沈 丹，駱仲泱，方夢祥，赫明春，王浩霖

（浙江大學能源清潔利用國家重點實驗室，浙江 杭州 310027）

近年來，由溫室效應引發(fā)的全球變暖已成為全球最關心的環(huán)境問題，溫室氣體的大量排放是溫室效應產生的主要原因[1]。我國與各國政府積極行動，2015年通過的《巴黎氣候變化協(xié)定》中規(guī)定爭取將全球平均氣溫較前工業(yè)化時期上升幅度控制在2 ℃以內，并努力將溫度上升幅度限制在1.5 ℃以內[2]。2020年在第75屆聯(lián)合國大會上，國家主席習近平提出我國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。這對我國控制碳排放提出了新的要求。

數據表明[3]2018年全球電力用煤導致的二氧化碳排放量已經超過10 Gt，主要集中在亞洲地區(qū)。我國是燃煤大國，電力系統(tǒng)二氧化碳排放量占全國能源利用過程中碳排放總量的38%。燃煤電廠煙氣作為我國二氧化碳排放的重要來源[4]，呈現(xiàn)碳排放量大、增速快的特點[5]。碳捕集、利用與封存（carbon capture，utilization and storage，CCUS）技術被認為是控制燃煤電廠碳排放的有效措施[6]，對實現(xiàn)零碳排放和負碳排放至關重要。其中化學吸收技術有較大的吸收負載、較好的吸收效果、較低的成本、可循環(huán)使用的吸收劑，是目前最巨大規(guī)模捕集二氧化碳潛力的技術路線之一[7-8]。

然而在化學吸收過程中，不僅會有吸收劑被煙氣攜帶排出的問題，還會產生新的顆粒物，造成二次污染。如對于有機胺（MEA）作為吸收劑而言，煙氣出口污染物成分除吸收劑外，還包含氧化降解和熱降解生成的氨氣、甲醛、乙醛、乙胺和乙二胺等易于揮發(fā)的物質，以及亞硝胺和硝基胺等有毒物質[9]。有機胺等污染物以及生成的有毒物質通過皮膚接觸、空氣吸入等方式進入人體，將對人類健康造成嚴重威脅，進入大氣、水源、土壤后會對整個生態(tài)系統(tǒng)造成影響。

氣溶膠是煙氣二氧化碳化學吸收系統(tǒng)有機胺等污染物的主要排放形式。目前水洗塔、除霧器是最為常用的控制手段[10]，但其對粒徑3 μm以下的氣溶膠控制作用小。電除霧器作為一種有效的氣溶膠控制手段[11]，目前缺少其參數變化對于脫除二氧化碳化學吸收塔有機胺氣溶膠實驗與機理的研究。本文通過模擬與實驗共同研究電壓、板間距、線間距等變化對伏安特性與氣溶膠脫除效率的影響，為后續(xù)研究提供一定指導意義。

1 計算模型與實驗系統(tǒng)

1.1 仿真軟件

本文采用COMSOL Multiphysics仿真軟件進行模擬。該軟件特點是具有較強的多場耦合能力，根據偏微分方程對物理現(xiàn)象進行建模分析，同時可以方便實現(xiàn)數據的導出與處理。本文研究中，選用物理場為電場、流場、重力場，采用了等離子體模塊、層流模塊、傳熱模塊、顆粒追蹤模塊等。

1.2 計算模型

模擬線板式除霧器結構如圖1所示。極板長度10 cm，雙極線間距3 cm，流體溫度為313.15 K，入口流速為0.1 m/s。為方便物性參數設置，模擬中以有機胺液滴近似代替氣溶膠。氣溶膠從左側入口處釋放，在速度場、電場、溫度場等耦合作用下被捕集，壁條件為凍結。

圖1 COMSOL仿真模型結構Fig.1 The COMSOL simulation model structure

模擬工況為O2、H2O、N2氣氛，等離子體模塊采用負電暈放電反應模型，其本質上是空間中的電子、離子等在高壓電作用下發(fā)生的碰撞、反應等過程[12]。本模擬共包含N2、O2、O、H2O、H2、O3、H、N2+、O2+、H2O+、e、O2-、O-等13種粒子與電子，電子碰撞反應、重離子反應、壁面反應共計39個，還包括二次電子發(fā)射[13]。模擬氣溶膠顆粒粒徑分布在0.01~3.00 μm。

由于電場作用對濕法脫硫出口煙道固體顆粒的控制研究較多，而對二氧化碳吸收塔后氣溶膠控制研究較少，本文引入同粒徑下固體顆粒與有機胺氣溶膠進行對比研究，各物性參數[14]見表1（以水滴物性參數為參照）。

