凝变除湿推动燃煤烟气水分回收和多污染物协同脱除-北极星火力发电网

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我国能源结构决定了燃煤为大气污染物的重要源头之一，多数燃煤电厂配置了脱硫和除尘设备,力争实现超低排放以满足日益严格的环保排放要求。目前，超低排放技术路线有低低温路线(电除尘前增设低温省煤器)和湿电路线(脱硫后增设湿式电除尘器)[1-2]。然而，两种路线都不可避免电除尘在0.1~1.0μm的穿透窗口问题，同时湿法脱硫后的高湿度烟气带来了再热和烟道防腐蚀方面的压力，以及烟囱后严重的“大白烟”现象。湿法脱硫后增设相变凝聚器，是基于多场团聚机制控制PM2.5的重要技术之一。超低排放实施过程中，湿法脱硫系统出口烟气温度为320~330K，湿度接近饱和态,因此针对脱硫塔后烟气，可通过相变的方式，使其中水蒸气及可凝污染物在细颗粒物表面凝结,改变颗粒物荷电特性，同时设备内湍流团聚作用可实现颗粒物聚并、长大，提升系统整体脱除效率[3-4]。

相变辅助细颗粒脱除在国内外已经取得广泛的研究和关注[5-6]。促进相变的方式主要包括增加湿度和降低温度。东南大学[7]在烟气前段添加喷淋或过饱和蒸汽，深入研究了增加湿度对细颗粒物脱除的影响，并进行了相关技术分析。中国环境科学研究院[8]改装换热管式集尘板，换热促进蒸汽冷凝，细颗粒物协同脱除效果显著。初步实践表明，湿式电除尘前增加相变凝聚器对湿式电除尘提效明显，WESP出口烟尘可以降至5mg/m3以下[9]。其他中试试验也表明湿式相变冷凝对细颗粒物脱除有良好的适应性，可有效减少烟气绝对含湿量，降低后续再热操作能耗[10]。因此笔者认为，在湿法脱硫后增加相变凝结器，可以促进饱和水蒸气冷凝以及细颗粒团聚脱除，从而起到除湿和深度脱除的作用。然而，现有的研究多停留在该设备入口、出口的烟气测量数据，在相变凝聚器内蒸汽凝结过程和细颗粒物团聚脱除作用机理揭示方面仍有欠缺。清华大学[11]基于颗粒碰撞聚并理论和群平衡方法研究了低低温省煤器内可凝结污染物和细颗粒物的协同脱除。但鉴于工艺和设备不同，相变凝聚器内烟气状态与低低温省煤器存在明显差别，目前报道中尚缺少相变凝聚器内蒸汽凝结与细颗粒团聚过程及规律的研究。

本文通过蒸汽成核和颗粒碰撞聚并理论,分析烟气湿法脱硫后的烟气状态,并建立颗粒/液滴群平衡方程,研究蒸汽凝结与细颗粒团聚规律。从而揭示相变凝结过程和细颗粒团聚脱除作用机理,进一步为相变凝聚技术在超低排放中应用提供理论基础。

1 经典理论基础

1.1 饱和度,成核速率和临界尺寸