降溫凝膜影響顆粒物脫除特性的實驗研究*

張 靜 常景彩,2# 王 翔 徐純燕 李澤宇 馬春元

(1．山東大學燃煤污染物減排國家工程實驗室，山東省能源碳減排技術與資源化利用重點實驗室，山東 濟南 250061；2．山東神華山大能源環境有限公司，山東 濟南 250061)

降溫凝膜影響顆粒物脫除特性的實驗研究*

張 靜1常景彩1,2#王 翔1徐純燕1李澤宇1馬春元1

(1．山東大學燃煤污染物減排國家工程實驗室，山東省能源碳減排技術與資源化利用重點實驗室，山東 濟南 250061；2．山東神華山大能源環境有限公司，山東 濟南 250061)

為了探究降溫凝膜對顆粒物脫除特性的影響，采用電稱低壓沖擊器對模擬煙氣(過飽和濕煙氣)在靜電除塵器前后的顆粒物進行在線監測和分析，得到顆粒物濃度及粒徑分布特征，研究了不同降溫幅度下凝結相變對顆粒物脫除特性的影響，并著重關注細顆粒物。研究結果表明：降溫幅度增大，細顆粒物核化凝結長大，發生凝并、團聚，粒徑明顯變大；降溫凝膜后，靜電除塵器對細顆粒物脫除效果明顯增強；降溫5 ℃與降溫0 ℃時對比，PM10的質量脫除效率提高約30百分點。降溫幅度為4 ℃時，PM2.5的質量總脫除效率和數量總脫除效率分別已達到73.09%、67.44%。考慮到降溫成本，實際應用中，降溫幅度選擇4 ℃為宜。

過飽和濕煙氣 顆粒物 凝膜 異質核化 脫除效率

煤炭燃燒排放的SO2、NOx、煙塵和Hg等對大氣污染的貢獻很大[1-4]。常規靜電除塵器的除塵效率雖可達99%，但對煙氣中細顆粒物(如PM2.5、PM1)脫除效率較低[5-6]。細顆粒物存在于燃煤煙氣中的形態近于球形，粒徑小，具有中空薄壁結構，呈現的比表面積較大(超過105cm2/g)，具備高吸附性、高粘附性、高比電阻以及高表面能等特點，對環境和人體健康危害較大[7-8]。因此，控制燃煤細顆粒物排放具有重要意義。

通過外加條件(如聲波團聚、電團聚、蒸汽相變、化學團聚等[9-12])使細顆粒物長大后再進行脫除，已成為目前控制細顆粒物排放的重要技術途徑之一。液滴凝結長大在氣象學、云物理學、氣溶膠科學和測量學等諸多領域得到了應用。1958年，FLETCHER[13]提出了過飽和蒸汽在不可溶、表面均勻且光滑的球形顆粒物表面的異質核化理論，并用該理論計算了顆粒物尺寸和表面特性對成核速率的影響。凡鳳仙等[14]提出隨著顆粒物在過飽和蒸汽環境中停留時間的延長，顆粒物粒徑范圍迅速變窄，由初始條件下多分散分布的顆粒物轉變為單分散分布的粒徑較大的含塵液滴；由于相變凝結后顆粒物粒徑趨于一致，初始顆粒物粒徑分布(包括粒度、分散度)對顆粒物長大影響很小。SCHAUER[15]研究發現，利用高溫蒸汽凝結是促進細顆粒物長大及高效脫除的最佳途徑之一。還有一些研究考察了蒸汽添加量、蒸汽品質等對燃煤和燃油細顆粒物凝結脫除效果的影響[16-18]。但以上研究均是利用添加外部高溫蒸汽的方法使顆粒物粒徑長大再加以脫除。然而相關研究表明：濕法脫硫后煙氣為高濕過飽和煙氣[19-23]，若通過降低煙氣溫度制造純冷凝條件，過飽和水汽強制析出以及其在細顆粒物表面吸附特性的差異將會直接對其高比電阻等特性產生明顯影響，進而提高后續配套濕式靜電除塵設備對細顆粒物的捕獲效能，這將對開發高效低成本的基于過程控制的煙氣細顆粒物脫除技術具有重要意義。

