王斯民, 宋 晨, 王家瑞, 孫利娟, 張早校, 文 鍵

(1. 西安交通大學(xué) 化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院, 陜西 西安 710049;2. 西安交通大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院, 陜西 西安 710049)

1 前 言

三級旋風(fēng)裝置是目前流化催化裂化工藝(FCC)中提高尾氣凈化率的關(guān)鍵裝置，主要分為3 種形式：立管式、臥管式和大三旋。大三旋的除塵效率最高，在80%左右[1-2]，但只能將6 μm 以上的顆粒基本除去。蒸汽相變凝并技術(shù)是使蒸汽以細顆粒為核，在其表面發(fā)生異質(zhì)冷凝，實現(xiàn)顆粒團聚。自20 世紀以來，國內(nèi)外就開始了蒸汽凝并脫除細顆粒物的研究[3]。

理論模型方面，BUNZ 等[4]提出顆粒的形狀修正因子，對預(yù)測顆粒相變長大的Mason 公式進行了修正；HENDRICH 等[5]得到了過飽和度、初始粒徑等對顆粒核化的活化率及長大速率的作用規(guī)律；LIU[6-7]通過理論計算得出了顆粒異質(zhì)核化和均值核化的動力學(xué)模型，給出了控制異質(zhì)核化過程的主要因素；SERGEY 等[8]探究了氣態(tài)混合物中的納米粒子在過飽和蒸汽環(huán)境下的長大效果，得到納米粒子異質(zhì)核化的理論模型；FAN 等[9-10]綜合考慮顆粒表面張力、粗糙度及液膜的表面擴散機制，得出了PM10顆粒的異質(zhì)核化模型?；诮?jīng)典核化及液滴凝結(jié)理論，他們還建立了 PM2.5顆粒異質(zhì)核化模型，并據(jù)此提出了蒸汽過飽和度等關(guān)鍵操作參數(shù)對顆粒成核的理論影響趨勢。

實驗方面，目前對于蒸汽凝并技術(shù)的研究重點大多是結(jié)合蒸汽相變原理進行除塵工藝、除塵設(shè)備方面的改進。SUN 等[11]應(yīng)用蒸汽相變的方法對濕式除塵器進行了結(jié)構(gòu)上的改進，實現(xiàn)了對污泥焚燒場廢氣的高效脫除；ANDEREI 等[12]將靜電除塵技術(shù)與蒸汽相變原理結(jié)合，發(fā)現(xiàn)亞微米顆粒的脫除效率進一步得到提高；JOANNON 等[13]從理論和實驗兩方面驗證了蒸汽凝并技術(shù)在細顆粒脫除上的高效性，發(fā)現(xiàn)只要取得合適的操作條件，該預(yù)處理手段可實現(xiàn)大部分粒徑亞微米顆粒的高效脫除；楊希剛等[14]提出分別通過加裝氟塑料換熱器降溫、添加蒸汽、添加冷空氣3 種措施建立凝結(jié)過飽和場，均使得脫硫凈煙氣中細顆粒物排放濃度降低35% 以上。近年來，陸續(xù)有研究開始從機理入手，考慮操作條件對于蒸汽凝并過程的影響，進而達到在該工藝中控制顆粒長大的目的。YU 等[15]實驗對比了磁化水蒸氣與非磁化水蒸氣對燃煤主要組分SiO2顆粒相變長大過程作用差異，發(fā)現(xiàn)磁化水可顯著促進該過程。XU 等[16]發(fā)現(xiàn)燃煤脫硫煙氣在生長管中部分循環(huán)會顯著影響顆粒長大，長大效果隨煙氣循環(huán)比例的增加先變好后變差。ZHANG 等[17]發(fā)現(xiàn)蒸汽與脫硫凈煙氣的溫差及初始相對濕度越大，細顆粒脫除效率就越高，而其初始溫度的影響不明顯；周璐璐等[18]對比了多種常見煤灰成分的相變長大效果，發(fā)現(xiàn)顆粒的潤濕性越好，生長管內(nèi)熱水溫度越高，顆粒長大效果越好。從以上研究也可以看出，除了各種外部因素，顆粒的長大過程也在很大程度上受顆粒本身性質(zhì)的影響，而目前針對蒸汽凝并機理過程展開的研究多針對燃煤顆?；驖穹摿蚬に囍械拿摿驘煔狻CC 三旋顆粒的成分主要為多種硅鋁質(zhì)化合物，在物性上與燃燒質(zhì)細顆粒存在較大差別，因此要掌握FCC 三旋細顆粒的相變長大特性，有必要對其進行專門研究。

