孟 新， 王軍鋒， 徐惠斌， 李 金， 張 偉

(江蘇大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

我國的火力發(fā)電仍以煤炭等化石燃料為主要原料，其燃燒過程中所產(chǎn)生的硫化物、氮氧化物及粉塵等多種污染物質(zhì)不僅對生態(tài)環(huán)境造成破壞，而且嚴(yán)重威脅了人類健康.隨著國家對大氣環(huán)境問題的逐步重視，燃煤電廠的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)也變得更加嚴(yán)格，因而亟待開發(fā)一種高效潔凈的脫除脫硫塔內(nèi)污染物的技術(shù).目前燃煤煙氣的脫硫、脫硝及除塵主要在脫硫塔內(nèi)完成，處理后的凈煙氣由煙囪排放到大氣中.近年來，濕法脫硫技術(shù)在燃煤煙氣處理中得到廣泛應(yīng)用，該技術(shù)不僅能高效脫除燃料燃燒后尾氣中的二氧化硫，而且可以吸附、捕集煙氣中的細(xì)顆粒物[1-3].然而，脫硫漿液會由于高溫?zé)煔庾饔枚舭l(fā)析出，出口顆粒物濃度反而有所增加.因此，優(yōu)化脫硫工藝中液滴對細(xì)顆粒物的吸附能力，有助于從源頭抑制細(xì)顆粒物的形成.

國內(nèi)外研究表明，利用荷電水霧可以有效提高細(xì)顆粒物的捕集效率[4-10].電場作用下，荷電液滴與顆粒物間除了存在慣性碰撞及增濕凝并作用外，固液兩相間的靜電力也能進(jìn)一步促進(jìn)液滴對顆粒物的吸附捕集.此外，帶同種電荷的液滴聚并能力弱，空間彌散性強(qiáng).在庫侖斥力作用下，母液滴還可破碎成更加細(xì)小的液滴，能有效增加荷電小液滴與細(xì)顆粒物的接觸面積.左子文等[11]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)荷電后液滴的粉塵捕集數(shù)量比未荷電時高一個數(shù)量級以上.A. KRUPA等[12]指出荷電有助于水霧脫除細(xì)顆粒物，當(dāng)荷電液滴與粉塵帶相反電荷時，脫除效率得到進(jìn)一步提高.C. CAROTENUTOA等[13]提出了荷電噴霧除塵效率的計算模型，研究結(jié)果表明：對于微粒子而言，較高的氣液相對速度會提高捕集效率；液滴直徑對細(xì)顆粒物捕集效率的影響較?。辉诟窳址茽柕麻g隙(間隙為0.1 ～ 1.0 μm)中，氣液相對速度在捕獲機(jī)理中對細(xì)顆粒物的捕集效率影響不大，通過改善液滴荷電水平和減小液滴尺寸可以大幅提高捕集效率.

為適應(yīng)高濕環(huán)境下能夠穩(wěn)定荷電，設(shè)計了新型吹掃式荷電霧化噴嘴.通過電場作用，可以提高荷電液滴對脫硫塔內(nèi)細(xì)顆粒物的捕捉效率.為此，本課題組開展利用荷電水霧脫除脫硫塔內(nèi)細(xì)顆粒物的試驗，探討液體流量和噴霧角度對液滴荷質(zhì)比的影響，以確定最佳荷電條件.基于搭建的可視化噴淋塔模型實驗臺，對濕法脫硫塔脫除細(xì)顆粒物環(huán)境進(jìn)行模擬，確立脫硫凈煙氣中顆粒物脫除效率與煙氣流速、液體流量之間的關(guān)系.

1 試驗裝置與方法

1.1 吹掃式荷電霧化噴嘴結(jié)構(gòu)

采用濕法脫硫技術(shù)對脫硫塔內(nèi)的煙氣進(jìn)行處理時，由于煙氣與噴淋漿液運動方向相反，會產(chǎn)生逆流夾帶影響，導(dǎo)致塔內(nèi)相對濕度極高，甚至達(dá)到飽和狀態(tài).且噴淋漿液和高溫?zé)煔饣旌蠒l(fā)生強(qiáng)烈的傳質(zhì)傳熱反應(yīng)過程.在此環(huán)境下，由于電極凝結(jié)水極易發(fā)生放電擊穿現(xiàn)象，從而使系統(tǒng)無法穩(wěn)定運行.因此，采用常規(guī)荷電方法難以體現(xiàn)荷電噴霧的高效脫除細(xì)顆粒物的優(yōu)勢.綜上，為提高荷電液滴對細(xì)顆粒物的脫除效率，設(shè)計了新型吹掃式荷電霧化噴嘴，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.

