水汽相變耦合撞擊流促進(jìn)細(xì)顆粒物脫除的研究.pdf

1、細(xì)顆粒物污染正威脅著人類的生存與發(fā)展，化石燃料燃燒是其主要的一次來源。雖然目前國際上總顆粒物控制技術(shù)已達(dá)到較高水平，但對于數(shù)量巨大的細(xì)顆粒物的捕獲率卻較低。通過外加條件作用使細(xì)顆粒物長大后再進(jìn)行脫除，已成為目前控制細(xì)顆粒物排放的重要技術(shù)途徑。采用水汽相變耦合撞擊流技術(shù)控制細(xì)顆粒物是一種極具潛力的的新方法，特別是與燃煤電廠現(xiàn)有的濕法、半干法煙氣脫硫工藝結(jié)合起來，是最有望實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用的技術(shù)途徑之一。本文針對細(xì)顆粒物在水汽相變耦合撞擊流作用下

2、長大與脫除所涉及到的一些關(guān)鍵性問題展開研究，對脫硫凈煙氣溫濕度變化特性、撞擊流相變室內(nèi)過飽和水汽場的形成規(guī)律、撞擊流相變室內(nèi)流場結(jié)構(gòu)與顆粒運(yùn)動行為規(guī)律、顆粒的凝結(jié)長大與含塵液滴的碰撞凝并長大特性、撞擊流相變室對細(xì)顆粒的脫除性能及系統(tǒng)阻力特性等問題開展了深入系統(tǒng)的研究。
　　 為創(chuàng)建細(xì)顆粒相變凝結(jié)長大所需的過飽和水汽場，采用Vaisala-HMT337型溫濕度變送器分析測試了鈣基濕法與LIFAC脫硫凈煙氣的溫濕度變化特性，并根據(jù)實(shí)

3、驗(yàn)測試結(jié)果，得到了關(guān)于濕法脫硫凈煙氣溫濕度變化特性的回歸模型;在此基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬方法對脫硫凈煙氣與水蒸汽在撞擊流相變室內(nèi)混合過程中過飽和水汽場的形成規(guī)律進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明，脫硫凈煙氣溫濕度變化特性主要取決于脫硫操作條件和脫硫前煙氣特性;在濕法脫硫過程中，適當(dāng)提高液氣比、脫硫漿液溫度或減小空塔氣速，均可增大脫硫凈煙氣的相對濕度。低溫高濕的脫硫凈化煙氣為過飽和水汽環(huán)境的形成提供了良好的基礎(chǔ)條件，只需向其中添加少量(如0.02kg/

4、Nm3)水蒸汽即可形成過飽和水汽場;撞擊流極佳的混合性能，使得撞擊流相變室內(nèi)過飽和水汽分布非常均勻，各處溫差最大不超過0.2℃、過飽和度相差最大不超過0.003;撞擊流相變室內(nèi)能達(dá)到的水汽過飽和度與蒸汽添加量有關(guān)，為形成較高的水汽過飽和度，適宜的蒸汽添加量為0.03～0.05kg/Nm3。
　　 針對石灰石-石膏濕法煙氣脫硫(WFGD)工藝，分析了WFGD前后細(xì)顆粒的變化特性，并對經(jīng)WFGD工藝后的細(xì)顆粒在四種不同結(jié)構(gòu)的相變室中

5、的相變脫除特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，基于實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，得到了撞擊流相變室中細(xì)顆粒脫除效率的回歸模型。結(jié)果表明，燃煤煙氣經(jīng)WFGD工藝后，PM2.5數(shù)量與質(zhì)量濃度均略有增加;細(xì)顆粒脫除效率與脫硫凈煙氣特性、蒸汽添加量及添加位置、除霧器類型、相變室結(jié)構(gòu)類型及操作參數(shù)等有關(guān)。水汽相變耦合撞擊流作用可顯著促進(jìn)細(xì)顆粒物脫除;與普通蒸汽相變室內(nèi)僅有水汽凝結(jié)作用相比，撞擊流相變室還可促進(jìn)細(xì)顆粒物間的相互碰撞聚并，使得細(xì)顆粒物脫除效率明顯提高，在蒸汽添加量為

