水汽相变过饱和场的实验测量和数值计算

孟 强， 张 军， 于 燕， 徐俊超， 钟 辉

(东南大学 太阳能技术研究中心， 南京 210096)



研究与分析

水汽相变过饱和场的实验测量和数值计算

孟 强， 张 军， 于 燕， 徐俊超， 钟 辉

(东南大学 太阳能技术研究中心， 南京 210096)

针对湿法脱硫后高湿烟气，采用冷却的方式在相变室内建立水汽过饱和环境。设计了一套间接测量水汽过饱和度的实验装置并建立了相变室内传热传质计算模型，分别从实验和理论计算两方面探讨了冷却水温度对构建过饱和氛围的影响。二者结果均表明：冷却湿法脱硫后高湿烟气可以有效构建水汽相变过饱和水汽氛围，并且随着管壁温度的降低，相变室内过饱和水平明显增强。从数值计算结果可以看出：在相同管壁温度下，相变室内最大过饱和度发生在靠近管壁附近处；沿着相变室轴向方向，过饱和度水平则呈现先增大后减小的趋势。

湿法脱硫； 冷却； 水汽过饱和环境； 过饱和度测量； 数值计算

燃煤火电厂会产生大量对环境和人体健康有害的细颗粒物PM2.5[1-2]，而已有的除尘设备对于细颗粒，尤其是1μm以下的亚微米颗粒难以有效捕集。目前国内外正在研究开发的主要为燃烧后控制，技术方向为设置预处理措施，使细颗粒通过化学或物理作用长成较大颗粒，然后再使用常规除尘设备加以脱除[3-6]，其中应用水汽相变原理促使细颗粒凝并长大是一项极具应用前景的预处理技术，其机理是：在过饱和蒸汽环境中，水汽以微粒为凝结核发生相变，使微粒粒度增大，质量增加。

应用水汽相变预调节技术，关键是低能耗前提下过饱和环境的构建。在通常情况下，烟气经湿法脱硫后温度由80～150℃降至40～60℃，相对湿度由5%～10%增至90%～95%以上[7]，烟气处于饱和或接近饱和状态，容易实现水汽过饱和场的建立。由此可见，将水汽相变预调节技术与现有燃煤烟气湿法脱硫技术结合，最有可能实现该技术的工程应用[7-8]。

利用水汽相变技术作为脱除细颗粒物的预处理措施已有较长的研究历史[9-14]，然而，已有研究大多针对细颗粒的宏观脱除效果[15-16]，未能深入研究过饱和水汽氛围的形成规律，且主要采用添加蒸汽的方式建立过饱和环境[15-16]，烟气冷却条件下操作参数对过饱和氛围的影响机制还不明确。为此，笔者设计了一套间接测量水汽过饱和度的实验装置以及建立了相变室内传热传质计算模型，分别从实验和理论计算两方面深入探讨冷却湿法脱硫系统高湿烟气建立水汽相变过饱和环境的可行性，重点考察冷却水温度对构建过饱和氛围的影响。

1 实验

1.1实验系统

实验系统见图1，主要由气流发生装置、气流温湿度调节系统、过饱和场建立系统、等湿加热系统等组成。考虑到实际锅炉烟气组分复杂，而本实验侧重研究冷却法构建过饱和环境的效果，暂未考虑研究烟气组分对过饱和环境构建的影响机制，所以使用压缩空气代替烟气进行实验。实验具体流程为：由气瓶产生一定流量的气流进入温湿度调节室，气瓶与调节室之间的管路以及调节室壁面上都缠绕有电加热带来控制气流温度，通过注入水蒸气调节相变室入口气流的含湿量。气流达到设定温湿度后(模拟湿法脱硫后烟气温湿度)，将其通入相变室，相变室为圆管状结构，采用有机玻璃管制作，内径为45mm，壁厚为3mm，长度为300mm，保证了管内气流流动为稳定层流。相变室外侧设置有一层循环水夹套，利用冷却水使气流温度降低，建立水汽过饱和场。在相变室出口连接有一加热的管道对过饱和水汽进行等湿加热，并测量加热后的气体温湿度。

实验温湿度选用芬兰Vaisala公司生产的Vaisala-HMT337型温湿度变送器(湿度精度为±1%，温度精度为±0.2K)测试，循环冷却水使用低温恒温槽提供。

1.2实验方法

实验中采用过饱和度S来考察过饱和环境的建立效果，S定义如下：

(1)