1.3 實驗方法

電除霧器脫除氣溶膠實驗裝置如圖2所示，主要包括給氣系統(tǒng)、二氧化碳化學吸收系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、污染物控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)。

圖2 二氧化碳化學吸收塔氣溶膠污染物控制平臺Fig.2 The aerosol pollutant control platform in CO2 chemical absorption tower

為模擬煙氣情況，給氣系統(tǒng)由氣瓶、空氣壓縮機、氣溶膠發(fā)生器組成，分別供給二氧化碳氣體、空氣、質量分數5%的NaCl氣溶膠，通過流量計控制流量。氣溶膠發(fā)生器為上海匯分3321型；二氧化碳化學吸收系統(tǒng)為4 m3/h吸收平臺，主要包括吸收系統(tǒng)與解析系統(tǒng)，吸收劑采用質量分數30%MEA溶液；電源系統(tǒng)為大連泰斯曼科技TRC2020型高壓負直流電源，與除霧器內部極線相連，使通過的氣溶膠顆粒荷負電荷。污染物控制系統(tǒng)為線板式電除霧器，由有機玻璃加工而成，尺寸與COMSOL模擬圖形結構一致，板間距（7、11、15 cm）與線間距（3、5、7 cm）均可調，不同板間距對應流速分別為0.16、0.10、0.07 m/s，對應通過時間分別為0.63、1.00、1.35 s。線間距為2根電極之間的距離，改變線間距目的在于分析線間距對電場分布的影響，探究最佳線間距值。實驗測量系統(tǒng)由芬蘭Dekati公司生產的低壓荷電撞擊器（ELPI+）、真空泵等組成，通過取樣管與除霧器出口相連。

實驗開始后，調節(jié)高壓電源從0 kV升至15 kV，每間隔1 kV記錄ELPI+數據與電流數據。調節(jié)不同板間距、線間距、極線種類，重復實驗，測得不同工況下氣溶膠顆粒的數目濃度，進而計算得電除霧器對氣溶膠的脫除效果。

2 實驗結果與仿真討論

2.1 板間電壓、極板間距、極線間距與板間電流關系

圖3 —圖5為有機胺氣溶膠在不同板間距（7、11、15 cm）、線間距（3、5、7 cm）下對應的伏安特性曲線。

圖3 線間距3 cm時電流與電壓、板間距關系Fig.3 Change curves of the current with voltage at different board spacings (line spacing 3 cm)

圖4 線間距5 cm時電流與電壓、板間距關系Fig.4 Change curves of the current with voltage at different board spacings (line spacing 5 cm)

圖5 線間距7 cm時電流與電壓、板間距關系Fig.5 Change curves of the current with voltage at different board spacings (line spacing 7 cm)

從圖3—圖5可見：極板間的起暈電壓較低，在1~3 kV之間；電流隨電壓增強而升高，且增長率隨電壓增大而變大，近似為指數增長；當極線間距一定時，電流隨板間距增大而減?。坏碗妷簳r，板間距對電流影響規(guī)律不明顯。分析原因在于：電壓較低時，有機胺氣溶膠荷電量小，極線距與極板距改變對板間電流影響不大；電壓大于10 kV時，極板間距增大使荷電液滴到達極板時間變長，相同時間更少的液滴被極板捕獲，因此電流變小。

在施加電壓12 kV下，板間電流與板間距、線間距關系如圖6所示。由圖6可見：板間距一定、極線間距增大時，電流也隨之增大；板間距為7 cm，線間距為7 cm時，電流達到最大值0.10 mA。分析原因在于：1）在實驗條件下，線間距增大時液滴在電場入口處受到更強的電場力作用，相同時間內有更多數目被捕集至極板上，因此電流更大；2）極線距離過小時，可能會產生電暈干擾，影響其放電效果，導致板間電流較小。

圖6 電壓為12 kV時電流與板間距、線間距關系Fig.6 Changes of the current with line spacing at different board spacings when the voltage is 12 kV

2.2 顆粒荷電脫除模型與效率分析

2.2.1 顆粒荷電模型分析

圖7 、圖8為濕度為100%、板間電壓為10 kV時，負電暈放電空間電子密度圖與粒子軌跡。由圖7可以看出：電子集中分布在距放電極周圍0.5 cm的區(qū)域，此處放電最為強烈；并由于同性相斥原理，兩側電子密度呈扇形對稱分布，電子密度峰值為7.61×1011/m3。

