脱硫净烟气降温冷凝促进WFGD系统后次生细颗粒物的脱除

王茜雯，王磊磊，吴昊，杨宏旻

(南京师范大学能源与机械工程学院，江苏南京，210042)

颗粒物不仅会对大气环境造成污染，使大气能见度降低，造成雾霾等现象，还会严重影响人类健康。特别是细颗粒物，其比表面积相对较大，且能长期稳定的悬浮在空气中，细菌和有毒有害物质极易黏附在其表面上，对大气环境和人类健康的危害远比粗颗粒物的大[1−3]。其中，燃煤电厂是细颗粒物的主要排放源之一[4]，现阶段国家鼓励超低排放，进一步将颗粒物排放质量浓度限制于5 mg/m3以内[5]。湿法脱硫系统协同其他除尘设备可以有效降低细颗粒物的排放[6−8]，目前，在燃煤机组中石灰石−石膏湿法脱硫技术是主流技术[9]。石灰石−石膏湿法脱硫技术中使用较多的是喷淋塔结构，在湿法脱硫过程中，含尘气体与脱硫浆液逆流接触，一方面由于浆液洗涤作用，烟气中部分颗粒物被有效脱除；另一方面，由于脱硫浆液的蒸发夹带，导致在脱硫过程中产生部分细颗粒物(也称次生细颗粒物)如硫酸盐、亚硫酸盐、未反应的石灰石等[10]，因此，脱硫净烟气中细颗粒物浓度有时甚至会出现增加现象[11]。YAO等[12]通过对湿法脱硫系统排放颗粒物进行研究，发现湿法脱硫过程对细颗粒物的数量浓度及质量浓度均有着较大影响，特别在0.094～0.946 μm粒径范围内，细颗粒物的数量浓度明显增加。潘丹萍等[13]通过对湿法脱硫净烟气颗粒物排放进行实验研究，发现由于脱硫浆液的蒸发夹带会产生大量主要组分为CaSO3的亚微米颗粒物。NIELSEN 等[14]通过对现场烟尘排放特征进行研究，发现经石灰石−石膏湿法脱硫后，Ca2+和Na+离子浓度提高，表明有部分浆液可通过蒸发夹带进入大气。因此，控制次生细颗粒物的排放是减少燃煤电厂颗粒物排放，减缓雾霾污染的重要途径之一。基于过饱和水汽在细颗粒物表面凝结的水汽相变技术是一种极具应用前景的预处理手段。在构建的过饱和水汽环境中，水汽以细颗粒物为凝结核发生相变凝结，促进细颗粒物粒径增大，质量增加，使凝并长大后的细颗粒物被常规除尘、除雾设备等高效脱除[15−17]。BAO等[18]通过向脱硫塔顶部及脱硫塔进口烟气中添加蒸汽，构建了细颗粒物凝结长大所必需的过饱和水汽环境，发现利用水汽相变技术可有效脱除湿法脱硫过程中的细颗粒物；WU等[19]采用对脱硫塔进口烟气增湿降温的方法，在塔内建立了满足细颗粒物核化凝结所需的过饱和水汽环境，发现脱硫塔后原始颗粒物和次生细颗粒物的排放均有所降低。虽然上述方法均建立了细颗粒物凝结长大所需的过饱和水汽环境，但仍存在一些缺点及适用范围。目前大部分研究仅关注湿法脱硫过程中颗粒物的总脱除效率，并未针对净烟气中次生细颗粒物的核化凝结长大与脱除特性展开研究。为进一步降低燃煤电厂中次生细颗粒物的排放，本文作者利用在湿法脱硫实验系统后设置氟塑料毛细管冷凝式换热器的试验平台，通过对脱硫净烟气换热降温，建立过饱和水汽环境，促进次生细颗粒物的凝结长大，进而提高换热器对其脱除效率。对典型工况下换热器对次生细颗粒物的脱除效率展开实验研究，并考察换热器内烟气温降、换热器进口烟气温度、空塔气速及脱硫浆液质量分数对细颗粒物脱除的影响规律，以期为实际工业应用中次生细颗粒物的进一步脱除提供参考。

