低低温工况下颗粒凝并机理分析及研究方法初探

刘含笑，袁建国，郦祝海，郦建国，姚宇平，何毓忠

（浙江菲达环保科技股份有限公司，杭州 311800）

近年来，我国大中城市雾霾、酸雨等天气频发，需要不断提高烟尘排放标准来改善空气质量。例如，《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223—2011）已将烟尘排放限值由50mg／m3降至30mg／m3，重点地区降至20mg／m3，《环境空气质量标准》（GB 3095—2012）增设了PM2.5浓度限值，并给出了监测实施的时间表。由于环境容量有限等原因，长三角、珠三角等地部分燃煤电厂已开始执行燃机标准，即要求烟尘排放限值为5 mg／m3。国家发改委、环保部和国家能源局三部委联合于2014年9月颁发了《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014—2020年）》，要求东部地区新建燃煤机组烟尘排放浓度不高于10mg／m3，对中部和西部地区也提出了要求。将达到或接近燃机标准排放限值称为“超低排放”，因此要求电除尘技术要同时达到低排放、高效率和低能耗的效果。

低低温电除尘技术是从电除尘器及湿法烟气脱硫工艺演变而来，由于该技术的粉尘比电阻低、击穿电压高、烟气量低，特别是可以产生颗粒降温凝并，大幅提高了除尘器的除尘效率。日本日立相关专家的研究结果表明，当采用低低温电除尘器时，除尘器出口烟尘平均粒径大于3μm，明显大于常规电除尘器，并且脱硫出口烟尘浓度明显降低，可以脱除烟气中的大部分SO3，提高湿法脱硫系统的协同除尘效果。本文将对低低温工况条件下颗粒凝并的机理进行分析，并给出一种理论计算与实验观测相结合的研究方法。对于低低温工况下颗粒凝并机理的研究可以采用理论计算分析和实验观测相结合的手段，其中颗粒凝并机理的计算可直接借助商业CFD软件或通过对其二次开发来实现，实验研究的关键在于观测手段及测试仪器的选取。

1 低低温工况下的颗粒凝并机理

低低温电除尘器通过烟气冷却器或烟气换热系统（包括烟气冷却器和烟气再热器）把电除尘器入口烟气温度降低至酸露点以下（一般在90℃左右），烟气中大部分SO3可以在烟气冷却器中冷凝成硫酸雾并粘附在粉尘表面，从而改变了粉尘的物理和化学性质，促进细颗粒物的凝并。对低低温工况条件下颗粒凝聚的机理研究，目前国内外尚未见有相关报道，本文仅对SO3调质颗粒团聚和颗粒增湿团聚的相关文献进行整理分析，并据此推测低低温工况下颗粒的凝并机理。

1.1 SO3调质颗粒凝并

文献［1］的研究结果表明，硫酸调质剂首先被吸附并凝结在飞灰表面毛细孔内，继而扩展到整个飞灰表面，形成一层水膜。通过改变飞灰的黏附性以及飞灰颗粒之间的作用力，可以增大飞灰的粒径并提高粉尘层间的粘附能力，减少二次扬尘。

文献［2］研究了烟气中SO3对微细颗粒物团聚性能的影响，结果表明在锅炉额定工况下，当烟气中SO3的质量浓度增加约34.3mg／m3时，飞灰表面张力减小、黏附力增大，微细颗粒可以团聚为大颗粒，平均粒径增大、比表面积减小，从而使电除尘器效率明显提高。

1.2 粉尘吸湿性

粉尘的吸湿性是指粉尘从周围空气中吸收水分的能力，SO3可明显提高粉尘的吸湿性。文献［3］的研究工作表明，SO3是活性很大的强氧化剂，并且极易吸收水分；向烟气中喷入一定量的SO3可使烟气中粉尘吸收的水分含量提高约7～8倍。文献［2］采用吸湿率法分析了SO3对烟气中颗粒物吸湿性能的影响，调质后粉尘的吸湿性明显增大。这主要由于SO3气体易溶于液膜中，能有效降低液膜的表面张力，使粉尘吸湿性增大，颗粒间黏附性相应提高。

1.3 颗粒增湿凝并

颗粒的凝并与颗粒的润湿特性密切相关，润湿是指颗粒表面的气体被液体所取代的过程，固体表面的化学性质和结构决定了其润湿性能，通过添加润湿剂的方式可以改善颗粒的润湿性能［4］。文献［5］研究了颗粒表面特性与颗粒凝并的关系，分别利用完全疏水性、半疏水性、亲水性颗粒研究了润湿角对颗粒凝并的影响，结果表明颗粒的凝并生长随着润湿角的减小而变得明显。文献［6］研究了CFB-FGD工艺过程中颗粒的增湿凝并现象，发现颗粒凝并方式存在3种不同特征，即链状或丛状凝并、表面粘附、包衣结构。