圖1 吹掃式荷電霧化噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖(單位：mm)

噴嘴固定于端蓋圓心處，并進(jìn)行接地處理.通過施加高壓電，在噴腔內(nèi)針狀電極附近氣體發(fā)生電暈放電，從而形成大量電子和負(fù)離子，并與噴淋液滴混合.同時，通過空氣通道以一定流量注入氣體，以保證針狀電極處于干燥狀態(tài)，確保荷電環(huán)境的安全性，有效避免了電極直接暴露于高濕環(huán)境導(dǎo)致被擊穿所產(chǎn)生的系統(tǒng)不穩(wěn)定問題.進(jìn)而使液滴霧化，并有效穩(wěn)定荷電，實現(xiàn)對顆粒污染物的脫除.

1.2 液滴荷質(zhì)比測量裝置

液滴荷質(zhì)比是評估噴嘴荷電噴霧特性的重要參數(shù)之一.本研究中通過試驗對設(shè)計的新型吹掃式荷電霧化噴嘴產(chǎn)生的液滴荷質(zhì)比進(jìn)行了測量.網(wǎng)狀目標(biāo)法測量系統(tǒng)裝置實物圖如圖2所示.

圖2 網(wǎng)狀目標(biāo)法測量系統(tǒng)裝置實物圖

該系統(tǒng)主要由液滴噴淋裝置、荷電裝置和電荷測量裝置等3部分組成.工作流程如下：噴淋裝置中，通過隔膜泵，經(jīng)噴嘴噴出液體；3個長度為10 mm的針狀電極均勻分布在噴嘴下方50 mm處；1個氣體出口設(shè)定在針狀電極上方5 mm處，通入的氣體由空壓機(jī)提供；吹掃式荷電霧化噴嘴固定于高度可調(diào)的絕緣支架上；噴嘴噴出的液滴經(jīng)由針狀電極荷電后，由底部金屬網(wǎng)桶收集，與接地端形成回路，由微安表測量其荷電電流.液滴荷質(zhì)比計算公式為

(1)

式中：γ為液滴荷質(zhì)比；q為液滴荷電量；m為液滴質(zhì)量；I為液滴荷電電流；t為測量時間；qm為液體的質(zhì)量流量；qV為液體的體積流量；ρ為液體的密度.

1.3 脫硫塔煙氣除塵系統(tǒng)模擬

將吹掃式荷電霧化噴嘴應(yīng)用于所設(shè)計的模擬脫硫塔煙氣除塵系統(tǒng)中，系統(tǒng)裝置如圖3所示.

圖3 脫硫塔煙氣除塵系統(tǒng)模擬裝置

該系統(tǒng)主要由模擬煙氣配置系統(tǒng)、荷電噴淋系統(tǒng)及顆粒物采集系統(tǒng)組成.空氣與燃煤飛灰經(jīng)由離心風(fēng)機(jī)充分混合后，配置成一定粉塵濃度的模擬煙氣，其中粉塵添加量通過電磁振動給料器以一定振動頻率進(jìn)行定量輸入.參考某電廠實際脫硫塔參數(shù)及尺寸，保證脫硫塔內(nèi)煙氣流動處于第2自?；瘏^(qū)，采用近似相似準(zhǔn)則搭建了噴淋塔.噴淋塔主體采用有機(jī)玻璃圓筒制作，其中塔直徑為300 mm，塔高為1 500 mm，設(shè)置1個單層噴淋噴嘴，在塔出口設(shè)置除霧器.模擬煙氣經(jīng)離心風(fēng)機(jī)增壓后進(jìn)入脫硫塔，噴淋的荷電液滴與模擬煙氣在脫硫塔內(nèi)逆流接觸后，進(jìn)行吸附捕集顆粒物，洗滌后的凈煙氣經(jīng)過除霧器排放到脫硫塔外.顆粒物采集系統(tǒng)由前分離器、氣溶膠粒度分布采集器(FA-3)及真空泵組成.根據(jù)慣性撞擊原理，粒徑大于10.00 μm的顆粒物由前分離器分離，隨著下一級孔徑逐漸減小，氣流速度逐級增大.不同粒徑顆粒物分別撞擊在對應(yīng)的采樣濾膜上，各層級采集器采集的顆粒物粒徑范圍如表1所示.

