王茜雯，王磊磊，吳昊，楊宏旻

(南京師范大學能源與機械工程學院，江蘇南京，210042)

顆粒物不僅會對大氣環(huán)境造成污染，使大氣能見度降低，造成霧霾等現(xiàn)象，還會嚴重影響人類健康。特別是細顆粒物，其比表面積相對較大，且能長期穩(wěn)定的懸浮在空氣中，細菌和有毒有害物質極易黏附在其表面上，對大氣環(huán)境和人類健康的危害遠比粗顆粒物的大[1?3]。其中，燃煤電廠是細顆粒物的主要排放源之一[4]，現(xiàn)階段國家鼓勵超低排放，進一步將顆粒物排放質量濃度限制于5 mg/m3以內[5]。濕法脫硫系統(tǒng)協(xié)同其他除塵設備可以有效降低細顆粒物的排放[6?8]，目前，在燃煤機組中石灰石?石膏濕法脫硫技術是主流技術[9]。石灰石?石膏濕法脫硫技術中使用較多的是噴淋塔結構，在濕法脫硫過程中，含塵氣體與脫硫漿液逆流接觸，一方面由于漿液洗滌作用，煙氣中部分顆粒物被有效脫除；另一方面，由于脫硫漿液的蒸發(fā)夾帶，導致在脫硫過程中產(chǎn)生部分細顆粒物(也稱次生細顆粒物)如硫酸鹽、亞硫酸鹽、未反應的石灰石等[10]，因此，脫硫凈煙氣中細顆粒物濃度有時甚至會出現(xiàn)增加現(xiàn)象[11]。YAO等[12]通過對濕法脫硫系統(tǒng)排放顆粒物進行研究，發(fā)現(xiàn)濕法脫硫過程對細顆粒物的數(shù)量濃度及質量濃度均有著較大影響，特別在0.094～0.946 μm粒徑范圍內，細顆粒物的數(shù)量濃度明顯增加。潘丹萍等[13]通過對濕法脫硫凈煙氣顆粒物排放進行實驗研究，發(fā)現(xiàn)由于脫硫漿液的蒸發(fā)夾帶會產(chǎn)生大量主要組分為CaSO3的亞微米顆粒物。NIELSEN 等[14]通過對現(xiàn)場煙塵排放特征進行研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)石灰石?石膏濕法脫硫后，Ca2+和Na+離子濃度提高，表明有部分漿液可通過蒸發(fā)夾帶進入大氣。因此，控制次生細顆粒物的排放是減少燃煤電廠顆粒物排放，減緩霧霾污染的重要途徑之一?；谶^飽和水汽在細顆粒物表面凝結的水汽相變技術是一種極具應用前景的預處理手段。在構建的過飽和水汽環(huán)境中，水汽以細顆粒物為凝結核發(fā)生相變凝結，促進細顆粒物粒徑增大，質量增加，使凝并長大后的細顆粒物被常規(guī)除塵、除霧設備等高效脫除[15?17]。BAO等[18]通過向脫硫塔頂部及脫硫塔進口煙氣中添加蒸汽，構建了細顆粒物凝結長大所必需的過飽和水汽環(huán)境，發(fā)現(xiàn)利用水汽相變技術可有效脫除濕法脫硫過程中的細顆粒物；WU等[19]采用對脫硫塔進口煙氣增濕降溫的方法，在塔內建立了滿足細顆粒物核化凝結所需的過飽和水汽環(huán)境，發(fā)現(xiàn)脫硫塔后原始顆粒物和次生細顆粒物的排放均有所降低。雖然上述方法均建立了細顆粒物凝結長大所需的過飽和水汽環(huán)境，但仍存在一些缺點及適用范圍。目前大部分研究僅關注濕法脫硫過程中顆粒物的總脫除效率，并未針對凈煙氣中次生細顆粒物的核化凝結長大與脫除特性展開研究。為進一步降低燃煤電廠中次生細顆粒物的排放，本文作者利用在濕法脫硫實驗系統(tǒng)后設置氟塑料毛細管冷凝式換熱器的試驗平臺，通過對脫硫凈煙氣換熱降溫，建立過飽和水汽環(huán)境，促進次生細顆粒物的凝結長大，進而提高換熱器對其脫除效率。對典型工況下?lián)Q熱器對次生細顆粒物的脫除效率展開實驗研究，并考察換熱器內煙氣溫降、換熱器進口煙氣溫度、空塔氣速及脫硫漿液質量分數(shù)對細顆粒物脫除的影響規(guī)律，以期為實際工業(yè)應用中次生細顆粒物的進一步脫除提供參考。

