酸化蒸发法对亚微米细颗粒物团聚和脱除性能的影响

李锦萍，熊英莹，宋婷婷，赵超群，胡 飞

(山西大学 电力与建筑学院，山西 太原 030013)

0 引 言

以亚微米细颗粒物为主的燃煤电厂粉尘中PM2.5占总粉尘的70%以上，各种除尘器对粒径10 μm以上的粗粒径粉尘都有很高的捕集效率，但对于2 μm细粉尘，高效旋风除尘器的除尘效率仅有50%，当粉尘粒径由2 μm减小到1 μm，除尘效率由50%下降至27%，从除尘器逃逸的比表面积巨大的亚微米细颗粒物达到50%以上[1-2]，严重危害人类健康,引起气候变化及酸雨等灾害性事件[3]。亚微米细颗粒物的团聚机理、除尘效率提升相关研究中，应用较广泛的是烟气调质技术，其考察对象为总粉尘，对于亚微米细颗粒物的团聚研究有限。齐立强等[4]研究表明SO3对细颗粒物具有良好的脱除性能及团聚促进作用，但污染风险增加，大范围推广受到限制[5-6]。除尘器入口烟气温度降至酸露点以下的低低温电除尘技术[7]既可提高余热利用，又可促进颗粒物之间的团聚，在理论研究及工程实践应用方面都取得了较好成果[8-9]，可大幅度减少SO3和PM2.5排放，节能效果显著，但需解决低温防腐难题；LUO等[10]、GUO等[11]模拟研究了各种粒径颗粒物在不同温度下的荷电性能及对电除尘脱除的影响，但对亚微米细颗粒物的脱除及增强促进技术仍有待进一步研究。

笔者通过酸化蒸发实现烟气的温湿酸灰耦合，考察烟气中亚微米细颗粒物在深度降温、增加烟气湿度、提高烟气酸度、增大烟气中亚微米细颗粒物浓度的不同耦合工况下，亚微米细颗粒物团聚增大特性及对脱除性能的促进效果。当温湿酸灰耦合烟气冷凝时，表面存在孔隙和凹腔的多孔介质的颗粒物吸湿性改善，吸附烟气中可凝性及酸性气体，在气流和颗粒物内部物性共同作用下，黏附性颗粒物浓度增加，导致颗粒物之间发生速度差异相互碰撞。

在较高浓度的气固两相流运动中，固体颗粒物为了达到气固相互作用最小，减小能量损失，以维持稳定状态下的一种新动态平衡运动而发生团聚；随着酸性气体在颗粒物表面的凝结，在颗粒物表面形成酸性液滴并释放出潜热，加快了颗粒物布朗运动，进一步加大了颗粒物之间碰撞机率，颗粒物的黏性力增加，体积分布平均粒径增大，形成了更易被静电除尘器捕捉的团聚颗粒[12]，不仅提高了脱除效率，脱除后的颗粒物个数分布平均粒径也显著减小。

1 试 验

1.1 试验设备

烟气温湿酸灰耦合试验台如图1所示。

由图1可知，模拟烟气经配置段—湿酸灰耦合段—换热冷却段—酸露点测试段—烟气再循环段—风机—模拟烟气配置段形成循环。模拟烟气配置完成后，烟气温度可通过电加热棒，由测控系统即时控制调节；热烟气在风道内通过错列管式铸铁换热器与冷却水逆流接触，冷却水通过变频水泵调节；烟气降温后进入可调电压卧式电除尘器或烟气再循环段，除尘器内部设有2组平行布置气流分布板，放电极材质为针刺形高强镍镉合金，再循环段以实现烟气在气流速度一定时的循环运行；风机将脱除后的烟气通过三通阀，返回烟气配置段或经烟囱排出室外。

图1 烟气温湿酸灰耦合试验台Fig.1 Experimental platform of flue gas temperaturecoupling wet acid ash

