低低溫工況下顆粒凝并機(jī)理分析及研究方法初探

劉含笑，袁建國(guó)，酈祝海，酈建國(guó)，姚宇平，何毓忠

（浙江菲達(dá)環(huán)保科技股份有限公司，杭州 311800）

近年來(lái)，我國(guó)大中城市霧霾、酸雨等天氣頻發(fā)，需要不斷提高煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)來(lái)改善空氣質(zhì)量。例如，《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223—2011）已將煙塵排放限值由50mg／m3降至30mg／m3，重點(diǎn)地區(qū)降至20mg／m3，《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095—2012）增設(shè)了PM2.5濃度限值，并給出了監(jiān)測(cè)實(shí)施的時(shí)間表。由于環(huán)境容量有限等原因，長(zhǎng)三角、珠三角等地部分燃煤電廠已開(kāi)始執(zhí)行燃機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，即要求煙塵排放限值為5 mg／m3。國(guó)家發(fā)改委、環(huán)保部和國(guó)家能源局三部委聯(lián)合于2014年9月頒發(fā)了《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020年）》，要求東部地區(qū)新建燃煤機(jī)組煙塵排放濃度不高于10mg／m3，對(duì)中部和西部地區(qū)也提出了要求。將達(dá)到或接近燃機(jī)標(biāo)準(zhǔn)排放限值稱為“超低排放”，因此要求電除塵技術(shù)要同時(shí)達(dá)到低排放、高效率和低能耗的效果。

低低溫電除塵技術(shù)是從電除塵器及濕法煙氣脫硫工藝演變而來(lái)，由于該技術(shù)的粉塵比電阻低、擊穿電壓高、煙氣量低，特別是可以產(chǎn)生顆粒降溫凝并，大幅提高了除塵器的除塵效率。日本日立相關(guān)專家的研究結(jié)果表明，當(dāng)采用低低溫電除塵器時(shí)，除塵器出口煙塵平均粒徑大于3μm，明顯大于常規(guī)電除塵器，并且脫硫出口煙塵濃度明顯降低，可以脫除煙氣中的大部分SO3，提高濕法脫硫系統(tǒng)的協(xié)同除塵效果。本文將對(duì)低低溫工況條件下顆粒凝并的機(jī)理進(jìn)行分析，并給出一種理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)相結(jié)合的研究方法。對(duì)于低低溫工況下顆粒凝并機(jī)理的研究可以采用理論計(jì)算分析和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)相結(jié)合的手段，其中顆粒凝并機(jī)理的計(jì)算可直接借助商業(yè)CFD軟件或通過(guò)對(duì)其二次開(kāi)發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)研究的關(guān)鍵在于觀測(cè)手段及測(cè)試儀器的選取。

1 低低溫工況下的顆粒凝并機(jī)理

低低溫電除塵器通過(guò)煙氣冷卻器或煙氣換熱系統(tǒng)（包括煙氣冷卻器和煙氣再熱器）把電除塵器入口煙氣溫度降低至酸露點(diǎn)以下（一般在90℃左右），煙氣中大部分SO3可以在煙氣冷卻器中冷凝成硫酸霧并粘附在粉塵表面，從而改變了粉塵的物理和化學(xué)性質(zhì)，促進(jìn)細(xì)顆粒物的凝并。對(duì)低低溫工況條件下顆粒凝聚的機(jī)理研究，目前國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)有相關(guān)報(bào)道，本文僅對(duì)SO3調(diào)質(zhì)顆粒團(tuán)聚和顆粒增濕團(tuán)聚的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行整理分析，并據(jù)此推測(cè)低低溫工況下顆粒的凝并機(jī)理。

1.1 SO3調(diào)質(zhì)顆粒凝并

文獻(xiàn)［1］的研究結(jié)果表明，硫酸調(diào)質(zhì)劑首先被吸附并凝結(jié)在飛灰表面毛細(xì)孔內(nèi)，繼而擴(kuò)展到整個(gè)飛灰表面，形成一層水膜。通過(guò)改變飛灰的黏附性以及飛灰顆粒之間的作用力，可以增大飛灰的粒徑并提高粉塵層間的粘附能力，減少二次揚(yáng)塵。