1.4 低低温工况下颗粒凝并

根据分析可以推断低低温工况下颗粒的凝并过程如图1所示。烟气温度低于酸露点后，烟气中的SO3冷凝并吸收烟气中的水分形成硫酸雾；由于硫酸具有极强的吸水性，因此硫酸雾吸附到颗粒表面后增加颗粒的吸湿性，可以继续吸收烟气中的水分。当煤灰颗粒吸附硫酸雾和水分到一定程度后，表面会逐渐形成一层液膜；当两粒子表面之间的液膜相互接触时，液体的表面张力就会形成“液桥”，将两黏附体“拉”在一起，这时小颗粒间凝并成团或粘附在大颗粒上。

图1 低低温工况下颗粒凝并过程

2 颗粒凝并机理的模型和分析

烟气中SO3冷凝成硫酸雾并吸附在煤灰颗粒表面，这个过程发生在除尘器前的烟气冷却器中，因此要以烟气冷却器为研究对象，研究其内部颗粒的凝并机理。颗粒碰撞主要取决于颗粒在烟气冷却器中的运动情况，而颗粒碰撞后是否发生凝并及凝并后颗粒的再破碎主要取决于颗粒本身的运动、化学特性以及外部受力情况。

颗粒凝并效果的评价可以分为颗粒碰撞（包括几何碰撞和碰撞效率）、颗粒凝并和颗粒破碎3个过程。颗粒凝并的效果与颗粒几何碰撞、碰撞效率和凝并效率有关［7］：几何碰撞是指在不考虑碰撞后事件时，因为流体对颗粒的拖曳力和布朗力作用造成的碰撞；当碰撞即将发生时，颗粒间的流体润滑效应会减少颗粒实际碰撞，特别是大小不一致的颗粒间碰撞，会影响碰撞效率；碰撞后是否继续凝并是受颗粒的表面粘性控制，而范德华力，湿度以及静电等都会提高颗粒间粘附作用。

3 颗粒在烟气冷却器中的运动轨迹

烟气冷却器内烟气流速较高，并设有大量的换热管束，流场处于湍流状态，这里将烟气冷却器简化为几根管束错列布置（见图2），对其流场内颗粒运动轨迹进行定性分析。

引入2d-LES模型，计算湍流流场［8］，基于离散相模型（DPM）计算颗粒运动轨迹［9］。入口条件为速度入口，出口条件为OUTFLOW，时间步长取0.001s，入口流速设为10m／s，入口颗粒粒径从1～100μm，符合R-R分布，其中=50 μm，n=3.5。经计算，当t=4s时烟气冷却器内颗粒运动轨迹如图3所示。不同粒径颗粒运动速度大小和方向不同，轨迹交叉在一起，并且在湍流流场中存在明显的局部富集效应，这大大提高了颗粒的碰撞频率，当颗粒表面包裹一层液膜后，颗粒粘性增加，此时颗粒的凝并效果也会明显提高。

图2 烟气冷却器二维几何模型

4 颗粒的凝并和破碎

利用欧拉双流体方法，引入颗粒群平衡计算模型（PBM）计算颗粒凝聚、破碎［10］。基于颗粒稀疏和分子混沌假设，在同时考虑颗粒聚并、破碎的情况下，建立在欧拉坐标体系的颗粒尺度分布函数的平衡方程：

图3 颗粒运动轨迹

式中∂n（v，t）——体积为v的粒子在t时刻粒子数目浓度分布函数；β（u，v-u）——体积分别为u和v-u的粒子间凝聚核函数；S（u，t）——颗粒的破碎核；γ（u，v，t）——母颗粒（u）破碎产生子颗粒（v）的概率；vmin，vmax——所研究颗粒物体系中粒子体积的最小值和最大值。

分析烟气冷却器内的环境条件及颗粒的运动情况，根据聚并机理的不同，烟气冷却器内颗粒主要聚并形式有增湿聚并、湍流聚并和热聚并等，因为各种聚并形式对于颗粒碰撞的影响尺度不同，可以认为两者是相互独立的［11］。因而任意两种聚并形式叠加后的聚并核函数可以表示为：