采用testo350Pro烟气分析仪测试模拟烟气成分及体积分数，具体见表1。绝对湿度由MODEL545型烟气水分仪湿度仪实时测量和监视，并通过调质段的雾化喷嘴装置实现控制；烟气飞灰颗粒物浓度通过调节ZG600/YZ35-13蠕动泵转速实现；除尘器入口及出口装有激光PM2.5传感器；亚微米细颗粒物粒径由测量范围0.02～2 800 μm的S3500粒度分析测取。

表1 模拟烟气组成

1.2 主要参数及性能

以较高脱除效率和兼顾方便灰尘收集[13-14]为原则，主要工艺参数为：

1)电除尘器工作电压40 kV，且带有限流功能；烟气在除尘器内停留速时间约5 s，气流速度约0.3 m/s，除尘器出入口管道直径200 mm，流量约0.03 m3/s；换热器处风道流速约4 m/s。

2)烟气温度小于150 ℃，湿度及酸度的调节保证粉尘比电阻在104～1011Ω·cm，适合电除尘器收集范围；为防止起晕电压明显上升、电场输出欠压及变压器超负荷运行，烟气温度高于80 ℃。

3)风道维持-0.69 kPa，便于烟气雾化调湿、酸化及颗粒物浓度的调节。

4)各典型工况酸露点参照原始烟气工况的工程酸露点，并与相同工况下理论计算(采用俄罗斯、前苏联及日本电力公司酸露点表达式计算)[15-19]相比较，考虑误差范围，确定为83 ℃。

5)采用QUANTAX200能谱仪进行成分分析，颗粒物为硅铝质矿物颗粒，属于中等润湿性颗粒物[20]，颗粒物成分分析见表2。

表2 颗粒物成分分析

2 团聚和脱除性能影响

2.1 烟气温度对团聚和脱除性能的影响

蠕动泵转速200 r/min，颗粒物质量浓度在72.362 μg/m3时，除尘器入口烟气温度从120 ℃分别降至85 ℃(高于酸露点工况)、83 ℃(酸露点工况)、80 ℃(极限工况)。烟气温度对团聚和脱除性能影响见表3。

表3 烟气温度对团聚和脱除性能影响

除尘器入口烟气温度降低，烟气中可凝结气体发生冷凝，范德华力作用下被颗粒物吸附，除尘器入口颗粒物质量浓度由72.362 μg/m3逐渐增大至92.362 μg/m3，颗粒物受烟气曳力作用发生了碰撞而团聚，反映颗粒物大小的个数分布平均粒径由降温前1.769 μm先增大为2.090 μm，而后在不断降温碰撞中，亚微米细颗粒物间的团聚效果逐渐显现，最大团聚成4.643 μm颗粒物。

随着除尘器入口烟气温度降低，烟气热运动能力减弱，黏滞性减小，而颗粒物在烟气冷凝释放热量产生热泳力，流场发生轻微波动过程中，受惯性碰撞加剧，除尘器入口体积分布平均粒径由降温前的20.370 μm团聚至更易被捕捉的31.391 μm。

电场荷电作用下，除尘器出口颗粒物质量浓度在降温过程中，由21.546 μg/m3降至最小15.431 μg/m3，除尘效率也由70.224%提高至83.293%；脱除后，体积分布平均粒径减小至13.972 μm；个数分布平均粒径减小至1.044 μm，较原始降温前的粒径减小了0.725 μm，脱除效果显现。

2.2 烟气温湿耦合对团聚和脱除性能影响

对原工况绝对湿度4.20%的烟气由120 ℃降至80 ℃(脱除效率最高典型工况)过程中进行烟气增湿，烟气绝对湿度分别为5.70%、8.90%、14.20%。烟气绝对湿度对团聚和脱除性能的影响见表4。

