化學(xué)與湍流團(tuán)聚耦合促進(jìn)燃煤細(xì)顆粒物團(tuán)聚與脫除

孫宗康，張笑丹，楊林軍，陳帥，吳新

（東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京210096）

引 言

中國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費(fèi)國，超過60%的煤被用來燃燒發(fā)電[1-2]。煤炭燃燒會(huì)產(chǎn)生大量的粉煤灰，其中含有大量空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于2.5 μm 的細(xì)顆粒物（PM2.5），由于其粒徑較小，傳統(tǒng)的除塵設(shè)備如靜電除塵器、布袋除塵器等對其脫除效率相對較低，導(dǎo)致大量的細(xì)顆粒物被排放到大氣中，造成嚴(yán)重的空氣污染問題[3-6]。同時(shí)，細(xì)顆粒物比表面積大，極易吸附有害物質(zhì)并隨呼吸進(jìn)入人體，對人類健康造成威脅[7-9]。因此，提高燃煤細(xì)顆粒物的脫除效果是環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域一個(gè)迫切要解決的問題。

目前，針對燃煤細(xì)顆粒物排放的控制措施主要分為兩類，一類是開發(fā)新型的除塵設(shè)備，包括低溫電除塵器、濕式電除塵器與電袋除塵器等[10-11]；另一類是采用團(tuán)聚預(yù)處理技術(shù)，使顆粒物團(tuán)聚長大后再采用傳統(tǒng)除塵設(shè)備脫除的方法[12-13]。其中，團(tuán)聚預(yù)處理技術(shù)包括聲波團(tuán)聚、化學(xué)團(tuán)聚、電團(tuán)聚、磁團(tuán)聚、水汽相變以及湍流團(tuán)聚[14-18]等。化學(xué)團(tuán)聚是指通過噴入一定濃度的化學(xué)團(tuán)聚劑溶液促進(jìn)顆粒物長大，從而使其更易被后續(xù)除塵設(shè)備脫除的技術(shù)。劉勇等[19]采用黃原膠為團(tuán)聚劑，通過實(shí)驗(yàn)考察了化學(xué)團(tuán)聚前后PM2.5濃度及粒徑分布的變化，結(jié)果表明添加團(tuán)聚劑后，細(xì)顆粒物由于潤濕作用、液橋力和吸附架橋作用增強(qiáng)了相互之間的碰撞和團(tuán)聚。胡斌等[20]采用燃煤熱態(tài)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，分析探討了化學(xué)團(tuán)聚技術(shù)對電除塵脫除PM2.5和SO3的促進(jìn)作用。郭沂權(quán)等[21]針對某電廠2×340 MW 燃煤機(jī)組，進(jìn)行了細(xì)顆粒物化學(xué)團(tuán)聚工業(yè)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明噴入化學(xué)團(tuán)聚劑后能夠持續(xù)有效地促進(jìn)電除塵對細(xì)顆粒物的脫除。湍流團(tuán)聚是指細(xì)顆粒物在湍流流場中由于運(yùn)動(dòng)速度與軌跡的不同所導(dǎo)致的碰撞團(tuán)聚現(xiàn)象。陳冬林等[22]實(shí)驗(yàn)研究了煙氣參數(shù)對細(xì)顆粒湍流聚并的影響，結(jié)果表明提高煙氣流速和增大顆粒物濃度均有利于顆粒物的碰撞團(tuán)聚。孫德帥等[23]在可吸入顆粒團(tuán)聚室內(nèi)引入氣體射流，使團(tuán)聚室內(nèi)形成局部湍流強(qiáng)化顆粒碰撞，結(jié)果表明增大射流出口Reynolds數(shù)和增大射流與主氣流的氣速比均能提高顆粒物的清除效率。章鵬飛等[24-25]通過數(shù)值模擬研究了煙氣流速、裝置元件角度、元件排列間距以及顆粒物濃度等因素對細(xì)顆粒物湍流聚并的影響規(guī)律。