6、0.04 kg/Nm3時(shí)，傾斜撞擊流相變室中細(xì)顆粒物的數(shù)量濃度脫除率可由普通立式、臥式相變室的33.1％、34.1％增至66.1％;與僅在撞擊流作用下相比，細(xì)顆粒在水汽相變耦合撞擊流作用下的脫除效率也大幅增大。與水平撞擊流相變室相比，傾斜（傾角30°）撞擊流相變室對細(xì)顆粒脫除效率更高。
　　 撞擊流相變室中涉及氣體的高速流動，對撞擊流相變室系統(tǒng)的流體阻力特性及除霧器上的壓降進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，撞擊流相變室系統(tǒng)（包括除霧

7、器）的流體阻力適中，一般在幾百帕，動力消耗較小，且主要消耗在除霧器上，在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，除霧器上壓降占相同實(shí)驗(yàn)條件下相變室系統(tǒng)阻力的50％以上，因此，動力消耗不會成為應(yīng)用水汽相變耦合撞擊流技術(shù)控制細(xì)顆粒物排放的主要障礙。
　　 為充分掌握細(xì)顆粒物在撞擊流相變室中的運(yùn)動行為規(guī)律，基于流體動力學(xué)理論，采用數(shù)值模擬的方法，分別對水平與傾斜（傾角30°）撞擊流相變室內(nèi)的流場結(jié)構(gòu)與顆粒流動特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，撞擊流相變室中流場與顆粒

8、濃度關(guān)于撞擊面“鏡像”對稱分布。撞擊區(qū)是整個(gè)撞擊流相變室的核心活性區(qū)域，顆粒（液滴）的碰撞凝并長大主要發(fā)生在撞擊區(qū);細(xì)顆粒在撞擊面兩側(cè)發(fā)生往復(fù)振蕩運(yùn)動，顆粒在撞擊區(qū)停留時(shí)間增加，使得大量細(xì)顆粒在撞擊區(qū)匯聚，撞擊區(qū)顆粒數(shù)濃度顯著增大，遠(yuǎn)高于周圍其他區(qū)域，增大了細(xì)顆粒間的碰撞凝并效率;撞擊區(qū)流場中較大的速度梯度、壓力梯度、湍流強(qiáng)度，均有利于強(qiáng)化細(xì)顆粒（液滴）的梯度團(tuán)聚和湍流團(tuán)聚。與水平撞擊流相變室相比，傾斜（傾角30°）撞擊流相變室中顆粒停

9、留時(shí)間更長、撞擊區(qū)中匯聚的細(xì)顆粒數(shù)量更多、顆粒間的碰撞凝并效率更高;在傾斜（傾角30°）撞擊流相變室的流場中，撞擊區(qū)下方兩側(cè)出現(xiàn)了明顯的旋渦，其旋渦區(qū)域及旋渦強(qiáng)度均明顯大于水平撞擊流相變室。此外，傾斜撞擊流相變室下部區(qū)域呈微正壓，可有效避免沉降到相變室底部的細(xì)顆粒物被重新卷吸起來。
　　 為揭示細(xì)顆粒物在凝結(jié)作用與水汽相變耦合撞擊作用下的長大特性，分別建立了細(xì)顆粒在過飽和水汽場中凝結(jié)長大的數(shù)學(xué)模型與僅考慮布朗碰并和湍流碰并的顆粒

10、（液滴）群碰撞凝并長大的數(shù)學(xué)模型，采用分區(qū)法對顆粒群碰撞凝并動力學(xué)方程進(jìn)行數(shù)值求解;在此基礎(chǔ)上，對細(xì)顆粒脫除效率進(jìn)行了數(shù)值預(yù)測，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果表明，在水汽凝結(jié)作用下，細(xì)顆粒數(shù)量濃度不變、粒徑增大;亞微米細(xì)顆粒在幾毫秒至幾十毫秒內(nèi)即可長大為微米級的含塵液滴;長大后含塵液滴的粒徑與水汽初始過飽和度及初始顆粒粒徑大小有關(guān);多分散性燃煤細(xì)顆粒峰值粒徑由0.1μm凝結(jié)增長至0.9μm，凝結(jié)長大后的含塵液滴分散度減小、粒徑分布變窄。細(xì)顆