1 实验

1.1 实验系统

图1所示为模拟测试系统，主要包括湿法脱硫系统、冷凝式换热器及控制测试系统。本文旨在考察脱硫净烟气降温冷凝对次生细颗粒物的脱除效果，为避免实验测试过程原始烟气中颗粒物的影响，脱硫塔进口采用加热后的洁净空气作为无尘烟气。无尘烟气进入脱硫塔后，与脱硫浆液逆流接触，由于脱硫浆液的蒸发夹带作用，导致脱硫净烟气中含有部分次生细颗粒物。根据燃煤电厂脱硫塔实际运行参数，实验典型工况设定如下：脱硫塔进口烟气温度为125 ℃，换热器进口烟气温度为45 ℃，湿度为95%，换热器内烟气温降为5 ℃，空塔气速为3.0 m/s，液气比为15 L/m3，浆液温度为50 ℃，浆液pH 为5.5 左右，脱硫浆液质量分数为10%。

1.2 测试方法

换热器进出口细颗粒物的数量浓度、质量浓度及粒径分布均采用芬兰Dekati公司生产的电称低压冲击器(ELPI)进行在线测量，为确保实验数据的精确性，每组数据测量不少于3次，每次测量时间不低于100 s。此外，为防止水汽在采样管路及冲击盘上凝结，对测试结果的准确性造成影响，在ELPI 前采用稀释器(DI—1000)进行两级稀释，其稀释比为1:67。脱硫净烟气的温湿度则通过Vaisala公司生产的温湿度变送器(HMT337)测定。

图1 模拟实验测试系统Fig.1 Schematic system diagram of experimental platform

2 实验结果与讨论

2.1 典型工况下脱硫净烟气降温冷凝对次生细颗粒物的脱除作用

对换热器内脱硫净烟气进行降温冷凝旨在建立过饱和水汽环境，而过饱和水汽环境的建立是发生水汽相变的前提，且过饱和度将直接决定细颗粒物可被核化的粒径范围[20−21]。过饱和水汽环境是一种亚稳态环境，其实际水汽分压高于平衡水汽分压，属于热力学不完全稳定的非平衡状态。理论过饱和度通常用于描述过饱和水汽场的强度，其定义如下：

式中：p(t,x)为特定位置、特定温度下的实际水汽分压；pa(t,x)为该位置在该温度下的饱和水汽分压。

图2所示为典型工况下换热器进出口细颗粒物的数量浓度和质量浓度。由图2可见：换热器进出口细颗粒物的平均数量浓度分别为6.62×104个/cm3和5.83×104个/cm3，换热器进出口细颗粒物的平均质量浓度分别为4.18 mg/m3和3.05 mg/m3，为了便于考察换热器对脱硫净烟气中次生细颗粒物的脱除效率，换热器脱除效率定义如下：

式中：N1和N2分别表示换热器进口和出口细颗粒浓度。

图2 换热器进出口细颗粒物数量浓度和质量浓度Fig.2 Number and mass concentrations of fine particles at the inlet and outlet of heat exchanger

在典型工况下，换热器进口细颗粒物的粒径分布如图3所示。由图3可知：从数量浓度来看，大部分通过浆液蒸发夹带形成的细颗粒物均集中在亚微米范围内；从质量浓度来看，大部分次生细颗粒物主要分布在1 μm 以上。由于亚微米范围内细颗粒物在数量上占比很大，因此，研究换热器对细颗粒物的数量脱除作用更具实际价值。图4和图5所示分别为水汽相变前后换热器出口细颗粒物的粒径分布，以及水汽相变前后换热器对细颗粒物的分级脱除效率。计算可得，在烟气温降达到5 ℃时，换热器内已建立过饱和水汽环境，可发生水汽相变。从图4和图5可见：水汽相变后，换热器出口细颗粒物的数量浓度降低，总脱除效率提升。同时，由图5还可见，0.04 μm 以下细颗粒物的脱除效率较高，这主要由于此粒径范围内细颗粒物质量轻，粒径小，易受扩散泳力、热泳力以及布朗运动作用，易被换热器内毛细管表面形成的冷凝液膜捕集；在0.04～0.43 μm细颗粒物的脱除效率较低，可能存在一个向左偏移的“穿透区间”[22]，这主要是因为此粒径范围内的细颗粒物受扩散泳力和惯性力作用均不明显；而对于0.43～2.90 μm之间细颗粒物的脱除效率随粒径增加整体呈上升趋势。

图3 换热器进口细颗粒物粒径分布Fig.3 Particle size distribution before heat exchanger

图4 水汽相变前后换热器出口细颗粒物粒径分布Fig.4 Size distribution of fine particles at the outlet of heat exchanger with and without heterogeneous water vapor condensation

图5 水汽相变前后细颗粒物的分级脱除效率Fig.5 Stage removal efficiency of fine particles with and without heterogeneous water vapor condensation

