洗涤塔脱除燃烧源超细颗粒的实验研究.pdf

书书书第５９卷第６期化工学报Ｖｏｌ．５９Ｎｏ．６２００８年６月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（Ｃｈｉｎａ）Ｊｕｎｅ２００８檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐殐殐殐研究论文洗涤塔脱除燃烧源超细颗粒的实验研究孙露娟，杨林军，张霞，颜金培，张宇，沈湘林（东南大学洁净煤发电及燃烧技术教育部重点实验室，江苏南京２１００９６）摘要在填料洗涤塔中进行了利用蒸汽相变原理促进燃煤和燃油超细颗粒凝结长大并高效脱除的实验研究；采用电称低压冲击器（ＥＬＰＩ）、ＳＥＭ及ＸＰＳ对两种燃烧源细颗粒凝结洗涤前后的数浓度、粒径分布、形貌和元素组分进行了分析测试，考察了洗涤塔进口气液温差、进口烟气含湿量及液气比等对脱除效率的影响。结果表明，燃煤和燃油产生的超细颗粒形貌和组分具有较大的差别，燃煤超细颗粒主要为硅铝矿物质，而燃油超细颗粒主要为含炭物质；在相同条件下，燃煤超细颗粒相变脱除效果优于燃油超细颗粒；脱除效率随洗涤塔进口气液温差的增大而提高，在相同进口气液温差下，增大进口烟气含湿量可显著提高超细颗粒的脱除效率；液气比的影响与填料洗涤塔内是否存在蒸汽相变有关；通过合理调节进口烟气含湿量及进口烟气与洗涤液的温差在填料塔内建立微粒凝结长大所需的过饱和水汽环境可有效脱除燃烧源超细颗粒。关键词蒸汽相变；超细颗粒；洗涤塔；脱除中图分类号Ｘ５１文献标识码Ａ文章编号０４３８－１１５７（２００８）０６－１５０８－０７犚犲犿狅狏犪犾狅犳犳犻狀犲狆犪狉狋犻犮犾犲狊犳狉狅犿犮狅犿犫狌狊狋犻狅狀犫狔犮狅狀犱犲狀狊犪狋犻狅狀狊犮狉狌犫犫犻狀犵犛犝犖犔狌犼狌犪狀，犢犃犖犌犔犻狀犼狌狀，犣犎犃犖犌犡犻犪，犢犃犖犑犻狀狆犲犻，犣犎犃犖犌犢狌，犛犎犈犖犡犻犪狀犵犾犻狀（犓犲狔犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔狅犳犆犾犲犪狀犆狅犪犾犘狅狑犲狉犌犲狀犲狉犪狋犻狅狀犪狀犱犆狅犿犫狌狊狋犻狅狀犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔，犕犻狀犻狊狋狉狔狅犳犈犱狌犮犪狋犻狅狀，犛狅狌狋犺犲犪狊狋犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔，犖犪狀犼犻狀犵２１００９６，犑犻犪狀犵狊狌，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋Ｐａｃｋｅｄｃｏｌｕｍｎｓｃｒｕｂｂｅｒｉｎｗｈｉｃｈｖａｐｏｒｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎｗｉｔｈｆｉｎｅｐａｒｔｉｃｌｅｓａｃｔｉｎｇａｓｎｕｃｌｅａｔｉｏｎｎｕｃｌｅｉｗａｓｕｓｅｄｔｏｓｅｐａｒａｔｅｆｉｎｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｆｒｏｍｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ．Ｔｈｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓａｎｄｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｓｃｒｕｂｂｉｎｇｗｅｒｅｍｅａｓｕｒｅｄｂｙｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｏｗｐｒｅｓｓｕｒｅｉｍｐａｃｔｏｒ（ＥＬＰＩ）．Ｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍａｊｏｒｅｌｅｍｅｎｔｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓｏｆｆｉｎｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｂｙｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ（ＳＥＭ）ａｎｄＸ  ｒａｙｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（ＸＰＳ）ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｉｓ，ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆｏｐｅｒａｔｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｓｕｃｈａｓｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｇａｓａｎｄｗａｔｅｒａｔｔｈｅｉｎｌｅｔｏｆｓｃｒｕｂｂｅｒ，ｔｈｅｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｆｌｕｅｇａｓ，ｌｉｑｕｉｄｔｏｇａｓｒａｔｅ，ｏｎｔｈｅｐａｒｔｉｃｌｅｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙａｎｄｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｆｉｎｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｆｒｏｍｃｏａｌａｎｄｏｉｌｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｗｅｒｅｖｅｒｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔ．ＴｈｅｆｉｎｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｆｒｏｍｃｏａｌｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｍａｉｎｌｙｗｅｒｅｍｉｎｅｒａｌｓｕｂｓｔａｎｃｅｓｏｆＳｉａｎｄＡｌ，ｗｈｉｌｅｔｈｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｆｒｏｍｏｉｌｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｍａｉｎｌｙｗｅｒｅｃａｒｂｏｎ．Ｔｈｅｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｆｉｎｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｆｒｏｍｃｏａｌｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｗａｓｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｏｉｌｕｎｄｅｒｔｈｅｓａｍｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｉｔｗａｓａｌｓｏｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｉｎｃｒｅａｓｅｄｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｉｎｌｅｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｇａｓａｎｄｌｉｑｕｉｄ．Ｗｈｅｎｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｗａｓｔｈｅｓａｍｅ，ｔｈｅｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎａｌｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｃｏｕｌｄｂｅｈｉｇｈｌｙｅｎｈａｎｃｅｄｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｈｕｍｉｄｉｔｙｏｆｉｎｌｅｔｇａｓ．