雖然化學(xué)團(tuán)聚與湍流團(tuán)聚技術(shù)都能夠促進(jìn)細(xì)顆粒物的團(tuán)聚和長大，但是這兩種技術(shù)單獨(dú)應(yīng)用時(shí)均存在一定的局限性。化學(xué)團(tuán)聚僅通過團(tuán)聚劑液滴與顆粒物的自然接觸實(shí)現(xiàn)碰撞團(tuán)聚，無法有效促進(jìn)液滴對顆粒物的黏附，而在湍流團(tuán)聚過程中，細(xì)顆粒物僅依靠顆粒物表面間微弱的范德華力進(jìn)行連接團(tuán)聚，導(dǎo)致單獨(dú)的化學(xué)團(tuán)聚與湍流團(tuán)聚方式對細(xì)顆粒的團(tuán)聚效率都不高。

本文將化學(xué)團(tuán)聚與湍流團(tuán)聚技術(shù)耦合，利用湍流團(tuán)聚過程中產(chǎn)生的湍流流場促進(jìn)液滴與細(xì)顆粒物的混合黏附，同時(shí)利用化學(xué)團(tuán)聚劑液滴與細(xì)顆粒物之間的毛細(xì)力促進(jìn)細(xì)顆粒物在湍流流場中的連接和團(tuán)聚，從而進(jìn)一步提高細(xì)顆粒物的團(tuán)聚與脫除效果。實(shí)驗(yàn)考察了燃煤細(xì)顆粒物在化學(xué)與湍流團(tuán)聚耦合作用下的團(tuán)聚與脫除效果，以及顆粒物濃度、煙氣溫度、團(tuán)聚液噴入量與煙氣流速等因素對細(xì)顆粒物團(tuán)聚與脫除效果的影響規(guī)律，從而為細(xì)顆粒物團(tuán)聚技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1 化學(xué)-湍流耦合團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagram of chemical-turbulent agglomeration experiment system

圖1為化學(xué)-湍流耦合團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括空氣加熱器、氣溶膠發(fā)生器、緩沖罐、化學(xué)團(tuán)聚系統(tǒng)、湍流團(tuán)聚系統(tǒng)、靜電除塵器（ESP）、變頻引風(fēng)機(jī)以及相關(guān)測試設(shè)備。在實(shí)驗(yàn)過程中，空氣由空氣加熱器加熱至一定溫度進(jìn)入緩沖罐，同時(shí)粉煤灰由氣溶膠發(fā)生器（德國Topas，SAG-410 型）勻速噴入緩沖罐中，與熱空氣在攪拌器作用下混合成均一穩(wěn)定的模擬煙氣。其中，粉煤灰取自南京某燃煤電廠靜電除塵器灰斗中排出的灰。模擬煙氣依次進(jìn)入化學(xué)團(tuán)聚系統(tǒng)和湍流團(tuán)聚系統(tǒng)發(fā)生團(tuán)聚長大作用，之后由靜電除塵器脫除煙氣中的顆粒物并經(jīng)變頻引風(fēng)機(jī)排出，實(shí)驗(yàn)過程中ESP電壓穩(wěn)定在-40 kV。其中，化學(xué)團(tuán)聚系統(tǒng)由化學(xué)團(tuán)聚室、雙流體霧化噴嘴、團(tuán)聚液儲(chǔ)罐、計(jì)量泵以及空壓機(jī)組成?；瘜W(xué)團(tuán)聚室為直徑377 mm，高度4000 mm 的不銹鋼塔結(jié)構(gòu)，在其上部布置雙流體霧化噴嘴，化學(xué)團(tuán)聚液逆向煙氣來流方向噴出。采用黃原膠（XTG）作為化學(xué)團(tuán)聚劑，十二烷基硫酸鈉（SDS）作為潤濕劑配制化學(xué)團(tuán)聚液，其中XTG 濃度為0.05%，SDS 濃度為0.025%。通過計(jì)量泵控制化學(xué)團(tuán)聚液噴入量，空壓機(jī)提供霧化所需壓縮空氣，在團(tuán)聚劑流量為12 L/h，空壓機(jī)出口壓力為0.3 MPa 情況下考察其霧化效果，采用PDA 測試系統(tǒng)（丹麥Dantcc 公司，BAS-P60 型）測試化學(xué)團(tuán)聚劑液滴粒徑分布，結(jié)果如圖2 所示。由測試結(jié)果可知，化學(xué)團(tuán)聚液滴粒徑均小于100 μm，一半以上的液滴粒徑小于20 μm，說明其霧化效果良好。湍流團(tuán)聚系統(tǒng)由湍流聚并器及其旁路煙道組成，湍流聚并器為一段長1320 mm，截面邊長100 mm 的方形不銹鋼管道，內(nèi)部包含Z形和十字形兩種湍流渦片，其高度均為100 mm，排列方式如圖3所示。

