凝变除湿推动燃煤烟气水分回收和多污染物协同脱除

2 数值计算

2.1 物理模型与工况描述

相变凝聚器内均匀布置超薄壁细管式换热单元,采用冷却水换热使高湿烟气降温,从而达到过饱和水蒸气冷凝的效果。相变凝聚器布置在湿法脱硫之后,通常后续连接湿式电除尘器或高效除雾器等设备部件,与前述两条超低排放技术路线衔接,以实现烟气深度净化。湿法脱硫后的烟气,进入相变凝聚器,温度下降,气相中过饱和水蒸气在细颗粒物表面凝结,并伴随颗粒、液滴间碰撞聚并,液滴尺寸变大。该过程为水蒸气凝结控制,根据成核分析,活化点位率是重要影响因素,与单位体积烟气有效接触面积(m2/m3)有直接关系,在工程实践中,考虑到烟气流速和停留时间,可进一步定义为比核化面积(m2/(m3/s))。另一方面,水蒸气在换热壁面凝结形成水膜,细颗粒物经过湍流或热运动到达换热壁面,被有效捕集;同时,冷凝液滴脱落形成一定量的“降雨”效应,捕集气相中细颗粒及细小液滴。该过程为细颗粒碰撞聚并过程,主要机制为布朗团聚、湍流团聚等。

2.2 数学模型与边界条件

本数值计算采用颗粒群平衡方法,将相变凝聚器视为平推流反应器,控制体积dV与外界换热假设为匀速降温过程,颗粒、液滴粒径的变化dnk/dt主要源于控制体积dV内颗粒液滴碰撞聚并、水蒸气凝结过程,与外界的物质传递源于颗粒/液滴/蒸汽在换热管壁碰撞聚并和凝结,以及换热器内“降雨”的捕集作用,上述过程分别由式(5)—(10)描述。结合现场测试结果,算例中相变凝聚器进口烟气温度取328.15K,相对湿度为95%,停留时间根据相变凝结器特征长度和烟气流速计算,烟气中颗粒物含量和采用某燃煤电厂湿法脱硫后实际测量数据。相变凝聚器内换热管束面积根据换热和核化的实际要求,分别设定为91.76~211.52m2/m3,合单位温降的比核化面积5.0~7.5m2/(m3/s),“降雨”效应则按照温降及对应的凝水量进行核算,其液滴数浓度约为1 × 106~2 × 106/m3。

3 结果与分析

3.1 成核分析与烟气状态

根据经典成核理论,成核率是接触角、活化点位率以及过饱和度的非线性函数。以330.15K的过饱和水蒸气为例,图1展示了不同接触角下均相成核与异相成核速率比值。活化点位率远小于1(取决于单位体积内活化面积,以平板为例,活化点位率约10-7)。当过饱和度在较低的范围时,异相成核速率的量级远大于均相成核速率,当过饱和度较大时,均相成核的速率则大于异相形核速率。此外,

图1 不同接触角下异相成核与均相成核速率比值

Fig. 1 Comparison of heterogeneous and homogeneous nucleation rates under various wettability using H2O property parameters at 330.15K

整体而言,异相成核现象更容易在亲水表面发生(液态水在二氧化硅接触角约 π/4)。

燃煤锅炉产生的烟气,含水量约8%~12%,经过选择催化还原脱硝、省煤器等设备后,湿法脱硫入口温度约400K,折算相对湿度约4%左右,该温度下SO3已完全转化为硫酸蒸汽。低低温省煤器内水蒸气分压较低,其中物理过程以硫酸和细颗粒物的相互作用为主,基本不涉及水蒸气的凝结[11]。烟气进入脱硫塔后,由于液滴喷淋作用,烟气温度急剧下降,同时相对湿度骤然升高至近饱和状态。为进一步探讨脱硫塔出口的烟气状态,图2根据经验式(2)、(3)和(4)绘制了纯水、纯硫酸以及不同湿度下的硫酸饱和分压与温度的关系曲线。如图2所示,随烟气中相对湿度湿度增加,该温度下的硫酸的饱和分压显著降低。湿法脱硫设备中,烟气相对湿度自4%快速升高至接近饱和态,同时伴随温度降低,硫酸蒸汽极易出现较大的过饱和度[18]。因此,脱硫塔中硫酸蒸气多发生均相成核,并且较大的过饱和度导致成核尺寸较小。根据Vehkamaki等[15]提出关于成核临界粒径的参数化计算方法,330~400K时100%相对湿度下硫酸分压为0.05Pa时,硫酸液滴初始成核尺寸为0.0015μm左右。由于硫酸初始核在脱硫塔及后续烟道中的生长,硫酸液滴尺寸分布在0.0015~0.15μm内,数浓度随着粒径增加逐渐 减少[18]。