本研究搭建了過飽和濕煙氣降溫凝膜靜電除塵增效機理實驗系統(降溫凝膜不需要施加外力，僅通過降溫使煙氣中水蒸氣遇冷凝結到顆粒物上)，探索了在純冷凝條件下，水汽吸附在顆粒物表面后顆粒物粒徑分布的變化規律。通過對靜電除塵器前后顆粒物質量濃度、數量濃度及粒徑分布特性的實時在線監測，對比分析了顆粒物降溫凝膜后靜電除塵器對其的捕獲效能，并著重關注細顆粒物脫除特性，以期通過高效低成本的純冷凝方法，為細顆粒物控制技術的發展提供新思路。

1 實驗方法

1.1 實驗系統

1—暖風機；2—溫度控制柜；3—水泵；4—噴淋塔；5—靜電中和器；6—氣溶膠發生器；7—降溫盤管；8—收塵極；9—靜電除塵器；10—高壓電源；11—測試系統圖1 實驗系統示意圖Fig.1 Schematic of the experimental system

實驗系統示意圖見圖1。其中噴淋塔Φ600 mm，采用雙流體噴嘴，噴霧量為16 kg/h。氣溶膠發生器產生設定濃度的細顆粒物，與暖風機吹入的主氣流混合后進入降溫盤管及靜電除塵器中。降溫盤管為Φ15 mm×6 m，冷源接自來水管道。高壓電源為負直流高壓電源(TRC2020N70-150，峰值電壓為70 kV)。靜電除塵器采用有機玻璃，尺寸為200 mm×100 mm×100 mm，電暈線為Φ2 mm×80 mm，收塵極為50 mm×50 mm×2 mm的碳鋼板，整套裝置處于保溫狀態。

具體實驗流程為：暖風機將50 ℃的模擬煙氣吹出，經過噴淋塔，循環噴淋(80±2) ℃熱水，將煙氣加濕至過飽和。模擬煙氣為經干燥篩分后的熱電廠靜電除塵器末級電場煙塵。共設3個測點。測點1處煙氣溫度為55 ℃左右，相對濕度大于100%，煙氣處于過飽和狀態。調節降溫盤管中冷凝水量的大小，使煙氣降溫冷凝，測點2相比測點1降溫幅度為1～5 ℃。采用35～40 kV高壓電源，測點3風速為1.18～1.96 m/s。

1.2 分析方法

模擬煙氣溫度使用K型熱電偶(量程為-40～99 ℃，測量誤差為0.1 ℃，探頭直徑為3 mm)測量；流速使用QDF-3型熱球風速儀(量程為0.05～30.00 m/s，測量相對誤差為4%)測量。

測點1處采用兩種方法來測量煙氣濕度：(1)利用HP22型溫濕度儀(溫度量程為-10～60 ℃、相對濕度量程為0～100%，其測量精度分別為0.1 ℃、0.8%)測得相對濕度為100%；(2)根據《燃煤煙氣脫硫設備性能測試方法》(GB/T 21508—2008)測試煙氣的濕度，測得模擬煙氣濕度為76.08 g/Nm3。模擬煙氣濕度與實際煙氣接近。實驗時暖風機風量及設定的溫度不變，噴淋塔的泵水量及水溫保持不變，以保證每次實驗的濕度基本一致，通過多次測量管內濕度，使相對誤差保持在5%以內。

測試系統見圖2，顆粒物數濃度及粒徑分布采用電稱低壓沖擊器(ELPI)實時在線監測，其最大量程為8.12 μm。考慮高濕度、低濃度煙氣環境下，水蒸氣易在采樣管及ELPI集塵盤上凝結，對測量結果造成影響，采用一級高溫稀釋/干燥，并對等速采樣探頭、旋風分離器進行加熱保溫。等速采樣探頭加熱到120 ℃，旋風分離器加熱到100 ℃，保證水分充分蒸發。圖3為噴淋前后模擬煙氣的顆粒物數濃度變化，相對誤差平均值為3.84%，在允許范圍之內。