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｌｉｑｕｉｄｔｏｇａｓｒａｔｉｏｗａｓｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅｅｘｉｓｔｅｎｃｅｏｆ２００７－１０－２３收到初稿，２００７－１２－１６收到修改稿。联系人杨林军。第一作者孙露娟（１９８２），女，硕士研究生。基金项目国家自然科学基金项目（２０５７６０２０）；国家重点基础研究专项经费项目（２００２ＣＢ２１１６０４）。犚犲犮犲犻狏犲犱犱犪狋犲２００７－１０－２３．犆狅狉狉犲狊狆狅狀犱犻狀犵犪狌狋犺狅狉Ｐｒｏｆ．ＹＡＮＧＬｉｎｊｕｎ．犈－犿犪犻犾ｓｕｎｌｕｊｕａｎｓｅｕ＠１６３．ｃｏｍ犉狅狌狀犱犪狋犻狅狀犻狋犲犿ｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（２０５７６０２０）ａｎｄＳｐｅｃｉａｌＦｕｎｄｏｆｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＢａｓｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒａｍｏｆＣｈｉｎａ（２００２ＣＢ２１１６０４）．ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｐａｃｋｅｄｃｏｌｕｍｎｓｃｒｕｂｂｅｒ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｆｉｎｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｃｏｕｌｄｂｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｒｅｍｏｖｅｄｂｙｔｈｅｐａｃｋｅｄｃｏｌｕｍｎｉｎｗｈｉｃｈｓｕｐｅｒｓａｔｕｒａｔｉｏｎｏｆｖａｐｏｒａｎｄｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｄｒｏｐｌｅｔｇｒｏｗｔｈｂｙｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎｗｅｒｅａｂｌｅｔｏｂｅａｃｈｉｅｖｅｄｂｙａｄｊｕｓｔｉｎｇｔｈｅｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｔｈｅｉｎｌｅｔｇａｓａｎｄｔｈｅｉｎｌｅｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｆｌｕｅｇａｓａｎｄｗａｔｅｒ．犓犲狔狑狅狉犱狊ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ；ｆｉｎｅｐａｒｔｉｃｌｅｓ；ｓｃｒｕｂｂｅｒ；ｒｅｍｏｖａｌ引言可吸入颗粒物是目前我国城市大气环境的首要污染物，尤其是其中空气动力学直径小于２．５μｍ的ＰＭ２．５污染问题十分严重，煤、油等燃料燃烧是引起大气环境中ＰＭ２．５含量增加的主要原因。虽现有除尘装置的除尘效率可达９９％以上，但对超细颗粒物的捕获率仍较低，导致大量超细颗粒物排入大气环境中，构成大气气溶胶的主要部分［１  ２］，以颗粒的数量计可达到飞灰总数的９０％以上。这也是我国在大气中总悬浮颗粒物呈逐年下降趋势，烟尘排放总量也下降的情况下，超细颗粒物却呈上升趋势的原因，而环境友好的可持续能源发展是我国长期的目标，因此，控制燃烧源超细颗粒排放是迫切需要解决的关键问题。目前，技术发展的主要途径是在除尘设备前设置预处理设施，使其通过物理或化学作用长大成较大颗粒后加以脱除，声、光、电、磁、热、相变等各种技术对超细颗粒的长大都有不同程度的促进作用［３  ４］，其中，应用蒸汽相变原理是促使超细颗粒凝并长大的重要措施。