圖2 化學(xué)團(tuán)聚劑液滴粒徑分布Fig.2 Size distribution of chemical agglomeration droplets

圖3 湍流聚并器結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of turbulent coalescer

1.2 實(shí)驗(yàn)測試方法

采用芬蘭Dekati 公司生產(chǎn)的電稱低壓沖擊器（electrical low pressure impactor，ELPI）實(shí)時(shí)測量煙氣中細(xì)顆粒物的濃度和粒徑分布，該儀器基于慣性撞擊分離的原理，測試粒徑范圍為0.023～9.314 μm，共分為12 級。實(shí)驗(yàn)過程中，測點(diǎn)布置于化學(xué)團(tuán)聚前、化學(xué)團(tuán)聚后、湍流團(tuán)聚后以及ESP 后，分別測試原始煙氣中、經(jīng)化學(xué)團(tuán)聚后、經(jīng)湍流團(tuán)聚后以及經(jīng)ESP脫除后煙氣中細(xì)顆粒物濃度。同時(shí)實(shí)驗(yàn)過程中由于化學(xué)團(tuán)聚劑噴霧蒸發(fā)導(dǎo)致煙氣含濕量較高，為防止采樣測試過程中水蒸氣的凝結(jié)，對采樣管路進(jìn)行加熱保溫處理，并用加熱后的高溫潔凈空氣作為稀釋氣對煙氣中顆粒物進(jìn)行稀釋。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 典型工況下細(xì)顆粒物團(tuán)聚與脫除效果

2.1.1 細(xì)顆粒物團(tuán)聚效果 實(shí)驗(yàn)中控制煙氣溫度為180℃，煙氣流速為10 m/s，團(tuán)聚劑噴入量為12 L/h，分別在化學(xué)團(tuán)聚前、化學(xué)團(tuán)聚后與湍流團(tuán)聚后測試細(xì)顆粒物濃度與粒徑分布。圖4為細(xì)顆粒物濃度變化情況，原始煙氣中顆粒物數(shù)量濃度約為2.71×106個(gè)/cm3，經(jīng)過化學(xué)團(tuán)聚后，細(xì)顆粒物數(shù)量濃度下降至1.86×106個(gè)/cm3，較原始煙氣中降低約31.3%，后再經(jīng)過湍流團(tuán)聚后，細(xì)顆粒物數(shù)量濃度下降至1.50×106個(gè)/cm3，較原始煙氣中降低約44.6%。此外，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中細(xì)顆粒物的質(zhì)量濃度幾乎不發(fā)生變化。

圖4 細(xì)顆粒物濃度變化Fig.4 Changes in concentration of fine particles

圖5 細(xì)顆粒物粒徑分布變化Fig.5 Changes in size distribution of fine particles

團(tuán)聚前后細(xì)顆粒物粒徑分布變化如圖5 所示。可以看出，原始煙氣中細(xì)顆粒物粒徑為雙峰分布，峰值粒徑分別為0.04 μm 與1.16 μm，峰值粒徑處細(xì)顆粒物濃度分別為7.16×105個(gè)/cm3和6.27×105個(gè)/cm3。經(jīng)過化學(xué)團(tuán)聚后，各粒徑段細(xì)顆粒物數(shù)量濃度均下降，其分布仍為雙峰分布，峰值粒徑分別為0.04 μm 與0.72 μm，峰值粒徑處顆粒物濃度分別為4.42×105個(gè)/cm3和1.98×105個(gè)/cm3，在原煙氣峰值粒徑1.16 μm 處細(xì)顆粒物濃度下降為1.79×105個(gè)/cm3。經(jīng)過化學(xué)-湍流耦合團(tuán)聚作用后，各粒徑段細(xì)顆粒物數(shù)量濃度繼續(xù)下降，其分布仍為雙峰分布，峰值粒徑分別為0.07 μm 與0.72 μm，峰值粒徑處顆粒物濃度分別降至3.45×105個(gè)/cm3和1.94×105個(gè)/cm3。