2.2 不同操作条件对换热器中细颗粒物脱除作用的影响

2.2.1 换热器内烟气温降的影响

湿法脱硫净烟气中次生细颗粒物粒径较小，通过换热器内建立的过饱和水汽环境能够促进细颗粒物核化凝结长大，实现换热器出口细颗粒物数量浓度的降低。需要指出的是，换热器内烟气温降是影响过饱和水汽环境的重要因素，因此，改变换热器内烟气温降可对细颗粒物脱除效率产生较大影响。

在典型工况下，通过调节换热器内冷却水量改变换热器内烟气温降。图6所示为换热器出口细颗粒物数量浓度与换热器内烟气温降的关系，图7所示为换热器进出口烟气温降对细颗粒物总脱除效率的影响。由图6和图7可见：换热器出口细颗粒物数量浓度随烟气温降的增大而逐渐降低，总脱除效率也随之增加。从换热器未开启到烟气温降增加到3 ℃时，总数量脱除效率可由4.7%上升到7.8%；当烟气温降从3 ℃增至5 ℃时，脱除效率可由7.8%增至12.1%；而当烟气温降由5 ℃增加到7 ℃时，脱除效率可由12.1%增至15.2%。

通过对换热器内脱硫净烟气降温冷凝可建立过饱和水汽环境，其理论过饱和度及可凝结水量与烟气温降的关系如图8所示。由图8可知：当烟气温降从0 ℃增加到7 ℃时，理论过饱和度可由1.00 增加到1.45，可凝结水量也由3.3 g/m3增加到19.7 g/m3；随着烟气温降的增大，不仅理论过饱和度有所增加，其可凝结水量也随之增加，进而使得更多更小粒径的细颗粒物被核化，凝结长大为粒径更大的细颗粒物，进而被高效脱除。

图6 换热器出口细颗粒物数量浓度随烟气温降的变化Fig.6 Change of number concentration of fine particles with different temperature-drops at the outlet of heat exchanger

图7 烟气温降对细颗粒物的总脱除效率的影响Fig.7 Effect of temperature-drop on total removal efficiency of fine particles

图9所示为换热器内烟气温降与细颗粒物分级脱除效率的关系，由图9可知：随烟气温降的增大，各粒径范围内细颗粒物的脱除效率均上升；0.04 μm 以下细颗粒物的脱除效率较高，主要原因在于随烟气温降增大，理论过饱和度增大，产生的可凝结水量也增多，同时，扩散泳力与热泳力作用增强，因此，更多核化凝结长大的细颗粒物被毛细管管壁处形成的冷凝液膜捕集，进而被高效脱除；0.04～0.43 μm的细颗粒物凝结长大受理论过饱和度的影响较大，因此，脱除效率较低；0.43～2.90 μm的细颗粒物脱除效率随烟气温降增大而增加，主要是由于此粒径范围内部分细颗粒物可能已被核化凝结长大，过饱和度的提高对该部分细颗粒物作用不明显，但可凝结水量增加可促进长大后的细颗粒物形成更大的含尘液滴。因此，选择较合适的烟气温降对脱硫净烟气中次生细颗粒物的脱除有一定促进作用，一般选取5～7 ℃的烟气温降。

图8 烟气温降对理论过饱和度和冷凝水量的影响Fig.8 Effect of temperature-drop on theoretical supersaturated degree and condensable water amount

图9 烟气温降对细颗粒物的分级脱除效率的影响Fig.9 Effect of temperature-drop on stage removal efficiency of fine particles

2.2.2 换热器进口脱硫净烟气温度的影响

图10所示为换热进口烟气温度对理论过饱对度和可凝结水量的影响。由图10可见：在典型工况下，将换热器进口烟气温度由45 ℃逐渐增加到55 ℃时，随换热器进口烟气温度的升高，可凝结水量增加，理论过饱和度呈下降趋势，当换热器进口烟气温度从45 ℃增加到55 ℃时，理论过饱和度从1.30下降到1.28，可凝结水量从13.8 g/m3增加到20.8 g/m3。

图10 换热器进口烟气温度对理论过饱和度和可凝结水量的影响Fig.10 Effect of flue gas temperature at the inlet of heat exchanger on theoretical supersaturated degree and condensable water amount

图11所示为换热器进口烟气温度对细颗粒物脱除效率的影响，其中，图11(a)所示为换热器进口烟气温度对细颗粒物的分级脱除效率的影响，图11(b)所示为换热器进口烟气屋温度对细颗粒物的总脱除效率的影响。由图11(b)可见：换热器进口烟气温度升高可提高换热器对细颗粒物的脱除效率，当烟气温度从45 ℃升高到50 ℃，脱除效率从12.1%增加到16.5%，而当进口烟气温度从50 ℃升高到55 ℃时，脱除效率缓慢增长到17.9%。