利用蒸汽相变作为脱除超细颗粒的预调节措施已有较长的研究时间。１９５１年Ｓｃｈａｕｅｒ等［５］研究得出利用蒸汽在微粒表面凝结是促进超细微粒粒度增大最有效的措施之一。１９７４年Ｃａｌｖｅｒｔ等［６］进行了在模拟废气中添加蒸汽使之达到饱和状态，然后用筛板塔洗涤器脱除Ｆｅ２Ｏ３微粒（犱ｐ＜２μｍ）的研究，并首次提出了一种新型除尘器流量力／冷凝洗涤器（ｆｌｕｘｆｏｒｃｅ／ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎｓｃｒｕｂｂｅｒ）。１９７６年Ｙｏｓｈｉｄａ等［７］实验研究了香烟微粒、邻苯二甲酸二辛酯（ＤＯＰ）、硬脂酸、炭黑４种亚微米级颗粒在过饱和蒸汽中的长大特性，结果发现即使是疏水性微粒在过饱和蒸汽中也能快速长大，并认为蒸汽相变是最有前途的脱除超细微粒预调节措施之一。１９９４年Ｓｕｎ等［８］进行了应用蒸汽相变原理脱除污泥焚烧厂废气中亚微米级微粒的研究。但上述微粒的物理、化学特性与燃煤、燃油微粒有很大不同，且主要通过单纯添加蒸汽达到实现蒸汽相变所需的过饱和状态，能耗较高。相变凝结过程中，水汽以微粒表面为依托开始凝结发生相变，微粒起到凝结核的作用，其表面的物理、化学特性对核化性能及此后的凝结生长具有决定性作用。本文以煤、油等燃料燃烧产生的含尘烟气为对象，通过调节洗涤塔入口烟气和水的温差和烟气的含湿量，使烟气在塔内达到过饱和，利用其在洗涤塔内发生相变促进超细颗粒凝结长大并高效脱除，对凝结洗涤前后的微粒数浓度、粒径分布、形貌和元素组分等物化性质进行了分析测试，并考察了进口气液温差、进口烟气含湿量、液气比等操作条件对燃烧源超细颗粒脱除效果的影响规律。１实验１  １实验系统实验系统如图１所示，主要有全自动燃煤锅炉（或柴油机）、旋风分离器、烟气湿度调节室、填料洗涤塔、测量控制系统等组成。图１实验系统示意图Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｙｓｔｅｍ由全自动燃煤锅炉（或柴油机）产生的含尘烟气经过旋风分离器脱除粗颗粒（犱ｐ≥１０μｍ）后，进入烟气湿度调节室，添加适量水蒸气调节烟气含湿量，然后进入洗涤塔；通过调节进口烟气温湿度、洗涤水温度等措施在塔内建立过饱和水汽环境，使细颗粒在塔内凝结长大并脱除。烟气额定体积流量为６５ｍ３ｈ－１，塔直径１５０ｍｍ，塔高１５００９０５１第６期孙露娟等洗涤塔脱除燃烧源超细颗粒的实验研究ｍｍ。填料为不锈钢丝网波纹填料，峰高、比表面积、空隙率、盘高、盘径和倾角分别为６．３ｍｍ、５００ｍ２ｍ－３、９５％、１００ｍｍ、１４９ｍｍ、４５，在塔高４５０ｍｍ处有填料支撑板，填料层高度为９００ｍｍ。１  ２采样方法采样系统以ＥＬＰＩ为主体，配以取样枪、旋风分离器、真空泵等相关部件。由于实验系统排放的烟气含湿量较高，水蒸气容易在ＥＬＰＩ管路及冲击盘上凝结，对结果造成影响，因此，用ＥＬＰＩ采样及测量时要对采样烟气进行稀释。图２为采样系统示意图，启动真空泵，烟气依次进入取样枪、旋风分离器，并由旋风分离器脱除粒径大于１０μｍ的颗粒，然后与经净化的高温稀释气混合（稀释比８．１８∶１），高温稀释气与采样烟气混合后进入ＥＬ  ＰＩ测试系统，测得细颗粒的浓度和粒径分布，采样测试时末级冲击盘处压力维持在１０ｋＰａ左右，真空泵流量控制在１０Ｌｍｉｎ－１。用于形貌和元素组分分析的颗粒样品采用ＰＫ４５１２型微型真空泵系统采集。图２采样系统示意图Ｆｉｇ．２Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｓａｍｐｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍ１  ３分析方法颗粒形貌及元素组成采用德国ＬＥＯ公司的１５３０ＶＰ扫描电子显微镜分析，该显微镜配有英国ＯＸＦＯＲＤ公司的ＩＮＣＡ３００Ｘ射线能谱分析系统；扫描电镜的主要性能为在高真空模式下分辨率为１．０ｎｍ／２０ｋＶ，放大倍数为２０～９０００００，电子枪为电子热场发射，样品电流为４ｐＡ～１０ｎＡ，加速电压为１００Ｖ～３０ｋＶ。