電場對有機胺氣溶膠作用機理與實驗研究

沈 丹，駱仲泱，方夢祥，赫明春，王浩霖

（浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點實驗室，浙江 杭州 310027）

近年來，由溫室效應(yīng)引發(fā)的全球變暖已成為全球最關(guān)心的環(huán)境問題，溫室氣體的大量排放是溫室效應(yīng)產(chǎn)生的主要原因[1]。我國與各國政府積極行動，2015年通過的《巴黎氣候變化協(xié)定》中規(guī)定爭取將全球平均氣溫較前工業(yè)化時期上升幅度控制在2 ℃以內(nèi)，并努力將溫度上升幅度限制在1.5 ℃以內(nèi)[2]。2020年在第75屆聯(lián)合國大會上，國家主席習(xí)近平提出我國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。這對我國控制碳排放提出了新的要求。

數(shù)據(jù)表明[3]2018年全球電力用煤導(dǎo)致的二氧化碳排放量已經(jīng)超過10 Gt，主要集中在亞洲地區(qū)。我國是燃煤大國，電力系統(tǒng)二氧化碳排放量占全國能源利用過程中碳排放總量的38%。燃煤電廠煙氣作為我國二氧化碳排放的重要來源[4]，呈現(xiàn)碳排放量大、增速快的特點[5]。碳捕集、利用與封存（carbon capture，utilization and storage，CCUS）技術(shù)被認(rèn)為是控制燃煤電廠碳排放的有效措施[6]，對實現(xiàn)零碳排放和負(fù)碳排放至關(guān)重要。其中化學(xué)吸收技術(shù)有較大的吸收負(fù)載、較好的吸收效果、較低的成本、可循環(huán)使用的吸收劑，是目前最巨大規(guī)模捕集二氧化碳潛力的技術(shù)路線之一[7-8]。

然而在化學(xué)吸收過程中，不僅會有吸收劑被煙氣攜帶排出的問題，還會產(chǎn)生新的顆粒物，造成二次污染。如對于有機胺（MEA）作為吸收劑而言，煙氣出口污染物成分除吸收劑外，還包含氧化降解和熱降解生成的氨氣、甲醛、乙醛、乙胺和乙二胺等易于揮發(fā)的物質(zhì)，以及亞硝胺和硝基胺等有毒物質(zhì)[9]。有機胺等污染物以及生成的有毒物質(zhì)通過皮膚接觸、空氣吸入等方式進入人體，將對人類健康造成嚴(yán)重威脅，進入大氣、水源、土壤后會對整個生態(tài)系統(tǒng)造成影響。

氣溶膠是煙氣二氧化碳化學(xué)吸收系統(tǒng)有機胺等污染物的主要排放形式。目前水洗塔、除霧器是最為常用的控制手段[10]，但其對粒徑3 μm以下的氣溶膠控制作用小。電除霧器作為一種有效的氣溶膠控制手段[11]，目前缺少其參數(shù)變化對于脫除二氧化碳化學(xué)吸收塔有機胺氣溶膠實驗與機理的研究。本文通過模擬與實驗共同研究電壓、板間距、線間距等變化對伏安特性與氣溶膠脫除效率的影響，為后續(xù)研究提供一定指導(dǎo)意義。

1 計算模型與實驗系統(tǒng)

1.1 仿真軟件

本文采用COMSOL Multiphysics仿真軟件進行模擬。該軟件特點是具有較強的多場耦合能力，根據(jù)偏微分方程對物理現(xiàn)象進行建模分析，同時可以方便實現(xiàn)數(shù)據(jù)的導(dǎo)出與處理。本文研究中，選用物理場為電場、流場、重力場，采用了等離子體模塊、層流模塊、傳熱模塊、顆粒追蹤模塊等。

1.2 計算模型

模擬線板式除霧器結(jié)構(gòu)如圖1所示。極板長度10 cm，雙極線間距3 cm，流體溫度為313.15 K，入口流速為0.1 m/s。為方便物性參數(shù)設(shè)置，模擬中以有機胺液滴近似代替氣溶膠。氣溶膠從左側(cè)入口處釋放，在速度場、電場、溫度場等耦合作用下被捕集，壁條件為凍結(jié)。

圖1 COMSOL仿真模型結(jié)構(gòu)Fig.1 The COMSOL simulation model structure

模擬工況為O2、H2O、N2氣氛，等離子體模塊采用負(fù)電暈放電反應(yīng)模型，其本質(zhì)上是空間中的電子、離子等在高壓電作用下發(fā)生的碰撞、反應(yīng)等過程[12]。本模擬共包含N2、O2、O、H2O、H2、O3、H、N2+、O2+、H2O+、e、O2-、O-等13種粒子與電子，電子碰撞反應(yīng)、重離子反應(yīng)、壁面反應(yīng)共計39個，還包括二次電子發(fā)射[13]。模擬氣溶膠顆粒粒徑分布在0.01~3.00 μm。

由于電場作用對濕法脫硫出口煙道固體顆粒的控制研究較多，而對二氧化碳吸收塔后氣溶膠控制研究較少，本文引入同粒徑下固體顆粒與有機胺氣溶膠進行對比研究，各物性參數(shù)[14]見表1（以水滴物性參數(shù)為參照）。