表4 烟气绝对湿度对团聚和脱除性能的影响

烟气绝对湿度由4.20%逐渐增至8.90%的过程中，逐渐增大的湿雾烟气蒸发，烟气相对湿度增大；增湿耦合降温改善了湿雾液滴与颗粒物的团聚环境，使颗粒物表面湿润性有所增强，增大了颗粒物间的凝并效应，但由于水的表面张力较高，而颗粒物黏附性中等偏低，不易吸附烟气中的水分，除尘器入口颗粒物质量浓度由92.362 μg/m3增至108.859 μg/m3；随湿度的增加趋于饱和状态，当烟气绝对湿度增加14.2%时，除尘器入口颗粒物质量浓度减小为107.733 μg/m3。

除尘器入口颗粒物浓度增大有限，使颗粒物之间的有效碰撞受到限制，在绝对湿度8.90%时，除尘器入口个数分布平均粒径最大增大至4.823 μm；当绝对湿度增至14.2%时，因相对湿度增大带来的颗粒物含湿量加大，造成湿雾滴粒径分布范围较广，得不到充分蒸发，液滴蒸发受到限制，且极易发生扩散，反而减小为4.736 μm。

烟气绝对湿度增加过程中伴随温度降低，烟气流的湍流和湿雾液滴在捕捉细小颗粒物的运动过程中虽然可以同时促进颗粒物之间的团聚，但除尘器入口体积分布平均粒径由31.391 μm最大只增至32.452 μm，未能形成更大的团聚体。

喷雾增湿耦合降温后的颗粒物被除尘器捕捉后，除尘器出口颗粒物质量浓度最小下降为14.382 μg/m3，脱除效率也由增湿前的83.293%增加到绝对湿度8.9% 的最大值86.788%，而后下降；绝对湿度14.2% 时，减小为86.334%；脱除后的体积分布平均粒径最小为11.243 μm，个数分布平均粒径最小约为1.028 μm，较未增湿前减小了0.016 μm，脱除效果不明显。

2.3 温湿酸耦合对团聚和脱除性能影响

在保持增湿脱除效率最高，绝对湿度8.90%典型工况下，分别配置体积分数0.11%、0.30%、0.47%的硫酸溶液，烟气酸度分别为0.979×10-6、2.670×10-6、4.183×10-6。通过雾化装置进行酸化蒸发，烟气由120 ℃降低到80 ℃，实现温湿酸耦合。烟气酸度对团聚和脱除性能的影响见表5。

表5 烟气酸度对团聚和脱除性能的影响

增湿后进行酸化降温，烟气酸度逐渐增大，除尘器入口颗粒物质量浓度显著增加，由未酸化调节前的108.859 μg/m3增至最大169.589 μg/m3，即增湿酸化后的烟气在冷凝过程中，酸雾在静电力、孔隙场力等作用下，进入飞灰表面的孔隙和凹腔中，在颗粒物表面形成酸性液膜，酸性气体不断溶入，有效降低了液膜的表面张力，进一步改善了颗粒物的吸湿性，相互黏结性增大。

颗粒物质量浓度显著增大过程中，颗粒物中的金属与液膜之间形成化学吸附，颗粒物温湿酸耦合前后成分比较如图2所示。可知颗粒物温湿酸耦合后，颗粒物中Ca、Fe成分含量减小，而液膜中导电离子增加，提高了颗粒物的荷电能力，使颗粒物之间、颗粒物与团聚液滴之间碰撞机率增大，除尘器入口个数分布平均粒径增至5.545 μm。

图2 颗粒物温湿酸耦合前后成分比较Fig.2 Comparison of particulate matter compositionbefore and after temperature coupling of humidity acid

酸雾浓度增大，酸雾液滴较湿雾液滴更易在亚微米细颗粒物间形成液桥力，团聚前以球体堆积形式存在的分散颗粒物通过“架桥”方式发生团聚；随着酸雾液滴的蒸发，液桥力不断转化为固桥力的过程中，颗粒物发生了絮凝，吸附酸雾量增加，进一步提高了团聚力，团聚形成大的颗粒物团，颗粒物温湿酸耦合前后SEM如图3所示。除尘器入口体积分布平均粒径也由32.452 μm逐渐增至44.573 μm，较未酸化前更易被除尘器捕捉。