表1 采集器各層級粒徑分布

采樣過程中，空白濾膜首先置于105 ℃烘箱中烘干1.0 h；取出后，放入干燥箱中平衡0.5 h，溫度降至環(huán)境溫度后，采用精密天平測量其質(zhì)量；將采樣濾膜放入采樣器中，采樣0.5 h；采樣結(jié)束，繼續(xù)烘干平衡后，測量采樣后的濾膜質(zhì)量.采樣前、后的質(zhì)量差即為采樣器采集到的顆粒物質(zhì)量.每個工況至少測量3次，取3次測量的質(zhì)量平均值.每一級的除塵效率公式為

(2)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 荷電液滴荷質(zhì)比的測定

為驗證新型吹掃式荷電霧化噴嘴在高濕環(huán)境下的使用性能，本研究中對不同荷電電壓下該噴嘴在開放空間及密閉環(huán)境中的液滴荷質(zhì)比進(jìn)行對比分析.兩種環(huán)境中液滴荷質(zhì)比γ與荷電電壓U的關(guān)系曲線如圖4所示，其中密閉環(huán)境保持高濕(相對濕度>95%)，噴淋體積流量ql為0.4 L·min-1，氣體體積流量qg為60 L·min-1.

圖4 兩種環(huán)境中液滴荷質(zhì)比-荷電電壓關(guān)系曲線

由圖4可知：在密閉與開放環(huán)境中，液滴荷質(zhì)比隨著荷電電壓的增大呈現(xiàn)相同的變化趨勢；U≤12.5 kV時，隨著電壓增大，荷質(zhì)比呈先緩慢增大而后趨于平穩(wěn)的變化趨勢；U>12.5 kV時，荷質(zhì)比迅速增大，并與電壓呈線性比例關(guān)系，斜率均約為50.

不同的氣體體積流量下，荷電電壓與時間關(guān)系曲線如圖5所示.由圖5可知，盡管在較高電壓下，當(dāng)氣體體積流量大于60 L·min-1時，該噴嘴在密閉環(huán)境內(nèi)持續(xù)噴淋30 min，系統(tǒng)荷電電壓始終能保持在14.0 kV以上；當(dāng)氣體體積流量在40 L·min-1時，隨著噴淋時間的增加，系統(tǒng)荷電電壓持續(xù)下降到12.0 kV左右.這表明該噴嘴需要氣體體積流量大于60 L·min-1才能保證針狀電極的干燥.意味著在高濕環(huán)境下采用該噴嘴也能夠穩(wěn)定荷電電壓.

圖5 不同氣體體積流量下荷電電壓-時間關(guān)系曲線

為評估噴淋體積流量對吹掃式荷電霧化噴嘴性能的影響，對噴淋體積流量為0.2、0.3、0.4和0.5 L·min-1下的液滴荷質(zhì)比進(jìn)行了分析.不同液體體積流量下液滴荷質(zhì)比與荷電電壓關(guān)系曲線如圖6所示.