1.3 實驗方法

電除霧器脫除氣溶膠實驗裝置如圖2所示，主要包括給氣系統(tǒng)、二氧化碳化學(xué)吸收系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、污染物控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)。

圖2 二氧化碳化學(xué)吸收塔氣溶膠污染物控制平臺Fig.2 The aerosol pollutant control platform in CO2 chemical absorption tower

為模擬煙氣情況，給氣系統(tǒng)由氣瓶、空氣壓縮機、氣溶膠發(fā)生器組成，分別供給二氧化碳?xì)怏w、空氣、質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的NaCl氣溶膠，通過流量計控制流量。氣溶膠發(fā)生器為上海匯分3321型；二氧化碳化學(xué)吸收系統(tǒng)為4 m3/h吸收平臺，主要包括吸收系統(tǒng)與解析系統(tǒng)，吸收劑采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%MEA溶液；電源系統(tǒng)為大連泰斯曼科技TRC2020型高壓負(fù)直流電源，與除霧器內(nèi)部極線相連，使通過的氣溶膠顆粒荷負(fù)電荷。污染物控制系統(tǒng)為線板式電除霧器，由有機玻璃加工而成，尺寸與COMSOL模擬圖形結(jié)構(gòu)一致，板間距（7、11、15 cm）與線間距（3、5、7 cm）均可調(diào)，不同板間距對應(yīng)流速分別為0.16、0.10、0.07 m/s，對應(yīng)通過時間分別為0.63、1.00、1.35 s。線間距為2根電極之間的距離，改變線間距目的在于分析線間距對電場分布的影響，探究最佳線間距值。實驗測量系統(tǒng)由芬蘭Dekati公司生產(chǎn)的低壓荷電撞擊器（ELPI+）、真空泵等組成，通過取樣管與除霧器出口相連。

實驗開始后，調(diào)節(jié)高壓電源從0 kV升至15 kV，每間隔1 kV記錄ELPI+數(shù)據(jù)與電流數(shù)據(jù)。調(diào)節(jié)不同板間距、線間距、極線種類，重復(fù)實驗，測得不同工況下氣溶膠顆粒的數(shù)目濃度，進而計算得電除霧器對氣溶膠的脫除效果。

2 實驗結(jié)果與仿真討論

2.1 板間電壓、極板間距、極線間距與板間電流關(guān)系

圖3 —圖5為有機胺氣溶膠在不同板間距（7、11、15 cm）、線間距（3、5、7 cm）下對應(yīng)的伏安特性曲線。

圖3 線間距3 cm時電流與電壓、板間距關(guān)系Fig.3 Change curves of the current with voltage at different board spacings (line spacing 3 cm)

圖4 線間距5 cm時電流與電壓、板間距關(guān)系Fig.4 Change curves of the current with voltage at different board spacings (line spacing 5 cm)

圖5 線間距7 cm時電流與電壓、板間距關(guān)系Fig.5 Change curves of the current with voltage at different board spacings (line spacing 7 cm)

從圖3—圖5可見：極板間的起暈電壓較低，在1~3 kV之間；電流隨電壓增強而升高，且增長率隨電壓增大而變大，近似為指數(shù)增長；當(dāng)極線間距一定時，電流隨板間距增大而減??；低電壓時，板間距對電流影響規(guī)律不明顯。分析原因在于：電壓較低時，有機胺氣溶膠荷電量小，極線距與極板距改變對板間電流影響不大；電壓大于10 kV時，極板間距增大使荷電液滴到達極板時間變長，相同時間更少的液滴被極板捕獲，因此電流變小。

在施加電壓12 kV下，板間電流與板間距、線間距關(guān)系如圖6所示。由圖6可見：板間距一定、極線間距增大時，電流也隨之增大；板間距為7 cm，線間距為7 cm時，電流達到最大值0.10 mA。分析原因在于：1）在實驗條件下，線間距增大時液滴在電場入口處受到更強的電場力作用，相同時間內(nèi)有更多數(shù)目被捕集至極板上，因此電流更大；2）極線距離過小時，可能會產(chǎn)生電暈干擾，影響其放電效果，導(dǎo)致板間電流較小。

圖6 電壓為12 kV時電流與板間距、線間距關(guān)系Fig.6 Changes of the current with line spacing at different board spacings when the voltage is 12 kV

2.2 顆粒荷電脫除模型與效率分析

2.2.1 顆粒荷電模型分析

圖7 、圖8為濕度為100%、板間電壓為10 kV時，負(fù)電暈放電空間電子密度圖與粒子軌跡。由圖7可以看出：電子集中分布在距放電極周圍0.5 cm的區(qū)域，此處放電最為強烈；并由于同性相斥原理，兩側(cè)電子密度呈扇形對稱分布，電子密度峰值為7.61×1011/m3。

