孟 強， 張 軍， 于 燕， 徐俊超， 鐘 輝

(東南大學(xué) 太陽能技術(shù)研究中心， 南京 210096)

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研究與分析

水汽相變過飽和場的實驗測量和數(shù)值計算

孟 強， 張 軍， 于 燕， 徐俊超， 鐘 輝

(東南大學(xué) 太陽能技術(shù)研究中心， 南京 210096)

針對濕法脫硫后高濕煙氣，采用冷卻的方式在相變室內(nèi)建立水汽過飽和環(huán)境。設(shè)計了一套間接測量水汽過飽和度的實驗裝置并建立了相變室內(nèi)傳熱傳質(zhì)計算模型，分別從實驗和理論計算兩方面探討了冷卻水溫度對構(gòu)建過飽和氛圍的影響。二者結(jié)果均表明：冷卻濕法脫硫后高濕煙氣可以有效構(gòu)建水汽相變過飽和水汽氛圍，并且隨著管壁溫度的降低，相變室內(nèi)過飽和水平明顯增強。從數(shù)值計算結(jié)果可以看出：在相同管壁溫度下，相變室內(nèi)最大過飽和度發(fā)生在靠近管壁附近處；沿著相變室軸向方向，過飽和度水平則呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

濕法脫硫； 冷卻； 水汽過飽和環(huán)境； 過飽和度測量； 數(shù)值計算

燃煤火電廠會產(chǎn)生大量對環(huán)境和人體健康有害的細(xì)顆粒物PM2.5[1-2]，而已有的除塵設(shè)備對于細(xì)顆粒，尤其是1μm以下的亞微米顆粒難以有效捕集。目前國內(nèi)外正在研究開發(fā)的主要為燃燒后控制，技術(shù)方向為設(shè)置預(yù)處理措施，使細(xì)顆粒通過化學(xué)或物理作用長成較大顆粒，然后再使用常規(guī)除塵設(shè)備加以脫除[3-6]，其中應(yīng)用水汽相變原理促使細(xì)顆粒凝并長大是一項極具應(yīng)用前景的預(yù)處理技術(shù)，其機理是：在過飽和蒸汽環(huán)境中，水汽以微粒為凝結(jié)核發(fā)生相變，使微粒粒度增大，質(zhì)量增加。

應(yīng)用水汽相變預(yù)調(diào)節(jié)技術(shù)，關(guān)鍵是低能耗前提下過飽和環(huán)境的構(gòu)建。在通常情況下，煙氣經(jīng)濕法脫硫后溫度由80～150℃降至40～60℃，相對濕度由5%～10%增至90%～95%以上[7]，煙氣處于飽和或接近飽和狀態(tài)，容易實現(xiàn)水汽過飽和場的建立。由此可見，將水汽相變預(yù)調(diào)節(jié)技術(shù)與現(xiàn)有燃煤煙氣濕法脫硫技術(shù)結(jié)合，最有可能實現(xiàn)該技術(shù)的工程應(yīng)用[7-8]。

利用水汽相變技術(shù)作為脫除細(xì)顆粒物的預(yù)處理措施已有較長的研究歷史[9-14]，然而，已有研究大多針對細(xì)顆粒的宏觀脫除效果[15-16]，未能深入研究過飽和水汽氛圍的形成規(guī)律，且主要采用添加蒸汽的方式建立過飽和環(huán)境[15-16]，煙氣冷卻條件下操作參數(shù)對過飽和氛圍的影響機制還不明確。為此，筆者設(shè)計了一套間接測量水汽過飽和度的實驗裝置以及建立了相變室內(nèi)傳熱傳質(zhì)計算模型，分別從實驗和理論計算兩方面深入探討冷卻濕法脫硫系統(tǒng)高濕煙氣建立水汽相變過飽和環(huán)境的可行性，重點考察冷卻水溫度對構(gòu)建過飽和氛圍的影響。

