工作研究
汪明喜
（中交浚浦建筑科技（上海）有限公司，上海市 200000）染酸
无叶风扇控制器
摘 要：水汽相变技术能够促进细颗粒物凝并长大成大颗粒物，可以增强除尘、除雾设备对细微颗粒物的脱除效率。本文综述了水汽相变技术的应用研究现状，并结合我国目前超低排放形势作出展望。在上述综述基础上，提出了需要进行后续研究的技术内容，为水汽相变对细颗粒物脱除的促进作用技术研发与运用提供发展方向建议。
关键词：细颗粒物；水汽相变；脱除
前言
颗粒物不仅会对大气环境造成污染，使大气能见度降低，造成雾霾等，而且还会严重影响人类健康；特别是细颗粒物，其比表面积相对较大，且能长期稳定的悬浮在空气中，细菌和有毒有害物质极易粘附在其表面上，对人类健康和空气环境的危害远大于粗颗粒物。近年来，随着大气污染的严重，相继出台或
提高了颗粒物的排放标准。我国《火电厂大气污染物排放标准》（GB13271-2018）规定燃煤电厂颗粒物的排放浓度需低于10 mg/m3。此外，部分地方政府还鼓励或强制要求实行超低排放，即颗粒物排放浓度小于5 mg/m3。[1]目前应用较多的除尘设备主要包括：旋风除尘器、布袋除尘器、静电除尘器、电袋复合除尘器和洗涤塔等。现有除尘设备对颗粒物的脱除效率可以达到较高水平，可以做到99% 以上，但是由于粒径在0.1-1 μm间的细小颗粒物的扩散力与惯性力作用均不明显，存在一个穿透区间，导致现有除尘装置对该粒径范围内的细颗粒物脱除效率不高。[2]为了改善这一现状，针对细颗粒物的预处理技术应运而生。颗粒物预处理技术可使细颗粒物在物理或者化学作用下，长大为质量较重、粒径较大的颗粒物，提高了颗粒物的惯性力，进而能有效的被现有除尘设备捕集。常见的预处理技术主要有电凝并[3]、声波团聚[4]、化学团聚[5]、湍流团聚[6]、水汽相变[7]等。其中，通过水汽相变技术使细颗粒物凝并长大是一种有效的颗粒物增强脱除技术。
1水汽相变促进细颗粒物凝并长大机理
水汽相变技术的主要原理是创造过饱和的水汽环境，以细颗粒物作为凝结核，使得水汽发生相变液化，从而促进了细颗粒物粒径增加，质量增大，并协同产生扩散泳力和热泳力作用，促进颗粒物发生迁移运动并且增强了颗粒间的相互碰撞，从而实现细颗粒物的凝结聚并长大。粒径变大后的细颗粒物很容易被常规的除雾，除尘等设备脱除。水建立过饱和或饱和水汽环境、核化细颗粒物以及凝并细颗粒物是水汽相变过程的三个关键阶段。。
树脂粘土
2火电厂中水汽相变促进细颗粒物脱除的应用研究由于燃煤烟气湿度普遍较低，大多数研究均是基于湿法脱硫净烟气开展的，经石灰石-石膏法脱硫后的烟气高温、高湿，一般处于饱和或近饱和的状态。可以通过添加添加冷空气、注入蒸汽和降低烟温冷凝来实现在高湿烟气中构建过饱和水汽环境。上述方法虽均可建立所需的过饱和水汽环境，但仍存在一定的优缺点跟适用范围。2.1 添加蒸汽法
高温烟气进入脱硫塔的洗涤，逆流接触中低温的脱硫浆液，进行传热传质。其中一部分脱硫浆液被汽化进入烟气相，使得烟气相的湿度大幅增加，烟气温度降低。经过脱硫塔洗涤的净烟气湿度亦增加，一般可以达到接近饱和的状态。往烟气中注入少量蒸气，就可以形成过饱和环境，使得水汽在细颗粒物表面核化凝结。提高水汽过饱和度可以促进细颗粒物的长大。鲍静静[8]等对在不同工艺段脱硫塔前和脱硫塔后）添加蒸汽对细颗粒物的脱除效果进行了研究，表明在脱硫塔后添加蒸汽的脱除效率低于在脱硫塔前添加蒸汽的脱除效率注入位置主要位于脱硫区域时，不仅可以形成过饱和环境，使细颗粒物凝聚长大，生成的较大液滴会被丝网除雾器脱除，而且还会使极细颗粒物的数量大幅降低，从而导致注入相同蒸汽量的情况下，亚微米级细颗粒物更难被脱除。而在脱硫塔出口喷入蒸汽处形成过饱和区域，且温差比脱硫塔前注入大，从而热泳力与扩散泳力增大，这也促进了细颗粒物的碰撞聚并与长大。