圖2 測試系統示意圖Fig.2 Schematic of test system

注：P1～P12的分級粒徑(即最大粒徑)分別為0.04、0.07、0.12、0.20、0.32、0.48、0.76、1.23、1.96、3.09、5.16、8.12 μm，分別對應0～0.04、0.04～0.07、0.07～0.12、0.12～0.20、0.20～0.32、0.32～0.48、0.48～0.76、0.76～1.23、1.23～1.96、1.96～3.09、3.09～5.16、5.16～8.12 μm粒徑段，圖4同。

圖3噴淋前后顆粒數濃度變化
Fig.3 Number concentration of particles before and after spraying

分別采用分級數量脫除效率即分級粒徑為i的顆粒物脫除效率(ηi，%)和總數量脫除效率(η，%)衡量顆粒物脫除效果，其計算公式分別見式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式中：Ni,0為靜電除塵器前(測點2)分級粒徑為i的顆粒物數濃度，個/cm3，Ni,t為靜電除塵器后(測點3)分級粒徑為i的顆粒數濃度，個/cm3；i為分級粒徑，μm；N0為靜電除塵器前顆粒物總數濃度，個/cm3；Nt為靜電除塵器后顆粒物總數濃度，個/cm3。

此外，分級質量脫除效率和總質量脫除效率的計算方法可參照式(1)和式(2)。

2 結果與討論

2.1 降溫幅度對細顆粒物粒徑分布特性的影響

測點1處模擬煙氣的質量濃度為23 mg/m3，在不同降溫幅度下，使用經過一級高溫稀釋的ELPI測量測點2處顆粒物數濃度，結果如圖4所示。

圖4 降溫幅度對不同粒級細顆粒物數濃度的影響Fig.4 Effect of cooling degree on the number concentration of fine particles of different sizes

由圖4可以看出，隨著降溫幅度增大，P1～P7粒級的顆粒物減少，P8～P9粒級的顆粒數增多，細顆粒物平均粒徑增大，過飽和煙氣降溫凝膜過程中，對小顆粒的影響大于大顆粒。這說明過飽和煙氣進入降溫裝置后，細顆粒物在水蒸氣的冷凝過程中發生了異質核化相變凝結，根據凝結特性分析，微細顆粒物(亞微米級顆粒物，以PM1為主體)作為水蒸氣凝結核被吸附在水珠內或側面形成胚胎液滴[24-27]，胚胎液滴在煙道內繼續碰撞發生凝并、團聚[28]，細顆粒物表面發生凝膜改性，促使細顆粒物的粒徑增大，所以PM1數量明顯減少，大顆粒數量增多。隨著降溫加劇，在相同的煙氣停留時間內，微細顆粒物凝聚成更大粒徑的顆粒物，其平均粒徑也隨之增大；且降溫幅度越大，所需的凝結核越多，形成的大顆粒粒徑范圍更廣，因此不同粒級的大顆粒數濃度增加相對不明顯。

圖5 降溫幅度對PM1、PM2.5、PM10數濃度的影響Fig.5 Effect of cooling degree on number concentration of PM1,PM2.5 and PM10

圖5為降溫幅度對PM1、PM2.5、PM10數濃度的影響。由圖5可以看出，降溫幅度增加，PM1、PM2.5和PM10的數濃度明顯減少。主要原因是降溫使煙氣中的過飽和水汽在凝結核(小于1 μm)上凝結析出后快速長大，導致微細顆粒物數量減少，而大粒徑顆粒數量增多；傳質、傳熱的加強促進細顆粒物團聚長大，粒徑1 μm以上的顆粒數不斷增多，凝聚后的大顆粒在重力的作用下隨著液膜流動聚集，以冷凝水形式排出，所以大顆粒數量減少，總顆粒物數濃度降低。