圖7 10 kV下空間電子密度Fig.7 The space electron density map at 10 kV

圖8 10 kV下粒子軌跡Fig.8 The particle trajectory diagram at 10 kV

粒子在極板間運動時受到靜電場、流場、溫度場、重力場多個耦合作用影響。從圖8可以看出：粒子速度在極線前方發(fā)生驟減，最小處0.01 m/s；運動到極線后方時加速，最快達到0.12 m/s。同時中部進入到除霧器中的粒子盡管受到更大的電場力，但由于距極板間距較大，需要更多的遷移時間，捕集效率不如兩側進入的粒子。

2.2.2 有機胺氣溶膠與固體顆粒脫除效率對比

圖9 為10 kV下固體顆粒與有機胺氣溶膠在電除霧器脫除效率。

圖9 有機胺氣溶膠與顆粒脫除效率對比Fig.9 Comparison of removal rate between the organic amine aerosol and the particles

從仿真結果可以看到，對于線板式靜電除霧器，同粒徑下有機胺氣溶膠脫除效率高于固體顆粒物脫除效率。當粒徑小于0.10 μm時，有機胺氣溶膠比固體顆粒高2百分點左右，兩者差距不大。這是由于此時顆粒以擴散荷電為主，即自由電子或離子在無規(guī)律的熱運動之中，與其他顆粒碰撞而產生的荷電過程。其擴散荷電速率與Deutsch脫除效率公式[15]見式(1)—式(3)。粒子荷電量較小，相對介電常數、密度等物性上的區(qū)別對于整體脫除效率影響不大。

式中：η為脫除效率；A為收塵有效面積；q為顆粒荷電量；Ep為收塵極電場強度；C為Cunningham因子；e為電子電量；Qd為擴散荷電量；τ*為擴散荷電時間常數；Qs為煙氣流量；μ為動力黏度；ε0為空間介電常數；dp為顆粒直徑大?。籯b為玻爾茲曼常數，為1.38×10–23J/K；T為氣體絕對溫度大?。沪貫轭w粒驅進速度。

當粒徑處于0.10~1.00 μm之間時，顆粒物脫除效率僅為40%。這是由于擴散荷電與場致荷電作用效果均較為薄弱，粒子荷電效果較差；當粒徑大于1.00 μm時，脫除效率有明顯上升，此時場致荷電占主導地位，粒徑越大的顆粒其飽和荷電量更大，其飽和荷電量公式與脫除效率公式見式(1)、式(2)、式(4)。此時有機胺氣溶膠脫除效率較固體顆粒提升約8百分點，一是因為有機胺氣溶膠相對介電常數遠大于固體顆粒，導電性能更強，根據公式(5)可以計算同粒徑下兩者電場荷電飽和荷電量之比為1.25，因此有機胺氣溶膠脫除效率更高；二是因為液滴表面張力更大，動力黏度更小，根據公式(2)可計算出其他參數相同的情況下，兩者驅進速度之比為10，因此有機胺氣溶膠有更快的驅進速度，不同液滴之間、液滴與顆粒之間更容易發(fā)生團聚，同時相同時間內更容易被極板捕集，脫除效率更高。

式中：Qs為電場荷電的飽和荷電量，Qs1、Qs2分別為有機胺氣溶膠電場荷電、固體顆粒電場荷電飽和荷電量；εp為顆粒的介電常數，εp1、εp2分別為有機胺氣溶膠電場荷電、固體顆粒的介電常數；E為荷電場強。

2.2.3 仿真與實驗脫除效率對比

圖10 為MEA氣溶膠在線板式電除霧器作用下脫除效率對比曲線。由圖10可以看出，實驗與仿真整體擬合度較好，脫除效率隨粒徑變大呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，脫除效率最低為40%，對應粒徑分布在0.20~0.50 μm附近，這與仿真結果基本一致。

圖10 有機胺氣溶膠脫除效率對比Fig.10 The experimental and simulated values of removal rate of the organic amine aerosol

3 結 論

1）對于MEA氣溶膠液滴，電除霧器起暈電壓在1~3 kV之間。電流隨板間電壓增大近似為指數增長。當極線間距一定時，電流隨板間距增大而減小；極板間距一定時，電流隨線間距增大而增大；最大值對應尺寸為板間距7 cm、線間距7 cm。

2）電除霧器對于0.01~3.00 μm顆粒脫除效率呈先下降后上升趨勢，在0.20~0.50 μm處脫除效率最差為40%。0.20 μm以下顆粒主要受擴散荷電作用影響；0.50 μm以上顆粒主要受電場荷電作用影響，粒徑為2.00 μm的顆粒脫除效率達到100%。

3）有機胺氣溶膠相對介電常數更高，表面張力更大，其在電除霧器中的脫除效率比固體顆粒更高，0.10 μm以下時相差約2百分點，0.10 μm以上時相差約8百分點。同尺寸線板除霧器作用下實驗與仿真擬合度良好。