式中：pv为蒸汽分压；pv,∞(T)为当地气体温度下的饱和蒸汽压。

过饱和状态的气体并不稳定，目前还没有仪器能直接测量过饱和场中蒸汽的分压。为此，提出了一种间接测量过饱和度平均值的方法。图2展示了实验中湿气体的状态在焓湿图上的变化过程，A状态湿空气进入相变室中，减湿冷却到状态O，随后进入表面加热器等湿加热到状态B。通过测量O点的温度与B点的温湿度，可以算出O状态点的过饱和度。

1.3实验过程及条件

实验过程中，通过调节恒流泵流量，温湿度调节室加热温度来控制入口气流相对湿度与温度；通过调节低温恒温槽温度控制相变室壁面冷却温度；气流流量维持5L/min。具体相关实验参数见表1。

表1 相关实验参数的选取

1.4实验结果及分析

图3为不同壁面冷却温度对相变室内过饱和水汽环境影响的变化曲线。实验中，入口气流温度选择50℃，主要是因为湿法脱硫后净烟气温度大多在45～60℃。从图3可以看出：气流相对湿度的提高有助于形成更高过饱和度的过饱和氛围。这是由于入口气流相对湿度越大，其蒸汽分压越高，在相同的冷却条件下，促进了式(1)中pv的增大，从而可以形成更高过饱和度的水汽场。

此外，比较图3中不同冷却温度的三条曲线可以发现：冷却水温度越低，形成的过饱和环境过饱和度越大。这是因为相同入口气流温度下，冷却水温度越低，气流会被冷却到更低温度，蒸汽的饱和压力越小，气流状态会离饱和线越远，这也意味着形成的水汽过饱和场的过饱和度也越大。从图3中不难发现在入口气流相对湿度很高、冷却水温度很低时，过饱和度的变化有一个陡峭的上升趋势，这可能是由于两个因素的共同作用导致的：一方面气流相对湿度高，跨越饱和线的障碍比较小，容易形成过饱和环境；另一方面，冷却水温低，有助于气流的冷却，从而形成高过饱和水汽环境。

2 数值计算

2.1传热传质模型

相变室中的气流温度和蒸汽分压以及任何一处的过饱和水平是可以通过热质平衡来分析的。对于该热质平衡的分析有以下假设条件：(1)相变室内进口气流为典型的抛物线形流动面，属于稳定层流流动；(2)流体的属性由该流体平均温度来描述，并且此平均温度的数值是常量；(3)忽略相变室中的轴向热扩散、径向热对流和其他二次流的影响；(4)相变室入口气流温度和蒸汽分压是均匀分布的；(5)忽略水汽相变释放的潜热对温度及过饱和度的影响。

由于相变室为圆柱形，考虑到其对称性，只选取其半圆柱体的某一个截面进行研究，以该截面的径向和轴向为坐标轴建立坐标系(见图4)。计算模型采用的是二维传热传质模型，该模型是来自古典格雷兹(Graetz)问题。

在图4的坐标系中，取微元长方形drdz进行分析，得到能量平衡方式为：

(2)

式中：U表示气流的平均流速；R表示相变室的半径；r和z分别表示半径和轴向坐标；αt表示随温度和压力变化的热扩散系数。

定义无量纲坐标x=r/R、y=z/R以及无量纲参数fT=(T-Tw)/(T0-Tw),那么方程(2)可以简化为：

(3)

同样的，相变室中蒸汽分压pv满足以下偏微分方程：

(4)

2.2计算参数的选定

本文研究对象为湿法脱硫后高湿烟气，考虑到在通常情况下，烟气经湿法脱硫后处于饱和或接近饱和状态，故对相变室内过饱和场进行计算时，设定相变室入口气流为饱和湿空气，相变室的直径以及气流流量保持与实验参数一致。为了能在更长范围内考察过饱和度的变化趋势，故计算时假定了更长的相变室长度；相变室管壁温度保持与实验参数一致，分别设置为303K、298K和293K。表2为其余相关计算参数。

表2 相关参数的选取

2.3计算结果及讨论

图5～图7为计算出的不同管壁温度下相变室内不同径向处过饱和度的分布。可以看出：采用冷却高温饱和气流的方式可以有效构建水汽相变技术所需的过饱和环境。

观察图5～图7都可以看出：气流进入相变室后，在管子的进口处，径向向外靠近管壁的地方最先达到过饱和，这是因为在管子进口处气流受到传热速率的影响，由于时间短，靠近管子中心线附近的地方还没来得及被冷却；此外，相变室内最大过饱和度发生在管壁附近处，这是由于管壁温度低，管壁附近发生的对流传热相对剧烈，使得气流温度降得较低，从而引起式(1)中分母项的降低，产生更大的过饱和度。