本文選取物性與FCC 三旋細顆粒相似的小粒徑顆粒進行相變長大實驗，通過熱蒸汽和冷氣流在管中心相遇，在生長管內(nèi)實現(xiàn)低過飽和度條件，使用靜電低壓沖擊器(ELPI+)進行長大前后顆粒粒徑分布的測量，依次研究過飽和度、顆粒初始濃度和煙氣流量對顆粒長大的影響，希望達到控制FCC 細顆粒長大過程的目的。本文的研究內(nèi)容可為蒸汽凝并技術(shù)在FCC 尾氣凈化工藝中的實際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

2 實 驗

2.1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)包括細顆粒發(fā)生系統(tǒng)、細顆粒長大系統(tǒng)和粒徑分布測量系統(tǒng)，如圖1 所示。

細顆粒長大系統(tǒng)由生長管、熱水恒溫槽和冷卻槽組成。煙氣進入生長管前，在冷卻槽中與冰水混合物充分換熱以冷卻至露點溫度。熱水溫度由恒溫水槽控制，分別設(shè)置30、40、50 ℃，流量為1 L·min-1。熱水溢流進入生長管，并在生長管內(nèi)壁形成均勻連續(xù)液膜。冷卻后的煙氣進入生長管后，即與由管壁擴散至管中心的熱蒸汽相遇，形成水蒸氣的過飽和場，過飽和度由熱水溫度決定，溫度越高，管內(nèi)過飽和度就越高。

顆粒粒徑分布及各粒徑對應(yīng)濃度的測量通過 ELPI+實現(xiàn)。ELPI+的粒徑測量范圍為6 nm～10 μm，粒徑測量主要是基于顆粒的空氣動力學(xué)直徑對其進行慣性分離，不同大小的顆粒被依次打到1～14 號收集盤中，顆粒依據(jù)不同的粒徑被帶上相應(yīng)量的電荷。通過測量每一收集盤上的總電量，獲得相應(yīng)粒徑顆粒的濃度。為防止凝結(jié)水膜在引氣階段被破壞，需要在ELPI+通入稀釋氣稀釋煙氣的階段對稀釋氣進行加熱，用加熱后的稀釋氣輸送長大顆粒進入測量段，可在相當(dāng)程度上改善測量精度。

圖1 實驗系統(tǒng)圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

研究中使用的細顆粒在煙氣混合室中與空氣(載氣)混合形成一定濃度的氣溶膠，通過轉(zhuǎn)子流量計調(diào)節(jié)實驗管路中煙氣的體積流量。圖2 為利用ELPI+測得的顆粒初始粒徑分布，粒徑分布較為集中，大致為單峰分布，主要集中于0.6～3 μm，峰值粒徑位于 1 μm 處，1 μm 以下顆粒的累計數(shù)量濃度約為72%。

2.2 實驗過程及工況

實驗時先在生長管出口測定原始煙氣的溫度和相對濕度，據(jù)此確定煙氣的露點溫度。測量時，調(diào)好煙氣的流量和濃度后，將其冷卻至露點溫度，待系統(tǒng)穩(wěn)定，在生長管出口處用 ELPI+進行粒徑測量，即得到長大后顆粒的粒徑分布。實驗的有效變量共有3 個：熱水溫度、煙氣濃度和煙氣流量。通過改變這3 個變量，對不同的操作工況下顆粒的長大效果進行定量測量，實驗工況匯總?cè)绫?。

圖2 顆粒初始粒徑分布Fig.2 Profiles of initial particle size distribution

表1 實驗工況表Table 1 Working conditions of the experiments

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 熱水溫度影響

熱水溫度越高，冷氣流和熱水之間的溫差越大，生長管內(nèi)相變環(huán)境的過飽和度就越高。由圖 3(a)可知：隨著生長管壁面熱水溫度上升，顆粒數(shù)量濃度分布明顯向大粒徑方向移動。當(dāng)溫度為30 ℃時，分布為單峰分布，峰值粒徑位于1.2 μm；溫度升高到40 及50 ℃時，分布均呈現(xiàn)雙峰分布，且峰值也均分別位于2.8 和6.7 μm 處。但溫度由40 上升到50 ℃后，粒徑為2.8 μm 左右的顆粒數(shù)量濃度占比從43%下降至18%，而6.7 μm 左右顆粒占比則從27% 增至42%。且溫度上升后，顆粒的粒徑分布向大粒徑方向變得更為集中，進一步由圖3(b)中累計數(shù)量濃度變化可知：40 ℃時，2 μm 以下顆粒的數(shù)量濃度約為30%，粒徑分布范圍為1～10 μm；50 ℃時，分布范圍縮減至1.7～10 μm，2 μm 以下的顆粒數(shù)量占比降到了10%以下。熱水溫度從30 上升到50 ℃，煙氣顆粒的平均粒徑D 由1.84 增大至5.73 μm，增大了3 倍以上。