在化學(xué)-湍流耦合團(tuán)聚過程中，部分細(xì)顆粒物在化學(xué)團(tuán)聚室中首先被液滴捕獲發(fā)生團(tuán)聚，但是由于霧化液滴噴出后在極短的時(shí)間內(nèi)即獲得與煙氣相同的速度并隨煙氣流動(dòng)，因此液滴與顆粒物之間無明顯的相對運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致其混合碰撞作用不強(qiáng)，部分細(xì)顆粒物在還未發(fā)生團(tuán)聚前就隨煙氣流出團(tuán)聚室。之后未發(fā)生團(tuán)聚的細(xì)顆粒物以及未完全蒸發(fā)的團(tuán)聚劑液滴一同進(jìn)入湍流聚并器中，由于粒徑與質(zhì)量的差異，在湍流流場中顆粒物與液滴產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)并發(fā)生碰撞與黏附，從而使顆粒物表面濕潤并形成一層液膜。由于液膜與顆粒物表面之間的毛細(xì)力遠(yuǎn)高于顆粒物自身表面之間的范德華力[26]，因此在顆粒物發(fā)生碰撞后的初始階段，顆粒物之間能夠黏附到一起的概率增加。之后隨液膜中水分的蒸發(fā)，化學(xué)團(tuán)聚劑溶液中的高分子聚合物通過與顆粒物表面的吸附位發(fā)生吸附架橋作用[19]，將多個(gè)細(xì)顆粒物連接到一起從而形成結(jié)構(gòu)堅(jiān)固的大粒徑團(tuán)聚體。因此，在整個(gè)化學(xué)-湍流耦合團(tuán)聚過程中，湍流團(tuán)聚能夠增強(qiáng)化學(xué)團(tuán)聚液滴與細(xì)顆粒物的混合與碰撞，而化學(xué)團(tuán)聚液滴通過毛細(xì)力以及團(tuán)聚劑高分子對細(xì)顆粒物的吸附架橋作用，增強(qiáng)了細(xì)顆粒物之間的相互作用力，從而大大提高了顆粒物之間的團(tuán)聚效果。

2.1.2 細(xì)顆粒物脫除效果 在上述典型工況下通過調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中煙氣的流動(dòng)路徑，分別測試了無團(tuán)聚情況下原始ESP、湍流團(tuán)聚后、化學(xué)團(tuán)聚后以及化學(xué)-湍流團(tuán)聚后ESP 對細(xì)顆粒物的脫除效果。圖6 為不同團(tuán)聚方式后ESP 出口細(xì)顆粒物濃度的測試結(jié)果，原始煙氣中細(xì)顆粒物數(shù)量濃度為2.71×106個(gè)/cm3，質(zhì)量濃度為265.8 mg/m3，在無任何團(tuán)聚預(yù)處理時(shí)，經(jīng)過ESP 后細(xì)顆粒物數(shù)量濃度為1.40×105個(gè)/cm3，質(zhì)量濃度為10.1 mg/m3，其數(shù)量脫除效率為94.8%，質(zhì)量脫除效率為96.2%。經(jīng)過單獨(dú)湍流團(tuán)聚后，ESP 出口細(xì)顆粒物數(shù)量濃度為1.10×105個(gè)/cm3，質(zhì)量濃度為8.4 mg/m3，相比原始ESP 其濃度分別下降約21.4%與16.8%。經(jīng)過單獨(dú)化學(xué)團(tuán)聚后，ESP出口細(xì)顆粒物數(shù)量濃度為8.10×104個(gè)/cm3，質(zhì)量濃度為5.5 mg/m3，相比原始ESP 其濃度分別下降約42.1%與45.5%。經(jīng)過化學(xué)-湍流耦合團(tuán)聚后，ESP 出口細(xì)顆粒物數(shù)量濃度進(jìn)一步降低為5.49×104個(gè)/cm3，質(zhì)量濃度為4.4 mg/m3，相比原始ESP 其濃度分別下降約60.8%與56.4%。