扫描分析前，需要将样品固定在铜合金样品台上镀金，样品放入真空腔后，密闭抽真空达到规定的负压值，即可通过外部控制台和软件系统完成样品的扫描放大拍摄和能谱分析记录等操作。２结果与讨论２  １凝结洗涤前后燃烧源细颗粒的物化特征２．１．１燃烧源细颗粒浓度及粒径分布实验用的燃煤和燃油细颗粒的数浓度和质量浓度累积分布如图３所示，两者主要为亚微米级微粒，燃油、燃煤细颗粒的平均粒径分别为０．０７μｍ、０．１２μｍ。从图中可以看出，燃油颗粒粒径要比燃煤颗粒小，粒径小于０．０８μｍ的燃油颗粒占颗粒总数的７０．２％，而燃煤细颗粒只占到３９．７％；颗粒数浓度主要集中在亚微米级颗粒，而质量浓度主要集中于微米级颗粒。从颗粒源排放特性分析看，控制颗粒数浓度要比控制颗粒的质量浓度更有实际意义。图３颗粒数量与质量累积分布Ｆｉｇ．３Ｎｕｍｂｅｒａｎｄｍａｓｓｃｕｍｕｌａｔｉｖｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｏｆｐａｒｔｉｃｌｅｓ图４为气液进口温差６０℃、进口烟气相对湿度９０％、洗涤塔液气比为２．５Ｌｍ－３时，洗涤脱除前后颗粒数浓度分布，曲线１、２分别为燃油洗涤脱除前后的颗粒数浓度分布，曲线３、４分别为燃煤洗涤脱除前后的颗粒数浓度分布。可以看出，实验用燃煤和燃油颗粒数浓度在ＥＬＰＩ测试范围（０．０３～１０μｍ）内呈单峰分布，初始数浓度峰值粒径分别为０．２μｍ和０．０７μｍ，大部分颗粒在０．０３～０．７μｍ之间。凝结洗涤后，不仅颗粒数浓度大幅下降，且粒径分布趋势也发生了变化，燃煤和燃油微粒数浓度峰值粒径下降为０．０７μｍ和０．０３μｍ，大部分颗粒在０．０３～０．３μｍ。这是因为在上述操作条件下，微粒可在洗涤塔内发生凝结长大，并由洗涤液、除雾器等脱除凝结长大的含尘液滴，使塔出口微粒数浓度降低，粒度分布向小粒径方向移动。０１５１化工学报第５９卷图４洗涤脱除前后颗粒数浓度分布Ｆｉｇ．４Ｎｕｍｂｅｒｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｏｆｐａｒｔｉｃｌｅｓ１ｐａｒｔｉｃｌｅｓｆｒｏｍｏｉｌｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｉｎｓｃｒｕｂｂｅｒｉｎｌｅｔ；２ｐａｒｔｉｃｌｅｓｆｒｏｍｏｉｌｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｉｎｓｃｒｕｂｂｅｒｏｕｔｌｅｔ；３ｐａｒｔｉｃｌｅｓｆｒｏｍｃｏａｌｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｉｎｓｃｒｕｂｂｅｒｉｎｌｅｔ；４ｐａｒｔｉｃｌｅｓｆｒｏｍｃｏａｌｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｉｎｓｃｒｕｂｂｅｒｏｕｔｌｅｔ２．１．２燃烧源细颗粒的形貌及元素组成通过扫描电镜观察采集的细颗粒物形貌特征，同时使用能谱分析测试细颗粒物的元素组成。图５是洗涤脱除前燃煤和燃油超细颗粒的扫描电镜分析结果，可知，燃煤和燃油超细颗粒形态结构相似，大多呈球形结构，颗粒大小较为均匀，颗粒之间相互堆积在一起。从燃煤、燃油细颗粒元素分析结果（表１）和Ｘ射线能谱（图６）可知，该燃煤微粒主要元素组分是Ｏ、Ａｌ、Ｓｉ（注由于扫描电镜所用样品需要镀金预处理，所以能谱图上都有较高的Ａｕ元素谱峰），占９４．５８％，其余为Ｃ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｃｌ等次要元素，从其主要元素的量可推知燃煤超细颗粒大多为难溶于水的硅铝质矿物颗粒；从颗粒的润湿性能看，属于中等润湿性颗粒［９］。燃油微粒主要组分为Ｃ，含量超过９０％，与燃煤细颗粒相比，Ｏ、Ａｌ和Ｓｉ的含量极低；从该分析结果可以推知燃油细颗粒主要为含炭的疏水性较强的油性物质，与燃煤细颗粒相比，其润湿性能更差，核化凝结需要更高的临界过饱和度，不利于蒸汽在其表面凝结，相应的凝结长大的液滴也较小，凝结洗涤的效果下降。洗涤脱除后燃煤和燃油超细颗粒的扫描电镜分析结果如图７所示，可见，洗涤塔出口处的细颗粒物相互堆积在一起，形成致密的不规则块状、层状或絮状结构，由图７上凸起的半球形颗粒可以确定，这种结构是在捕集的过程中原本球形的颗粒物通过相互团聚作用而形成的。