水汽相變耦合撞擊流促進細顆粒物脫除的研究.pdf

1、細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已達到較高水平，但對于數量巨大的細顆粒物的捕獲率卻較低。通過外加條件作用使細顆粒物長大后再進行脫除，已成為目前控制細顆粒物排放的重要技術途徑。采用水汽相變耦合撞擊流技術控制細顆粒物是一種極具潛力的的新方法，特別是與燃煤電廠現有的濕法、半干法煙氣脫硫工藝結合起來，是最有望實現工業(yè)應用的技術途徑之一。本文針對細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、撞擊流相變室內過飽和水汽場的形成規(guī)律、撞擊流相變室內流場結構與顆粒運動行為規(guī)律、顆粒的凝結長大與含塵液滴的碰撞凝并長大特性、撞擊流相變室對細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)建細顆粒相變凝結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，并根據實

3、驗測試結果，得到了關于濕法脫硫凈煙氣溫濕度變化特性的回歸模型;在此基礎上，采用數值模擬方法對脫硫凈煙氣與水蒸汽在撞擊流相變室內混合過程中過飽和水汽場的形成規(guī)律進行研究。研究結果表明，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;撞擊流相變室內能達到的水汽過飽和度與蒸汽添加量有關，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前后細顆粒的變化特性，并對經WFGD工藝后的細顆粒在四種不同結構的相變室中

5、的相變脫除特性進行了實驗研究，基于實驗研究結果，得到了撞擊流相變室中細顆粒脫除效率的回歸模型。結果表明，燃煤煙氣經WFGD工藝后，PM2.5數量與質量濃度均略有增加;細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、相變室結構類型及操作參數等有關。水汽相變耦合撞擊流作用可顯著促進細顆粒物脫除;與普通蒸汽相變室內僅有水汽凝結作用相比，撞擊流相變室還可促進細顆粒物間的相互碰撞聚并，使得細顆粒物脫除效率明顯提高，在蒸汽添加量為

6、0.04 kg/Nm3時，傾斜撞擊流相變室中細顆粒物的數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行了實驗研究。研究結果表明，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，在試驗條件范圍內，除霧器上壓降占相同實驗條件下相變室系統(tǒng)阻力的50％以上，因此，動力消耗不會成為應用水汽相變耦合撞擊流技術控制細顆粒物排放的主要障礙。
　　 為充分掌握細顆粒物在撞擊流相變室中的運動行為規(guī)律，基于流體動力學理論，采用數值模擬的方法，分別對水平與傾斜（傾角30°）撞擊流相變室內的流場結構與顆粒流動特性進行了研究。結果表明，撞擊流相變室中流場與顆粒

8、濃度關于撞擊面“鏡像”對稱分布。撞擊區(qū)是整個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);細顆粒在撞擊面兩側發(fā)生往復振蕩運動，顆粒在撞擊區(qū)停留時間增加，使得大量細顆粒在撞擊區(qū)匯聚，撞擊區(qū)顆粒數濃度顯著增大，遠高于周圍其他區(qū)域，增大了細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、湍流強度，均有利于強化細顆粒（液滴）的梯度團聚和湍流團聚。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、留時間更長、撞擊區(qū)中匯聚的細顆粒數量更多、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)下方兩側出現了明顯的旋渦，其旋渦區(qū)域及旋渦強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顆粒物被重新卷吸起來。
　　 為揭示細顆粒物在凝結作用與水汽相變耦合撞擊作用下的長大特性，分別建立了細顆粒在過飽和水汽場中凝結長大的數學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學模型，采用分區(qū)法對顆粒群碰撞凝并動力學方程進行數值求解;在此基礎上，對細顆粒脫除效率進行了數值預測，并與實驗結果進行比較。結果表明，在水汽凝結作用下，細顆粒數量濃度不變、粒徑增大;亞微米細顆粒在幾毫秒至幾十毫秒內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;多分散性燃煤細顆粒峰值粒徑由0.1μm凝結增長至0.9μm，凝結長大后的含塵液滴分散度減小、粒徑分布變窄。細顆