CO2體積分數對燃煤細顆粒物在水汽環境中凝結長大的影響

徐歡歡， 張 軍, 張園園

(東南大學 能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室, 南京 210096)

燃煤電廠是大氣環境中細顆粒物的主要來源之一[1-2]，細顆粒物即空氣動力學當量直徑小于或等于 2.5 μm的顆粒物(PM2.5)，由于其粒徑很小，難以被傳統除塵設備有效脫除。采用預處理措施使細顆粒物在物理或化學作用下長成較大顆粒，然后通過傳統的除塵設備加以脫除是目前細顆粒物控制的一個技術研究方向。

水汽相變技術[3-5]是一項細顆粒物預處理技術，目前燃煤電廠普遍安裝濕法煙氣脫硫裝置，經濕法脫硫后的凈煙氣大多處于飽和狀態，易建立水汽相變所需的過飽和水汽環境。水汽相變技術的原理為：在過飽和水汽環境中，水蒸氣在細顆粒物表面凝結，并同時產生熱泳和擴散泳作用，促進細顆粒物遷移運動及相互碰撞接觸，使細顆粒物粒徑增大，質量增加，從而使顆粒易受慣性作用發生碰撞而被捕集。目前，應用較為廣泛的過飽和水汽環境構建方式有[6-7]：絕熱膨脹、直接注入蒸汽、低溫飽和煙氣與高溫液體接觸等。筆者采用低溫飽和煙氣與高溫液體相接觸的方法構建過飽和水汽環境。

利用水汽相變作為細顆粒物預處理技術的關鍵是建立有效的細顆粒物凝結長大所需的過飽和水汽環境。已有研究表明載氣氛圍會影響過飽和水汽環境的構建[8]。實際燃煤煙氣成分復雜，主要包括CO2、H2O、SO2、O2、N2等。其中，CO2作為一種主要的煙氣成分，在不同燃燒方式下[9-10]其體積分數變化范圍較大(10%～80%)，且熱物理性質與空氣存在較大差異。筆者對多元組分熱、質擴散系數進行計算，研究不同CO2體積分數對過飽和度的影響，并搭建水汽相變實驗平臺，測量不同CO2體積分數下細顆粒物長大前后的粒徑分布，旨在研究CO2體積分數對細顆粒物在水汽環境中凝結長大的影響，并探究其影響機理。

1 理論計算

1.1 多元組分擴散系數計算

BRUS D等[8]研究指出影響管內流動飽和度和溫度分布最主要的熱力學參數是平衡蒸汽壓力、二元擴散系數和混合物的導熱系數。平衡蒸汽壓力與載氣種類無關，二元擴散系數及導熱系數受載氣的影響較大。為了探究不同CO2體積分數對過飽和水汽環境構建的影響，應先明確不同CO2體積分數下混合煙氣的熱、質擴散系數的變化規律。

1.1.1 多元組分熱擴散系數

常壓下混合氣體導熱系數的計算式[11]為：

(1)

常壓下混合氣體比定壓熱容cp為：

cp=∑ui·cpi

(2)

常壓下混合氣體密度ρ為：

ρ=∑ui·ρi

(3)

式中：cpi為組分i的比定壓熱容，J/(kg·K)；ρi為組分i的密度，kg/m3。

混合氣體的熱擴散系數αm為：

(4)

1.1.2 多元組分質擴散系數

多元組分物系傳質過程中某一組分的傳質通量除了與其濃度梯度有關外，還與其他組分的濃度梯度有關。多元組分物系的傳質普遍化MS(Maxwell-Stefen)方程形式[12-13]為：

J=-ctDΓu=-ctB-1Γu

(5)

式中：J為擴散通量，mol/(m2·s)；ct為總濃度， mol/m3；Γ為熱力學因子矩陣，對于理想氣體組成的物系，其為單位矩陣；u為濃度梯度，m-1；D為多元組分物系傳質過程MS擴散系數矩陣，假設為n組分物系；B為二元對MS擴散系數倒數矩陣。

i=1,2,…,n-1

(6)

i=1,2,…,n-1,j=1,2,…,n-1

(7)