1 實驗

1.1實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)見圖1，主要由氣流發(fā)生裝置、氣流溫濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、過飽和場建立系統(tǒng)、等濕加熱系統(tǒng)等組成。考慮到實際鍋爐煙氣組分復(fù)雜，而本實驗側(cè)重研究冷卻法構(gòu)建過飽和環(huán)境的效果，暫未考慮研究煙氣組分對過飽和環(huán)境構(gòu)建的影響機制，所以使用壓縮空氣代替煙氣進(jìn)行實驗。實驗具體流程為：由氣瓶產(chǎn)生一定流量的氣流進(jìn)入溫濕度調(diào)節(jié)室，氣瓶與調(diào)節(jié)室之間的管路以及調(diào)節(jié)室壁面上都纏繞有電加熱帶來控制氣流溫度，通過注入水蒸氣調(diào)節(jié)相變室入口氣流的含濕量。氣流達(dá)到設(shè)定溫濕度后(模擬濕法脫硫后煙氣溫濕度)，將其通入相變室，相變室為圓管狀結(jié)構(gòu)，采用有機玻璃管制作，內(nèi)徑為45mm，壁厚為3mm，長度為300mm，保證了管內(nèi)氣流流動為穩(wěn)定層流。相變室外側(cè)設(shè)置有一層循環(huán)水夾套，利用冷卻水使氣流溫度降低，建立水汽過飽和場。在相變室出口連接有一加熱的管道對過飽和水汽進(jìn)行等濕加熱，并測量加熱后的氣體溫濕度。

實驗溫濕度選用芬蘭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±0.2K)測試，循環(huán)冷卻水使用低溫恒溫槽提供。

1.2實驗方法

實驗中采用過飽和度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。

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量過飽和場中蒸汽的分壓。為此，提出了一種間接測量過飽和度平均值的方法。圖2展示了實驗中濕氣體的狀態(tài)在焓濕圖上的變化過程，A狀態(tài)濕空氣進(jìn)入相變室中，減濕冷卻到狀態(tài)O，隨后進(jìn)入表面加熱器等濕加熱到狀態(tài)B。通過測量O點的溫度與B點的溫濕度，可以算出O狀態(tài)點的過飽和度。

1.3實驗過程及條件

實驗過程中，通過調(diào)節(jié)恒流泵流量，溫濕度調(diào)節(jié)室加熱溫度來控制入口氣流相對濕度與溫度；通過調(diào)節(jié)低溫恒溫槽溫度控制相變室壁面冷卻溫度；氣流流量維持5L/min。具體相關(guān)實驗參數(shù)見表1。

表1 相關(guān)實驗參數(shù)的選取

1.4實驗結(jié)果及分析

圖3為不同壁面冷卻溫度對相變室內(nèi)過飽和水汽環(huán)境影響的變化曲線。實驗中，入口氣流溫度選擇50℃，主要是因為濕法脫硫后凈煙氣溫度大多在45～60℃。從圖3可以看出：氣流相對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濕度越大，其蒸汽分壓越高，在相同的冷卻條件下，促進(jìn)了式(1)中pv的增大，從而可以形成更高過飽和度的水汽場。

此外，比較圖3中不同冷卻溫度的三條曲線可以發(fā)現(xiàn)：冷卻水溫度越低，形成的過飽和環(huán)境過飽和度越大。這是因為相同入口氣流溫度下，冷卻水溫度越低，氣流會被冷卻到更低溫度，蒸汽的飽和壓力越小，氣流狀態(tài)會離飽和線越遠(yuǎn)，這也意味著形成的水汽過飽和場的過飽和度也越大。從圖3中不難發(fā)現(xiàn)在入口氣流相對濕度很高、冷卻水溫度很低時，過飽和度的變化有一個陡峭的上升趨勢，這可能是由于兩個因素的共同作用導(dǎo)致的：一方面氣流相對濕度高，跨越飽和線的障礙比較小，容易形成過飽和環(huán)境；另一方面，冷卻水溫低，有助于氣流的冷卻，從而形成高過飽和水汽環(huán)境。

