CO2体积分数对燃煤细颗粒物在水汽环境中凝结长大的影响

徐欢欢， 张 军, 张园园

(东南大学 能源热转换及其过程测控教育部重点实验室, 南京 210096)

燃煤电厂是大气环境中细颗粒物的主要来源之一[1-2]，细颗粒物即空气动力学当量直径小于或等于 2.5 μm的颗粒物(PM2.5)，由于其粒径很小，难以被传统除尘设备有效脱除。采用预处理措施使细颗粒物在物理或化学作用下长成较大颗粒，然后通过传统的除尘设备加以脱除是目前细颗粒物控制的一个技术研究方向。

水汽相变技术[3-5]是一项细颗粒物预处理技术，目前燃煤电厂普遍安装湿法烟气脱硫装置，经湿法脱硫后的净烟气大多处于饱和状态，易建立水汽相变所需的过饱和水汽环境。水汽相变技术的原理为：在过饱和水汽环境中，水蒸气在细颗粒物表面凝结，并同时产生热泳和扩散泳作用，促进细颗粒物迁移运动及相互碰撞接触，使细颗粒物粒径增大，质量增加，从而使颗粒易受惯性作用发生碰撞而被捕集。目前，应用较为广泛的过饱和水汽环境构建方式有[6-7]：绝热膨胀、直接注入蒸汽、低温饱和烟气与高温液体接触等。笔者采用低温饱和烟气与高温液体相接触的方法构建过饱和水汽环境。

利用水汽相变作为细颗粒物预处理技术的关键是建立有效的细颗粒物凝结长大所需的过饱和水汽环境。已有研究表明载气氛围会影响过饱和水汽环境的构建[8]。实际燃煤烟气成分复杂，主要包括CO2、H2O、SO2、O2、N2等。其中，CO2作为一种主要的烟气成分，在不同燃烧方式下[9-10]其体积分数变化范围较大(10%～80%)，且热物理性质与空气存在较大差异。笔者对多元组分热、质扩散系数进行计算，研究不同CO2体积分数对过饱和度的影响，并搭建水汽相变实验平台，测量不同CO2体积分数下细颗粒物长大前后的粒径分布，旨在研究CO2体积分数对细颗粒物在水汽环境中凝结长大的影响，并探究其影响机理。

1 理论计算

1.1 多元组分扩散系数计算

BRUS D等[8]研究指出影响管内流动饱和度和温度分布最主要的热力学参数是平衡蒸汽压力、二元扩散系数和混合物的导热系数。平衡蒸汽压力与载气种类无关，二元扩散系数及导热系数受载气的影响较大。为了探究不同CO2体积分数对过饱和水汽环境构建的影响，应先明确不同CO2体积分数下混合烟气的热、质扩散系数的变化规律。

1.1.1 多元组分热扩散系数

常压下混合气体导热系数的计算式[11]为：

(1)

常压下混合气体比定压热容cp为：

cp=∑ui·cpi

(2)

常压下混合气体密度ρ为：

ρ=∑ui·ρi

(3)

式中：cpi为组分i的比定压热容，J/(kg·K)；ρi为组分i的密度，kg/m3。

混合气体的热扩散系数αm为：

(4)

1.1.2 多元组分质扩散系数

多元组分物系传质过程中某一组分的传质通量除了与其浓度梯度有关外，还与其他组分的浓度梯度有关。多元组分物系的传质普遍化MS(Maxwell-Stefen)方程形式[12-13]为：

J=-ctDΓu=-ctB-1Γu

(5)

式中：J为扩散通量，mol/(m2·s)；ct为总浓度， mol/m3；Γ为热力学因子矩阵，对于理想气体组成的物系，其为单位矩阵；u为浓度梯度，m-1；D为多元组分物系传质过程MS扩散系数矩阵，假设为n组分物系；B为二元对MS扩散系数倒数矩阵。

i=1,2,…,n-1

(6)

i=1,2,…,n-1,j=1,2,…,n-1

(7)

D′ij(i≠j)的计算式[14]为：

(8)

式中：p为系统压力，Pa；σij为组分i和组分j的碰撞直径；Ωij为组分i和组分j的分子扩散碰撞积分。

常压下非极性气体组分i的自扩散系数D′ii的计算式[15]为：

(9)

对于极性气体，D′ii的计算式为：

(10)

式中：σ为碰撞直径；Ω为分子扩散碰撞积分； ∑Vi为组分i的分子扩散体积。

1.1.3 CO2对热、质扩散系数的影响

图1为不同CO2体积分数下混合烟气的热、质扩散系数变化情况。模拟烟气组成为:φ(SO2)=0.1%，φ(O2)=5%，其他为N2+CO2；相对湿度为100%，温度为303 K。