图3 颗粒物温湿酸耦合前后SEMFig.3 SEM before and after temperature coupling of humidity acid

酸雾液滴及颗粒物团聚性能的增强提高了除尘器脱除性能。除尘器出口颗粒物质量浓度由14.382 μg/m3减小为10.511 μg/m3；除尘效率由86.788%提高到93.802%，体积分布平均粒径最小为10.142 μm；个数分布平均粒径最小为1.001 μm，较未增湿前减小了0.027 μm，脱除性能显著改变。

2.4 温湿酸灰耦合对团聚和脱除性能影响

烟气湿度8.90%、耦合酸度4.183×10-6不变，调节蠕动泵转速分别为300、400、500 r/min，烟气中颗粒物浓度分别达到了113.02、155.60、197.27 μg/m3，烟气由120 ℃降温到80 ℃。颗粒物浓度变化对团聚和脱除性能的影响见表6。

表6 颗粒物浓度对团聚和脱除性能的影响

温湿酸灰耦合下，除尘器入口颗粒物质量浓度分别增大到169.58、200.562、334.673 μg/m3，颗粒物颗粒数随之增加，风道内径向分布函数值增大，颗粒物相互接触增多，导致颗粒物之间及颗粒物与温湿酸灰耦合作用下团聚的颗粒团的碰撞概率增加，同时叠加烟气的湍流作用，产生激烈的湍动和混合。除尘器入口个数分布平均粒径由5.545 μm较快增大至7.572 μm，黏附形成明显的团聚物,除尘器入口体积分布平均粒径也由44.573 μm增大至49.602 μm。

除尘器入口颗粒物质量浓度由334.673 μg/m3增至385.270 μg/m3时，在惯性作用下，颗粒物表面吸附的酸液平均量减少，除尘器入口个数分布平均粒径和体积分布平均粒径分别达到了7.624和51.355 μm，分别增加了0.052和1.753 μm，温湿酸灰耦合团聚效果减弱。

颗粒物质量浓度逐渐增加的过程中，团聚物被除尘器高效捕捉，脱除后颗粒物的质量浓度降低到1.438 μg/m3，脱除效率达到99.627%，体积分布平均粒径和个数分布平均粒径最小分别为9.324和0.869 μm，个数分布平均粒径相比较未耦合灰前减小了0.132 μm，除尘器出口颗粒物的特征参数均先增大后减缓，说明过高浓度下，颗粒物脱除效果减弱。

3 正交试验

烟气温湿酸灰耦合试验的影响因素及水平见表7，试验结果统计见表8。

表7 试验因素水平

表8 试验结果统计

3.1 方差分析

试验数据总的偏差平方和ST，分解为由n个影响因素及水平变化引起的偏差平方和总和Si及由试验误差引起的偏差平方和Se；将各因素ST分别除以各自自由度，得到各因素的平均偏差平方和以及误差的平均偏差平方和：

(1)

(2)

(3)

式中：Nij为i因素xij的j水平总次数；l为i因素xij的水平数量；m为试验总次数；yk为第k次试验结果。

总自由度fT为

(4)

式中，fi为i因素xi的自由度，fi=j-1；fe为误差的自由度。

亚微米细颗粒物经烟气降温、温湿耦合、温湿酸耦合、温酸湿灰耦合后发生团聚，体积分布平均粒径的方差分析见表9。烟气温湿酸灰耦合对亚微米细颗粒物团聚的影响特别显著，显著水平为0.01；烟气温湿酸耦合对亚微米颗粒物的团聚有较大显著影响，显著水平为0.01；烟气温湿耦合对亚微米颗粒物的团聚有显著影响，显著水平为0.025；烟气温度降低对亚微米颗粒物的团聚也有显著影响，显著水平为0.05。

表9 脱除前体积分布平均粒径方差分析

亚微米颗粒物经烟气降温、温湿耦合、温湿酸耦合、温酸湿灰耦合发生团聚后，被电除尘器脱除，个数分布平均粒径的方差分析见表10，脱除效率的方差分析见表11。烟气降温、温湿耦合、温湿酸耦合、温酸湿灰耦合对亚微米颗粒物经团聚脱除后的个数分布平均粒径和脱除效率的影响都显著，显著水平为0.01。