圖6 不同液體體積流量下液滴荷質(zhì)比-荷電電壓關(guān)系曲線

為保證系統(tǒng)安全性，避免針狀電極被打濕、放電，保持空壓機(jī)供氣流量為60 L·min-1.由圖6可知，當(dāng)U≤10.0 kV時，液滴荷質(zhì)比隨著電壓增大呈先增大后減小的趨勢.這主要是由于低電壓下液滴以感應(yīng)荷電方式為主，液滴荷電粒子主要帶正電荷.當(dāng)針狀電極附近開始發(fā)生氣體電離時，由電暈放電產(chǎn)生的電子和負(fù)離子與感應(yīng)電荷產(chǎn)生的正電荷相互抵消，導(dǎo)致液滴整體荷質(zhì)比下降.隨著荷電電壓的繼續(xù)增加，電離程度加劇，產(chǎn)生的電子和負(fù)離子數(shù)量迅速增多，荷電效果明顯增強(qiáng)[14].隨著液體體積流量的增加，機(jī)械霧化明顯，噴霧角度擴(kuò)大，液滴的比表面積增大，此時液滴經(jīng)過電暈區(qū)域時荷電量更大.而當(dāng)ql=0.5 L·min-1時，電暈放電情況下液滴荷電效果與電壓關(guān)系不明顯.這是因為液體流量過大，液滴運動速度過快，大液滴還沒來得及分裂成小液滴，就脫離了電暈區(qū)域，這樣會導(dǎo)致液滴荷電效果不理想.

圖7為不同噴霧角度θ下液滴荷質(zhì)比與荷電電壓的關(guān)系曲線，其中噴霧流量為0.4 L·min-1，氣體流量為60 L·min-1.

圖7 不同噴霧角度下液滴荷質(zhì)比-荷電電壓關(guān)系曲線

由圖7可知，當(dāng)荷電電壓低于10.0 kV時，噴霧角度越大，荷電效果越好.這主要是由于增大噴霧角度，使得液滴向電極靠近，致使液滴受到的電場力增大，荷電量增加.當(dāng)噴霧角度過大時，因液滴打濕針狀電極而發(fā)生放電、擊穿，且隨著電壓增大，這一過程發(fā)展更快.因此，θ=60°時，隨著電壓增大，液滴荷質(zhì)比呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢.

2.2 脫硫塔內(nèi)顆粒物的脫除效率

本課題組進(jìn)一步探討了該噴嘴在實際脫硫塔中對煙氣顆粒的分級脫除效率.在實際煙氣脫除試驗中，氣溶膠粒度采集器采集到的粒徑小于1.00 μm的微細(xì)顆粒物數(shù)量較少，可能造成顆粒物分級脫除效率誤差較大，因此本試驗中主要集中測量采樣器的0～5級(粒徑為1.10～10.00 μm)顆粒物的脫除效率.

2.2.1噴淋流量的影響

圖8為不同噴淋體積流量下顆粒物分級脫除效率η與顆粒粒徑dp關(guān)系曲線.

圖8 不同噴淋體積流量下顆粒物分級脫除效率-顆粒粒徑關(guān)系曲線

由圖8可知，不同噴淋流量下，隨著顆粒粒徑的增大，顆粒物脫除效率均呈現(xiàn)增大的趨勢.當(dāng)粒徑范圍從2.10～3.30 μm增大到3.30～4.70 μm時，顆粒物脫除效率提高不明顯.液滴捕集含塵氣流中顆粒物主要是通過慣性碰撞和擴(kuò)散作用兩種方式.顆粒粒徑越小，越利于擴(kuò)散，因此液滴通過擴(kuò)散作用捕集細(xì)小顆粒物的效果越好[15].隨著顆粒粒徑的增加，慣性碰撞捕集逐漸起主導(dǎo)作用，液滴對顆粒物捕集的效果也隨之不斷增強(qiáng).本研究中，液滴對顆粒粒徑為3.30～4.70 μm顆粒物的捕集處于擴(kuò)散作用與慣性碰撞的過渡階段，造成此粒徑范圍的顆粒物既不能有效擴(kuò)散，也沒有足夠的慣性力被液滴捕集.此外，從噴淋體積流量的角度看，增大噴淋流量對局部粒徑范圍內(nèi)的顆粒物脫除效率有所提高，尤其是對大粒徑顆粒物的脫除效果更為明顯.例如，粒徑為5.80～9.00 μm時，當(dāng)噴淋流量從0.3 L·min-1增大到0.5 L·min-1時，脫除效率從46.82%提高至62.24%.這主要是由于噴淋流量的增加使得氣液接觸面積增大，促進(jìn)了液滴對顆粒物的捕集.