2.2 顆粒物的分級脫除效率

測點1煙氣溫度為55 ℃、相對濕度為100%，模擬煙氣入口質量濃度為23 mg/m3，靜電除塵器本體內風速為0.5 m/s，工作電壓為35 kV，測點3風速為1.78 m/s，測點1與測點2溫差在0～5 ℃時，對靜電除塵器加電，使用ELPI一級高溫稀釋測量經過靜電除塵器后煙氣中顆粒物濃度，得到質量濃度的分級脫除效率曲線，如圖6所示。因為靜電除塵器極板寬50 mm，顆粒物在極板內停留時間為0.1 s，所以降溫0 ℃時，靜電除塵器對顆粒物的質量脫除效率較低。降溫幅度增加，顆粒物的分級質量脫除效率均有提高。降溫5 ℃與降溫0 ℃相比，分級粒徑為2 μm的顆粒物的質量脫除效率從49.13%提高到81.02%，分級粒徑為10 μm的顆粒物的質量脫除效率從62.54%提高到91.98%。過飽和煙氣降溫凝膜過程中，顆粒物表面發生凝膜改性，且隨著降溫加劇，過飽和度提高，大顆粒相對增多，增加了管內顆粒物的碰撞概率，進一步促進顆粒物的凝結長大；相對小顆粒，靜電除塵器對大顆粒有更好的脫除效果，因而脫除效率增強。注意到細顆粒物在不降溫時脫除效率較低，但降溫后其脫除效率明顯提高，因此降溫凝膜可以改善細顆粒物脫除困難的狀況。

圖6 顆粒物的分級質量脫除效率Fig.6 Mass fractional removal efficiency of particles

2.3 總脫除效率

圖7為不同降溫幅度下，PM10和PM2.5質量及數量總脫除效率的曲線圖。實驗條件與2.2節相同，降溫幅度從0 ℃增加到5 ℃時，PM10和PM2.5的總脫除效率(包括質量總脫除效率和數量總脫除效率)均有明顯提高。降溫0 ℃時，PM10的質量總脫除效率為62.01%；降溫幅度為5 ℃時，達到了91.98%，提高約30百分點。從降溫0 ℃到降溫5 ℃，PM10的數量總脫除效率從47.27%提高到71.25%。從降溫0 ℃到降溫5 ℃，PM2.5的質量總脫除效率從47.37%提高到了77.50%，數量總脫除效率從47.23%提高到71.01%。PM2.5的數量總脫除效率升高23.78百分點。分析可知，對于達到過飽和的濕煙氣而言，一旦降溫即開始發生凝結，水分子擴散碰撞，在細顆粒物表面擴散吸附，使細顆粒物核化凝結長大，加劇降溫，凝結水量增加，蒸汽過飽和度增大，團聚、凝并等物理變化更加劇烈，液滴粒徑變大，有利于提髙細顆粒物的捕捉系數[29]，并且靜電除塵器對細顆粒物的荷電及捕集具有很好的適應性，所以對細顆粒物的脫除效率明顯提高。此外，當降溫幅度為4 ℃時，PM2.5的質量總脫除效率和數量總脫除效率分別已達到73.09%、67.44%，相比降溫0 ℃時分別提高了25.72、20.21百分點，繼續增大降溫幅度會增加能耗，降低性價比。

圖7 降溫幅度對總脫除效率的影響Fig.7 Effect of cooling degree on total removal efficiency

由圖7還可以看出，PM10的質量總脫除效率明顯高于數量總脫除效率，這主要由于模擬煙氣中PM1占PM10總數量的96.14%，而占PM10總質量的比例只有3.22%。可見，微細顆粒物的數濃度非常高，但占顆粒總質量的比例有限；大顆粒數濃度雖不高，卻占有大部分質量。因此數量脫除效率主要取決于小顆粒，而質量脫除效率則主要取決于大顆粒。考慮到靜電除塵器對大顆粒的脫除效率高于小顆粒，所以模擬煙氣中顆粒物的質量總脫除效率明顯高于數量總脫除效率。降溫幅度較小時，PM2.5的數量總脫除效率與質量總脫除效率較為接近。隨著降溫幅度增加，PM1數量明顯減少，因而質量總脫除效率明顯大于數量總脫除效率。考慮到細顆粒物對人體危害較大，因而從顆粒源排放特性分析，控制顆粒物數濃度要比控制質量濃度更有實際意義。