文獻(xiàn)［2］研究了煙氣中SO3對(duì)微細(xì)顆粒物團(tuán)聚性能的影響，結(jié)果表明在鍋爐額定工況下，當(dāng)煙氣中SO3的質(zhì)量濃度增加約34.3mg／m3時(shí)，飛灰表面張力減小、黏附力增大，微細(xì)顆粒可以團(tuán)聚為大顆粒，平均粒徑增大、比表面積減小，從而使電除塵器效率明顯提高。

1.2 粉塵吸濕性

粉塵的吸濕性是指粉塵從周圍空氣中吸收水分的能力，SO3可明顯提高粉塵的吸濕性。文獻(xiàn)［3］的研究工作表明，SO3是活性很大的強(qiáng)氧化劑，并且極易吸收水分；向煙氣中噴入一定量的SO3可使煙氣中粉塵吸收的水分含量提高約7～8倍。文獻(xiàn)［2］采用吸濕率法分析了SO3對(duì)煙氣中顆粒物吸濕性能的影響，調(diào)質(zhì)后粉塵的吸濕性明顯增大。這主要由于SO3氣體易溶于液膜中，能有效降低液膜的表面張力，使粉塵吸濕性增大，顆粒間黏附性相應(yīng)提高。

1.3 顆粒增濕凝并

顆粒的凝并與顆粒的潤(rùn)濕特性密切相關(guān)，潤(rùn)濕是指顆粒表面的氣體被液體所取代的過(guò)程，固體表面的化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)決定了其潤(rùn)濕性能，通過(guò)添加潤(rùn)濕劑的方式可以改善顆粒的潤(rùn)濕性能［4］。文獻(xiàn)［5］研究了顆粒表面特性與顆粒凝并的關(guān)系，分別利用完全疏水性、半疏水性、親水性顆粒研究了潤(rùn)濕角對(duì)顆粒凝并的影響，結(jié)果表明顆粒的凝并生長(zhǎng)隨著潤(rùn)濕角的減小而變得明顯。文獻(xiàn)［6］研究了CFB-FGD工藝過(guò)程中顆粒的增濕凝并現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)顆粒凝并方式存在3種不同特征，即鏈狀或叢狀凝并、表面粘附、包衣結(jié)構(gòu)。

1.4 低低溫工況下顆粒凝并

根據(jù)分析可以推斷低低溫工況下顆粒的凝并過(guò)程如圖1所示。煙氣溫度低于酸露點(diǎn)后，煙氣中的SO3冷凝并吸收煙氣中的水分形成硫酸霧；由于硫酸具有極強(qiáng)的吸水性，因此硫酸霧吸附到顆粒表面后增加顆粒的吸濕性，可以繼續(xù)吸收煙氣中的水分。當(dāng)煤灰顆粒吸附硫酸霧和水分到一定程度后，表面會(huì)逐漸形成一層液膜；當(dāng)兩粒子表面之間的液膜相互接觸時(shí)，液體的表面張力就會(huì)形成“液橋”，將兩黏附體“拉”在一起，這時(shí)小顆粒間凝并成團(tuán)或粘附在大顆粒上。

圖1 低低溫工況下顆粒凝并過(guò)程

2 顆粒凝并機(jī)理的模型和分析

煙氣中SO3冷凝成硫酸霧并吸附在煤灰顆粒表面，這個(gè)過(guò)程發(fā)生在除塵器前的煙氣冷卻器中，因此要以煙氣冷卻器為研究對(duì)象，研究其內(nèi)部顆粒的凝并機(jī)理。顆粒碰撞主要取決于顆粒在煙氣冷卻器中的運(yùn)動(dòng)情況，而顆粒碰撞后是否發(fā)生凝并及凝并后顆粒的再破碎主要取決于顆粒本身的運(yùn)動(dòng)、化學(xué)特性以及外部受力情況。

顆粒凝并效果的評(píng)價(jià)可以分為顆粒碰撞（包括幾何碰撞和碰撞效率）、顆粒凝并和顆粒破碎3個(gè)過(guò)程。顆粒凝并的效果與顆粒幾何碰撞、碰撞效率和凝并效率有關(guān)［7］：幾何碰撞是指在不考慮碰撞后事件時(shí)，因?yàn)榱黧w對(duì)顆粒的拖曳力和布朗力作用造成的碰撞；當(dāng)碰撞即將發(fā)生時(shí)，顆粒間的流體潤(rùn)滑效應(yīng)會(huì)減少顆粒實(shí)際碰撞，特別是大小不一致的顆粒間碰撞，會(huì)影響碰撞效率；碰撞后是否繼續(xù)凝并是受顆粒的表面粘性控制，而范德華力，濕度以及靜電等都會(huì)提高顆粒間粘附作用。