此外，對不同團(tuán)聚方式后細(xì)顆粒物分級脫除效率進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如圖7 所示。分級脫除效率定義為ESP后某一級顆粒物數(shù)量濃度的減少量與原始煙氣中該級顆粒物數(shù)量濃度的百分比

式中，Ni0、Nit分別為原始煙氣中與經(jīng)過ESP 后第i級粒徑段的顆粒物數(shù)量濃度。

圖6 不同團(tuán)聚方式后ESP出口細(xì)顆粒物濃度Fig.6 Concentration of fine particles at outlet of ESP after different agglomeration modes

圖7 不同團(tuán)聚方式后細(xì)顆粒物分級脫除效率Fig.7 Particle stage removal efficiency after different agglomeration modes

在沒有任何團(tuán)聚預(yù)處理措施時(shí)，原始ESP 對于0.1 μm 以下顆粒物的脫除效率均在90%以上，對于1 μm 以上顆粒物脫除效率更高，均在95%以上，但是在0.1～1 μm 范圍內(nèi)，細(xì)顆粒物的級脫除效率均較低，在0.7 μm 處細(xì)顆粒物級脫除效率最低，為82.1%。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是對于0.1～1 μm 范圍內(nèi)的顆粒物，其在除塵器靜電場中的場致荷電和擴(kuò)散荷電作用都不強(qiáng)[27-28]，導(dǎo)致其荷電能力差，電遷移率較低，因此難以被除塵器捕獲。經(jīng)過團(tuán)聚后，各粒徑段細(xì)顆粒物脫除效率均有所提高，尤其對1 μm以下顆粒物脫除效率的提升效果最明顯。其中，化學(xué)-湍流耦合團(tuán)聚后細(xì)顆粒物各級脫除效率均高于單獨(dú)化學(xué)與湍流團(tuán)聚，在0.1 μm 以下細(xì)顆粒物脫除效率均提高到95%以上，在0.7 μm 處細(xì)顆粒物脫除效率升高到91.9%。細(xì)顆粒物分級脫除效率提高的原因是一方面細(xì)顆粒物經(jīng)過團(tuán)聚后粒徑增大至脫離該級粒徑段，造成該級細(xì)顆粒物數(shù)量降低，另一方面細(xì)顆粒物粒徑增大后荷電能力增強(qiáng)，使其更易被電除塵器收塵極捕獲，從而使脫除效率提高。以上測試結(jié)果說明，對于促進(jìn)ESP對細(xì)顆粒物的脫除，化學(xué)團(tuán)聚效果優(yōu)于湍流團(tuán)聚，而化學(xué)-湍流耦合團(tuán)聚效果優(yōu)于單獨(dú)化學(xué)與湍流團(tuán)聚。

綜上所述，化學(xué)-湍流耦合團(tuán)聚相比單獨(dú)的化學(xué)團(tuán)聚能夠增強(qiáng)液滴與顆粒物之間的相對運(yùn)動(dòng)，相比單獨(dú)的湍流團(tuán)聚能夠增強(qiáng)顆粒物表面間的相互作用力，從而進(jìn)一步提高細(xì)顆粒物的團(tuán)聚與脫除效果。

2.2 不同工況參數(shù)對細(xì)顆粒物團(tuán)聚與脫除效果的影響

采用單因素實(shí)驗(yàn)方法，分別針對顆粒物濃度、煙氣溫度、團(tuán)聚液噴入量以及煙氣流速4 個(gè)因素對細(xì)顆粒物團(tuán)聚與脫除效率的影響進(jìn)行研究。其中，細(xì)顆粒物團(tuán)聚效率定義為化學(xué)-湍流耦合團(tuán)聚后煙氣中細(xì)顆粒物數(shù)量濃度的減少量占原始煙氣中細(xì)顆粒物數(shù)量濃度的百分比，分別測試化學(xué)團(tuán)聚前、湍流團(tuán)聚后以及ESP后細(xì)顆粒物數(shù)量濃度來計(jì)算團(tuán)聚與脫除效率。

