低低溫工況下顆粒凝并機理分析及研究方法初探

劉含笑，袁建國，酈祝海，酈建國，姚宇平，何毓忠

（浙江菲達環?？萍脊煞萦邢薰荆贾?311800）

近年來，我國大中城市霧霾、酸雨等天氣頻發，需要不斷提高煙塵排放標準來改善空氣質量。例如，《火電廠大氣污染物排放標準》（GB 13223—2011）已將煙塵排放限值由50mg／m3降至30mg／m3，重點地區降至20mg／m3，《環境空氣質量標準》（GB 3095—2012）增設了PM2.5濃度限值，并給出了監測實施的時間表。由于環境容量有限等原因，長三角、珠三角等地部分燃煤電廠已開始執行燃機標準，即要求煙塵排放限值為5 mg／m3。國家發改委、環保部和國家能源局三部委聯合于2014年9月頒發了《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014—2020年）》，要求東部地區新建燃煤機組煙塵排放濃度不高于10mg／m3，對中部和西部地區也提出了要求。將達到或接近燃機標準排放限值稱為“超低排放”，因此要求電除塵技術要同時達到低排放、高效率和低能耗的效果。

低低溫電除塵技術是從電除塵器及濕法煙氣脫硫工藝演變而來，由于該技術的粉塵比電阻低、擊穿電壓高、煙氣量低，特別是可以產生顆粒降溫凝并，大幅提高了除塵器的除塵效率。日本日立相關專家的研究結果表明，當采用低低溫電除塵器時，除塵器出口煙塵平均粒徑大于3μm，明顯大于常規電除塵器，并且脫硫出口煙塵濃度明顯降低，可以脫除煙氣中的大部分SO3，提高濕法脫硫系統的協同除塵效果。本文將對低低溫工況條件下顆粒凝并的機理進行分析，并給出一種理論計算與實驗觀測相結合的研究方法。對于低低溫工況下顆粒凝并機理的研究可以采用理論計算分析和實驗觀測相結合的手段，其中顆粒凝并機理的計算可直接借助商業CFD軟件或通過對其二次開發來實現，實驗研究的關鍵在于觀測手段及測試儀器的選取。

1 低低溫工況下的顆粒凝并機理

低低溫電除塵器通過煙氣冷卻器或煙氣換熱系統（包括煙氣冷卻器和煙氣再熱器）把電除塵器入口煙氣溫度降低至酸露點以下（一般在90℃左右），煙氣中大部分SO3可以在煙氣冷卻器中冷凝成硫酸霧并粘附在粉塵表面，從而改變了粉塵的物理和化學性質，促進細顆粒物的凝并。對低低溫工況條件下顆粒凝聚的機理研究，目前國內外尚未見有相關報道，本文僅對SO3調質顆粒團聚和顆粒增濕團聚的相關文獻進行整理分析，并據此推測低低溫工況下顆粒的凝并機理。

1.1 SO3調質顆粒凝并

文獻［1］的研究結果表明，硫酸調質劑首先被吸附并凝結在飛灰表面毛細孔內，繼而擴展到整個飛灰表面，形成一層水膜。通過改變飛灰的黏附性以及飛灰顆粒之間的作用力，可以增大飛灰的粒徑并提高粉塵層間的粘附能力，減少二次揚塵。

文獻［2］研究了煙氣中SO3對微細顆粒物團聚性能的影響，結果表明在鍋爐額定工況下，當煙氣中SO3的質量濃度增加約34.3mg／m3時，飛灰表面張力減小、黏附力增大，微細顆粒可以團聚為大顆粒，平均粒徑增大、比表面積減小，從而使電除塵器效率明顯提高。

1.2 粉塵吸濕性

粉塵的吸濕性是指粉塵從周圍空氣中吸收水分的能力，SO3可明顯提高粉塵的吸濕性。文獻［3］的研究工作表明，SO3是活性很大的強氧化劑，并且極易吸收水分；向煙氣中噴入一定量的SO3可使煙氣中粉塵吸收的水分含量提高約7～8倍。文獻［2］采用吸濕率法分析了SO3對煙氣中顆粒物吸濕性能的影響，調質后粉塵的吸濕性明顯增大。這主要由于SO3氣體易溶于液膜中，能有效降低液膜的表面張力，使粉塵吸濕性增大，顆粒間黏附性相應提高。