3 顆粒在煙氣冷卻器中的運(yùn)動(dòng)軌跡

煙氣冷卻器內(nèi)煙氣流速較高，并設(shè)有大量的換熱管束，流場(chǎng)處于湍流狀態(tài)，這里將煙氣冷卻器簡(jiǎn)化為幾根管束錯(cuò)列布置（見(jiàn)圖2），對(duì)其流場(chǎng)內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行定性分析。

引入2d-LES模型，計(jì)算湍流流場(chǎng)［8］，基于離散相模型（DPM）計(jì)算顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡［9］。入口條件為速度入口，出口條件為OUTFLOW，時(shí)間步長(zhǎng)取0.001s，入口流速設(shè)為10m／s，入口顆粒粒徑從1～100μm，符合R-R分布，其中=50 μm，n=3.5。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)t=4s時(shí)煙氣冷卻器內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示。不同粒徑顆粒運(yùn)動(dòng)速度大小和方向不同，軌跡交叉在一起，并且在湍流流場(chǎng)中存在明顯的局部富集效應(yīng)，這大大提高了顆粒的碰撞頻率，當(dāng)顆粒表面包裹一層液膜后，顆粒粘性增加，此時(shí)顆粒的凝并效果也會(huì)明顯提高。

圖2 煙氣冷卻器二維幾何模型

4 顆粒的凝并和破碎

利用歐拉雙流體方法，引入顆粒群平衡計(jì)算模型（PBM）計(jì)算顆粒凝聚、破碎［10］。基于顆粒稀疏和分子混沌假設(shè)，在同時(shí)考慮顆粒聚并、破碎的情況下，建立在歐拉坐標(biāo)體系的顆粒尺度分布函數(shù)的平衡方程：

圖3 顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

式中?n（v，t）——體積為v的粒子在t時(shí)刻粒子數(shù)目濃度分布函數(shù)；β（u，v-u）——體積分別為u和v-u的粒子間凝聚核函數(shù)；S（u，t）——顆粒的破碎核；γ（u，v，t）——母顆粒（u）破碎產(chǎn)生子顆粒（v）的概率；vmin，vmax——所研究顆粒物體系中粒子體積的最小值和最大值。

分析煙氣冷卻器內(nèi)的環(huán)境條件及顆粒的運(yùn)動(dòng)情況，根據(jù)聚并機(jī)理的不同，煙氣冷卻器內(nèi)顆粒主要聚并形式有增濕聚并、湍流聚并和熱聚并等，因?yàn)楦鞣N聚并形式對(duì)于顆粒碰撞的影響尺度不同，可以認(rèn)為兩者是相互獨(dú)立的［11］。因而任意兩種聚并形式疊加后的聚并核函數(shù)可以表示為：

湍流聚并、熱聚并核函數(shù)可以參照文獻(xiàn)［10］，而目前關(guān)于增濕凝并核函數(shù)的研究尚未見(jiàn)報(bào)道，這里為探討計(jì)算方法的合理性，近似將顆粒增濕凝并核函數(shù)簡(jiǎn)化為常數(shù)。破碎核在本次計(jì)算中暫不考慮。通過(guò)用戶自定義函數(shù)（UDF）功能將上述聚并核函數(shù)導(dǎo)入計(jì)算軟件，顆粒初始分布設(shè)為單分散體系如表1所示，幾何模型如圖2所示，增濕凝并核函數(shù)定義為10-11，其余邊界條件同圖2計(jì)算，采用分區(qū)算法進(jìn)行計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算，不同時(shí)刻顆粒粒徑分布如圖4所示。隨著時(shí)間的推移，小粒徑顆粒數(shù)量逐漸減少，大粒徑顆粒數(shù)量逐漸增多。當(dāng)t=0.6s以后，粒徑分布變化不再明顯，這個(gè)時(shí)間近似于氣流經(jīng)過(guò)煙氣冷卻器所需要的時(shí)間。計(jì)算結(jié)果能夠比較真實(shí)地反映煙氣冷卻器中顆粒的凝并過(guò)程，但關(guān)鍵在于顆粒增濕凝并核函數(shù)的準(zhǔn)確模化。

表1 各尺度顆粒的體積分?jǐn)?shù)