3 結 論

(1) 降溫凝膜不需要施加外力，僅通過降溫使煙氣中水蒸氣遇冷凝結到顆粒物上。隨著降溫幅度的增加，細顆粒物數量降低，平均粒徑增大。

(2) 降溫幅度增加，凝并和團聚作用增強，顆粒物分級脫除效率明顯提高，且改善了細顆粒物脫除困難的狀況。

(3) 降溫4 ℃時，PM2.5的質量總脫除效率和數量總脫除效率分別提高25.72、20.21百分點，繼續提高降溫幅度，性價比不高。

[1] 程念亮，李云婷，孟凡，等．我國PM2.5污染現狀及來源解析研究[J]．安徽農業科學，2014，42(15)：4721-4724．

[2] 王圣，朱法華，王慧敏，等．基于實測的燃煤電廠細顆粒物排放特性分析與研究[J]．環境科學學報，2011，31(3)：630-635．

[3] CHENG M C,YOU C F,CAO J J,et al.Spatial and seasonal variability of water-soluble ions in PM2.5aerosols in 14 major cities in China[J].Atmospheric Environment,2012,60(6):182-192.

[4] 昌艷萍，耿超，李春蕾，等．大氣中PM2.5的現狀分析及新的思考[J]．環境科學與技術，2012，35(增刊1)：151-154．

[5] PUI D H,CHEN S C,ZUO Z L.PM2.5in China:measurements,sources,visibility and health effects and mitigation[J].Particularity,2014,13(2):1-26.

[6] BAO J J,YANG L J,YAN J P,et al.Experimental study of fine particles removal in the desulfurated scrubbed flue gas[J].Fuel,2013,108(11):73-79.

[7] 朱逢豪，李成，柳樹成，等．北京市PM2.5的研究進展[J]．環境科學與技術，2012，35(增刊2)：152-155．

[8] QU C R,ZHAO C S,ZHOU W,et al.Emission properties of PM2.5derived from CFB under O2/CO2atmosphere[J].Proceedings of the Combustion Institute,2011,33(2):2829-2835.

[9] 張林，屈曉凡，李云濤，等．燃煤電廠濕式電除塵技術[C]//中國電機工程學會熱電專業委員會.全國發(熱)電廠煙氣脫硫、脫硝及除塵技術交流研討會論文集.北京：中國環境科學出版社，2013：1-4．

[10] 溫高森，凡鳳仙．蒸汽相變促進可溶PM2.5凝結增長的數值分析[J]．中國環境科學，2014，34(5)：1119-1124．

[11] 吳瑋．燃煤細顆粒物排放及其化學團聚捕集特性研究[D]．南京：東南大學，2014．

[12] 劉勇，趙汶，劉瑞，等．化學團聚促進電除塵脫除PM2.5的實驗研究[J]．化工學報，2014，65(9)：3609-3616．

[13] FLETCHER N H. Size effect in heterogeneous nucleation[J].Journal of Chemical Physics,1958,29(3):572-576.

[14] 凡鳳仙，楊林軍，袁竹林，等．水汽在燃煤PM2.5表面異質核化特性數值預測[J]．化工學報，2007，58(10)：2561-2566．

[15] SCHAUER P J.Removal of submicron aerosol particles from a moving gas stream[J].Industrial & Engineering Chemistry,1951,43(7):1532-1538.