在场发射电镜下，洗涤前的燃煤排放细颗粒的表面特性如图８所示，图５洗涤塔入口燃烧源超细颗粒的ＳＥＭ图像Ｆｉｇ．５ＳＥＭｉｍａｇｅｓｏｆｆｉｎｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｎｓｃｒｕｂｂｅｒｉｎｌｅｔ图６洗涤脱除前后燃煤超细颗粒能谱（ＸＰＳ）分析Ｆｉｇ．６ＸＰＳｏｆｆｉｎｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｆｒｏｍｃｏａｌｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎｓｃｒｕｂｂｉｎｇ可见多数细颗粒的表面并不是特别光滑，而是存在纳米级的超细颗粒。这反映出燃煤颗粒不同粒径之间存在逐级吸附的现象，即粗颗粒表面吸附细颗粒，而细颗粒表面吸附超细颗粒，这些细颗粒物在存放和利用过程中极易飞扬，进入大气环境，从而对环境造成一定的危害。１１５１第６期孙露娟等洗涤塔脱除燃烧源超细颗粒的实验研究图７洗涤塔出口燃烧源超细颗粒的ＳＥＭ图像Ｆｉｇ．７ＳＥＭｉｍａｇｅｓｏｆｆｉｎｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｎｓｃｒｕｂｂｅｒｏｕｔｌｅｔ图８燃煤细颗粒的表面特征Ｆｉｇ．８Ｓｕｒｆａｃｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｆｉｎｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｆｒｏｍｃｏａｌｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ从微粒元素分析结果（见表１）可知，洗涤脱除前后燃煤超细颗粒的Ｏ和Ｃ的百分含量分别由５３．７５％和１．５５％增加到５４．９９％和２．８４％，而Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｌ、Ｋ、Ｃａ的百分含量均有不同幅度的降低。在洗涤脱除过程中，水溶性离子溶解于洗涤液中，由于不同离子的溶解特性不同，导致洗涤脱除前后超细颗粒的百分含量变化有较大差异。２  ２塔进口气液温差对脱除效率的影响进口烟气和洗涤水的温差Δ犜可影响塔内气液传热传质特性，从而改变塔内烟气含湿量，图９（ａ）为液气比３Ｌｍ－３，进口烟气温度７０～９０℃，洗涤液温度２０～６０℃时，燃煤、燃油超细颗粒的脱除效率随进口气液温差的变化特性。可以看出，随着进口烟气与洗涤水温差的增大，超细颗粒的脱除效率增加。这是因为塔内扩散泳和热泳作表１燃烧源超细颗粒元素组成犜犪犫犾犲１犈犾犲犿犲狀狋犮狅犿犫狌狊狋犻狅狀狅犳犳犻狀犲狆犪狉狋犻犮犾犲狊犳狉狅犿犮狅犿犫狌狊狋犻狅狀ＥｌｅｍｅｎｔＦｉｎｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｆｒｏｍｃｏａｌｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ／％ｉｎｌｅｔｏｕｔｌｅｔＦｉｎｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｆｒｏｍｏｉｌｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ／％ｉｎｌｅｔｏｕｔｌｅｔＯ５３．７５５４．９９３．５６４．１７Ｃ１．５５２．８４９１．６０９０．５３Ｍｇ０．６９０．４９０．０８０．３４Ａｌ１８．３８１７．８３０．９３１．５９Ｓｉ２１．４５２２．３８１．２９２．１３Ｃｌ０．８５０．２１０．８４０．２７Ｋ０．９４０．６００．７２０．４１Ｃａ１．２００．６６０．９８０．５６用随气液温差的增大而增强，有利于洗涤塔对细颗粒的捕集，但从图９（ａ）可以看出这种脱除作用的效果有限，即使塔入口气液温差达到６０℃，脱除效率仍不超过４５％。