2.2 脱硫塔内相变法
一般燃煤电站排放的烟气中的细颗粒物主要包括燃煤时产生的燃煤细颗粒物和湿法脱硫过程中脱硫浆液蒸发形成的次生细颗粒物。可以通过在脱硫塔前增湿降温和烟气再循坏使细颗粒物在脱硫塔内发生水汽相变进而被脱除。吴昊[9]等研究水汽含量一定时，烟气温度从140℃下降40℃，燃煤细颗粒物的数量浓度基本不变，但次生颗粒物的数量浓度明显下降，主要因为在此过程中未能形成过饱和水汽环境，燃煤细颗粒物和次生颗粒物的性能未发生明显变化，而次生颗粒物主要是由于脱硫浆液滴夹带蒸发形成的，因此烟气温度降低会使脱硫浆液滴的蒸发作用下降，而对燃煤细颗粒物的影响较低；当烟气温度下降到80℃时，过饱和水汽环境形成，部分较大粒径燃煤细颗粒物会发生进一步的凝结长大而被脱除，但细颗粒物的数量浓度主要集中在亚微米级，因此细颗粒物数量浓度下降不明显；当烟气温度下降到60℃时，燃煤细颗粒物的数量浓度与次生颗粒物的数量浓度均有明显下降，因为更高的过饱和度使大量亚微米级细颗粒物凝结长大为大颗粒的含尘液滴，同时，更大的凝结水量使脱硫浆液滴更大，因此更易被脱除。但单纯的降温对细颗粒物的脱除效率影响并不明显，可以同时耦合增加烟气湿度，这样不仅更易形成过饱和水汽环境，还会增加实际水汽分压，抑制脱硫浆液滴的蒸发作用，有效降低次生颗粒物的形成。
烟气再循环技术是指在锅炉的空气预热器前抽取一部分高温烟气，将其直接送入炉内，或者与一、二次风混合后，再送入炉内。主要目的是为了降低氧浓度和燃烧温度。烟气回流耦合技术，主要是抽取部分回流生长管尾部烟气送入回流生长管的不同位置，与新送入的烟气进行混合。烟气回流位置设置
在生长管顶部的细颗粒物脱除效率最低，主要是因为此过程指经历了碰撞聚并，不会发生过饱和区域的凝结长大，设置在底部的脱除效率最高，主要是因为设置在中部和底部时，回流的细颗粒物不仅会发生碰撞聚并还会在过饱和环境下凝结长大，形成了二次生长，并且设置在底部要经历的过饱和区域要比设置在中部的大；烟气回流的比例越大，脱除效率则越高；同样，越高的水蒸气过饱和度，烟气回流耦合水汽相变促进细颗粒物的脱除效率越大。
2.3 脱硫塔后添加湿空气法
研究表明在脱硫塔后添加一定温度的湿空气可以促使混合的烟气达到一定的过饱和度，从而促进细颗粒物的凝并长大。姜业正[10]等研究了湿空气温湿度及添加量对细颗粒物脱除效率的影响，表明添加湿空气能够促进细颗粒物的脱除，且细颗粒物的脱除效率先上升后趋于平稳，这是因为细颗粒物的粒径越小，就需要更高的过饱和度促进非均相凝结；同时，随着湿空气的相对湿度的增大会导致水汽过饱和度增大，会使细颗粒物的脱除效率增加；对于相同温湿度的湿空气其添加量越多，则可凝结水量就越多，可以保证细颗粒物能充分凝并长大，从而增加细颗粒物的脱除效率；在湿空气中加入一定量的冷空气可达到更高的水汽过饱和度，可以使大量亚微米级细颗粒物充分凝并长大，提高脱除效率，在寒冷地区，可通过直接将冷空气与脱硫净烟气混合形成过饱和水汽环境。另外，具有较
—100—
动态秤
《装备维修技术》2021年第17期
低温度的湿空气更能促进细颗粒物的脱除。
2.4 撞击流法
撞击流法是利用细颗粒物在撞击流相变室相互碰撞长大从而脱除细颗粒物。撞击流相变室的流动阻力低、湍动性高、传质系数高。伍沅[11]研究发现小粒径的液滴撞击后更容易团聚长大，较大粒径的液滴撞击后更易于破碎，从而撞击后的液滴粒径分布变小。利用撞击流添加湿空气后，细颗粒物的脱除效率明显提高，这是因为向烟气添加湿空气后，混合烟气的相对湿度提高，水汽过饱和度上升，更有利于细颗粒物的凝结长大，在撞击流相变室内碰撞几率增大，更容易碰撞团聚成较大粒径的颗粒物，从而提高了除尘设备的脱除效率。