2.2.1 顆粒物濃度 通過調(diào)節(jié)氣溶膠發(fā)生器的轉(zhuǎn)速調(diào)整煙氣中細(xì)顆粒物的濃度，其變化范圍為(1.0～5.0)×106個(gè)/cm3，煙氣溫度保持在180℃，煙氣流速為10 m/s，團(tuán)聚劑噴入量為12 L/h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示?？梢姡S著細(xì)顆粒物濃度的升高，化學(xué)-湍流耦合團(tuán)聚效率逐漸下降，由49.2%下降至35.3%，ESP脫除效率也隨之下降，由96.7%下降至88.2%。在化學(xué)團(tuán)聚過程中，顆粒物濃度越大，單個(gè)液滴對應(yīng)的顆粒物數(shù)量越多，當(dāng)超過液滴表面能夠黏附的活性點(diǎn)位后，多余的顆粒物無法與液滴發(fā)生黏附團(tuán)聚，因此一定量的團(tuán)聚劑能夠團(tuán)聚的細(xì)顆粒物數(shù)目有一個(gè)極限值[29-30]。在湍流團(tuán)聚過程中，一些未完全蒸發(fā)的大粒徑液滴會(huì)與細(xì)顆粒物共同在湍流流場中運(yùn)動(dòng)而發(fā)生碰撞團(tuán)聚，并利用液滴表面的毛細(xì)力增強(qiáng)細(xì)顆粒物之間的團(tuán)聚效果。隨著細(xì)顆粒物濃度增大，液滴在化學(xué)團(tuán)聚室內(nèi)吸附點(diǎn)位被占滿，在湍流團(tuán)聚室內(nèi)無法進(jìn)一步與細(xì)顆粒物發(fā)生團(tuán)聚作用，因此相對于低濃度細(xì)顆粒物，煙氣中高濃度的細(xì)顆粒物會(huì)導(dǎo)致團(tuán)聚效率下降。此外，團(tuán)聚預(yù)處理能夠促進(jìn)ESP對細(xì)顆粒物的脫除主要是因?yàn)榧?xì)顆粒物在進(jìn)入ESP 之前發(fā)生團(tuán)聚長大，從而提高其荷電能力，而隨著細(xì)顆粒物濃度升高，其團(tuán)聚長大效果下降，因此ESP脫除效率也隨之下降。

圖8 不同顆粒物濃度下細(xì)顆粒物團(tuán)聚與脫除效率Fig.8 Agglomeration and removal efficiency of fine particles at different concentrations

2.2.2 煙氣溫度 通過調(diào)節(jié)空氣加熱器功率改變煙氣溫度，考察在120～240℃范圍內(nèi)細(xì)顆粒物團(tuán)聚與脫除效率隨煙氣溫度的變化，其中煙氣中細(xì)顆粒物數(shù)量濃度維持在3.0×106個(gè)/cm3，煙氣流速為10 m/s，團(tuán)聚劑噴入量為12 L/h，結(jié)果如圖9 所示。可知，隨著煙氣溫度的升高，團(tuán)聚與脫除效率均先升高后降低，在180℃時(shí)達(dá)到最高值，團(tuán)聚效率為44.7%，脫除效率為94.8%。當(dāng)煙氣溫度較低時(shí)，與細(xì)顆粒物發(fā)生碰撞黏附后的團(tuán)聚劑液滴蒸發(fā)較慢，顆粒間的液橋力無法快速轉(zhuǎn)化為固橋力，在后續(xù)碰撞過程中易再次破碎為小顆粒，因此團(tuán)聚與脫除效率較低。隨著煙氣溫度升高，化學(xué)團(tuán)聚劑能夠迅速蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)顆粒物之間的團(tuán)聚，同時(shí)溫度升高有利于提高化學(xué)團(tuán)聚劑的吸附活性，其分子鏈能夠進(jìn)一步柔性伸展，進(jìn)而吸附更多的細(xì)顆粒物。之后隨著煙氣溫度的進(jìn)一步上升，在整個(gè)化學(xué)-湍流耦合團(tuán)聚系統(tǒng)中，液滴蒸發(fā)速度過快，使團(tuán)聚劑液滴在未吸附足夠的細(xì)顆粒物之前就蒸干，與顆粒物之間的相互作用時(shí)間較短，從而導(dǎo)致其捕集細(xì)顆粒物的效果變差。因此，過低或過高的煙氣溫度均不利于細(xì)顆粒物在化學(xué)-湍流耦合團(tuán)聚作用下的團(tuán)聚與脫除。