图12所示为换热器进口烟气温度与换热器进出口细颗粒物的数量浓度的关系。由图12可知：随换热器进口烟气温度升高，换热器进出口细颗粒物的数量浓度均增大，当换热器进口烟气温度从45 ℃分别升高到50 ℃和55 ℃时，换热器进口细颗粒物的数量浓度从6.62×104个/cm3分别增加至7.09×104个/cm3和8.09×104个/cm3，换热器出口细颗粒物的数量浓度从5.82×104个/cm3分别增加至5.98×104个/cm3和6.64×104个/cm3。

图11 换热器进口烟气温度对细颗粒物脱除效率的影响Fig.11 Effect of flue gas temperature at the inlet of heat exchanger on removal efficiency of fine particles

图12 换热器进口烟气温度对换热器进出口细颗粒物的数量浓度的影响Fig.12 Effect of flue gas temperature at the inlet of heat exchanger on number concentrations of fine particles at the inlet and outlet of heat exchanger

由图11(a)和图12可见：随换热器进口烟气温度升高，对0.04 μm 以下细颗粒物的脱除效率增大。主要原因在于毛细管中冷却水的温度恒定，当换热器进口烟气温度升高时，毛细管与周围烟气间形成的温度梯度增大，热泳力作用和布朗运动增强，细颗粒物之间碰撞聚并的概率提高。同时，由于进口烟气温度升高，可凝结水量增加，细颗粒物更易形成具有较大粒径的含尘液滴，从而进一步增加了细颗粒物向冷凝壁面沉积并被冷凝液膜捕集的概率。需要指出的是，由于进口烟气温度升高会导致理论过饱和度降低，部分细颗粒物达不到核化所需临界过饱和度。综上所述，此粒径范围内细颗粒物总脱除效率随换热器进口烟气温度的升高而增大；对于粒度为0.04～0.43 μm的细颗粒物，随进口烟气温度的上升，脱除效率呈上升趋势；粒度为0.43～10 μm 的细颗粒物在换热器进口烟气温度升高时，脱除效率也随之升高，主要原因在于其受惯性力和热泳力作用明显。

从图11(b)和图12可以看出：当换热器进口烟气温度由45 ℃升高到50 ℃时，脱除效率虽然增大，但换热器进口细颗粒物数量浓度也明显增大，导致换热器出口细颗粒物数量浓度几乎不变；当烟气温度升高到55 ℃时，虽然脱除效率增加，但换热器入口细颗粒物数量浓度增加较大，导致换热器出口细颗粒物的数量浓度明显增加。因此，较高的换热器进口烟气温度虽然能促进换热器对细颗粒物的脱除，但也会造成换热器进出口细颗粒物数量浓度增大。故换热器进口烟气温度在45～50 ℃时，细颗粒物的脱除效果最佳。

2.2.3 空塔气速的影响

图13所示为不同空塔气速下换热器对脱硫净烟气中细颗粒物脱除效率的影响，其中图13(a)所示为换热器对细颗粒物的总脱除效率的影响，图13(b)所示为换热器对细颗粒物的分级脱除效率的影响。由图13(a)可见：细颗粒物总脱除效率随空塔气速的升高而降低，当空塔气速由1.5 m/s 升高到3.0 m/s 时，换热器对细颗粒物的脱除效率从30.6%下降到12.1%。

从图13(b)可知：随空塔气速的升高，粒度在0.04 μm 以下的细颗粒物脱除效率逐渐降低，主要原因在于随空塔气速的增加，脱硫塔内浆液蒸发夹带作用增强，使换热器进口细颗粒物的数量浓度增高，并且减少了细颗粒物在换热器内的停留时间[23]，导致部分粒径较小的细颗粒物逃逸出换热器。虽然，由于空塔气速的升高，提高了细颗粒物之间碰撞聚并的概率，但碰撞聚并作用不明显。因此，细颗粒物的脱除效率随空塔气速的升高而降低，分别从22.0%降至16.3%和14.3%。

从图13(b)还可知：粒径为0.04～0.43 μm 和0.43～10 μm 的细颗粒物的脱除效率随空塔气速的升高而降低，原因在于换热器内建立的过饱和水汽环境的理论过饱和度和可凝结水量虽然不随空塔气速的变化而变化，但随空塔气速的增加，蒸发夹带出的细颗粒物数量增多，分配给每个细颗粒物的可凝结水量有所降低，长大后的含尘液滴粒径减小，惯性力作用减弱。因此，较低的空塔气速不仅会降低脱硫塔出口次生细颗粒物的数量浓度，还会提高换热器对细颗粒物的脱除效率。

