖還可以看出,入口氣流相對(duì)濕度對(duì)過飽和環(huán)境過飽和度影響明顯,氣流相對(duì)濕度的提高有助于形成更高過飽和度的過飽和氛圍.這是由于入口氣流相對(duì)濕度越大,其蒸汽分壓力越高,在相同的冷卻條件下,促進(jìn)了Pv的增大,從而形成更高過飽和度的水汽場(chǎng).然而,從圖中不難發(fā)現(xiàn),當(dāng)相對(duì)濕度很大時(shí),過飽和度的增加趨勢(shì)有所下降,這可能是因?yàn)殡S著相變室入口氣流相對(duì)濕度的提高,增大了相變室內(nèi)水蒸氣分壓力差,從而使凝結(jié)于相變室內(nèi)的水蒸氣量增加,減小了水汽過飽和度.

2.2相變室入口氣流溫度對(duì)過飽和度的影響

圖4為相變室內(nèi)過飽和度隨入口氣流溫度變化的曲線.由圖中可以看出,入口氣流溫度為45 ℃時(shí),相變室內(nèi)水汽過飽和度隨著相對(duì)濕度的增大呈上升的趨勢(shì);此外,比較氣流入口溫度為50，45 ℃的2條曲線可以發(fā)現(xiàn),在相同相對(duì)濕度條件下,提高入口氣流溫度,過飽和度有所增加.

氣流溫度對(duì)于過飽和環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在2個(gè)方面:① 相同冷卻條件下,適當(dāng)提高入口氣流溫度,增大了氣流與冷卻介質(zhì)之間的溫差,有利于濕氣流的冷卻,能夠促進(jìn)氣流飽和蒸汽壓力的降低,即促進(jìn)Pv,∞(T)的降低,從而有助于形成高過飽和場(chǎng);② 氣流溫度越高,其蒸汽分壓越大,從而提高了相變室內(nèi)水蒸氣分壓力差,水蒸氣分壓力差是濕質(zhì)交換的推動(dòng)力,所以伴隨著氣流溫度的提高,會(huì)有更多的蒸汽凝結(jié)在相變室內(nèi),抑制了過飽和度的大幅增加.綜合這2方面的因素,增加入口氣流溫度有助于增加相變室內(nèi)的過飽和度,但入口氣流溫度過高的同時(shí)會(huì)增加相變室內(nèi)的水汽耗散.這也說明,在過飽和環(huán)境的構(gòu)建過程中,應(yīng)合理控制相變室入口氣流溫度,不宜過高.

圖4　相變室入口氣流溫度對(duì)水汽過飽和度的影響(Tw=25 ℃

2.3冷卻水溫度對(duì)過飽和度的影響

圖5為相變室壁面不同溫度條件對(duì)相變室內(nèi)過飽和水汽環(huán)境影響的變化曲線.從圖中可以看出,冷卻水溫度越低,形成的過飽和環(huán)境過飽和度越大,最高達(dá)到1.5左右.這是因?yàn)橄嗤肟跉饬鳒囟认?冷卻水溫度越低,氣流會(huì)被冷卻到更低溫度,蒸汽的飽和壓力越小,氣流狀態(tài)會(huì)離飽和線越遠(yuǎn),這也意味著水汽過飽和度越大.圖中不難發(fā)現(xiàn),在入口氣流相對(duì)濕度很高,冷卻水溫度很低時(shí),過飽和度的變化有一個(gè)陡峭的上升趨勢(shì),這可能是由2個(gè)因素的共同作用導(dǎo)致的:① 氣流相對(duì)濕度越高,跨越飽和線的障礙則越小,則容易形成過飽和環(huán)境;② 冷卻水溫度越低,有助于氣流的冷卻,從而形成高過飽和水汽環(huán)境.

圖5　冷卻水溫度對(duì)相變室內(nèi)水汽過飽和度的影響(Tin=50 ℃

2.4相變室壁面性能對(duì)過飽和度的影響

圖6為不同相變室壁面材料對(duì)相變室內(nèi)過飽和水汽環(huán)境形成影響的變化曲線.從圖中可以看出,在相同操作參數(shù)條件下,采用聚四氟乙烯材料作為相變室壁面所形成的過飽和環(huán)境過飽和度更大,這表明相變室壁面性能對(duì)水汽過飽和場(chǎng)的建立具有重要影響,使用低表面能材料可以有效增強(qiáng)過飽和場(chǎng)的構(gòu)建效果.依據(jù)表面化學(xué)原理,水汽在固體表面上的凝結(jié)主要取決于固體的表面能,表面能越低,水汽越不容易在其上凝結(jié).聚四氟乙烯具有很低的表面能(僅18 mN/m),因此相變室內(nèi)壁面的競(jìng)爭(zhēng)凝結(jié)作用減弱,減小了式(1)中分子項(xiàng)的下降趨勢(shì);此外,聚四氟乙烯等低表面能材料還能夠?qū)崿F(xiàn)水汽的珠狀凝結(jié)[15],有利于冷凝傳熱,從而能高效地降低氣流的溫度,促進(jìn)飽和蒸汽分壓的降低,從而使式(1)中的分母減小,形成較大過飽和度的水汽氛圍.