与低低温省煤器不同,相变凝聚器布置在湿法脱硫后,烟气中水蒸气接近饱和,换热过程中水蒸气易发生相变凝结,此外,相变凝聚器为细颗粒物的团聚过程提供了空间和时间。图3(a)和(b)分别展示了直径0.0015和2μm颗粒与0.01~100μm粒径颗粒发生作用时的团聚机制。图3(a)曲线表明,亚微米超细颗粒(0.0015μm)与100μm以下颗粒作用时布朗团聚通常为主导项,随着液滴尺寸接近100μm,

图2 纯水、硫酸及硫酸溶液在不同相对湿度下饱和蒸汽压

Fig. 2 Saturated vapor pressures of pure H2O, H2SO4and the binary system

图3 不同粒径颗粒与0.01~100μm颗粒碰撞聚并时布朗团聚核与湍流团聚核量级

Fig. 3 Comparison of coagulation mechanisms for particles interacting with those of 0.01~100μm diameter

湍流团聚的作用逐渐增强并趋于主导,湿法脱硫实践中由于受到喷淋液滴数密度等因素的限制,对于亚微米超细颗粒脱除效率较低;微米级(2μm)颗粒与粒径1μm以下颗粒作用时布朗团聚为主导项,与粒径10μm以上颗粒作用时湍流团聚主导,在1~10μm区间两者综合作用最弱,从而微米级烟尘颗粒容易逃逸。综合而言,对于直径0.0015和2μm颗粒,湍流团聚的作用均随着湍动能耗散率增大而增强。

基于上述分析,结合电厂测试结果,用于模拟计算的相变凝聚器入口烟气中水蒸气分子、硫酸液滴以及烟尘颗粒分布如下：温度328.15K,湿度为95%,水蒸气分子数为5.32 × 1024/m3,硫酸液滴尺寸分布于区间0.0015~0.15μm,总量为10.03mg/m3,烟尘分布于0.01~20μm,总量为22.04mg/m3,其中PM1烟尘量2.09mg/m3。

3.2 凝结过程与团聚规律

湿法脱硫后的高湿烟气在相变凝聚器中降温速率较慢,根据3.1部分分析,水蒸气过饱和度较小,易发生异相成核,即过饱和水蒸气在颗粒表面和管壁凝结。根据经典成核理论,过饱和度驱动成核,而蒸汽凝结逆反馈于气相过饱和度。相变凝聚器内烟气过饱和度和水蒸气凝结速率随时间的变化关系展示于图4中。由于烟气持续降温,在时间段0~0.4t0内烟气中水蒸气饱和度(相对湿度)逐渐增大,到0.4t0时刻左右,烟气湿度达到饱和态,蒸汽开始凝结,凝结速率约为2.5 × 1024分子数/(m3•s),气相中水蒸气饱和度稳定在1.0038左右。

图5展示了颗粒/液滴尺寸分布随时间的变化。图6对比了相变凝聚器入口、出口烟气中颗粒和液滴组分分布。图5显示,自初始时刻至0.4t0时间段内,0.1μm以下颗粒/颗粒数浓度峰值明显右移,图6该部分粒径颗粒/颗粒组分未发生变化,表明其物理过程以H2SO4液滴的碰撞聚并为主。并且该时间段内,烟气中水蒸气相对湿度低于100%,水蒸

图4 体系内过饱和度和凝结速率变化

Fig. 4 Saturation of H2O in gas phase and condensation rate in the phase-change agglomerator

图5 颗粒/液滴尺寸分布随时间变化关系

Fig. 5 Size distribution of particles/lets as a function of time

图6 相变凝聚器进、出口颗粒/液滴组分

Fig. 6 Varied components in particles/lets as a function of size distribution at the inlet and outlet

气未出现凝结,因此0.1μm以上颗粒/颗粒数浓度分布没有发生明显变化。0.4t0时刻后,烟气中水蒸气过饱和,水蒸气在换热管壁和颗粒/液滴表面发生凝结,穿透窗口0.1~1μm范围出现“凹陷”,体系内0.1~1μm颗粒/液滴数浓度降低,而1μm以上颗粒/液滴数浓度增加。