1.3 顆粒增濕凝并

顆粒的凝并與顆粒的潤濕特性密切相關，潤濕是指顆粒表面的氣體被液體所取代的過程，固體表面的化學性質和結構決定了其潤濕性能，通過添加潤濕劑的方式可以改善顆粒的潤濕性能［4］。文獻［5］研究了顆粒表面特性與顆粒凝并的關系，分別利用完全疏水性、半疏水性、親水性顆粒研究了潤濕角對顆粒凝并的影響，結果表明顆粒的凝并生長隨著潤濕角的減小而變得明顯。文獻［6］研究了CFB-FGD工藝過程中顆粒的增濕凝并現象，發現顆粒凝并方式存在3種不同特征，即鏈狀或叢狀凝并、表面粘附、包衣結構。

1.4 低低溫工況下顆粒凝并

根據分析可以推斷低低溫工況下顆粒的凝并過程如圖1所示。煙氣溫度低于酸露點后，煙氣中的SO3冷凝并吸收煙氣中的水分形成硫酸霧；由于硫酸具有極強的吸水性，因此硫酸霧吸附到顆粒表面后增加顆粒的吸濕性，可以繼續吸收煙氣中的水分。當煤灰顆粒吸附硫酸霧和水分到一定程度后，表面會逐漸形成一層液膜；當兩粒子表面之間的液膜相互接觸時，液體的表面張力就會形成“液橋”，將兩黏附體“拉”在一起，這時小顆粒間凝并成團或粘附在大顆粒上。

圖1 低低溫工況下顆粒凝并過程

2 顆粒凝并機理的模型和分析

煙氣中SO3冷凝成硫酸霧并吸附在煤灰顆粒表面，這個過程發生在除塵器前的煙氣冷卻器中，因此要以煙氣冷卻器為研究對象，研究其內部顆粒的凝并機理。顆粒碰撞主要取決于顆粒在煙氣冷卻器中的運動情況，而顆粒碰撞后是否發生凝并及凝并后顆粒的再破碎主要取決于顆粒本身的運動、化學特性以及外部受力情況。

顆粒凝并效果的評價可以分為顆粒碰撞（包括幾何碰撞和碰撞效率）、顆粒凝并和顆粒破碎3個過程。顆粒凝并的效果與顆粒幾何碰撞、碰撞效率和凝并效率有關［7］：幾何碰撞是指在不考慮碰撞后事件時，因為流體對顆粒的拖曳力和布朗力作用造成的碰撞；當碰撞即將發生時，顆粒間的流體潤滑效應會減少顆粒實際碰撞，特別是大小不一致的顆粒間碰撞，會影響碰撞效率；碰撞后是否繼續凝并是受顆粒的表面粘性控制，而范德華力，濕度以及靜電等都會提高顆粒間粘附作用。

3 顆粒在煙氣冷卻器中的運動軌跡

煙氣冷卻器內煙氣流速較高，并設有大量的換熱管束，流場處于湍流狀態，這里將煙氣冷卻器簡化為幾根管束錯列布置（見圖2），對其流場內顆粒運動軌跡進行定性分析。

引入2d-LES模型，計算湍流流場［8］，基于離散相模型（DPM）計算顆粒運動軌跡［9］。入口條件為速度入口，出口條件為OUTFLOW，時間步長取0.001s，入口流速設為10m／s，入口顆粒粒徑從1～100μm，符合R-R分布，其中=50 μm，n=3.5。經計算，當t=4s時煙氣冷卻器內顆粒運動軌跡如圖3所示。不同粒徑顆粒運動速度大小和方向不同，軌跡交叉在一起，并且在湍流流場中存在明顯的局部富集效應，這大大提高了顆粒的碰撞頻率，當顆粒表面包裹一層液膜后，顆粒粘性增加，此時顆粒的凝并效果也會明顯提高。

圖2 煙氣冷卻器二維幾何模型

4 顆粒的凝并和破碎

利用歐拉雙流體方法，引入顆粒群平衡計算模型（PBM）計算顆粒凝聚、破碎［10］?；陬w粒稀疏和分子混沌假設，在同時考慮顆粒聚并、破碎的情況下，建立在歐拉坐標體系的顆粒尺度分布函數的平衡方程：

圖3 顆粒運動軌跡

式中?n（v，t）——體積為v的粒子在t時刻粒子數目濃度分布函數；β（u，v-u）——體積分別為u和v-u的粒子間凝聚核函數；S（u，t）——顆粒的破碎核；γ（u，v，t）——母顆粒（u）破碎產生子顆粒（v）的概率；vmin，vmax——所研究顆粒物體系中粒子體積的最小值和最大值。