[16] 楊林軍，顏金培，沈湘林．蒸汽相變促進燃燒源PM2.5凝并長大的研究現狀及展望[J]．現代化工，2005，25(11)：22-24,26．

[17] 顏金培，楊林軍，張霞，等．應用蒸汽相變機理脫除燃煤可吸入顆粒物實驗研究[J]．中國電機工程學報，2007，27(35)：12-16．

[18] 顏金培．蒸汽相變促進燃煤細顆粒物脫除的研究[D]．南京：東南大學，2009．

[19] ANDERLOHR C,BRACHERT L,MERTENS J,et al.Collection and generation of sulfuric acid aerosols in a wet electrostatic precipitator[J].Aerosol Science and Technology,2015,49(3):144-151.

[20] MERTENS J,ANDERLOHR C,ROGIERS P,et al.A wet electrostatic precipitator (WESP) as countermeasure to mist formation in amine based carbon capture[J].International Journal of Greenhouse Gas Control,2014,31:175-181.

[22] 劉含笑，朱少平，姚宇平，等．電荷法測試WESP進出口煙氣中PM2.5的試驗研究[J]．中國電力，2014，47(12)：37-41．

[23] 熊英瑩，譚厚章．濕式相變冷凝除塵技術對微細顆粒物的脫除研究[J]．潔凈煤技術，2015，21(2)：20-24．

[24] 夏松柏，穆春豐，劉天慶，等．蒸汽冷凝初始液滴形成機理研究[J]．大連理工大學學報，2009，49(6)：806-811．

[25] 凡鳳仙，楊林軍，袁竹林．蒸汽在細微顆粒表面異質核化研究進展[J]．化工進展，2009，28(9)：1496-1500．

[26] 唐敏康，馮國俊．粉塵比電阻影響因素分析及應對措施[J]．江西理工大學學報，2007，28(3)：44-46．

[27] 齊國杰．燃煤超細顆粒物增濕團聚實驗研究[D]．濟南：山東大學，2009．

[28] 熊英瑩，譚厚章．濕式毛細相變凝聚技術對微細顆粒物的脫除機理研究[C]//中國環境科學學會.2014中國環境科學學會學術年會論文集.北京：中國環境科學出版社，2014：1-7．

[29] 劉曉燕，亢燕銘，張健．濕式除塵中液滴特性對粒子捕集效率的影響[J]．建筑熱能通風空調，2012，31(6)：44-47．

Experimentalstudyoftheparticlesremovalbyusingcoolingcoagulationmembrane

ZHANGJing1,CHANGJingcai1,2,WANGXiang1,XUChunyan1,LIZeyu1,MAChunyuan1.

(1.NationalEngineeringLaboratoryforCoal-firedPollutantsEmissionReduction,ShandongUniversity,ShandongKeyLaboratoryofEnergyCarbonEmissionReductionTechnologyandResourceUtilization,JinanShandong250061;2.ShandongShenhuaShandaEnergy&EnvironmentCo.,Ltd.,JinanShandong250061)

In order to explore the influence of cooling coagulation membrane on particles removal,electrical low pressure impaction was used to realize online testing and sampling analysis of simulated gas (saturated wet flue gas) from electrostatic precipitator inlet and outlet. The concentration of particles in flue gas and its diameter distribution characteristics were got. The removal efficiency of particles resulting from the condensation phase transition by adjusting the cooling degree was discussed. Fine particle was focused on in our study. The results showed that the fine particles’ diameter had significantly becoming larger with increasing cooling degree,which was the result of nuclear condensation and coagulation. Better removal effect of fine particles were obtained after cooling. Compared with no cooling measures,the PM10mass removal efficiency managed 30 percentage points improvement. In addition,it was found that when the temperature declined 4 ℃,the mass and number removal efficiencies of PM2.5reached 73.09% and 67.44%,respectively. Considering the cost,the cooling degree was suggested to be controlled at about 4 ℃ in applications.

saturated wet flue gas; particles; coagulation membrane; heterogeneous nucleation; removal efficiency

張 靜，女，1992年生，碩士，研究方向為燃煤粉塵顆粒物超低排放。#

。

*國家自然科學基金資助項目(No.51006063、No.51206097)；山東省自然科學基金資助項目(No.ZR2011EEQ019、No.ZR2014EEM040)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.11.008

2016-09-14)