圖3 熱水溫度對顆粒粒徑分布的影響Fig.3 Effects of hot water temperature on particle size distribution

這是因為在過飽和蒸汽環(huán)境中，顆粒長大均需達到其生長所需的臨界過飽和度，且顆粒越小，相應(yīng)的臨界過飽和度就越高。提高生長管內(nèi)的過飽和度，一方面會使得煙氣中更多的小顆粒被激活長大，另一方面，大顆粒在管內(nèi)更充分的蒸汽環(huán)境下，進一步發(fā)生長大和聚并。因此，粒徑分布在向大粒徑方向移動的同時，也由單峰分布變?yōu)殡p峰分布。

3.2 顆粒初始濃度影響

在4 L·min-1的煙氣流量下，選取較高(50 ℃)和較低(30 ℃)工況溫度，對應(yīng)的各工況下顆粒長大后的數(shù)量濃度及累計數(shù)量濃度分布如圖4 所示。濃度改變對于顆粒粒徑分布的影響存在一定的不確定性，但改變前后顆粒粒徑分布趨勢都大致相同，且當(dāng)熱水溫度較低時，濃度改變對顆粒長大效果影響更大。生長管壁面熱水溫度為30 ℃時，濃度增大后，顆粒的粒徑分布稍向左移，峰值所在粒徑由1.8 μm 減小到1.2 μm，但峰高基本不變，D 從2.55 減小到1.84 μm，減小了27.6%。而在另一對比工況中，生長管壁面熱水溫度變?yōu)?0 ℃，此時，濃度增大后，粒徑分布趨勢幾乎不變，峰值所在粒徑也幾乎不變，均分別為2.6 和 6 μm，由于大顆粒的增多而略有增大，從4.88 變化到5.73 μm，增大了17.4%。

圖4 顆粒初始濃度對顆粒粒徑分布的影響Fig.4 Effects of initial particle concentration on particle size distribution

兩組對比工況下，濃度增大帶來的顆粒粒徑分布的變化略有差異，這是由于濃度因素在顆粒凝結(jié)生長過程中不是決定性的，但改變濃度會直接導(dǎo)致過飽和場中蒸汽耗散效應(yīng)的增加，因此濃度增大后，顆粒是否持續(xù)長大，將取決于過飽和場中的蒸汽量是否足以補充增加的蒸汽耗散量。當(dāng)生長管壁面水溫為30 ℃時，溫度較低，系統(tǒng)過飽和度還比較低，濃度增大后，增大的蒸汽耗散量無法及時補充，顆粒長大效果會受到一定抑制，長大效果變差；但50 ℃熱水環(huán)境下，系統(tǒng)過飽和度比較高，生長管內(nèi)的蒸汽量較充足，仍大于蒸汽的耗散量，因此，該工況下顆粒仍會進一步長大。

3.3 煙氣流量影響

生長管內(nèi)顆粒停留時間由煙氣流量決定，為確保過飽和環(huán)境中有足夠的蒸汽量，以保證顆粒長大效果僅受煙氣流量這一單一變量影響，該對比工況選用低濃度煙氣和高熱水溫度進行探究。由圖5 可以看出，流量增大對顆粒的長大效果具有抑制作用，流量為2 L·min-1時，粒徑分布集中在4～10 μm，峰值粒徑位于6 μm 處，且3 μm 以下顆粒的累計數(shù)量濃度為0；流量增到4 L·min-1后，顆粒粒徑分布區(qū)間擴大到1～10 μm，3 μm 以下顆粒的累計數(shù)量濃度增加到34%，由低流量下的單峰集中分布變?yōu)檩^為分散的雙峰分布，峰值粒徑分別為2.7 和5.6 μm。煙氣顆粒的隨流量增大從6.76 減小到4.88 μm，減小了27.8%。這是由于流量增大，即煙氣氣速增大，將直接導(dǎo)致顆粒在生長管中的停留時間變短，有效長大時間變短，從而導(dǎo)致顆粒長大不充分，最終粒徑變小。因此，若要從改變煙氣流量的角度促進顆粒長大，應(yīng)減小流量，盡可能保證顆粒在相變生長段有足夠的停留時間。

圖5 煙氣流量對顆粒粒徑分布的影響Fig.5 Effects of flow rate on particle size distribution

可以發(fā)現(xiàn)：不同變量對于顆粒長大效果的影響程度有差異。改變熱水溫度(即相變環(huán)境過飽和度)對顆粒長大效果的影響最大，熱水溫度越高，長大效果越好；顆粒在生長管內(nèi)的停留時間越長，長大效果越好；而改變初始顆粒濃度對顆粒長大效果的影響存在一定的不確定性，隨熱水溫度升高，其對顆粒長大作用效果由抑制變?yōu)榇龠M。

4 結(jié) 論