分析煙氣冷卻器內的環境條件及顆粒的運動情況，根據聚并機理的不同，煙氣冷卻器內顆粒主要聚并形式有增濕聚并、湍流聚并和熱聚并等，因為各種聚并形式對于顆粒碰撞的影響尺度不同，可以認為兩者是相互獨立的［11］。因而任意兩種聚并形式疊加后的聚并核函數可以表示為：

湍流聚并、熱聚并核函數可以參照文獻［10］，而目前關于增濕凝并核函數的研究尚未見報道，這里為探討計算方法的合理性，近似將顆粒增濕凝并核函數簡化為常數。破碎核在本次計算中暫不考慮。通過用戶自定義函數（UDF）功能將上述聚并核函數導入計算軟件，顆粒初始分布設為單分散體系如表1所示，幾何模型如圖2所示，增濕凝并核函數定義為10-11，其余邊界條件同圖2計算，采用分區算法進行計算。

經計算，不同時刻顆粒粒徑分布如圖4所示。隨著時間的推移，小粒徑顆粒數量逐漸減少，大粒徑顆粒數量逐漸增多。當t=0.6s以后，粒徑分布變化不再明顯，這個時間近似于氣流經過煙氣冷卻器所需要的時間。計算結果能夠比較真實地反映煙氣冷卻器中顆粒的凝并過程，但關鍵在于顆粒增濕凝并核函數的準確模化。

表1 各尺度顆粒的體積分數

圖4 粒徑分布隨時間的演變

5 實驗驗證

計算方法及其結果可以用實驗手段進行驗證，根據測量原理不同，目前用于顆粒凝并方面研究的檢測技術主要有重量法、電荷法、光學法。其中，重量法和電荷法進行顆粒采樣時首先用沖擊板或旋風分離器分離掉大粒徑顆粒，然后進入撞擊器，按粒徑不同逐級捕獲，由于在分離大粒徑顆粒和進行粒徑分級過程中，不同慣性顆粒間存在大量碰撞的機會，并且當凝并后顆粒所受外力大于自身吸引力后會存在二次破碎的問題，因此這兩種方法會給顆粒凝并效率的評價帶來較大的誤差。光學法是通過測量顆粒物的反射光或透射光來確定顆粒物的粒徑與濃度，這種方法也可以實時得到顆粒物的質量濃度，對顆粒凝并、破碎效果干擾較小，更適合作為實驗室觀測顆粒凝并機理的檢測手段。

光學法檢測儀器主要有多普勒粒子分析儀（Phase Doppler Particle Analyser，簡稱PDPA）、激光粒子圖像分析測試系統（Particle／Droplet Image Analysis，簡稱PDIA）、激光誘導可見光技術（Laser-Induced Incandescence，簡稱 LII）和激光誘導熒光技術（Laser Induced Florescence，簡稱LIF）等。Indigo公司曾在Adelaide大學用激光熒光法，將摻混了熒光物質的水滴注入流場中研究顆粒凝并，證實了湍流凝聚器對細粉塵的凝并效果。利用LIF檢測的凝聚前后顆粒的質量濃度圖［11-12］如圖5所示。該技術同樣適用于低低溫工況下顆粒凝并現象的研究。

圖5 利用LIF檢測的凝聚前后顆粒的質量濃度圖

6 結論

本文基于文獻調研及相關研究基礎上，對低低溫工況條件下顆粒凝并的機理進行了分析，并給出了一種理論計算與實驗觀測相結合的研究方法，主要結論如下。

（1）在SO3對粉塵吸濕性能的影響及顆粒增濕凝并的相關研究的基礎上，給出了低低溫工況下顆粒凝并的一種假設：煙氣中的SO3吸收煙氣中的水分，形成硫酸霧吸附到顆粒表面后形成一層液態H2SO4膜，當兩粒子表面之間的液膜相互接觸時，液體的表面張力形成“液橋”將兩黏附體“拉”在一起，提高顆粒凝并效果。

（2）煙氣冷卻器中流速較高，利用2d-LES模型模擬湍流流場，利用離散相模型計算煙氣冷卻器中顆粒運動軌跡。計算結果表明，換熱管束具有很好的擾流效果，顆粒在湍流流場中存在明顯的局部富集效應，這大大提高了顆粒的碰撞頻率。