圖6　相變室材料對(duì)水汽過飽和度的影響(Tw=25 ℃,Tin=50 ℃

3　結(jié)論

1) 本文利用冷卻的方式對(duì)高濕氣流進(jìn)行降溫,容易實(shí)現(xiàn)水汽過飽和環(huán)境的建立;提出的間接測(cè)量水汽過飽和度的方法可以作為衡量水汽過飽和環(huán)境構(gòu)建效果的有效手段.

2) 相變室入口不同氣流溫度、濕度對(duì)水汽過飽和場(chǎng)的建立均存在顯著影響,提高氣流相對(duì)濕度以及適當(dāng)提高氣流溫度都有助于提高水汽過飽和度.

3) 相變室壁面冷卻溫度的變化會(huì)影響水汽過飽和環(huán)境的建立,在相同入口條件下,冷卻溫度越低,形成的過飽和環(huán)境的過飽和度越大.

4) 當(dāng)相變室使用有機(jī)玻璃材料、氣流入口溫度為50 ℃、相對(duì)濕度為90%、冷卻水溫度為20 ℃時(shí),相變室內(nèi)水汽過飽和場(chǎng)過飽和度可以達(dá)到1.5左右.

5) 相變室壁面性能對(duì)水汽過飽和場(chǎng)的建立有非常重要的影響,采用低表面能的相變室壁面材料能夠抑制水汽在相變室壁面上的凝結(jié),可明顯提高水汽的過飽和度.

References)

[1]張建宇,潘荔,楊帆,等.中國(guó)燃煤電廠大氣污染物控制現(xiàn)狀分析[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào),2011,1(3):185-196. DOI:10.3969/j.issn.1674-991X.2011.03.031.

Zhang Jianyu, Pan Li, Yang Fan, et al. Study on current status of air pollution control for coal-fired power plants in China [J].JournalofEnvironmentalEngineeringTechnology, 2011, 1(3): 185-196. DOI:10.3969/j.issn.1674-991X.2011.03.031. (in Chinese)

[2]Gallego-Juarez J A, de Sarabia E R F, Rodriguez-Corral G, et al. Application of acoustic agglomeration to reduce fine particle emissions from coal combustion plants [J].EnvironmentalScience&Technology, 1999, 33(21): 3843-3849. DOI: 10.1021/es990002n.

[3]Watanabe T, Tochikubo F, Koizurni Y, et al. Submicron particle agglomeration by an electrostatic agglomerator [J].JournalofElectrostatics, 1995, 34(4): 367-383. DOI:10.1016/0304-3886(95)93833-5.

[4]Zhuang Y, Biswas P. Submicrometer particle formation and control in a bench-scale pulverized coal combustion[J].Energy&Fuels, 2001, 15(3): 510-516. DOI: 10.1021/ef000080s.

[5]徐俊超,張軍,周璐璐,等.蒸汽凝結(jié)促進(jìn)PM2.5長(zhǎng)大的研究現(xiàn)狀[J].現(xiàn)代化工,2014,34(3):20-24. DOI:10.3969/j.issn.0253-4320.2014.03.006.

Xu Junchao, Zhang Jun, Zhou Lulu, et al. Prospect in vapor condensation for PM2.5 abatement [J].ModernChemicalIndustry, 2014, 34(3): 20-24. DOI:10.3969/j.issn.0253-4320.2014.03.006. (in Chinese)

[6]楊林軍,張霞,張露娟,等.濕法脫硫中應(yīng)用蒸汽相變?cè)韰f(xié)同脫除PM2.5的技術(shù)分析[J].現(xiàn)代化工,2007,27(11):23-26,28. DOI:10.3321/j.issn:0253-4320.2007.11.005.

Yang Linjun, Zhang Xia, Zhang Lujuan, et al. Analysis of cooperation removal of PM2.5by heterogeneous condensation in wet flue gas desulphurization [J].ModernChemicalIndustry, 2007, 27(11): 23-26, 28. DOI:10.3321/j.issn:0253-4320.2007.11.005. (in Chinese)

[7]Calvert S, Gandhi S, Harmon D L, et al. FF/C scrubber demonstration on a secondary metals recovery furnace [J].JournaloftheAirPollutionControlAssociation, 1977, 27(11): 1076-1080. DOI:10.1080/00022470.1977.10470525.