对图5～图7中相同径向上的过饱和度分布进行观察可以看出：过饱和度值沿着轴向呈现先增大后减小的趋势，这是由于气流进入相变室后被迅速冷却，传热速率明显高于传质速率，气流温度降低较快，即气流饱和蒸汽压降低较快。根据式(1)过饱和度的定义可知气流饱和蒸汽压力的不断降低会使得过饱和度逐渐增大；然而随着管内传热传质过程的不断推移，传热变得缓慢，同时气流当地蒸汽分压会不断降低到接近管壁附近蒸汽当地压力，即增加了式(1)中分子项减小的趋势，使得过饱和值达到峰值后会不断减小。

通过比较图5～图7还可以看出：随着冷却水温度的降低，相变室内过饱和也在不断增大，这是因为相同入口气流温度下，冷却水温度越低，气流会被冷却到更低温度，相应的蒸汽的平衡压力越小，这也意味着形成的水汽过饱和场的过饱和度也越大。但并不是冷却温度越低越好，因为随着相变室入口气流温度与冷却水温度的差值增大，相变室内的传热传质过程发生的非常剧烈，使得过饱和值达到峰值后下降速率也非常快，最终会出现相变室内过饱和场不够均匀，局部过饱和度过大的问题。

为进一步了解不同进气与管壁温度差对相变室内过饱和氛围构建的影响，对不同管壁温度下相变室中的平均过饱和度值进行了计算，见图8。

从图8中可以看出：利用冷却烟气构建过饱和氛围的方式建立的过饱和水汽环境比较均匀，并且相变室中平均过饱和度分布与图5～图7中不同管径处过饱和分布保持一致，沿轴向呈现出先增大后减小的趋势；此外，管壁温度越低，相变室内过饱和水平明显增加。

然而将图3的实验测量结果与图8的计算结果相比较，可以发现过饱和度的测量值要比计算结果略大，这可能是因为相变室内的温度测点距离管壁较近，测量出的温度会比管中心线附近温度低一些，使得折算出来的该温度下的饱和蒸汽压力降低，从过饱和度的定义可知，饱和蒸汽压pv,∞(T)的增大会引起过饱和度的增大。

3 结语

笔者设计了一套间接测量水汽过饱和度的实验装置以及建立了相变室内传热传质计算模型，分别从实验和理论计算两方面深入探讨了冷却水温度对构建过饱和氛围的影响。主要得出以下结论：

(1) 实验和数值计算结果都直接表明冷却湿法脱硫后高湿烟气可以有效构建水汽相变过饱和水汽氛围，并且随着管壁温度的降低，相变室内过饱和水平明显增强。

(2) 从数值计算结果可以看出，在相同管壁温度下，相变室内最大过饱和度发生在靠近管壁附近处；沿着相变室轴向方向，过饱和度水平则呈现先增大后减小的趋势。

(3) 间接测量过饱和度的方法虽然难免存在测量误差，但作为一种定性考察操作参数对过饱和场影响的手段显得更加直观。笔者也计划后续研究中使用该测量方法探讨相变室壁面材料对过饱和场构建的影响机制。

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Experimental Measurement and Numerical Calculation of Supersaturated Water Vapor Environment

Meng Qiang, Zhang Jun, Yu Yan, Xu Junchao, Zhong Hui

(Solar Energy Technology Research Center, Southeast University, Nanjing 210096, China)

The highly humid gas from wet flue gas desulfurization (WFGD) system was cooled to build the supersaturated vapor environment in condensation chamber. An experimental setup was designed for indirect measurement of the supersaturation and a model was established for calculation of heat and mass transfer in the condensation chamber, so as to theoretically and experimentally analyze the effects of cooling water temperature on the supersaturation. Both results show that cooling the highly humid gas of WFGD system can effectively build the supersaturated environment, and with the decrease of tube wall temperature, the supersaturation in condensation chamber increases obviously. Calculation results indicate that the highest supersaturation appears in the area near chamber wall under the condition of same wall temperature. The supersaturation first increases and then decreases along axial direction of the chamber.

WFGD; cooling; supersaturated vapor environment; measurement of supersaturation; numerical calculation

2016-05-23

国家自然科学基金资助项目(51576043)；国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2013CB228504)

孟 强(1991—)，男，在读硕士研究生，研究方向为燃煤电厂燃烧污染控制。

E-mail: 282799846@qq.com

TK222

A

1671-086X(2016)06-0363-05