2 數(shù)值計算

2.1傳熱傳質(zhì)模型

相變室中的氣流溫度和蒸汽分壓以及任何一處的過飽和水平是可以通過熱質(zhì)平衡來分析的。對于該熱質(zhì)平衡的分析有以下假設(shè)條件：(1)相變室內(nèi)進(jìn)口氣流為典型的拋物線形流動面，屬于穩(wěn)定層流流動；(2)流體的屬性由該流體平均溫度來描述，并且此平均溫度的數(shù)值是常量；(3)忽略相變室中的軸向熱擴(kuò)散、徑向熱對流和其他二次流的影響；(4)相變室入口氣流溫度和蒸汽分壓是均勻分布的；(5)忽略水汽相變釋放的潛熱對溫度及過飽和度的影響。

由于相變室為圓柱形，考慮到其對稱性，只選取其半圓柱體的某一個截面進(jìn)行研究，以該截面的徑向和軸向為坐標(biāo)軸建立坐標(biāo)系(見圖4)。計算模型采用的是二維傳熱傳質(zhì)模型，該模型是來自古典格雷茲(Graetz)問題。

在圖4的坐標(biāo)系中，取微元長方形drdz進(jìn)行分析，得到能量平衡方式為：

(2)

式中：U表示氣流的平均流速；R表示相變室的半徑；r和z分別表示半徑和軸向坐標(biāo)；αt表示隨溫度和壓力變化的熱擴(kuò)散系數(shù)。

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),那么方程(2)可以簡化為：

(3)

同樣的，相變室中蒸汽分壓pv滿足以下偏微分方程：

(4)

2.2計算參數(shù)的選定

本文研究對象為濕法脫硫后高濕煙氣，考慮到在通常情況下，煙氣經(jīng)濕法脫硫后處于飽和或接近飽和狀態(tài)，故對相變室內(nèi)過飽和場進(jìn)行計算時，設(shè)定相變室入口氣流為飽和濕空氣，相變室的直徑以及氣流流量保持與實驗參數(shù)一致。為了能在更長范圍內(nèi)考察過飽和度的變化趨勢，故計算時假定了更長的相變室長度；相變室管壁溫度保持與實驗參數(shù)一致，分別設(shè)置為303K、298K和293K。表2為其余相關(guān)計算參數(shù)。

表2 相關(guān)參數(shù)的選取

2.3計算結(jié)果及討論

圖5～圖7為計算出的不同管壁溫度下相變室內(nèi)不同徑向處過飽和度的分布?？梢钥闯觯翰捎美鋮s高溫飽和氣流的方式可以有效構(gòu)建水汽相變技術(shù)所需的過飽和環(huán)境。

觀察圖5～圖7都可以看出：氣流進(jìn)入相變室后，在管子的進(jìn)口處，徑向向外靠近管壁的地方最先達(dá)到過飽和，這是因為在管子進(jìn)口處氣流受到傳熱速率的影響，由于時間短，靠近管子中心線附近的地方還沒來得及被冷卻；此外，相變室內(nèi)最大過飽和度發(fā)生在管壁附近處，這是由于管壁溫度低，管壁附近發(fā)生的對流傳熱相對劇烈，使得氣流溫度降得較低，從而引起式(1)中分母項的降低，產(chǎn)生更大的過飽和度。

對圖5～圖7中相同徑向上的過飽和度分布進(jìn)行觀察可以看出：過飽和度值沿著軸向呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這是由于氣流進(jìn)入相變室后被迅速冷卻，傳熱速率明顯高于傳質(zhì)速率，氣流溫度降低較快，即氣流飽和蒸汽壓降低較快。根據(jù)式(1)過飽和度的定義可知氣流飽和蒸汽壓力的不斷降低會使得過飽和度逐漸增大；然而隨著管內(nèi)傳熱傳質(zhì)過程的不斷推移，傳熱變得緩慢，同時氣流當(dāng)?shù)卣羝謮簳粩嘟档偷浇咏鼙诟浇羝?dāng)?shù)貕毫Γ丛黾恿耸?1)中分子項減小的趨勢，使得過飽和值達(dá)到峰值后會不斷減小。