（3）利用歐拉雙流體方法，引入顆粒群平衡計算模型計算顆粒凝并、破碎問題，并通過編寫用戶自定義函數引入顆粒湍流凝并、熱凝并和增濕凝并核函數，暫定顆粒增濕凝并核函數為常數，并忽略顆粒破碎。計算結果能較好地反映煙氣冷卻器中顆粒的凝并過程，但關鍵在于顆粒增濕凝并核函數的準確?；?。

（4）光學法是通過測量顆粒物的反射光或透射光來確定顆粒物的粒徑與濃度，對顆粒凝并、破碎效果干擾較小，可以作為實驗室觀測顆粒凝并機理的有效檢測手段。

（5）通過實驗觀測結果對理論結果進行驗證，這種理論計算與實驗觀測相結合的方法可以作為低低溫工況下顆粒凝并機理研究的一種有效手段。

［1］ 楊昱，武建新.SO3煙氣調質技術在提高靜電除塵器效率中的應用［J］.機械工程與自動化，2012（6）：204-205.YANG Yu，WU Jian-xin.Using SO3flue gas conditioning technology to improve electrostatic precipitator′s efficiency［J］.Mechanical Engineering ＆ Automation，2012（6）：204-205.

［2］ 齊立強，原永濤，史亞微.燃煤煙氣中的SO3對微細顆粒

物電除塵特性的影響［J］.動力工程學報ISTIC，2011，31（7）：539-543.

QI Li-qiang，YUAN Yong-tao，SHI Ya-wei.Influence of SO＿3on electrostatic precipitation of fine particles in flue gas［J］.Power Engineering，2011，31（7）.

［3］ Harrington D A.Elect rochemical impedance of multistep

mechanisms：ag ener al theor y［J］.Journal of Electroa-nalytical Chemistry，1998，449（3）：9-28.

［4］ 齊國杰，董勇，崔琳，等.超細顆粒物增濕團聚技術研究進展［J］.化工進展，2009，28（5）：745-749.QI Guo-jie，DONG Yong，CUI Lin，et al.Review of submicron particles humidifying agglomeration［J］.Chemical Industry and Engineering Progress，2009，28（5）.

［5］ Hemati M.Fluidized bed coating and granulation：influence of process—related variables and physicochemical properties on the growth kinetics［J］.Powder Technology，2003，130：18-34.

［6］ 董勇，齊國杰，崔琳，等.循環流化床煙氣脫硫工藝中顆粒增濕團聚現象的分析［J］.動力工程，2009（7）：671-675.DONG Yong，QI Guo-jie，CUI Lin，et al.Analysis on agglomeration of humidified particles in CFB-FGD process［J］.Power Engineering，2009，29（7）.

［7］ 李瑞霞.均勻湍流內湍流—布朗顆粒碰撞的直接模擬研究［D］.華中科技大學，2006.

［8］ 酈建國，劉含笑，姚宇平.微顆粒捕集增效裝置二維單擾流柱流場計算［J］.華東電力，2013，41（011）：2404-2407.LIU Han-xiao，YAO Yu-ping，LI Jian-guo，et al.Flow field calculation of 2Dsingle turbulence column in the PM2.5capture efficiency device［J］.East China Electric Power，2013，41（011）：2404-2407.

［9］ 劉忠，劉含笑，馮新新，等.湍流聚并器流場和顆粒運動軌跡模擬［J］.中國電機工程學報，2012，32（14）71-75.LIU Zhong，LIU Han-xiao，FENG Xin-xin，et al.Simulation for the flow field of the turbulence coalescence device and the trajectory of particles［J］.Proceedings of the CSEE，2012，32（14）：71-75.

［10］ 劉忠，劉含笑，馮新新，等，超細顆粒物聚并模型的比較研究［J］.燃燒科學與技術，2012，18（3）：212-216.LIU Zhong，LIU Han-xiao，FENG Xin-xin，et al.Comparative study on the different coalescence models of ultrafine particles［J］.Journal of Combustion Science and Technology，2012，18（3）：212-216.

［11］ Pruppacher HR，Klett JD.Microphysics of Clouds and Precipitation：D.Reidel，1977.

［12］ 劉含笑，姚宇平，酈建國，等.PM2.5團聚測量技術及其研究進展［J］.電力與能源，2013（2）：118-123.LIU Han-xiao，YAO Yu-ping，LI Jian-guo，et al.Measurement technology and research progress of the PM2.5 coalescence experiment［J］.Power ＆ Energy，2013 （2）：118-123.