D′ij(i≠j)的計算式[14]為：

(8)

式中：p為系統壓力，Pa；σij為組分i和組分j的碰撞直徑；Ωij為組分i和組分j的分子擴散碰撞積分。

常壓下非極性氣體組分i的自擴散系數D′ii的計算式[15]為：

(9)

對于極性氣體，D′ii的計算式為：

(10)

式中：σ為碰撞直徑；Ω為分子擴散碰撞積分； ∑Vi為組分i的分子擴散體積。

1.1.3 CO2對熱、質擴散系數的影響

圖1為不同CO2體積分數下混合煙氣的熱、質擴散系數變化情況。模擬煙氣組成為:φ(SO2)=0.1%，φ(O2)=5%，其他為N2+CO2；相對濕度為100%，溫度為303 K。

圖1 不同CO2體積分數下的熱、質擴散系數

從圖1可以看出：隨著CO2體積分數增加，混合煙氣的熱擴散系數及水蒸氣的質擴散系數均呈現下降的趨勢；當CO2體積分數從10%增加到80%時，煙氣的熱擴散系數降低了38%，水蒸氣在煙氣中的質擴散系數降低了14%。隨著CO2體積分數的增加，傳熱傳質過程均變得較為緩慢。

圖2為不同煙氣溫度對應混合煙氣熱、質擴散系數的變化情況。混合煙氣組成為：φ(CO2)=10%,φ(SO2)=0.1%,φ(O2)=5%,其他為N2；相對濕度為100%。

圖2 不同煙氣溫度下熱、質擴散系數

從圖2可以看出，隨著溫度的增加，熱質擴散系數均有所上升。當煙氣溫度從283 K提升至323 K時，混合煙氣的熱擴散系數提高了26.5%，水蒸氣在煙氣中的質擴散系數提高了26%。隨著溫度的升高，混合煙氣的熱、質擴散系數提高明顯，傳熱傳質過程加快。

圖3為不同SO2體積分數下混合煙氣的熱、質擴散系數變化情況。模擬煙氣組成為：φ(CO2)= 10%，φ(O2)=5%，其他為N2+SO2；相對濕度為100%，溫度為303 K。

圖3 不同SO2體積分數下的熱、質擴散系數

從圖3可以看出：隨著SO2體積分數的增加，混合煙氣的熱、質擴散系數均有所下降，隨著SO2體積分數從0.1%增加至5%，煙氣的熱擴散系數降低了5.5%，水蒸氣在煙氣中的質擴散系數降低了2.5%。

圖4為不同O2體積分數下混合煙氣的熱、質擴散系數變化情況。模擬煙氣組成為：φ(CO2)=10%，φ(SO2)=0.1%，其他為N2+O2；相對濕度為100%，溫度為303 K。

圖4 不同O2體積分數下的熱、質擴散系數

從圖4可以看出：隨著O2體積分數的增加，混合煙氣的熱、質擴散系數略有升高，隨著O2體積分數從1%增加至20%，煙氣的熱擴散系數及水蒸氣在煙氣中的質擴散系數分別增加了0.1%和2.5%。

1.2 過飽和度計算

1.2.1 傳熱傳質模型及計算參數選定

生長管內過飽和度計算采用二維傳熱傳質模型[16]，選取半圓柱體的某一界面進行研究，以該截面的徑向r和軸向z為坐標軸建立坐標系，見圖5(其中，Tw為管壁溫度，R為生長管半徑)。

圖5 生長管坐標示意圖

取微圓長方形drdz進行分析，能量平衡方程為：

(11)

式中：U為氣流的平均速度，m/s。

定義無量綱坐標x=r/R、y=z/R，以及無量綱參數fT=(T-Tw)/(T0-Tw)，其中T0為進氣溫度，K，將式(11)簡化為：

(12)