表10 脱除后个数分布粒径方差分析

表11 脱除效率方差分析

3.2 极差分析

极差Rf为f因素xi的极差，即f因素下亚微米颗粒发生团聚各水平指标最大值和最小值之差。经烟气降温、温湿耦合、温湿酸耦合、温湿酸湿灰耦合，亚微米细颗粒物发生团聚后，颗粒物体积分布平均粒径的极差分别为11.021、1.061、12.121、6.782 μm，即RC>RA>RD>RB，由此可知各影响因素对亚微米细颗粒物发生团聚影响的主次顺序为C>A>D>B，在深度降温下的温湿酸耦合的团聚效果最好，温湿酸灰耦合的团聚效果次之，温湿耦合团聚效果最弱。

亚微米细颗粒物发生团聚脱除后，脱除效率的极差分别为13.069%、3.495%、7.014%、5.825%，即RA>RC>RD>RB，由此可知各影响因素对脱除效率影响的主次顺序为A>C>D>B，即烟气降温是主要因素，而烟气的湿度影响最小，温湿酸耦合影响大于湿酸灰耦合。

亚微米细颗粒物发生团聚脱除后，个数分布平均粒径的极差分别为0.312、0.016、0.027、0.132 μm，即RA>RD>RC>RB，由此可知各个影响因素对脱除后个数分布平均粒径影响的主次顺序为A>D>C>B，即烟气降温是主要因素，而烟气湿度影响最小。温湿酸灰耦合影响大于温湿酸耦合。

4 结 论

1)温湿酸耦合蒸发、烟气冷凝降温、亚微米细颗粒物在烟气曳力，团聚环境改善，吸附性加强的共同作用下，碰撞加剧，酸性雾化液滴与颗粒物、颗粒物与颗粒物之间的团聚性能加强。与温湿酸耦合蒸发相比，较高浓度颗粒物下的温湿酸灰耦合蒸发，在气固两相流运动中，亚微米细颗粒物之间共同黏附、凝结与团聚下，随黏附性颗粒物浓度的增加，单位体积内颗粒物的碰撞频率加剧，管道内径向分布增多，体积分布平均粒径增大，形成了更易于被静电除尘器捕捉的团聚颗粒。但随着体积分布平均粒径增大减弱，使团聚程度的效果较温湿酸耦合减弱。所以温湿酸灰耦合蒸发中，应控制好亚微米细颗粒物的浓度。

2)伴随着烟气降温、增湿、酸化及亚微米细颗粒物浓度的耦合，亚微米细颗粒物团聚成适应除尘器捕集的粒径段团聚体。亚微米颗粒物的团聚效果较好的温湿酸耦合蒸发，其脱除效率也高。而亚微米细颗粒浓度较高的温湿酸灰耦合蒸发，在适当的浓度范围内，随着其风道内径向分布浓度的增大，亚微米细颗粒物相互接触碰撞增多，被静电除尘器捕捉的团聚颗粒增多，其脱除后个数分布平均粒径减小，脱除效果更好。

3)烟气酸化蒸发可提高电除尘对亚微米细颗粒物的脱除效果。尤其在烟气降温的主导下，耦合增湿、酸化及改变亚微米细颗粒物浓度，强化了亚微米细颗粒物团聚性能的提高和脱除效果。

4)可考虑应用于以降低亚微米细颗粒物排放为主的燃煤电厂，是湿法烟气脱硫中脱硫废水处理的途径之一，即将脱硫废水蒸发处理结合余热回收及静电除尘，在除尘器出力范围内，将脱硫废水蒸发与烟气降温及亚微米细颗粒物进行耦合，改善烟气中亚微米细颗粒物脱除效果。改善脱除效果的同时，可采取一些防酸保护措施，有利于提高静电除尘器的除尘效率。