利用撞击流法耦合添加蒸汽法，熊桂龙[14]研究发现采用倾斜撞击流相变室对细颗粒物的脱除效果比普通卧式相变室的效果好；在烟气撞击前添加蒸汽的效果最好，烟气对喷后脱除效果最差，这是因为前者不仅可以促进细颗粒物凝结长大，还能在高浓度撞击流区域进一步碰撞团聚长大，而后者仅靠撞击使细颗粒物长大，长大后细颗粒物所需的过饱和度虽有所降低，但不足以使细颗粒物长大到被容易脱除的粒径；随着蒸汽添加量的增加，脱除效率是先上升后趋于平缓，这主要是因为蒸汽会相变潜热，释放热量，随着蒸汽的添加，烟气温度升高，过饱和水汽环境下的非均相凝结和过高过饱和度下
的均相凝结，使细得颗粒物的脱除效率不能持续升高。
3超低排放下水汽相变促进细颗粒物脱除技术的应用采用石灰石-石膏法湿法脱硫的火电厂烟囱口出现的“白烟”现象，主要是由于烟气在脱硫塔的液气混合后的绝对含水量变大，烟气露点升高，排放至大气后，温度下降，产生结露，形成“白烟”。要消除“白烟”，就要降低烟气的绝对含水量来使烟气露点温度降低。目前，正在开展的燃煤机组消除有烟羽（又称烟气脱白、烟气节水）改造为建立过饱和水汽环境，为细颗粒物的凝结长大和脱除提供了有利条件。燃煤机组消除有烟羽主要治理手段是对高湿脱硫净烟气进行降温冷凝；在高湿烟气降温冷凝时，通常采用氟塑料毛细管冷凝换热器。在换热器中，一方面，由于高湿烟气温度降低，形成过饱和水汽环境，水汽凝结析出，减少了烟气中的绝对含水量，进而抑制了有烟羽的形成；另一方面，降温后大量过饱和水汽会以细颗粒物为凝结核发生非均相凝结，促进细颗粒物质量增加，粒度增大；同时，水汽相变过程中细颗粒物之间的碰撞概率增加，细颗粒物会通过碰撞聚并长大；此外，部分细颗粒物还会在惯性力、扩散泳力、热泳力等作用下会向冷凝壁面扩散沉积并由冷凝液膜捕集。对于一些改造过的湿法烟气脱硫系统，采用单塔双循环或双塔双循环改造可通过降低脱硫浆液温度来提高水汽过饱和度，从而使得烟气中细颗粒物凝结长大后被喷淋洗涤和除雾器拦截脱除。
应用水汽相变促进脱硫净烟气中细颗粒物脱除已有一定研究。西安交通大学谭厚章[13]基于细颗粒物在高湿脱硫净烟气降温冷凝过程中的凝并长大，提出了将水汽相变技术与湿式电除尘器技术耦合的湿
式相变冷凝除尘技术；该研究虽然表明高湿烟气冷凝降温过程中水汽相变可有效促进细颗粒物的长大，提高后续除尘设备的捕集能力，但并未深入研究冷凝壁面对细颗粒物的捕集作用与机制；有研究发现，亚微米级细颗粒物在冷凝壁面上沉积量较少，而微米级细颗粒物沉积量较大，且沉积量随着粒径的增加而上升。有学者应用水汽相变技术脱除天然气燃烧过后烟气中的细颗粒物设计冷凝式换热器，并通过数值模拟与试验考察了冷凝式换热器对细颗粒物的脱除性能；结果表明，细颗粒物可在冷凝式换热器内凝结长大后被冷凝壁面捕集，捕集效率可达57.64%，然而，该研究仅通过测试换热器前后细颗粒物浓度的变化考察水汽相变作用结果，对换热器内细颗粒物在惯性力、扩散泳力热泳力及布朗运动等作用下向冷凝壁面扩散沉积并由冷凝液膜捕集的过程并未深入研究。冷凝壁面对近壁区细颗粒物力学行为影响显著，形成冷凝水膜后近壁区的热泳力扩散泳力具有不同程度的增大，显著改变了细颗粒物的运动轨迹与沉积情况；同时，冷凝壁面特性（如材质、润湿性粗糙度等）也会对近壁区细颗粒物的运动沉积有所影响。吴昊[9]开展了利用氟塑料换热器对高湿脱硫净烟气降温冷凝，建立了过饱和的水汽环境，促进细颗粒物凝结长大，并被后续设置的高效除雾器拦截脱除的研究。