[8]Heidenreich S, Ebert F. Condensational droplet growth as a preconditioning technique for the separation of submicron particles from gases [J].ChemicalEngineeringandProcessing:ProcessIntensification, 1995, 34(3): 235-244. DOI:10.1016/0255-2701(94)04009-5.

[9]Chen C C, Guo M S. Heterogeneous nucleation of water vapor on submicrometer particles of SiC, SiO2and naphthalene [J].JournalofColloidandInterfaceScience, 1998, 198(2): 354-367. DOI:10.1006/jcis.1997.5298.

[10]Tammaro M, di Natale F, Salluzzo A, et al. Heterogeneous condensation of submicron particles in a growth tube [J].ChemicalEngineeringScience, 2012, 74(9): 124-134. DOI:10.1016/j.ces.2012.02.023.

[11]Bao J J, Yang L J, Song S J. Removal of fine particles by heterogeneous condensation in the double-alkali desulfurization process [J].ChemicalEngineeringandProcessing, 2011, 50(8): 828-835. DOI:10.1016/j.cep.2011.05.008.

[12]Bao J J, Yang L J, Song S J, et al. Separation of fine particles from gases in wet flue gas desulfurization system using a cascade of double towers [J].EnergyFuels, 2012, 26(4): 2090-2097. DOI:10.1021/ef201868q.

[13]熊桂龍,楊林軍,郭惠,等.水汽相變耦合撞擊流作用下細(xì)顆粒物的脫除特性[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,42(5):904-909. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2012.05.020.

Xiong Guilong, Yang Linjun, Guo Hui, et al. Removal of fine particles from coal combustion by heterogeneous condensation coupled with coaxial impinging streams [J].JournalofSoutheastUniversity(NaturalScienceEdition), 2012, 42(5): 904-909. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2012.05.020.(in Chinese)

[14]Hering S V, Stolzenburg M R. A method for particle size amplification by water condensation in a laminar, thermally diffusive flow [J].AerosolScienceandTechnology, 2005, 39(5): 428-436. DOI:10.1080/027868290953416.

[15]馬學(xué)虎,劉延來,陳嘉賓,等.聚四氟乙烯薄膜表面滴狀冷凝傳熱實(shí)驗(yàn)研究[J].化學(xué)工程,2003,31(3):27-30. DOI:10.3969/j.issn.1005-9954.2003.03.005.

Ma Xuehu, Liu Yanlai, Chen Jiabin, et al. Experimental study of steam dropwise condensation on polytetrafluoroethylene film [J].ChemicalEngineering, 2003, 31(3): 27-30. DOI:10.3969/j.issn.1005-9954.2003.03.005. (in Chinese)

Experimental study on construction of wet flue gas supersaturated environment by cooling method

Meng Qiang Xu Junchao Zhang Jun Yu Yan Zhong Hui

(Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China)

The high humidity gas of wet flue gas desulfurization system was simulated to build the supersaturated vapor environment by cooling method in condensation chamber. An indirect measurement method for the supersaturation was proposed to evaluate the construction effects on the supersaturated environment. The influences of different temperatures and humidities of flue gas, different temperatures of cooling water, and different surface materials of the chamber in the supersaturated environment were investigated. The results show that the increase of relative flue gas humidity and an appropriate increase of gas temperature will help to improve the vapor supersaturation; the temperature of cooling water has a very obvious impact on the construction of the supersaturated environment, the lower the cooling temperature is, the higher the supersaturation will be; taking the polytetrafluoroethylene material condenser with low surface energy as the inner wall of the chamber can effectively enhance the effect of phase transition and get a vapor environment with bigger supersaturation. When the gas temperature and the relative humidity at the inlet of the chamber are 50 ℃ and 90%, respectively, and the temperature of the cooling water is 20 ℃, the supersaturation in the condenser using organic glass material can reach about 1.5.

wet flue gas desulfurization; cooling; supersaturated vapor environment; supersaturation measurement

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.04.012

2015-11-23.作者簡(jiǎn)介: 孟強(qiáng)(1991—)，男，碩士生；張軍(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，junzhang@seu.edu.cn.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51576043)、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(2013CB228504).

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.04.012.

TK16

A

1001-0505(2016)04-0746-05

引用本文: 孟強(qiáng),徐俊超,張軍,等.利用冷卻法構(gòu)建濕氣流過飽和場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,46(4):746-750.