圖4 粒徑分布隨時(shí)間的演變

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

計(jì)算方法及其結(jié)果可以用實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)測(cè)量原理不同，目前用于顆粒凝并方面研究的檢測(cè)技術(shù)主要有重量法、電荷法、光學(xué)法。其中，重量法和電荷法進(jìn)行顆粒采樣時(shí)首先用沖擊板或旋風(fēng)分離器分離掉大粒徑顆粒，然后進(jìn)入撞擊器，按粒徑不同逐級(jí)捕獲，由于在分離大粒徑顆粒和進(jìn)行粒徑分級(jí)過(guò)程中，不同慣性顆粒間存在大量碰撞的機(jī)會(huì)，并且當(dāng)凝并后顆粒所受外力大于自身吸引力后會(huì)存在二次破碎的問(wèn)題，因此這兩種方法會(huì)給顆粒凝并效率的評(píng)價(jià)帶來(lái)較大的誤差。光學(xué)法是通過(guò)測(cè)量顆粒物的反射光或透射光來(lái)確定顆粒物的粒徑與濃度，這種方法也可以實(shí)時(shí)得到顆粒物的質(zhì)量濃度，對(duì)顆粒凝并、破碎效果干擾較小，更適合作為實(shí)驗(yàn)室觀測(cè)顆粒凝并機(jī)理的檢測(cè)手段。

光學(xué)法檢測(cè)儀器主要有多普勒粒子分析儀（Phase Doppler Particle Analyser，簡(jiǎn)稱PDPA）、激光粒子圖像分析測(cè)試系統(tǒng)（Particle／Droplet Image Analysis，簡(jiǎn)稱PDIA）、激光誘導(dǎo)可見(jiàn)光技術(shù)（Laser-Induced Incandescence，簡(jiǎn)稱 LII）和激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)（Laser Induced Florescence，簡(jiǎn)稱LIF）等。Indigo公司曾在Adelaide大學(xué)用激光熒光法，將摻混了熒光物質(zhì)的水滴注入流場(chǎng)中研究顆粒凝并，證實(shí)了湍流凝聚器對(duì)細(xì)粉塵的凝并效果。利用LIF檢測(cè)的凝聚前后顆粒的質(zhì)量濃度圖［11-12］如圖5所示。該技術(shù)同樣適用于低低溫工況下顆粒凝并現(xiàn)象的研究。

圖5 利用LIF檢測(cè)的凝聚前后顆粒的質(zhì)量濃度圖

6 結(jié)論

本文基于文獻(xiàn)調(diào)研及相關(guān)研究基礎(chǔ)上，對(duì)低低溫工況條件下顆粒凝并的機(jī)理進(jìn)行了分析，并給出了一種理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)相結(jié)合的研究方法，主要結(jié)論如下。

（1）在SO3對(duì)粉塵吸濕性能的影響及顆粒增濕凝并的相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，給出了低低溫工況下顆粒凝并的一種假設(shè)：煙氣中的SO3吸收煙氣中的水分，形成硫酸霧吸附到顆粒表面后形成一層液態(tài)H2SO4膜，當(dāng)兩粒子表面之間的液膜相互接觸時(shí)，液體的表面張力形成“液橋”將兩黏附體“拉”在一起，提高顆粒凝并效果。

（2）煙氣冷卻器中流速較高，利用2d-LES模型模擬湍流流場(chǎng)，利用離散相模型計(jì)算煙氣冷卻器中顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡。計(jì)算結(jié)果表明，換熱管束具有很好的擾流效果，顆粒在湍流流場(chǎng)中存在明顯的局部富集效應(yīng)，這大大提高了顆粒的碰撞頻率。

（3）利用歐拉雙流體方法，引入顆粒群平衡計(jì)算模型計(jì)算顆粒凝并、破碎問(wèn)題，并通過(guò)編寫(xiě)用戶自定義函數(shù)引入顆粒湍流凝并、熱凝并和增濕凝并核函數(shù)，暫定顆粒增濕凝并核函數(shù)為常數(shù)，并忽略顆粒破碎。計(jì)算結(jié)果能較好地反映煙氣冷卻器中顆粒的凝并過(guò)程，但關(guān)鍵在于顆粒增濕凝并核函數(shù)的準(zhǔn)確模化。