1 實驗

1.1 實驗系統(tǒng)

圖1所示為模擬測試系統(tǒng)，主要包括濕法脫硫系統(tǒng)、冷凝式換熱器及控制測試系統(tǒng)。本文旨在考察脫硫凈煙氣降溫冷凝對次生細顆粒物的脫除效果，為避免實驗測試過程原始煙氣中顆粒物的影響，脫硫塔進口采用加熱后的潔凈空氣作為無塵煙氣。無塵煙氣進入脫硫塔后，與脫硫漿液逆流接觸，由于脫硫漿液的蒸發(fā)夾帶作用，導致脫硫凈煙氣中含有部分次生細顆粒物。根據(jù)燃煤電廠脫硫塔實際運行參數(shù)，實驗典型工況設定如下：脫硫塔進口煙氣溫度為125 ℃，換熱器進口煙氣溫度為45 ℃，濕度為95%，換熱器內煙氣溫降為5 ℃，空塔氣速為3.0 m/s，液氣比為15 L/m3，漿液溫度為50 ℃，漿液pH 為5.5 左右，脫硫漿液質量分數(shù)為10%。

1.2 測試方法

換熱器進出口細顆粒物的數(shù)量濃度、質量濃度及粒徑分布均采用芬蘭Dekati公司生產(chǎn)的電稱低壓沖擊器(ELPI)進行在線測量，為確保實驗數(shù)據(jù)的精確性，每組數(shù)據(jù)測量不少于3次，每次測量時間不低于100 s。此外，為防止水汽在采樣管路及沖擊盤上凝結，對測試結果的準確性造成影響，在ELPI 前采用稀釋器(DI—1000)進行兩級稀釋，其稀釋比為1:67。脫硫凈煙氣的溫濕度則通過Vaisala公司生產(chǎn)的溫濕度變送器(HMT337)測定。

圖1 模擬實驗測試系統(tǒng)Fig.1 Schematic system diagram of experimental platform

2 實驗結果與討論

2.1 典型工況下脫硫凈煙氣降溫冷凝對次生細顆粒物的脫除作用

對換熱器內脫硫凈煙氣進行降溫冷凝旨在建立過飽和水汽環(huán)境，而過飽和水汽環(huán)境的建立是發(fā)生水汽相變的前提，且過飽和度將直接決定細顆粒物可被核化的粒徑范圍[20?21]。過飽和水汽環(huán)境是一種亞穩(wěn)態(tài)環(huán)境，其實際水汽分壓高于平衡水汽分壓，屬于熱力學不完全穩(wěn)定的非平衡狀態(tài)。理論過飽和度通常用于描述過飽和水汽場的強度，其定義如下：

式中：p(t,x)為特定位置、特定溫度下的實際水汽分壓；pa(t,x)為該位置在該溫度下的飽和水汽分壓。

圖2所示為典型工況下?lián)Q熱器進出口細顆粒物的數(shù)量濃度和質量濃度。由圖2可見：換熱器進出口細顆粒物的平均數(shù)量濃度分別為6.62×104個/cm3和5.83×104個/cm3，換熱器進出口細顆粒物的平均質量濃度分別為4.18 mg/m3和3.05 mg/m3，為了便于考察換熱器對脫硫凈煙氣中次生細顆粒物的脫除效率，換熱器脫除效率定義如下：

式中：N1和N2分別表示換熱器進口和出口細顆粒濃度。

圖2 換熱器進出口細顆粒物數(shù)量濃度和質量濃度Fig.2 Number and mass concentrations of fine particles at the inlet and outlet of heat exchanger