2.2.2煙氣流速的影響

圖9為不同煙氣流速vg下顆粒物分級脫除效率與顆粒粒徑關(guān)系曲線.

圖9 不同煙氣流速下顆粒物分級脫除效率-顆粒粒徑關(guān)系曲線

由圖9可知，煙氣流速越高，越不利于液滴對煙氣中顆粒物的脫除，且這種影響機(jī)制對大粒徑顆粒物作用更顯著.例如，當(dāng)顆粒物粒徑范圍為5.80～ 9.00 μm時，在vg=1.5 m·s-1時脫除率達(dá)到62.00%，而在vg=4.5 m·s-1時僅為43.00%.這主要是由于在低煙氣流速下，顆粒物在噴腔內(nèi)運動的時間較長，氣液間發(fā)生慣性碰撞的可能性增大，提高了液滴捕集顆粒物的效果.而煙氣流速的增大使得顆粒物與液滴接觸時間減少，大大降低了顆粒物與液滴之間的慣性碰撞機(jī)會，因而顆粒物脫除效率降低.因而在實際應(yīng)用中，保持低負(fù)荷運行有利于荷電液滴對顆粒物的捕集.

2.2.3粉塵質(zhì)量濃度的影響

圖10為不同粉塵質(zhì)量濃度ρg下顆粒物分級脫除效率與顆粒粒徑關(guān)系曲線.

圖10 不同粉塵質(zhì)量濃度下顆粒物分級脫除效率-顆粒粒徑關(guān)系曲線

由圖10可知，隨著入口粉塵質(zhì)量濃度的增加，顆粒物脫除效率先增大，后減小.這是因為入口粉塵質(zhì)量濃度的增加導(dǎo)致顆粒物間距離減小，液滴與顆粒物間發(fā)生碰撞的概率增加，從而增強(qiáng)了液滴捕集顆粒物效果.同時細(xì)小顆粒物間更容易發(fā)生碰撞，并團(tuán)聚形成大粒徑顆粒物，進(jìn)而通過慣性碰撞被液滴捕集.但隨著粉塵質(zhì)量濃度的繼續(xù)增加，反而不利于顆粒物脫除，這主要是因為噴淋流量不變，而粉塵質(zhì)量濃度繼續(xù)增大，超過液滴捕集顆粒物的上限，反而不利于對顆粒物的脫除效率.

2.2.4液滴荷電電壓的影響

圖11為不同電壓下顆粒物分級脫除效率與顆粒粒徑關(guān)系曲線.

圖11 不同荷電電壓下顆粒物分級脫除效率-顆粒粒徑關(guān)系曲線

荷電電壓的改變直接導(dǎo)致液滴荷電量發(fā)生變化，液滴荷電后不僅通過慣性碰撞和擴(kuò)散作用捕集顆粒，同時荷電液滴與顆粒物間的靜電力作用也強(qiáng)化了液滴對其附近顆粒物的吸附.由圖11可知，相比非荷電液滴(U=0 kV)，液滴荷電后各粒徑范圍顆粒物脫除效率均有所提高.該結(jié)論與文獻(xiàn)[16]研究結(jié)果一致，即荷電噴霧具有良好的凈化除塵效果.因此若將荷電噴霧技術(shù)應(yīng)用于脫硫塔內(nèi)進(jìn)行脫塵處理，可以進(jìn)一步提高顆粒物脫除效率，降低脫硫塔出口顆粒物的質(zhì)量濃度.

3 結(jié) 論

1) 在兩相流靜電噴霧試驗中，液滴荷質(zhì)比隨荷電電壓的升高，呈現(xiàn)先增大、后減小、再增大的趨勢，受噴淋流量和噴霧角度影響較大.

2) 噴淋塔中顆粒物分級脫除效率隨顆粒粒徑和噴淋流量的增大而增大，隨煙氣流速的增加而減小，隨粉塵質(zhì)量濃度的增加呈先增大后減小的趨勢.

3) 液滴荷電能夠增強(qiáng)荷電液滴與顆粒物間靜電力作用，進(jìn)一步提高噴淋塔除塵效率，是一種可行的控制煙塵排放濃度手段.