4展望
细颗粒物凝结长大是一个复杂的传热传质过程。影响细颗粒物凝结长大的主要因素有：细颗粒物的物化特性、颗粒物的粒径大小、水汽过饱和度、停留时间等。
利用过饱和水汽环境促进细颗粒物非均相凝结长大而被脱除的水汽相变技术极具应用前景，特别适用于烟气含水量高的场合。现有研究主要侧重在研究颗粒物的核化特性、过饱和水汽环境中的细颗粒物的非均相凝结机理、不同物化特性细颗粒物的凝结特性、如何构建水汽过饱和环境、对高湿烟气降温冷凝促进细颗粒脱除等，而对非单一细颗粒物共存时的异质核化与竞争凝结特性、细颗粒物非均相凝结长大后的碰撞聚并作用、细颗粒物向冷凝壁面扩散沉积的运动规律等研究较少。今后的研究应主要集中于：
水汽过饱和度直接影响细颗粒物的脱除效率，研究水汽过饱和度的构建规律。
电厂湿法脱硫净烟气中的物质并不单一，研究在水汽相变下不同物性细颗粒物共存时的异质核化特性和竞争凝结作用。
水汽相变促使细颗粒物凝结长大后，较大粒径的液滴更容易发生碰撞聚并作用，研究不同物性颗粒物及其共存时的碰撞聚并作用规律。
研究近壁区细颗粒物在热泳力、扩散泳力作用下向不同性质冷凝壁面的迁移与沉积运动规律。
参考文献：
[1]张莹莹.燃煤锅炉烟气超低排放技术研究[J].节能与环保，2020（12）：65-66.
[2]赵亮，刘平元.烟气流速对湿式静电除尘器脱除PM_（10）的冷气机组
影响[J].发电设备，2019，33（04）：248-251.
[3]张江石，周和军.双区式电凝并技术对提高细微粉尘凝并效率的
影响[J].环境工程学报，2020，14（05）：1304-1310.
[4]张光学，马振方，吴林陶，姚辉辉，池作和.超细液滴气溶胶
声波团聚的实验研究[J].中国电机工程学报，2020，40（02）：608-615.
[5]朱洪堂，申贤坤，李润浩，胡修德，孙德帅，陈照军.化学团聚
剂强化燃煤细颗粒物团聚脱除[J].环境工程，2020，38（12）：97-102+91.
[6]林玉冬，林翔，谢庆亮. 湍流团聚促进电除尘器脱除PM2.5微
细粉尘的应用研究[A]. 中国环境保护产业协会.第十八届中国电除尘学术会议论文集[C].中国环境保护产业协会：中国环境保护产业协会电除尘委员会，2019：7.
[7]鲍静静，许家菱，唐继国，谢果，刘洪涛，孙立成，杨宏旻.水
美发镜台汽相变促进烟气中细颗粒物成核长大特性研究[J].工程科学与技术，2017，49（05）：171-177.
[8]鲍静静，杨林军，颜金培，黄永刚，蒋振华，沈湘林.应用蒸汽
相变协同脱除细颗粒和湿法脱硫的实验研究[J].中国电机工程学报，2009，29（02）：13-19.
[9]吴昊. 应用水汽相变促进燃煤烟气中细颗粒物及SO3酸雾脱除
的研究[D].东南大学，2017.
[10]姜业正. 添加湿空气促进湿法脱硫净烟气中PM2.5及SO3酸雾
脱除的研究[D].东南大学，2016.
[11]伍沅，周玉新，郭嘉，袁军.液体连续相撞击流强化过程特性
及相关技术装备的研发和应用[J].化工进展，2011，30（03）：463-472.
[12]熊桂龙，吴厚松，李水清，姚强.可溶性盐份对脱硫废水液滴
烟道蒸发特性影响的数值模拟[J].中国电机工程学报，2020，40（16）：5239-5248.
[13]阮仁晖，谭厚章，段钰锋，杜勇乐，刘鹤欣，萧嘉繁，杨富鑫，
张朋.超低排放燃煤电厂颗粒物脱除特性[J].环境科学，2019，40（01）：126-134.
—101—