图1 不同CO2体积分数下的热、质扩散系数

从图1可以看出：随着CO2体积分数增加，混合烟气的热扩散系数及水蒸气的质扩散系数均呈现下降的趋势；当CO2体积分数从10%增加到80%时，烟气的热扩散系数降低了38%，水蒸气在烟气中的质扩散系数降低了14%。随着CO2体积分数的增加，传热传质过程均变得较为缓慢。

图2为不同烟气温度对应混合烟气热、质扩散系数的变化情况。混合烟气组成为：φ(CO2)=10%,φ(SO2)=0.1%,φ(O2)=5%,其他为N2；相对湿度为100%。

图2 不同烟气温度下热、质扩散系数

从图2可以看出，随着温度的增加，热质扩散系数均有所上升。当烟气温度从283 K提升至323 K时，混合烟气的热扩散系数提高了26.5%，水蒸气在烟气中的质扩散系数提高了26%。随着温度的升高，混合烟气的热、质扩散系数提高明显，传热传质过程加快。

图3为不同SO2体积分数下混合烟气的热、质扩散系数变化情况。模拟烟气组成为：φ(CO2)= 10%，φ(O2)=5%，其他为N2+SO2；相对湿度为100%，温度为303 K。

图3 不同SO2体积分数下的热、质扩散系数

从图3可以看出：随着SO2体积分数的增加，混合烟气的热、质扩散系数均有所下降，随着SO2体积分数从0.1%增加至5%，烟气的热扩散系数降低了5.5%，水蒸气在烟气中的质扩散系数降低了2.5%。

图4为不同O2体积分数下混合烟气的热、质扩散系数变化情况。模拟烟气组成为：φ(CO2)=10%，φ(SO2)=0.1%，其他为N2+O2；相对湿度为100%，温度为303 K。

图4 不同O2体积分数下的热、质扩散系数

从图4可以看出：随着O2体积分数的增加，混合烟气的热、质扩散系数略有升高，随着O2体积分数从1%增加至20%，烟气的热扩散系数及水蒸气在烟气中的质扩散系数分别增加了0.1%和2.5%。

1.2 过饱和度计算

1.2.1 传热传质模型及计算参数选定

生长管内过饱和度计算采用二维传热传质模型[16]，选取半圆柱体的某一界面进行研究，以该截面的径向r和轴向z为坐标轴建立坐标系，见图5(其中，Tw为管壁温度，R为生长管半径)。

图5 生长管坐标示意图

取微圆长方形drdz进行分析，能量平衡方程为：

(11)

式中：U为气流的平均速度，m/s。

定义无量纲坐标x=r/R、y=z/R，以及无量纲参数fT=(T-Tw)/(T0-Tw)，其中T0为进气温度，K，将式(11)简化为：

(12)

同样的，生长管内蒸汽分压pv满足以下方程：

(13)

式中：无量纲参数fv=(pv-pv,w)/(pv,in-pv,w)，其中pv,in为进气饱和蒸汽分压， Pa，pv,w为管壁温度Tw下的饱和蒸汽分压，Pa。

生长管内过饱和度S计算式[17]为：

(14)

式中：pv,∞(T)为当地温度下的饱和蒸汽分压, Pa。

生长管各参数见表1。

表1 生长管参数

1.2.2 CO2体积分数对生长管内过饱和度的影响

图6为管壁温度为303 K时，不同CO2体积分数下生长管内的过饱和度分布。

图6 不同CO2体积分数下生长管内过饱和度分布

从图6可以看出：随着CO2体积分数的增加，过饱和度分布呈增加趋势，这是因为随着CO2体积分数的增加，热扩散系数降低，传热过程变得缓慢，温度降低使气流的饱和蒸汽分压降低。总体来说，过饱和度分布表现为先增加后降低的规律。

图7为不同CO2体积分数及不同管壁温度下生长管内的平均过饱和度。从图7可以看出：随着管壁温度的提高，生长管中构建的过饱和度不断增大，当管壁温度为303 K时，随着CO2体积分数从10%分别提高至30%和50%时，生长管内的平均过饱和度分别增加了0.6%和1.3%。当管壁温度为313 K时，随着CO2体积分数从10%分别提高至30%和50%时，生长管内的平均过饱和度分别增加了1.9%和4%。当管壁温度为323 K时，随着CO2体积分数从10%分别提高至30%和50%时，生长管内的平均过饱和度分别增加了3.2%和7%。随着管壁温度的升高，CO2体积分数的增加更加有利于生长管中平均过饱和度的提高,这可能是因为随着管壁温度的升高，混合烟气中蒸汽的质扩散系数明显变大，传质过程加快，蒸汽分压增大，从而使生长管内的过饱和度提高。

图7 不同CO2体积分数下生长管内平均过饱和度

图8为管壁温度为303 K时，不同SO2体积分数下生长管内的过饱和度分布。从图8可以看出：随着SO2体积分数的增加，过饱和度分布呈增加趋势，但增加幅度比变CO2时小。