作者利用ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ软件对烟气含湿量沿填料洗涤塔的变化特性进行了计算，发现在本实验操作条件下，塔内烟气含湿量始终低于饱和态，达不到实现蒸汽相变所需的过饱和条件。为此，进行了在进口烟气中添加适量蒸汽以同时提高烟气含湿量的实验，图９（ｂ）为进口烟气相对湿度为９０％时（蒸汽添加量为０．０８ｋｇｍ－３），不同温差下两种燃烧源超细颗粒的脱除效率。可以看出，通过在烟气中添加适量蒸汽增大进口烟气中水汽含量可显著提高填料洗涤塔对超细颗粒的脱除效率，如在温差为６０℃时，燃煤超细颗粒的脱除效率可从４２％提高到８５％。这主要是由于在相同的气液温差下，提高进口烟气含湿量能增大塔内烟气含湿量，并使之达到过饱和态，发生以细颗粒为凝结核的蒸汽相变作用，使颗粒粒度增大，进而增强洗涤塔对颗粒的惯性碰撞捕集作用。２  ３塔进口烟气含湿量对脱除效率的影响图１０为进口气液温差５０℃（进口烟温７０℃）、液气比３Ｌｍ－３时，不同塔进口烟气含湿量下的燃烧源超细颗粒脱除效率测试结果。可以看出，燃烧源超细颗粒的脱除效率随塔进口烟气含湿量的增大而提高。作者应用ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ软件计算发现，在上述操作条件下，当进口烟气含湿量达到０．１０８～０．１３ｋｇｍ－３（相对湿度７９％～９３％）时，可使塔内烟气达到过饱和，其过饱和度及发生过饱和的区域随进口烟气含湿量的增加而增大，使２１５１化工学报第５９卷图９气液温差对脱除效率的影响Ｆｉｇ．９Ｅｆｆｅｃｔｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｆｌｕｅｇａｓａｎｄｗａｔｅｒｏｎｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ更多的细颗粒可发生核化凝结长大，同时在每个颗粒表面凝结的水汽量增加，凝结长大的含尘液滴粒径增大，更易通过惯性碰撞机理被洗涤液及除雾器捕集。图１０还表明，在塔进口烟气相对湿度相同时，燃煤超细颗粒的脱除效率比燃油超细颗粒的脱除效率高，如塔进口烟气相对湿度均为７０％，两者的脱除效率分别为７４％和６２％，但因燃油烟气原始水汽含量高于燃煤烟气，达到相同的进口烟气含湿量，蒸汽添加量少。由燃煤、燃油超细颗粒物化性质分析结果可知，燃油细颗粒为疏水性较强的含炭颗粒，润湿性能不及燃煤颗粒，水汽在颗粒表面发生异质核化凝结所需的临界过饱和度高于相应的燃煤细颗粒。另外，根据开尔文方程［１０］，过饱和水汽核化临界过饱和度与颗粒的粒径呈反比，粒径越小的颗粒核化所需的临界过饱和度越大，由图３和图４可知燃油超细颗粒的平均粒径比燃煤细颗粒小，且粒径小的颗粒占总颗粒数的百分数较大。图１０塔进口烟气含湿量对脱除效率的影响Ｆｉｇ．１０Ｅｆｆｅｃｔｏｆｈｕｍｉｄｉｔｙｏｆｆｌｕｅｇａｓｉｎｓｃｒｕｂｂｅｒｉｎｌｅｔｏｎｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ因此，在相同条件下，蒸汽易于在燃煤细颗粒表面凝结，核化凝结的概率较高，相应的凝结长大后的含尘液滴也较大，通过惯性冲击捕集的效率也得到提高。２  ４液气比对脱除效率的影响图１１为在烟气中添加蒸汽进行提高含湿量预调节和原始烟气两种情况下，燃煤和燃油细颗粒的脱除效率与液气比的关系。可以看出，液气比对脱除效率的影响与填料洗涤塔内是否存在蒸汽相变有关，对于未进行添加蒸汽预调节的原始烟气，两种细颗粒的脱除效率均很低，不到２０％，且脱除效率与液气比几乎无关；而当在烟气中添加适量蒸汽使相对湿度增至９０％时，填料洗涤塔对细颗粒的脱除效率显著提高，且脱除效率随液气比的增加而上升。这是因为，随着液气比的增加，气液传热与传质加剧，使塔内烟气温度降低越显著，烟气的过饱和度及发生过饱和的区域变大，从而发生凝结长大的颗粒增多，使超细颗粒的脱除效率提高，同时，颗粒与洗涤液惯性碰撞的概率提高。由图１１还可见，当对烟气进行添加蒸汽预调节时，在相同液气比下，燃煤超细颗粒的脱除效率明显高于相应的燃油超细颗粒，如在液气比为２Ｌｍ－３时，燃煤和燃油细颗粒的脱除效率分别为８０％和６５％。