李錦萍，熊英瑩，宋婷婷，趙超群，胡 飛

(山西大學(xué) 電力與建筑學(xué)院，山西 太原 030013)

0 引 言

以亞微米細顆粒物為主的燃煤電廠粉塵中PM2.5占總粉塵的70%以上，各種除塵器對粒徑10 μm以上的粗粒徑粉塵都有很高的捕集效率，但對于2 μm細粉塵，高效旋風(fēng)除塵器的除塵效率僅有50%，當(dāng)粉塵粒徑由2 μm減小到1 μm，除塵效率由50%下降至27%，從除塵器逃逸的比表面積巨大的亞微米細顆粒物達到50%以上[1-2]，嚴重危害人類健康,引起氣候變化及酸雨等災(zāi)害性事件[3]。亞微米細顆粒物的團聚機理、除塵效率提升相關(guān)研究中，應(yīng)用較廣泛的是煙氣調(diào)質(zhì)技術(shù)，其考察對象為總粉塵，對于亞微米細顆粒物的團聚研究有限。齊立強等[4]研究表明SO3對細顆粒物具有良好的脫除性能及團聚促進作用，但污染風(fēng)險增加，大范圍推廣受到限制[5-6]。除塵器入口煙氣溫度降至酸露點以下的低低溫電除塵技術(shù)[7]既可提高余熱利用，又可促進顆粒物之間的團聚，在理論研究及工程實踐應(yīng)用方面都取得了較好成果[8-9]，可大幅度減少SO3和PM2.5排放，節(jié)能效果顯著，但需解決低溫防腐難題；LUO等[10]、GUO等[11]模擬研究了各種粒徑顆粒物在不同溫度下的荷電性能及對電除塵脫除的影響，但對亞微米細顆粒物的脫除及增強促進技術(shù)仍有待進一步研究。

筆者通過酸化蒸發(fā)實現(xiàn)煙氣的溫濕酸灰耦合，考察煙氣中亞微米細顆粒物在深度降溫、增加煙氣濕度、提高煙氣酸度、增大煙氣中亞微米細顆粒物濃度的不同耦合工況下，亞微米細顆粒物團聚增大特性及對脫除性能的促進效果。當(dāng)溫濕酸灰耦合煙氣冷凝時，表面存在孔隙和凹腔的多孔介質(zhì)的顆粒物吸濕性改善，吸附煙氣中可凝性及酸性氣體，在氣流和顆粒物內(nèi)部物性共同作用下，黏附性顆粒物濃度增加，導(dǎo)致顆粒物之間發(fā)生速度差異相互碰撞。

在較高濃度的氣固兩相流運動中，固體顆粒物為了達到氣固相互作用最小，減小能量損失，以維持穩(wěn)定狀態(tài)下的一種新動態(tài)平衡運動而發(fā)生團聚；隨著酸性氣體在顆粒物表面的凝結(jié)，在顆粒物表面形成酸性液滴并釋放出潛熱，加快了顆粒物布朗運動，進一步加大了顆粒物之間碰撞機率，顆粒物的黏性力增加，體積分布平均粒徑增大，形成了更易被靜電除塵器捕捉的團聚顆粒[12]，不僅提高了脫除效率，脫除后的顆粒物個數(shù)分布平均粒徑也顯著減小。

1 試 驗

1.1 試驗設(shè)備

煙氣溫濕酸灰耦合試驗臺如圖1所示。

由圖1可知，模擬煙氣經(jīng)配置段—濕酸灰耦合段—換熱冷卻段—酸露點測試段—煙氣再循環(huán)段—風(fēng)機—模擬煙氣配置段形成循環(huán)。模擬煙氣配置完成后，煙氣溫度可通過電加熱棒，由測控系統(tǒng)即時控制調(diào)節(jié)；熱煙氣在風(fēng)道內(nèi)通過錯列管式鑄鐵換熱器與冷卻水逆流接觸，冷卻水通過變頻水泵調(diào)節(jié)；煙氣降溫后進入可調(diào)電壓臥式電除塵器或煙氣再循環(huán)段，除塵器內(nèi)部設(shè)有2組平行布置氣流分布板，放電極材質(zhì)為針刺形高強鎳鎘合金，再循環(huán)段以實現(xiàn)煙氣在氣流速度一定時的循環(huán)運行；風(fēng)機將脫除后的煙氣通過三通閥，返回?zé)煔馀渲枚位蚪?jīng)煙囪排出室外。

圖1 煙氣溫濕酸灰耦合試驗臺Fig.1 Experimental platform of flue gas temperaturecoupling wet acid ash