图8 不同SO2体积分数下生长管内过饱和度分布

图9为管壁温度为303 K时，不同O2体积分数下生长管内的过饱和度分布。从图9可以看出：随着O2体积分数的增加，生长管内的过饱和度几乎不变。

图9 不同O2体积分数下生长管内过饱和度分布

2 实验分析

2.1 实验系统及参数

图10为实验系统图，主要由气溶胶发生系统、冷却系统、颗粒长大系统、测量系统等组成。实验以空气作为背景气体，再配比不同体积分数的CO2气体来进行。一定流量的空气进入气溶胶发生器与细颗粒物混合后进入混合箱，细颗粒物的种类为SiO2，混合箱上设置气体添加口，添加一定流量的CO2气体用于模拟不同CO2体积分数氛围；对进入系统的气流的温湿度进行测定，根据气流的温湿度来设定低温恒温槽的温度，从而保证气溶胶气流进入生长管之前达到饱和状态；将混合气溶胶气流通入生长管内,生长管由有机玻璃制成，热水恒温槽中的热水通过水泵切向送入生长管，在生长管内壁形成一层水膜，烟气流自下而上流经生长管与热水接触形成过饱和水汽环境，使得经过生长管的细颗粒物核化凝结长大；最后通过设置在生长管出口处的激光粒度仪测量细颗粒物核化凝结长大前后的粒径分布，得出细颗粒物长大的规律。实验相关参数见表2。

图10 实验系统图

表2 相关实验参数

表3为空气成分组成。从表3可以看出：空气中的主要成分为N2和O2，CO2的含量极低，而通过计算可知O2对于混合气体热、质扩散系数及过饱和度的影响十分微小，故单独研究CO2体积分数对过饱和水汽环境条件下细颗粒物长大的影响时，可以用空气代替混合气进行实验。

表3 空气成分组成 %

2.2 实验结果及分析

图11为管壁温度为303 K条件下，改变模拟烟气中CO2体积分数时生长管中细颗粒物长大后的粒径分布。

图11 不同CO2体积分数下细颗粒物的长大粒径分布

从图11可以看出：随着CO2体积分数由10%分别提高到30%和50%，细颗粒的长大效果得到一定程度的提高；小于0.1 μm的颗粒数量占比由82.4%分别降低至74.9%和72.1%，粒径大于1 μm的颗粒数量占比由4.4%分别增加到5.1%和5.5%，这说明CO2体积分数的增加提高了细颗粒的长大效果，这是因为当CO2体积分数由10%分别提高至30%和50%时，平均过饱和度分别提高了0.6%和1.3%

图12为不同管壁温度下细颗粒长大后的算术平均粒径。

图12 不同CO2体积分数下细颗粒长大算术平均粒径

从图12可以看出：随着管壁温度的提高，长大后颗粒的平均粒径显著提高。当管壁温度为303 K时，长大后颗粒的算术平均粒径分别增大了7.4%和13%；当管壁温度为313 K时，长大后颗粒的算术平均粒径分别增大了8.3%和15.5%；当管壁温度为323 K时，长大后颗粒的算术平均粒径分别增大了9.3%和19.3%。这说明CO2体积分数的增加显著提高了细颗粒的长大效果，且随着管壁温度的提高，CO2体积分数的增加更加有利于过饱和水平的提高，这是因为当管壁温度从303 K增加到323 K时，随着CO2体积分数从10%增长到50%,生长管内的平均过饱和度分别提高了1.3%和7%，也就是说管壁温度越高，随着CO2体积分数的增加，生长管内的过饱和度水平提高的比例越高。过饱和度越大，颗粒凝结长大的速度也越快，这为细颗粒物长大提供了非常有力的过饱和水汽环境条件。

3 结语

笔者利用数值分析和实验研究对燃煤烟气中CO2体积分数对水汽相变促进细颗粒物长大的影响进行探究。计算了不同CO2体积分数下混合气体的热、质扩散系数，预测了不同CO2体积分数下生长管内的过饱和度分布；并且搭建了水汽相变实验平台，研究了不同CO2体积分数下细颗粒物的长大特性。主要结论如下：

(1) 随着CO2体积分数的增加，混合气体的热、质扩散系数均有所下降，热扩散系数降低的幅度高于质扩散系数降低的幅度；随着SO2体积分数的增大，热、质扩散系数均有所降低，而O2体积分数的增加会使热、质扩散系数略有提升。

(2) 温度的升高对于热、质扩散系数的影响较大。随着烟气温度从283 K增至323 K，热、质扩散系数增加幅度超过25%。

(3) 随着CO2体积分数的增加，生长管内的过饱和度显著提高，同时管壁温度越高，随着CO2体积分数的增加，生长管内平均过饱和度升高的比例越大；随着SO2体积分数的增加，生长管内的过饱和度略有提高，而O2体积分数的增加对于过饱和度的影响非常小。

(4) 随着CO2体积分数的增加，细颗粒物长大的效果越明显，同时管壁温度越高，细颗粒物粒径越大。