同樣的，生長管內蒸汽分壓pv滿足以下方程：

(13)

式中：無量綱參數fv=(pv-pv,w)/(pv,in-pv,w)，其中pv,in為進氣飽和蒸汽分壓， Pa，pv,w為管壁溫度Tw下的飽和蒸汽分壓，Pa。

生長管內過飽和度S計算式[17]為：

(14)

式中：pv,∞(T)為當地溫度下的飽和蒸汽分壓, Pa。

生長管各參數見表1。

表1 生長管參數

1.2.2 CO2體積分數對生長管內過飽和度的影響

圖6為管壁溫度為303 K時，不同CO2體積分數下生長管內的過飽和度分布。

圖6 不同CO2體積分數下生長管內過飽和度分布

從圖6可以看出：隨著CO2體積分數的增加，過飽和度分布呈增加趨勢，這是因為隨著CO2體積分數的增加，熱擴散系數降低，傳熱過程變得緩慢，溫度降低使氣流的飽和蒸汽分壓降低。總體來說，過飽和度分布表現為先增加后降低的規律。

圖7為不同CO2體積分數及不同管壁溫度下生長管內的平均過飽和度。從圖7可以看出：隨著管壁溫度的提高，生長管中構建的過飽和度不斷增大，當管壁溫度為303 K時，隨著CO2體積分數從10%分別提高至30%和50%時，生長管內的平均過飽和度分別增加了0.6%和1.3%。當管壁溫度為313 K時，隨著CO2體積分數從10%分別提高至30%和50%時，生長管內的平均過飽和度分別增加了1.9%和4%。當管壁溫度為323 K時，隨著CO2體積分數從10%分別提高至30%和50%時，生長管內的平均過飽和度分別增加了3.2%和7%。隨著管壁溫度的升高，CO2體積分數的增加更加有利于生長管中平均過飽和度的提高,這可能是因為隨著管壁溫度的升高，混合煙氣中蒸汽的質擴散系數明顯變大，傳質過程加快，蒸汽分壓增大，從而使生長管內的過飽和度提高。

圖7 不同CO2體積分數下生長管內平均過飽和度

圖8為管壁溫度為303 K時，不同SO2體積分數下生長管內的過飽和度分布。從圖8可以看出：隨著SO2體積分數的增加，過飽和度分布呈增加趨勢，但增加幅度比變CO2時小。

圖8 不同SO2體積分數下生長管內過飽和度分布

圖9為管壁溫度為303 K時，不同O2體積分數下生長管內的過飽和度分布。從圖9可以看出：隨著O2體積分數的增加，生長管內的過飽和度幾乎不變。

圖9 不同O2體積分數下生長管內過飽和度分布

2 實驗分析

2.1 實驗系統及參數

圖10為實驗系統圖，主要由氣溶膠發生系統、冷卻系統、顆粒長大系統、測量系統等組成。實驗以空氣作為背景氣體，再配比不同體積分數的CO2氣體來進行。一定流量的空氣進入氣溶膠發生器與細顆粒物混合后進入混合箱，細顆粒物的種類為SiO2，混合箱上設置氣體添加口，添加一定流量的CO2氣體用于模擬不同CO2體積分數氛圍；對進入系統的氣流的溫濕度進行測定，根據氣流的溫濕度來設定低溫恒溫槽的溫度，從而保證氣溶膠氣流進入生長管之前達到飽和狀態；將混合氣溶膠氣流通入生長管內,生長管由有機玻璃制成，熱水恒溫槽中的熱水通過水泵切向送入生長管，在生長管內壁形成一層水膜，煙氣流自下而上流經生長管與熱水接觸形成過飽和水汽環境，使得經過生長管的細顆粒物核化凝結長大；最后通過設置在生長管出口處的激光粒度儀測量細顆粒物核化凝結長大前后的粒徑分布，得出細顆粒物長大的規律。實驗相關參數見表2。