圖9 不同煙氣溫度下細(xì)顆粒物團(tuán)聚與脫除效率Fig.9 Agglomeration and removal efficiency of fine particles at different flue gas temperatures

2.2.3 團(tuán)聚液噴入量 調(diào)節(jié)化學(xué)團(tuán)聚液噴入量為6～18 L/h，同時(shí)保持煙氣溫度穩(wěn)定在180℃，細(xì)顆粒物數(shù)量濃度為3.0×106個(gè)/cm3，煙氣流速為10 m/s，考察不同團(tuán)聚液噴入量下細(xì)顆粒物團(tuán)聚與脫除效率，結(jié)果如圖10所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著團(tuán)聚液噴入量的增加，細(xì)顆粒物團(tuán)聚與脫除效率均先升高后降低，并在12 L/h 時(shí)達(dá)到最高，團(tuán)聚效率為44.7%，脫除效率為94.8%。這是因?yàn)樵趫F(tuán)聚液噴入量較少時(shí)，單位數(shù)量的細(xì)顆粒物對應(yīng)的液滴數(shù)較少，因此能發(fā)生團(tuán)聚的顆粒物數(shù)量較少，同時(shí)少量的噴霧液滴會(huì)在短時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)，也不利于后續(xù)湍流團(tuán)聚過程中液滴與細(xì)顆粒物的相互作用，因此團(tuán)聚與脫除效率都較低。隨著團(tuán)聚液噴入量的增加，系統(tǒng)內(nèi)液滴數(shù)量密度增加，增大了液滴與細(xì)顆粒物發(fā)生碰撞的概率，從而提高其團(tuán)聚效率。然而，隨著團(tuán)聚液噴入量的進(jìn)一步增加，短時(shí)間內(nèi)過多的液滴進(jìn)入煙氣中，導(dǎo)致局部煙氣溫度下降劇烈，液滴蒸發(fā)速率下降，顆粒物之間的液橋力無法快速轉(zhuǎn)化為固橋力，同時(shí)部分已發(fā)生顆粒物黏附的大液滴有可能破碎為小液滴，從而使最終的團(tuán)聚物粒徑下降，導(dǎo)致團(tuán)聚與脫除效率降低。因此，在化學(xué)-湍流耦合團(tuán)聚過程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況靈活調(diào)整化學(xué)團(tuán)聚液的噴入量，以期達(dá)到最好的細(xì)顆粒物團(tuán)聚與脫除效果。

圖10 不同團(tuán)聚液噴入量下細(xì)顆粒物團(tuán)聚與脫除效率Fig.10 Agglomeration and removal efficiency of fine particles at different flow rates of chemical solution

圖11 不同煙氣流速下細(xì)顆粒物團(tuán)聚與脫除效率Fig.11 Agglomeration and removal efficiency of fine particles at different flue gas velocities