采用testo350Pro煙氣分析儀測試模擬煙氣成分及體積分數(shù)，具體見表1。絕對濕度由MODEL545型煙氣水分儀濕度儀實時測量和監(jiān)視，并通過調(diào)質(zhì)段的霧化噴嘴裝置實現(xiàn)控制；煙氣飛灰顆粒物濃度通過調(diào)節(jié)ZG600/YZ35-13蠕動泵轉(zhuǎn)速實現(xiàn)；除塵器入口及出口裝有激光PM2.5傳感器；亞微米細顆粒物粒徑由測量范圍0.02～2 800 μm的S3500粒度分析測取。

表1 模擬煙氣組成

1.2 主要參數(shù)及性能

以較高脫除效率和兼顧方便灰塵收集[13-14]為原則，主要工藝參數(shù)為：

1)電除塵器工作電壓40 kV，且?guī)в邢蘖鞴δ?；煙氣在除塵器內(nèi)停留速時間約5 s，氣流速度約0.3 m/s，除塵器出入口管道直徑200 mm，流量約0.03 m3/s；換熱器處風(fēng)道流速約4 m/s。

2)煙氣溫度小于150 ℃，濕度及酸度的調(diào)節(jié)保證粉塵比電阻在104～1011Ω·cm，適合電除塵器收集范圍；為防止起暈電壓明顯上升、電場輸出欠壓及變壓器超負荷運行，煙氣溫度高于80 ℃。

3)風(fēng)道維持-0.69 kPa，便于煙氣霧化調(diào)濕、酸化及顆粒物濃度的調(diào)節(jié)。

4)各典型工況酸露點參照原始煙氣工況的工程酸露點，并與相同工況下理論計算(采用俄羅斯、前蘇聯(lián)及日本電力公司酸露點表達式計算)[15-19]相比較，考慮誤差范圍，確定為83 ℃。

5)采用QUANTAX200能譜儀進行成分分析，顆粒物為硅鋁質(zhì)礦物顆粒，屬于中等潤濕性顆粒物[20]，顆粒物成分分析見表2。

表2 顆粒物成分分析

2 團聚和脫除性能影響

2.1 煙氣溫度對團聚和脫除性能的影響

蠕動泵轉(zhuǎn)速200 r/min，顆粒物質(zhì)量濃度在72.362 μg/m3時，除塵器入口煙氣溫度從120 ℃分別降至85 ℃(高于酸露點工況)、83 ℃(酸露點工況)、80 ℃(極限工況)。煙氣溫度對團聚和脫除性能影響見表3。

表3 煙氣溫度對團聚和脫除性能影響

除塵器入口煙氣溫度降低，煙氣中可凝結(jié)氣體發(fā)生冷凝，范德華力作用下被顆粒物吸附，除塵器入口顆粒物質(zhì)量濃度由72.362 μg/m3逐漸增大至92.362 μg/m3，顆粒物受煙氣曳力作用發(fā)生了碰撞而團聚，反映顆粒物大小的個數(shù)分布平均粒徑由降溫前1.769 μm先增大為2.090 μm，而后在不斷降溫碰撞中，亞微米細顆粒物間的團聚效果逐漸顯現(xiàn)，最大團聚成4.643 μm顆粒物。

隨著除塵器入口煙氣溫度降低，煙氣熱運動能力減弱，黏滯性減小，而顆粒物在煙氣冷凝釋放熱量產(chǎn)生熱泳力，流場發(fā)生輕微波動過程中，受慣性碰撞加劇，除塵器入口體積分布平均粒徑由降溫前的20.370 μm團聚至更易被捕捉的31.391 μm。

電場荷電作用下，除塵器出口顆粒物質(zhì)量濃度在降溫過程中，由21.546 μg/m3降至最小15.431 μg/m3，除塵效率也由70.224%提高至83.293%；脫除后，體積分布平均粒徑減小至13.972 μm；個數(shù)分布平均粒徑減小至1.044 μm，較原始降溫前的粒徑減小了0.725 μm，脫除效果顯現(xiàn)。

2.2 煙氣溫濕耦合對團聚和脫除性能影響

對原工況絕對濕度4.20%的煙氣由120 ℃降至80 ℃(脫除效率最高典型工況)過程中進行煙氣增濕，煙氣絕對濕度分別為5.70%、8.90%、14.20%。煙氣絕對濕度對團聚和脫除性能的影響見表4。