这主要是由于燃油颗粒原始粒径比燃煤颗粒小所致（见图３、图４），同时也与两者的润湿性能不同有关。３结论（１）燃烧源超细颗粒凝结洗涤效果与颗粒的物化特性密切相关，燃煤、燃油细颗粒大多呈规则的３１５１第６期孙露娟等洗涤塔脱除燃烧源超细颗粒的实验研究图１１液气比对脱除效率的影响Ｆｉｇ．１１Ｅｆｆｅｃｔｏｆｌｉｑｕｉｄｔｏｇａｓｒａｔｉｏｏｎｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ球形结构，燃煤细颗粒主要为难溶于水的硅铝质矿物颗粒，而燃油细颗粒主要为润湿性较差的含炭粒子；颗粒数浓度在ＥＬＰＩ可测范围内均呈单峰分布，燃煤细颗粒的平均粒径小于燃油细颗粒；填料洗涤塔对燃煤细颗粒的洗涤脱除效果优于燃油细颗粒。（２）洗涤塔进口气液温差、进口烟气含湿量对燃烧源细颗粒的洗涤脱除效果存在较大影响，脱除效率随洗涤塔进口气液温差的增大而提高，在相同气液温差下，增大进口烟气含湿量使塔内烟气达到过饱和，可显著提高超细颗粒的脱除效率。（３）液气比对燃烧源细颗粒洗涤脱除效果的影响与洗涤塔内是否存在蒸汽相变有关，当洗涤塔内烟气达到过饱和，细颗粒可发生凝并长大时，适当增大液气比可提高脱除效果，否则，影响不明显。（４）通过调节进口烟气含湿量及烟气与洗涤水的进口温差在洗涤塔内形成微粒凝结长大所需的过饱和水汽环境，可显著提高燃烧源细颗粒的洗涤脱除效率；将其与湿法脱硫等吸收法净化气态污染物技术相结合，可协同实现湿法脱除ＳＯ２等气态污染物和促进超细颗粒凝结长大并高效脱除的目的，通过与烟气湿法脱硫装置结合可望实现工程应用。犚犲犳犲狉犲狀犮犲狊［１］ＴｕｃｋｅｒＷＧ．ＡｎｏｖｅｒｖｉｅｗｏｆＰＭ２．５ｓｏｕｒｃｅｓａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ．犉狌犲犾犘狉狅犮犲狊狊犻狀犵犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔，２０００，６５／６６３７９  ３９２［２］ＺｈｅｎｇＣｈｕｇｕａｎｇ（郑楚光），ＸｕＭｉｎｇｈｏｕ（徐明厚），ＺｈａｎｇＪｕｎｙｉｎｇ（张军营），犲狋犪犾．ＥｍｉｓｓｉｏｎｓａｎｄＣｏｎｔｒｏｌｏｆＴｒａｃｅＥｌｅｍｅｎｔｓｆｒｏｍＣｏａｌＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎ（煤燃烧痕量元素排放与控制）．ＷｕｈａｎＨｕｂｅｉＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＰｒｅｓｓ，２００２２２４［３］ＷｅｉＦｅｎｇ（魏凤），ＺｈａｎｇＪｕｎｙｉｎｇ（张军营），ＷａｎｇＣｈｕｎｍｅｉ（王春梅），ＺｈｅｎｇＣｈｕｇｕａｎｇ（郑楚光）．Ｒｅｖｉｅｗｏｆｓｕｂｍｉｃｒｏｎｐａｒｔｉｃｌｅｓａｇｇｌｏｍｅｒａｔｉｏｎｉｎｃｏａｌｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ．犆狅犪犾犆狅狀狏犲狉狊犻狅狀（煤炭转化），２００３，２６（３）２７  ３１［４］ＷｅｉＦｅｎｇ（魏凤），ＺｈａｎｇＪｕｎｙｉｎｇ（张军营），ＺｈｅｎｇＣｈｕｇｕａｎｇ（郑楚光），ＣｈｅｎＪｕｎ（陈俊）．ＣＦＤａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｃｏｕｒｓｅｏｆｓｕｂｍｉｃｒｏｎｐａｒｔｉｃｌｅｓｃｏａｇｕｌａｔｉｏｎｄｕｒｉｎｇｃｏａｌｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ．犑狅狌狉狀犪犾狅犳犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵犜犺犲狉犿狅狆犺狔狊犻犮狊（工程热物理学报），２００４，２５（３）５３１  ５３３［５］ＳｃｈａｕｅｒＰＪ．Ｒｅｍｏｖａｌｏｆｓｕｂｍｉｃｒｏｎｐａｒｔｉｃｌｅｓｆｒｏｍａｍｏｖｉｎｇｇａｓｓｔｒｅａｍ．

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