圖7 10 kV下空間電子密度Fig.7 The space electron density map at 10 kV

圖8 10 kV下粒子軌跡Fig.8 The particle trajectory diagram at 10 kV

粒子在極板間運動時受到靜電場、流場、溫度場、重力場多個耦合作用影響。從圖8可以看出：粒子速度在極線前方發(fā)生驟減，最小處0.01 m/s；運動到極線后方時加速，最快達到0.12 m/s。同時中部進入到除霧器中的粒子盡管受到更大的電場力，但由于距極板間距較大，需要更多的遷移時間，捕集效率不如兩側(cè)進入的粒子。

2.2.2 有機胺氣溶膠與固體顆粒脫除效率對比

圖9 為10 kV下固體顆粒與有機胺氣溶膠在電除霧器脫除效率。

圖9 有機胺氣溶膠與顆粒脫除效率對比Fig.9 Comparison of removal rate between the organic amine aerosol and the particles

從仿真結(jié)果可以看到，對于線板式靜電除霧器，同粒徑下有機胺氣溶膠脫除效率高于固體顆粒物脫除效率。當(dāng)粒徑小于0.10 μm時，有機胺氣溶膠比固體顆粒高2百分點左右，兩者差距不大。這是由于此時顆粒以擴散荷電為主，即自由電子或離子在無規(guī)律的熱運動之中，與其他顆粒碰撞而產(chǎn)生的荷電過程。其擴散荷電速率與Deutsch脫除效率公式[15]見式(1)—式(3)。粒子荷電量較小，相對介電常數(shù)、密度等物性上的區(qū)別對于整體脫除效率影響不大。

式中：η為脫除效率；A為收塵有效面積；q為顆粒荷電量；Ep為收塵極電場強度；C為Cunningham因子；e為電子電量；Qd為擴散荷電量；τ*為擴散荷電時間常數(shù)；Qs為煙氣流量；μ為動力黏度；ε0為空間介電常數(shù)；dp為顆粒直徑大小；kb為玻爾茲曼常數(shù)，為1.38×10–23J/K；T為氣體絕對溫度大??；ω為顆粒驅(qū)進速度。

當(dāng)粒徑處于0.10~1.00 μm之間時，顆粒物脫除效率僅為40%。這是由于擴散荷電與場致荷電作用效果均較為薄弱，粒子荷電效果較差；當(dāng)粒徑大于1.00 μm時，脫除效率有明顯上升，此時場致荷電占主導(dǎo)地位，粒徑越大的顆粒其飽和荷電量更大，其飽和荷電量公式與脫除效率公式見式(1)、式(2)、式(4)。此時有機胺氣溶膠脫除效率較固體顆粒提升約8百分點，一是因為有機胺氣溶膠相對介電常數(shù)遠(yuǎn)大于固體顆粒，導(dǎo)電性能更強，根據(jù)公式(5)可以計算同粒徑下兩者電場荷電飽和荷電量之比為1.25，因此有機胺氣溶膠脫除效率更高；二是因為液滴表面張力更大，動力黏度更小，根據(jù)公式(2)可計算出其他參數(shù)相同的情況下，兩者驅(qū)進速度之比為10，因此有機胺氣溶膠有更快的驅(qū)進速度，不同液滴之間、液滴與顆粒之間更容易發(fā)生團聚，同時相同時間內(nèi)更容易被極板捕集，脫除效率更高。

式中：Qs為電場荷電的飽和荷電量，Qs1、Qs2分別為有機胺氣溶膠電場荷電、固體顆粒電場荷電飽和荷電量；εp為顆粒的介電常數(shù)，εp1、εp2分別為有機胺氣溶膠電場荷電、固體顆粒的介電常數(shù)；E為荷電場強。

2.2.3 仿真與實驗脫除效率對比

圖10 為MEA氣溶膠在線板式電除霧器作用下脫除效率對比曲線。由圖10可以看出，實驗與仿真整體擬合度較好，脫除效率隨粒徑變大呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，脫除效率最低為40%，對應(yīng)粒徑分布在0.20~0.50 μm附近，這與仿真結(jié)果基本一致。

圖10 有機胺氣溶膠脫除效率對比Fig.10 The experimental and simulated values of removal rate of the organic amine aerosol

3 結(jié) 論

1）對于MEA氣溶膠液滴，電除霧器起暈電壓在1~3 kV之間。電流隨板間電壓增大近似為指數(shù)增長。當(dāng)極線間距一定時，電流隨板間距增大而減?。粯O板間距一定時，電流隨線間距增大而增大；最大值對應(yīng)尺寸為板間距7 cm、線間距7 cm。

2）電除霧器對于0.01~3.00 μm顆粒脫除效率呈先下降后上升趨勢，在0.20~0.50 μm處脫除效率最差為40%。0.20 μm以下顆粒主要受擴散荷電作用影響；0.50 μm以上顆粒主要受電場荷電作用影響，粒徑為2.00 μm的顆粒脫除效率達到100%。

3）有機胺氣溶膠相對介電常數(shù)更高，表面張力更大，其在電除霧器中的脫除效率比固體顆粒更高，0.10 μm以下時相差約2百分點，0.10 μm以上時相差約8百分點。同尺寸線板除霧器作用下實驗與仿真擬合度良好。