在典型工況下，換熱器進口細顆粒物的粒徑分布如圖3所示。由圖3可知：從數(shù)量濃度來看，大部分通過漿液蒸發(fā)夾帶形成的細顆粒物均集中在亞微米范圍內；從質量濃度來看，大部分次生細顆粒物主要分布在1 μm 以上。由于亞微米范圍內細顆粒物在數(shù)量上占比很大，因此，研究換熱器對細顆粒物的數(shù)量脫除作用更具實際價值。圖4和圖5所示分別為水汽相變前后換熱器出口細顆粒物的粒徑分布，以及水汽相變前后換熱器對細顆粒物的分級脫除效率。計算可得，在煙氣溫降達到5 ℃時，換熱器內已建立過飽和水汽環(huán)境，可發(fā)生水汽相變。從圖4和圖5可見：水汽相變后，換熱器出口細顆粒物的數(shù)量濃度降低，總脫除效率提升。同時，由圖5還可見，0.04 μm 以下細顆粒物的脫除效率較高，這主要由于此粒徑范圍內細顆粒物質量輕，粒徑小，易受擴散泳力、熱泳力以及布朗運動作用，易被換熱器內毛細管表面形成的冷凝液膜捕集；在0.04～0.43 μm細顆粒物的脫除效率較低，可能存在一個向左偏移的“穿透區(qū)間”[22]，這主要是因為此粒徑范圍內的細顆粒物受擴散泳力和慣性力作用均不明顯；而對于0.43～2.90 μm之間細顆粒物的脫除效率隨粒徑增加整體呈上升趨勢。

圖3 換熱器進口細顆粒物粒徑分布Fig.3 Particle size distribution before heat exchanger

圖4 水汽相變前后換熱器出口細顆粒物粒徑分布Fig.4 Size distribution of fine particles at the outlet of heat exchanger with and without heterogeneous water vapor condensation

圖5 水汽相變前后細顆粒物的分級脫除效率Fig.5 Stage removal efficiency of fine particles with and without heterogeneous water vapor condensation

2.2 不同操作條件對換熱器中細顆粒物脫除作用的影響

2.2.1 換熱器內煙氣溫降的影響

濕法脫硫凈煙氣中次生細顆粒物粒徑較小，通過換熱器內建立的過飽和水汽環(huán)境能夠促進細顆粒物核化凝結長大，實現(xiàn)換熱器出口細顆粒物數(shù)量濃度的降低。需要指出的是，換熱器內煙氣溫降是影響過飽和水汽環(huán)境的重要因素，因此，改變換熱器內煙氣溫降可對細顆粒物脫除效率產(chǎn)生較大影響。

在典型工況下，通過調節(jié)換熱器內冷卻水量改變換熱器內煙氣溫降。圖6所示為換熱器出口細顆粒物數(shù)量濃度與換熱器內煙氣溫降的關系，圖7所示為換熱器進出口煙氣溫降對細顆粒物總脫除效率的影響。由圖6和圖7可見：換熱器出口細顆粒物數(shù)量濃度隨煙氣溫降的增大而逐漸降低，總脫除效率也隨之增加。從換熱器未開啟到煙氣溫降增加到3 ℃時，總數(shù)量脫除效率可由4.7%上升到7.8%；當煙氣溫降從3 ℃增至5 ℃時，脫除效率可由7.8%增至12.1%；而當煙氣溫降由5 ℃增加到7 ℃時，脫除效率可由12.1%增至15.2%。

通過對換熱器內脫硫凈煙氣降溫冷凝可建立過飽和水汽環(huán)境，其理論過飽和度及可凝結水量與煙氣溫降的關系如圖8所示。由圖8可知：當煙氣溫降從0 ℃增加到7 ℃時，理論過飽和度可由1.00 增加到1.45，可凝結水量也由3.3 g/m3增加到19.7 g/m3；隨著煙氣溫降的增大，不僅理論過飽和度有所增加，其可凝結水量也隨之增加，進而使得更多更小粒徑的細顆粒物被核化，凝結長大為粒徑更大的細顆粒物，進而被高效脫除。

圖6 換熱器出口細顆粒物數(shù)量濃度隨煙氣溫降的變化Fig.6 Change of number concentration of fine particles with different temperature-drops at the outlet of heat exchanger

圖7 煙氣溫降對細顆粒物的總脫除效率的影響Fig.7 Effect of temperature-drop on total removal efficiency of fine particles