2.2.4 煙氣流速 通過引風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)煙氣流速為7～16 m/s，實(shí)驗(yàn)中煙氣溫度穩(wěn)定在180℃，細(xì)顆粒物數(shù)量濃度為3.0×106個(gè)/cm3，團(tuán)聚劑噴入量為12 L/h，考察不同煙氣流速下細(xì)顆粒物團(tuán)聚與脫除效率，結(jié)果如圖11 所示?？芍?，隨著系統(tǒng)內(nèi)煙氣流速增加，細(xì)顆粒物團(tuán)聚與脫除效率均逐漸升高，團(tuán)聚效率由30.5%升高至50.2%，脫除效率由86.3%升高至97.5%。在化學(xué)-湍流耦合團(tuán)聚系統(tǒng)中，當(dāng)化學(xué)團(tuán)聚劑液滴由雙流體霧化噴嘴中噴出后，因其粒徑較小，導(dǎo)致其質(zhì)量與慣性均較小，因此將很快獲得與煙氣相同的運(yùn)動(dòng)速度。當(dāng)部分未蒸發(fā)液滴進(jìn)入湍流聚并器后，較大的煙氣流速使液滴在煙氣流動(dòng)方向也具有較大的速度，同時(shí)在相同煙氣溫度下液滴的傳熱傳質(zhì)速率也基本相同，因此在相同的蒸發(fā)時(shí)間內(nèi)，液滴在湍流聚并器中沿?zé)煔馑俣确较虻倪\(yùn)動(dòng)距離也較大，從而使化學(xué)團(tuán)聚劑液滴與細(xì)顆粒物的相互作用區(qū)域擴(kuò)大，有利于液滴與細(xì)顆粒物之間的碰撞和團(tuán)聚。此外，在湍流流場中，顆粒物之間的碰撞概率可以用湍流團(tuán)聚核函數(shù)（KTS）來表示[31-32]

該函數(shù)的物理意義為單位時(shí)間內(nèi)顆粒物之間發(fā)生有效碰撞的體積。其中，ε 為湍流耗散率，μ 為流體的動(dòng)力黏度，dp1與dp2分別為發(fā)生碰撞的兩顆粒直徑。

湍流耗散率ε的表達(dá)式為

式中，Cμ為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，一般取值為0.09；l為湍流尺度，k為湍動(dòng)能。

湍動(dòng)能k的表達(dá)式為

式中，uavg為平均速度，I為湍流強(qiáng)度。湍流強(qiáng)度I的表達(dá)式為

式中，Re 為湍流流場的Reynolds 數(shù)，其表達(dá)式為

式中，ρ 為流體密度，L 為特征長度，u 為流體流速。

可見，隨湍流聚并器中煙氣流速的提高，流場中Reynolds 數(shù)增大，使其湍流強(qiáng)度提高，湍動(dòng)能增大，湍流耗散率也隨之增大，從而使湍流團(tuán)聚核函數(shù)增大，促進(jìn)了細(xì)顆粒物之間以及細(xì)顆粒物與液滴之間的碰撞和團(tuán)聚，從而使顆粒物團(tuán)聚效率提高，粒徑增大。同時(shí)，顆粒物粒徑的增大一方面降低了較小粒徑段細(xì)顆粒物的數(shù)量，另一方面使顆粒物在電場中的荷電能力增強(qiáng)，荷電量增大，從而提高了ESP 捕獲細(xì)顆粒物的能力，使其脫除效率也隨之提高。

3 結(jié) 論

（1）典型工況下，化學(xué)-湍流耦合團(tuán)聚使細(xì)顆粒物數(shù)量濃度較原始煙氣中下降約44.6%，ESP 出口細(xì)顆粒物數(shù)量與質(zhì)量濃度分別下降約60.8%與56.4%，相比單獨(dú)化學(xué)與湍流團(tuán)聚能夠進(jìn)一步提高細(xì)顆粒物的團(tuán)聚與脫除效果。

（2）隨細(xì)顆粒物濃度的升高，化學(xué)-湍流耦合團(tuán)聚效率逐漸下降，由49.2%下降到35.3%，ESP 脫除效率也隨之下降，由96.7%下降至88.2%。

（3）隨煙氣溫度與團(tuán)聚液噴入量的增加，化學(xué)-湍流耦合團(tuán)聚效率與ESP 脫除效率均先升高后降低，分別在180℃與12 L/h 處達(dá)到最高值，團(tuán)聚效率為44.7%，脫除效率為94.8%。

（4）隨煙氣流速的增加，化學(xué)-湍流耦合團(tuán)聚效率與ESP 脫除效率均逐漸升高，團(tuán)聚效率由30.5%升高至50.2%，脫除效率由86.3%升高至97.5%。