表4 煙氣絕對濕度對團聚和脫除性能的影響

煙氣絕對濕度由4.20%逐漸增至8.90%的過程中，逐漸增大的濕霧煙氣蒸發(fā)，煙氣相對濕度增大；增濕耦合降溫改善了濕霧液滴與顆粒物的團聚環(huán)境，使顆粒物表面濕潤性有所增強，增大了顆粒物間的凝并效應(yīng)，但由于水的表面張力較高，而顆粒物黏附性中等偏低，不易吸附煙氣中的水分，除塵器入口顆粒物質(zhì)量濃度由92.362 μg/m3增至108.859 μg/m3；隨濕度的增加趨于飽和狀態(tài)，當(dāng)煙氣絕對濕度增加14.2%時，除塵器入口顆粒物質(zhì)量濃度減小為107.733 μg/m3。

除塵器入口顆粒物濃度增大有限，使顆粒物之間的有效碰撞受到限制，在絕對濕度8.90%時，除塵器入口個數(shù)分布平均粒徑最大增大至4.823 μm；當(dāng)絕對濕度增至14.2%時，因相對濕度增大帶來的顆粒物含濕量加大，造成濕霧滴粒徑分布范圍較廣，得不到充分蒸發(fā)，液滴蒸發(fā)受到限制，且極易發(fā)生擴散，反而減小為4.736 μm。

煙氣絕對濕度增加過程中伴隨溫度降低，煙氣流的湍流和濕霧液滴在捕捉細小顆粒物的運動過程中雖然可以同時促進顆粒物之間的團聚，但除塵器入口體積分布平均粒徑由31.391 μm最大只增至32.452 μm，未能形成更大的團聚體。

噴霧增濕耦合降溫后的顆粒物被除塵器捕捉后，除塵器出口顆粒物質(zhì)量濃度最小下降為14.382 μg/m3，脫除效率也由增濕前的83.293%增加到絕對濕度8.9% 的最大值86.788%，而后下降；絕對濕度14.2% 時，減小為86.334%；脫除后的體積分布平均粒徑最小為11.243 μm，個數(shù)分布平均粒徑最小約為1.028 μm，較未增濕前減小了0.016 μm，脫除效果不明顯。

2.3 溫濕酸耦合對團聚和脫除性能影響

在保持增濕脫除效率最高，絕對濕度8.90%典型工況下，分別配置體積分數(shù)0.11%、0.30%、0.47%的硫酸溶液，煙氣酸度分別為0.979×10-6、2.670×10-6、4.183×10-6。通過霧化裝置進行酸化蒸發(fā)，煙氣由120 ℃降低到80 ℃，實現(xiàn)溫濕酸耦合。煙氣酸度對團聚和脫除性能的影響見表5。

表5 煙氣酸度對團聚和脫除性能的影響

增濕后進行酸化降溫，煙氣酸度逐漸增大，除塵器入口顆粒物質(zhì)量濃度顯著增加，由未酸化調(diào)節(jié)前的108.859 μg/m3增至最大169.589 μg/m3，即增濕酸化后的煙氣在冷凝過程中，酸霧在靜電力、孔隙場力等作用下，進入飛灰表面的孔隙和凹腔中，在顆粒物表面形成酸性液膜，酸性氣體不斷溶入，有效降低了液膜的表面張力，進一步改善了顆粒物的吸濕性，相互黏結(jié)性增大。

顆粒物質(zhì)量濃度顯著增大過程中，顆粒物中的金屬與液膜之間形成化學(xué)吸附，顆粒物溫濕酸耦合前后成分比較如圖2所示?？芍w粒物溫濕酸耦合后，顆粒物中Ca、Fe成分含量減小，而液膜中導(dǎo)電離子增加，提高了顆粒物的荷電能力，使顆粒物之間、顆粒物與團聚液滴之間碰撞機率增大，除塵器入口個數(shù)分布平均粒徑增至5.545 μm。

圖2 顆粒物溫濕酸耦合前后成分比較Fig.2 Comparison of particulate matter compositionbefore and after temperature coupling of humidity acid

酸霧濃度增大，酸霧液滴較濕霧液滴更易在亞微米細顆粒物間形成液橋力，團聚前以球體堆積形式存在的分散顆粒物通過“架橋”方式發(fā)生團聚；隨著酸霧液滴的蒸發(fā)，液橋力不斷轉(zhuǎn)化為固橋力的過程中，顆粒物發(fā)生了絮凝，吸附酸霧量增加，進一步提高了團聚力，團聚形成大的顆粒物團，顆粒物溫濕酸耦合前后SEM如圖3所示。除塵器入口體積分布平均粒徑也由32.452 μm逐漸增至44.573 μm，較未酸化前更易被除塵器捕捉。