圖9所示為換熱器內煙氣溫降與細顆粒物分級脫除效率的關系，由圖9可知：隨煙氣溫降的增大，各粒徑范圍內細顆粒物的脫除效率均上升；0.04 μm 以下細顆粒物的脫除效率較高，主要原因在于隨煙氣溫降增大，理論過飽和度增大，產(chǎn)生的可凝結水量也增多，同時，擴散泳力與熱泳力作用增強，因此，更多核化凝結長大的細顆粒物被毛細管管壁處形成的冷凝液膜捕集，進而被高效脫除；0.04～0.43 μm的細顆粒物凝結長大受理論過飽和度的影響較大，因此，脫除效率較低；0.43～2.90 μm的細顆粒物脫除效率隨煙氣溫降增大而增加，主要是由于此粒徑范圍內部分細顆粒物可能已被核化凝結長大，過飽和度的提高對該部分細顆粒物作用不明顯，但可凝結水量增加可促進長大后的細顆粒物形成更大的含塵液滴。因此，選擇較合適的煙氣溫降對脫硫凈煙氣中次生細顆粒物的脫除有一定促進作用，一般選取5～7 ℃的煙氣溫降。

圖8 煙氣溫降對理論過飽和度和冷凝水量的影響Fig.8 Effect of temperature-drop on theoretical supersaturated degree and condensable water amount

圖9 煙氣溫降對細顆粒物的分級脫除效率的影響Fig.9 Effect of temperature-drop on stage removal efficiency of fine particles

2.2.2 換熱器進口脫硫凈煙氣溫度的影響

圖10所示為換熱進口煙氣溫度對理論過飽對度和可凝結水量的影響。由圖10可見：在典型工況下，將換熱器進口煙氣溫度由45 ℃逐漸增加到55 ℃時，隨換熱器進口煙氣溫度的升高，可凝結水量增加，理論過飽和度呈下降趨勢，當換熱器進口煙氣溫度從45 ℃增加到55 ℃時，理論過飽和度從1.30下降到1.28，可凝結水量從13.8 g/m3增加到20.8 g/m3。

圖10 換熱器進口煙氣溫度對理論過飽和度和可凝結水量的影響Fig.10 Effect of flue gas temperature at the inlet of heat exchanger on theoretical supersaturated degree and condensable water amount

圖11所示為換熱器進口煙氣溫度對細顆粒物脫除效率的影響，其中，圖11(a)所示為換熱器進口煙氣溫度對細顆粒物的分級脫除效率的影響，圖11(b)所示為換熱器進口煙氣屋溫度對細顆粒物的總脫除效率的影響。由圖11(b)可見：換熱器進口煙氣溫度升高可提高換熱器對細顆粒物的脫除效率，當煙氣溫度從45 ℃升高到50 ℃，脫除效率從12.1%增加到16.5%，而當進口煙氣溫度從50 ℃升高到55 ℃時，脫除效率緩慢增長到17.9%。

圖12所示為換熱器進口煙氣溫度與換熱器進出口細顆粒物的數(shù)量濃度的關系。由圖12可知：隨換熱器進口煙氣溫度升高，換熱器進出口細顆粒物的數(shù)量濃度均增大，當換熱器進口煙氣溫度從45 ℃分別升高到50 ℃和55 ℃時，換熱器進口細顆粒物的數(shù)量濃度從6.62×104個/cm3分別增加至7.09×104個/cm3和8.09×104個/cm3，換熱器出口細顆粒物的數(shù)量濃度從5.82×104個/cm3分別增加至5.98×104個/cm3和6.64×104個/cm3。

圖11 換熱器進口煙氣溫度對細顆粒物脫除效率的影響Fig.11 Effect of flue gas temperature at the inlet of heat exchanger on removal efficiency of fine particles

圖12 換熱器進口煙氣溫度對換熱器進出口細顆粒物的數(shù)量濃度的影響Fig.12 Effect of flue gas temperature at the inlet of heat exchanger on number concentrations of fine particles at the inlet and outlet of heat exchanger