圖10 實驗系統圖

表2 相關實驗參數

表3為空氣成分組成。從表3可以看出：空氣中的主要成分為N2和O2，CO2的含量極低，而通過計算可知O2對于混合氣體熱、質擴散系數及過飽和度的影響十分微小，故單獨研究CO2體積分數對過飽和水汽環境條件下細顆粒物長大的影響時，可以用空氣代替混合氣進行實驗。

表3 空氣成分組成 %

2.2 實驗結果及分析

圖11為管壁溫度為303 K條件下，改變模擬煙氣中CO2體積分數時生長管中細顆粒物長大后的粒徑分布。

圖11 不同CO2體積分數下細顆粒物的長大粒徑分布

從圖11可以看出：隨著CO2體積分數由10%分別提高到30%和50%，細顆粒的長大效果得到一定程度的提高；小于0.1 μm的顆粒數量占比由82.4%分別降低至74.9%和72.1%，粒徑大于1 μm的顆粒數量占比由4.4%分別增加到5.1%和5.5%，這說明CO2體積分數的增加提高了細顆粒的長大效果，這是因為當CO2體積分數由10%分別提高至30%和50%時，平均過飽和度分別提高了0.6%和1.3%

圖12為不同管壁溫度下細顆粒長大后的算術平均粒徑。

圖12 不同CO2體積分數下細顆粒長大算術平均粒徑

從圖12可以看出：隨著管壁溫度的提高，長大后顆粒的平均粒徑顯著提高。當管壁溫度為303 K時，長大后顆粒的算術平均粒徑分別增大了7.4%和13%；當管壁溫度為313 K時，長大后顆粒的算術平均粒徑分別增大了8.3%和15.5%；當管壁溫度為323 K時，長大后顆粒的算術平均粒徑分別增大了9.3%和19.3%。這說明CO2體積分數的增加顯著提高了細顆粒的長大效果，且隨著管壁溫度的提高，CO2體積分數的增加更加有利于過飽和水平的提高，這是因為當管壁溫度從303 K增加到323 K時，隨著CO2體積分數從10%增長到50%,生長管內的平均過飽和度分別提高了1.3%和7%，也就是說管壁溫度越高，隨著CO2體積分數的增加，生長管內的過飽和度水平提高的比例越高。過飽和度越大，顆粒凝結長大的速度也越快，這為細顆粒物長大提供了非常有力的過飽和水汽環境條件。

3 結語

筆者利用數值分析和實驗研究對燃煤煙氣中CO2體積分數對水汽相變促進細顆粒物長大的影響進行探究。計算了不同CO2體積分數下混合氣體的熱、質擴散系數，預測了不同CO2體積分數下生長管內的過飽和度分布；并且搭建了水汽相變實驗平臺，研究了不同CO2體積分數下細顆粒物的長大特性。主要結論如下：

(1) 隨著CO2體積分數的增加，混合氣體的熱、質擴散系數均有所下降，熱擴散系數降低的幅度高于質擴散系數降低的幅度；隨著SO2體積分數的增大，熱、質擴散系數均有所降低，而O2體積分數的增加會使熱、質擴散系數略有提升。

(2) 溫度的升高對于熱、質擴散系數的影響較大。隨著煙氣溫度從283 K增至323 K，熱、質擴散系數增加幅度超過25%。

(3) 隨著CO2體積分數的增加，生長管內的過飽和度顯著提高，同時管壁溫度越高，隨著CO2體積分數的增加，生長管內平均過飽和度升高的比例越大；隨著SO2體積分數的增加，生長管內的過飽和度略有提高，而O2體積分數的增加對于過飽和度的影響非常小。

(4) 隨著CO2體積分數的增加，細顆粒物長大的效果越明顯，同時管壁溫度越高，細顆粒物粒徑越大。