圖3 顆粒物溫濕酸耦合前后SEMFig.3 SEM before and after temperature coupling of humidity acid

酸霧液滴及顆粒物團聚性能的增強提高了除塵器脫除性能。除塵器出口顆粒物質(zhì)量濃度由14.382 μg/m3減小為10.511 μg/m3；除塵效率由86.788%提高到93.802%，體積分布平均粒徑最小為10.142 μm；個數(shù)分布平均粒徑最小為1.001 μm，較未增濕前減小了0.027 μm，脫除性能顯著改變。

2.4 溫濕酸灰耦合對團聚和脫除性能影響

煙氣濕度8.90%、耦合酸度4.183×10-6不變，調(diào)節(jié)蠕動泵轉(zhuǎn)速分別為300、400、500 r/min，煙氣中顆粒物濃度分別達到了113.02、155.60、197.27 μg/m3，煙氣由120 ℃降溫到80 ℃。顆粒物濃度變化對團聚和脫除性能的影響見表6。

表6 顆粒物濃度對團聚和脫除性能的影響

溫濕酸灰耦合下，除塵器入口顆粒物質(zhì)量濃度分別增大到169.58、200.562、334.673 μg/m3，顆粒物顆粒數(shù)隨之增加，風(fēng)道內(nèi)徑向分布函數(shù)值增大，顆粒物相互接觸增多，導(dǎo)致顆粒物之間及顆粒物與溫濕酸灰耦合作用下團聚的顆粒團的碰撞概率增加，同時疊加煙氣的湍流作用，產(chǎn)生激烈的湍動和混合。除塵器入口個數(shù)分布平均粒徑由5.545 μm較快增大至7.572 μm，黏附形成明顯的團聚物,除塵器入口體積分布平均粒徑也由44.573 μm增大至49.602 μm。

除塵器入口顆粒物質(zhì)量濃度由334.673 μg/m3增至385.270 μg/m3時，在慣性作用下，顆粒物表面吸附的酸液平均量減少，除塵器入口個數(shù)分布平均粒徑和體積分布平均粒徑分別達到了7.624和51.355 μm，分別增加了0.052和1.753 μm，溫濕酸灰耦合團聚效果減弱。

顆粒物質(zhì)量濃度逐漸增加的過程中，團聚物被除塵器高效捕捉，脫除后顆粒物的質(zhì)量濃度降低到1.438 μg/m3，脫除效率達到99.627%，體積分布平均粒徑和個數(shù)分布平均粒徑最小分別為9.324和0.869 μm，個數(shù)分布平均粒徑相比較未耦合灰前減小了0.132 μm，除塵器出口顆粒物的特征參數(shù)均先增大后減緩，說明過高濃度下，顆粒物脫除效果減弱。

3 正交試驗

煙氣溫濕酸灰耦合試驗的影響因素及水平見表7，試驗結(jié)果統(tǒng)計見表8。

表7 試驗因素水平

表8 試驗結(jié)果統(tǒng)計

3.1 方差分析

試驗數(shù)據(jù)總的偏差平方和ST，分解為由n個影響因素及水平變化引起的偏差平方和總和Si及由試驗誤差引起的偏差平方和Se；將各因素ST分別除以各自自由度，得到各因素的平均偏差平方和以及誤差的平均偏差平方和：

(1)

(2)

(3)

式中：Nij為i因素xij的j水平總次數(shù)；l為i因素xij的水平數(shù)量；m為試驗總次數(shù)；yk為第k次試驗結(jié)果。

總自由度fT為

(4)

式中，fi為i因素xi的自由度，fi=j-1；fe為誤差的自由度。

亞微米細顆粒物經(jīng)煙氣降溫、溫濕耦合、溫濕酸耦合、溫酸濕灰耦合后發(fā)生團聚，體積分布平均粒徑的方差分析見表9。煙氣溫濕酸灰耦合對亞微米細顆粒物團聚的影響特別顯著，顯著水平為0.01；煙氣溫濕酸耦合對亞微米顆粒物的團聚有較大顯著影響，顯著水平為0.01；煙氣溫濕耦合對亞微米顆粒物的團聚有顯著影響，顯著水平為0.025；煙氣溫度降低對亞微米顆粒物的團聚也有顯著影響，顯著水平為0.05。

表9 脫除前體積分布平均粒徑方差分析

亞微米顆粒物經(jīng)煙氣降溫、溫濕耦合、溫濕酸耦合、溫酸濕灰耦合發(fā)生團聚后，被電除塵器脫除，個數(shù)分布平均粒徑的方差分析見表10，脫除效率的方差分析見表11。煙氣降溫、溫濕耦合、溫濕酸耦合、溫酸濕灰耦合對亞微米顆粒物經(jīng)團聚脫除后的個數(shù)分布平均粒徑和脫除效率的影響都顯著，顯著水平為0.01。