由圖11(a)和圖12可見：隨換熱器進口煙氣溫度升高，對0.04 μm 以下細顆粒物的脫除效率增大。主要原因在于毛細管中冷卻水的溫度恒定，當換熱器進口煙氣溫度升高時，毛細管與周圍煙氣間形成的溫度梯度增大，熱泳力作用和布朗運動增強，細顆粒物之間碰撞聚并的概率提高。同時，由于進口煙氣溫度升高，可凝結水量增加，細顆粒物更易形成具有較大粒徑的含塵液滴，從而進一步增加了細顆粒物向冷凝壁面沉積并被冷凝液膜捕集的概率。需要指出的是，由于進口煙氣溫度升高會導致理論過飽和度降低，部分細顆粒物達不到核化所需臨界過飽和度。綜上所述，此粒徑范圍內細顆粒物總脫除效率隨換熱器進口煙氣溫度的升高而增大；對于粒度為0.04～0.43 μm的細顆粒物，隨進口煙氣溫度的上升，脫除效率呈上升趨勢；粒度為0.43～10 μm 的細顆粒物在換熱器進口煙氣溫度升高時，脫除效率也隨之升高，主要原因在于其受慣性力和熱泳力作用明顯。

從圖11(b)和圖12可以看出：當換熱器進口煙氣溫度由45 ℃升高到50 ℃時，脫除效率雖然增大，但換熱器進口細顆粒物數(shù)量濃度也明顯增大，導致?lián)Q熱器出口細顆粒物數(shù)量濃度幾乎不變；當煙氣溫度升高到55 ℃時，雖然脫除效率增加，但換熱器入口細顆粒物數(shù)量濃度增加較大，導致?lián)Q熱器出口細顆粒物的數(shù)量濃度明顯增加。因此，較高的換熱器進口煙氣溫度雖然能促進換熱器對細顆粒物的脫除，但也會造成換熱器進出口細顆粒物數(shù)量濃度增大。故換熱器進口煙氣溫度在45～50 ℃時，細顆粒物的脫除效果最佳。

2.2.3 空塔氣速的影響

圖13所示為不同空塔氣速下?lián)Q熱器對脫硫凈煙氣中細顆粒物脫除效率的影響，其中圖13(a)所示為換熱器對細顆粒物的總脫除效率的影響，圖13(b)所示為換熱器對細顆粒物的分級脫除效率的影響。由圖13(a)可見：細顆粒物總脫除效率隨空塔氣速的升高而降低，當空塔氣速由1.5 m/s 升高到3.0 m/s 時，換熱器對細顆粒物的脫除效率從30.6%下降到12.1%。

從圖13(b)可知：隨空塔氣速的升高，粒度在0.04 μm 以下的細顆粒物脫除效率逐漸降低，主要原因在于隨空塔氣速的增加，脫硫塔內漿液蒸發(fā)夾帶作用增強，使換熱器進口細顆粒物的數(shù)量濃度增高，并且減少了細顆粒物在換熱器內的停留時間[23]，導致部分粒徑較小的細顆粒物逃逸出換熱器。雖然，由于空塔氣速的升高，提高了細顆粒物之間碰撞聚并的概率，但碰撞聚并作用不明顯。因此，細顆粒物的脫除效率隨空塔氣速的升高而降低，分別從22.0%降至16.3%和14.3%。

從圖13(b)還可知：粒徑為0.04～0.43 μm 和0.43～10 μm 的細顆粒物的脫除效率隨空塔氣速的升高而降低，原因在于換熱器內建立的過飽和水汽環(huán)境的理論過飽和度和可凝結水量雖然不隨空塔氣速的變化而變化，但隨空塔氣速的增加，蒸發(fā)夾帶出的細顆粒物數(shù)量增多，分配給每個細顆粒物的可凝結水量有所降低，長大后的含塵液滴粒徑減小，慣性力作用減弱。因此，較低的空塔氣速不僅會降低脫硫塔出口次生細顆粒物的數(shù)量濃度，還會提高換熱器對細顆粒物的脫除效率。

圖13 空塔氣速對細顆粒物脫除效率的影響Fig.13 Effect of gas velocity of empty tower on removal efficiency of fine particles