通過比較圖5～圖7還可以看出：隨著冷卻水溫度的降低，相變室內(nèi)過飽和也在不斷增大，這是因為相同入口氣流溫度下，冷卻水溫度越低，氣流會被冷卻到更低溫度，相應(yīng)的蒸汽的平衡壓力越小，這也意味著形成的水汽過飽和場的過飽和度也越大。但并不是冷卻溫度越低越好，因為隨著相變室入口氣流溫度與冷卻水溫度的差值增大，相變室內(nèi)的傳熱傳質(zhì)過程發(fā)生的非常劇烈，使得過飽和值達(dá)到峰值后下降速率也非?？?，最終會出現(xiàn)相變室內(nèi)過飽和場不夠均勻，局部過飽和度過大的問題。

為進(jìn)一步了解不同進(jìn)氣與管壁溫度差對相變室內(nèi)過飽和氛圍構(gòu)建的影響，對不同管壁溫度下相變室中的平均過飽和度值進(jìn)行了計算，見圖8。

從圖8中可以看出：利用冷卻煙氣構(gòu)建過飽和氛圍的方式建立的過飽和水汽環(huán)境比較均勻，并且相變室中平均過飽和度分布與圖5～圖7中不同管徑處過飽和分布保持一致，沿軸向呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢；此外，管壁溫度越低，相變室內(nèi)過飽和水平明顯增加。

然而將圖3的實驗測量結(jié)果與圖8的計算結(jié)果相比較，可以發(fā)現(xiàn)過飽和度的測量值要比計算結(jié)果略大，這可能是因為相變室內(nèi)的溫度測點距離管壁較近，測量出的溫度會比管中心線附近溫度低一些，使得折算出來的該溫度下的飽和蒸汽壓力降低，從過飽和度的定義可知，飽和蒸汽壓pv,∞(T)的增大會引起過飽和度的增大。

3 結(jié)語

筆者設(shè)計了一套間接測量水汽過飽和度的實驗裝置以及建立了相變室內(nèi)傳熱傳質(zhì)計算模型，分別從實驗和理論計算兩方面深入探討了冷卻水溫度對構(gòu)建過飽和氛圍的影響。主要得出以下結(jié)論：

(1) 實驗和數(shù)值計算結(jié)果都直接表明冷卻濕法脫硫后高濕煙氣可以有效構(gòu)建水汽相變過飽和水汽氛圍，并且隨著管壁溫度的降低，相變室內(nèi)過飽和水平明顯增強。

(2) 從數(shù)值計算結(jié)果可以看出，在相同管壁溫度下，相變室內(nèi)最大過飽和度發(fā)生在靠近管壁附近處；沿著相變室軸向方向，過飽和度水平則呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

(3) 間接測量過飽和度的方法雖然難免存在測量誤差，但作為一種定性考察操作參數(shù)對過飽和場影響的手段顯得更加直觀。筆者也計劃后續(xù)研究中使用該測量方法探討相變室壁面材料對過飽和場構(gòu)建的影響機制。

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Experimental Measurement and Numerical Calculation of Supersaturated Water Vapor Environment

Meng Qiang, Zhang Jun, Yu Yan, Xu Junchao, Zhong Hui

(Solar Energy Technology Research Center, Southeast University, Nanjing 210096, China)

The highly humid gas from wet flue gas desulfurization (WFGD) system was cooled to build the supersaturated vapor environment in condensation chamber. An experimental setup was designed for indirect measurement of the supersaturation and a model was established for calculation of heat and mass transfer in the condensation chamber, so as to theoretically and experimentally analyze the effects of cooling water temperature on the supersaturation. Both results show that cooling the highly humid gas of WFGD system can effectively build the supersaturated environment, and with the decrease of tube wall temperature, the supersaturation in condensation chamber increases obviously. Calculation results indicate that the highest supersaturation appears in the area near chamber wall under the condition of same wall temperature. The supersaturation first increases and then decreases along axial direction of the chamber.

WFGD; cooling; supersaturated vapor environment; measurement of supersaturation; numerical calculation

2016-05-23

國家自然科學(xué)基金資助項目(51576043)；國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2013CB228504)

孟 強(1991—)，男，在讀碩士研究生，研究方向為燃煤電廠燃燒污染控制。

E-mail: 282799846@qq.com

TK222

A

1671-086X(2016)06-0363-05