表10 脫除后個數(shù)分布粒徑方差分析

表11 脫除效率方差分析

3.2 極差分析

極差Rf為f因素xi的極差，即f因素下亞微米顆粒發(fā)生團聚各水平指標(biāo)最大值和最小值之差。經(jīng)煙氣降溫、溫濕耦合、溫濕酸耦合、溫濕酸濕灰耦合，亞微米細顆粒物發(fā)生團聚后，顆粒物體積分布平均粒徑的極差分別為11.021、1.061、12.121、6.782 μm，即RC>RA>RD>RB，由此可知各影響因素對亞微米細顆粒物發(fā)生團聚影響的主次順序為C>A>D>B，在深度降溫下的溫濕酸耦合的團聚效果最好，溫濕酸灰耦合的團聚效果次之，溫濕耦合團聚效果最弱。

亞微米細顆粒物發(fā)生團聚脫除后，脫除效率的極差分別為13.069%、3.495%、7.014%、5.825%，即RA>RC>RD>RB，由此可知各影響因素對脫除效率影響的主次順序為A>C>D>B，即煙氣降溫是主要因素，而煙氣的濕度影響最小，溫濕酸耦合影響大于濕酸灰耦合。

亞微米細顆粒物發(fā)生團聚脫除后，個數(shù)分布平均粒徑的極差分別為0.312、0.016、0.027、0.132 μm，即RA>RD>RC>RB，由此可知各個影響因素對脫除后個數(shù)分布平均粒徑影響的主次順序為A>D>C>B，即煙氣降溫是主要因素，而煙氣濕度影響最小。溫濕酸灰耦合影響大于溫濕酸耦合。

4 結(jié) 論

1)溫濕酸耦合蒸發(fā)、煙氣冷凝降溫、亞微米細顆粒物在煙氣曳力，團聚環(huán)境改善，吸附性加強的共同作用下，碰撞加劇，酸性霧化液滴與顆粒物、顆粒物與顆粒物之間的團聚性能加強。與溫濕酸耦合蒸發(fā)相比，較高濃度顆粒物下的溫濕酸灰耦合蒸發(fā)，在氣固兩相流運動中，亞微米細顆粒物之間共同黏附、凝結(jié)與團聚下，隨黏附性顆粒物濃度的增加，單位體積內(nèi)顆粒物的碰撞頻率加劇，管道內(nèi)徑向分布增多，體積分布平均粒徑增大，形成了更易于被靜電除塵器捕捉的團聚顆粒。但隨著體積分布平均粒徑增大減弱，使團聚程度的效果較溫濕酸耦合減弱。所以溫濕酸灰耦合蒸發(fā)中，應(yīng)控制好亞微米細顆粒物的濃度。

2)伴隨著煙氣降溫、增濕、酸化及亞微米細顆粒物濃度的耦合，亞微米細顆粒物團聚成適應(yīng)除塵器捕集的粒徑段團聚體。亞微米顆粒物的團聚效果較好的溫濕酸耦合蒸發(fā)，其脫除效率也高。而亞微米細顆粒濃度較高的溫濕酸灰耦合蒸發(fā)，在適當(dāng)?shù)臐舛确秶鷥?nèi)，隨著其風(fēng)道內(nèi)徑向分布濃度的增大，亞微米細顆粒物相互接觸碰撞增多，被靜電除塵器捕捉的團聚顆粒增多，其脫除后個數(shù)分布平均粒徑減小，脫除效果更好。

3)煙氣酸化蒸發(fā)可提高電除塵對亞微米細顆粒物的脫除效果。尤其在煙氣降溫的主導(dǎo)下，耦合增濕、酸化及改變亞微米細顆粒物濃度，強化了亞微米細顆粒物團聚性能的提高和脫除效果。

4)可考慮應(yīng)用于以降低亞微米細顆粒物排放為主的燃煤電廠，是濕法煙氣脫硫中脫硫廢水處理的途徑之一，即將脫硫廢水蒸發(fā)處理結(jié)合余熱回收及靜電除塵，在除塵器出力范圍內(nèi)，將脫硫廢水蒸發(fā)與煙氣降溫及亞微米細顆粒物進行耦合，改善煙氣中亞微米細顆粒物脫除效果。改善脫除效果的同時，可采取一些防酸保護措施，有利于提高靜電除塵器的除塵效率。