2.2.4 脫硫漿液質量分數(shù)的影響

換熱器進出口細顆粒物的數(shù)量濃度與脫硫漿液質量分數(shù)的關系如圖14所示。由圖14可知：脫硫漿液質量分數(shù)的升高會導脫硫凈煙氣中細顆粒物數(shù)量濃度增大，在典型工況下，當脫硫漿液質量分數(shù)從10%依次增加到15%和20%時，漿液含固量由30 g/L分別增加至45 g/L和60 g/L，換熱器進口細顆粒物的數(shù)量濃度從6.62×104個/cm3依次增加到6.97×104個/cm3和7.86×104個/cm3，換熱器出口細顆粒物的數(shù)量濃度先從5.82×104個/cm3緩慢增加到5.93×104個/cm3，再急劇增長至6.92×104個/cm3。這主要是因為脫硫凈煙氣中細顆粒物數(shù)量濃度與脫硫漿液質量分數(shù)相關，提高脫硫漿液質量分數(shù)，漿液黏度增大，漿液中固體顆粒物數(shù)量增加，隨漿液蒸發(fā)夾帶的固體顆粒物及液滴數(shù)量也相應增多，導致脫硫凈煙氣中次生細顆粒物數(shù)量濃度增大[24]。

圖14 脫硫漿液質量分數(shù)對換熱器進出口細顆粒物數(shù)量濃度的影響Fig.14 Effect of slurry mass fraction on number concentrations of fine particles at the inlet and outlet of heat exchanger

圖15所示為換熱器對細顆粒物的脫除效率與脫硫漿液質量分數(shù)的關系，其中圖15(a)所示為換熱器對細顆粒物的總脫除效率的影響，圖15(b)所示為換熱器對細顆粒物的分級脫除效率的影響。由圖15(a)可見：細顆粒物的脫除效率隨漿液質量分數(shù)的增大而上升，當漿液質量分數(shù)從10%增加到20%時，脫除效率從12.1%上升到19.9%。由圖15(b)可見：粒度在0.04 μm 以下和0.04～0.43 μm細顆粒物的脫除效率隨漿液質量分數(shù)的增大均呈上升趨勢，主要原因在于隨漿液質量分數(shù)增加，脫硫凈煙氣中次生細顆粒物數(shù)量濃度隨之增加，受過飽和度的影響，0.43 μm 以下細顆粒物的脫除效率不斷升高；在0.43～10 μm 粒徑范圍內，受過飽和度的影響，細顆粒物核化長大，慣性力作用明顯，細顆粒物脫除效率較高，雖然隨細顆粒物數(shù)量濃度的增加，每個細顆粒物所分得的可凝結水量減少，長大后形成的含塵液滴粒徑減小，慣性力作用有所降低，但此粒徑范圍內細顆粒物受慣性力作用依舊明顯，故總脫除效率受漿液質量分數(shù)的影響不大。增大脫硫漿液的質量分數(shù)雖然能提高換熱器對細顆粒物的脫除效率，但考慮到脫硫凈煙氣中次生細顆粒物數(shù)量濃度隨漿液質量分數(shù)的增加而顯著上升，一般選取脫硫漿液質量分數(shù)為10%～15%。

圖15 脫硫漿液質量分數(shù)對細顆粒物脫除效率的影響Fig.15 Effect of slurry mass fraction on removal efficiency of fine particles

3 結論

1)在典型工況下，脫硫凈煙氣中細顆粒物的粒徑主要集中在0.43 μm 以下，0.04 μm 以下細顆粒物的脫除效率相對較高；0.04～0.43 μm細顆粒物的脫除效率較低，可能存在一個“穿透區(qū)間”；0.43 μm以上細顆粒物脫除效率先增大后減小。對脫硫凈煙氣降溫冷凝，可明顯提高“穿透區(qū)間”內細顆粒物的脫除效率，有效減少換熱器出口細顆粒物的排放。

2)優(yōu)化操作參數(shù)可在一定程度上減少換熱器出口細顆粒物的排放，增大換熱器內煙氣溫降能夠有效提高細顆粒物的脫除效率，一般煙氣溫降選取5～7 ℃；較低的空塔氣速不僅能夠減少脫硫凈煙氣中次生細顆粒物的數(shù)量濃度，更能有效提高換熱器對細顆粒物的脫除效率；結合換熱器出口細顆粒物的數(shù)量濃度和脫除效率，雖然較高的換熱器進口煙氣溫度和脫硫漿液質量分數(shù)均能提高細顆粒物的脫除效率，但會增加換熱器進出口細顆粒物的數(shù)量濃度，因此，在換熱器進口煙氣溫度為45～50 ℃及脫硫漿液質量分數(shù)為10%～15%時，細顆粒物的脫除效果最佳。