图13 空塔气速对细颗粒物脱除效率的影响Fig.13 Effect of gas velocity of empty tower on removal efficiency of fine particles

2.2.4 脱硫浆液质量分数的影响

换热器进出口细颗粒物的数量浓度与脱硫浆液质量分数的关系如图14所示。由图14可知：脱硫浆液质量分数的升高会导脱硫净烟气中细颗粒物数量浓度增大，在典型工况下，当脱硫浆液质量分数从10%依次增加到15%和20%时，浆液含固量由30 g/L分别增加至45 g/L和60 g/L，换热器进口细颗粒物的数量浓度从6.62×104个/cm3依次增加到6.97×104个/cm3和7.86×104个/cm3，换热器出口细颗粒物的数量浓度先从5.82×104个/cm3缓慢增加到5.93×104个/cm3，再急剧增长至6.92×104个/cm3。这主要是因为脱硫净烟气中细颗粒物数量浓度与脱硫浆液质量分数相关，提高脱硫浆液质量分数，浆液黏度增大，浆液中固体颗粒物数量增加，随浆液蒸发夹带的固体颗粒物及液滴数量也相应增多，导致脱硫净烟气中次生细颗粒物数量浓度增大[24]。

图14 脱硫浆液质量分数对换热器进出口细颗粒物数量浓度的影响Fig.14 Effect of slurry mass fraction on number concentrations of fine particles at the inlet and outlet of heat exchanger

图15所示为换热器对细颗粒物的脱除效率与脱硫浆液质量分数的关系，其中图15(a)所示为换热器对细颗粒物的总脱除效率的影响，图15(b)所示为换热器对细颗粒物的分级脱除效率的影响。由图15(a)可见：细颗粒物的脱除效率随浆液质量分数的增大而上升，当浆液质量分数从10%增加到20%时，脱除效率从12.1%上升到19.9%。由图15(b)可见：粒度在0.04 μm 以下和0.04～0.43 μm细颗粒物的脱除效率随浆液质量分数的增大均呈上升趋势，主要原因在于随浆液质量分数增加，脱硫净烟气中次生细颗粒物数量浓度随之增加，受过饱和度的影响，0.43 μm 以下细颗粒物的脱除效率不断升高；在0.43～10 μm 粒径范围内，受过饱和度的影响，细颗粒物核化长大，惯性力作用明显，细颗粒物脱除效率较高，虽然随细颗粒物数量浓度的增加，每个细颗粒物所分得的可凝结水量减少，长大后形成的含尘液滴粒径减小，惯性力作用有所降低，但此粒径范围内细颗粒物受惯性力作用依旧明显，故总脱除效率受浆液质量分数的影响不大。增大脱硫浆液的质量分数虽然能提高换热器对细颗粒物的脱除效率，但考虑到脱硫净烟气中次生细颗粒物数量浓度随浆液质量分数的增加而显著上升，一般选取脱硫浆液质量分数为10%～15%。

图15 脱硫浆液质量分数对细颗粒物脱除效率的影响Fig.15 Effect of slurry mass fraction on removal efficiency of fine particles

3 结论

1)在典型工况下，脱硫净烟气中细颗粒物的粒径主要集中在0.43 μm 以下，0.04 μm 以下细颗粒物的脱除效率相对较高；0.04～0.43 μm细颗粒物的脱除效率较低，可能存在一个“穿透区间”；0.43 μm以上细颗粒物脱除效率先增大后减小。对脱硫净烟气降温冷凝，可明显提高“穿透区间”内细颗粒物的脱除效率，有效减少换热器出口细颗粒物的排放。

2)优化操作参数可在一定程度上减少换热器出口细颗粒物的排放，增大换热器内烟气温降能够有效提高细颗粒物的脱除效率，一般烟气温降选取5～7 ℃；较低的空塔气速不仅能够减少脱硫净烟气中次生细颗粒物的数量浓度，更能有效提高换热器对细颗粒物的脱除效率；结合换热器出口细颗粒物的数量浓度和脱除效率，虽然较高的换热器进口烟气温度和脱硫浆液质量分数均能提高细颗粒物的脱除效率，但会增加换热器进出口细颗粒物的数量浓度，因此，在换热器进口烟气温度为45～50 ℃及脱硫浆液质量分数为10%～15%时，细颗粒物的脱除效果最佳。