（4）光學(xué)法是通過(guò)測(cè)量顆粒物的反射光或透射光來(lái)確定顆粒物的粒徑與濃度，對(duì)顆粒凝并、破碎效果干擾較小，可以作為實(shí)驗(yàn)室觀測(cè)顆粒凝并機(jī)理的有效檢測(cè)手段。

（5）通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果對(duì)理論結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，這種理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)相結(jié)合的方法可以作為低低溫工況下顆粒凝并機(jī)理研究的一種有效手段。

［1］ 楊昱，武建新.SO3煙氣調(diào)質(zhì)技術(shù)在提高靜電除塵器效率中的應(yīng)用［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2012（6）：204-205.YANG Yu，WU Jian-xin.Using SO3flue gas conditioning technology to improve electrostatic precipitator′s efficiency［J］.Mechanical Engineering ＆ Automation，2012（6）：204-205.

［2］ 齊立強(qiáng)，原永濤，史亞微.燃煤煙氣中的SO3對(duì)微細(xì)顆粒

物電除塵特性的影響［J］.動(dòng)力工程學(xué)報(bào)ISTIC，2011，31（7）：539-543.

QI Li-qiang，YUAN Yong-tao，SHI Ya-wei.Influence of SO＿3on electrostatic precipitation of fine particles in flue gas［J］.Power Engineering，2011，31（7）.

［3］ Harrington D A.Elect rochemical impedance of multistep

mechanisms：ag ener al theor y［J］.Journal of Electroa-nalytical Chemistry，1998，449（3）：9-28.

［4］ 齊國(guó)杰，董勇，崔琳，等.超細(xì)顆粒物增濕團(tuán)聚技術(shù)研究進(jìn)展［J］.化工進(jìn)展，2009，28（5）：745-749.QI Guo-jie，DONG Yong，CUI Lin，et al.Review of submicron particles humidifying agglomeration［J］.Chemical Industry and Engineering Progress，2009，28（5）.

［5］ Hemati M.Fluidized bed coating and granulation：influence of process—related variables and physicochemical properties on the growth kinetics［J］.Powder Technology，2003，130：18-34.

［6］ 董勇，齊國(guó)杰，崔琳，等.循環(huán)流化床煙氣脫硫工藝中顆粒增濕團(tuán)聚現(xiàn)象的分析［J］.動(dòng)力工程，2009（7）：671-675.DONG Yong，QI Guo-jie，CUI Lin，et al.Analysis on agglomeration of humidified particles in CFB-FGD process［J］.Power Engineering，2009，29（7）.

［7］ 李瑞霞.均勻湍流內(nèi)湍流—布朗顆粒碰撞的直接模擬研究［D］.華中科技大學(xué)，2006.

［8］ 酈建國(guó)，劉含笑，姚宇平.微顆粒捕集增效裝置二維單擾流柱流場(chǎng)計(jì)算［J］.華東電力，2013，41（011）：2404-2407.LIU Han-xiao，YAO Yu-ping，LI Jian-guo，et al.Flow field calculation of 2Dsingle turbulence column in the PM2.5capture efficiency device［J］.East China Electric Power，2013，41（011）：2404-2407.

［9］ 劉忠，劉含笑，馮新新，等.湍流聚并器流場(chǎng)和顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡模擬［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（14）71-75.LIU Zhong，LIU Han-xiao，F(xiàn)ENG Xin-xin，et al.Simulation for the flow field of the turbulence coalescence device and the trajectory of particles［J］.Proceedings of the CSEE，2012，32（14）：71-75.

［10］ 劉忠，劉含笑，馮新新，等，超細(xì)顆粒物聚并模型的比較研究［J］.燃燒科學(xué)與技術(shù)，2012，18（3）：212-216.LIU Zhong，LIU Han-xiao，F(xiàn)ENG Xin-xin，et al.Comparative study on the different coalescence models of ultrafine particles［J］.Journal of Combustion Science and Technology，2012，18（3）：212-216.

［11］ Pruppacher HR，Klett JD.Microphysics of Clouds and Precipitation：D.Reidel，1977.

［12］ 劉含笑，姚宇平，酈建國(guó)，等.PM2.5團(tuán)聚測(cè)量技術(shù)及其研究進(jìn)展［J］.電力與能源，2013（2）：118-123.LIU Han-xiao，YAO Yu-ping，LI Jian-guo，et al.Measurement technology and research progress of the PM2.5 coalescence experiment［J］.Power ＆ Energy，2013 （2）：118-123.