湍流聚并、热聚并核函数可以参照文献［10］，而目前关于增湿凝并核函数的研究尚未见报道，这里为探讨计算方法的合理性，近似将颗粒增湿凝并核函数简化为常数。破碎核在本次计算中暂不考虑。通过用户自定义函数（UDF）功能将上述聚并核函数导入计算软件，颗粒初始分布设为单分散体系如表1所示，几何模型如图2所示，增湿凝并核函数定义为10-11，其余边界条件同图2计算，采用分区算法进行计算。

经计算，不同时刻颗粒粒径分布如图4所示。随着时间的推移，小粒径颗粒数量逐渐减少，大粒径颗粒数量逐渐增多。当t=0.6s以后，粒径分布变化不再明显，这个时间近似于气流经过烟气冷却器所需要的时间。计算结果能够比较真实地反映烟气冷却器中颗粒的凝并过程，但关键在于颗粒增湿凝并核函数的准确模化。

表1 各尺度颗粒的体积分数

图4 粒径分布随时间的演变

5 实验验证

计算方法及其结果可以用实验手段进行验证，根据测量原理不同，目前用于颗粒凝并方面研究的检测技术主要有重量法、电荷法、光学法。其中，重量法和电荷法进行颗粒采样时首先用冲击板或旋风分离器分离掉大粒径颗粒，然后进入撞击器，按粒径不同逐级捕获，由于在分离大粒径颗粒和进行粒径分级过程中，不同惯性颗粒间存在大量碰撞的机会，并且当凝并后颗粒所受外力大于自身吸引力后会存在二次破碎的问题，因此这两种方法会给颗粒凝并效率的评价带来较大的误差。光学法是通过测量颗粒物的反射光或透射光来确定颗粒物的粒径与浓度，这种方法也可以实时得到颗粒物的质量浓度，对颗粒凝并、破碎效果干扰较小，更适合作为实验室观测颗粒凝并机理的检测手段。

光学法检测仪器主要有多普勒粒子分析仪（Phase Doppler Particle Analyser，简称PDPA）、激光粒子图像分析测试系统（Particle／Droplet Image Analysis，简称PDIA）、激光诱导可见光技术（Laser-Induced Incandescence，简称 LII）和激光诱导荧光技术（Laser Induced Florescence，简称LIF）等。Indigo公司曾在Adelaide大学用激光荧光法，将掺混了荧光物质的水滴注入流场中研究颗粒凝并，证实了湍流凝聚器对细粉尘的凝并效果。利用LIF检测的凝聚前后颗粒的质量浓度图［11-12］如图5所示。该技术同样适用于低低温工况下颗粒凝并现象的研究。

图5 利用LIF检测的凝聚前后颗粒的质量浓度图

6 结论

本文基于文献调研及相关研究基础上，对低低温工况条件下颗粒凝并的机理进行了分析，并给出了一种理论计算与实验观测相结合的研究方法，主要结论如下。

（1）在SO3对粉尘吸湿性能的影响及颗粒增湿凝并的相关研究的基础上，给出了低低温工况下颗粒凝并的一种假设：烟气中的SO3吸收烟气中的水分，形成硫酸雾吸附到颗粒表面后形成一层液态H2SO4膜，当两粒子表面之间的液膜相互接触时，液体的表面张力形成“液桥”将两黏附体“拉”在一起，提高颗粒凝并效果。

（2）烟气冷却器中流速较高，利用2d-LES模型模拟湍流流场，利用离散相模型计算烟气冷却器中颗粒运动轨迹。计算结果表明，换热管束具有很好的扰流效果，颗粒在湍流流场中存在明显的局部富集效应，这大大提高了颗粒的碰撞频率。

（3）利用欧拉双流体方法，引入颗粒群平衡计算模型计算颗粒凝并、破碎问题，并通过编写用户自定义函数引入颗粒湍流凝并、热凝并和增湿凝并核函数，暂定颗粒增湿凝并核函数为常数，并忽略颗粒破碎。计算结果能较好地反映烟气冷却器中颗粒的凝并过程，但关键在于颗粒增湿凝并核函数的准确模化。

（4）光学法是通过测量颗粒物的反射光或透射光来确定颗粒物的粒径与浓度，对颗粒凝并、破碎效果干扰较小，可以作为实验室观测颗粒凝并机理的有效检测手段。

（5）通过实验观测结果对理论结果进行验证，这种理论计算与实验观测相结合的方法可以作为低低温工况下颗粒凝并机理研究的一种有效手段。

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