孟 新， 王军锋， 徐惠斌， 李 金， 张 伟

(江苏大学 能源与动力工程学院， 江苏 镇江 212013)

我国的火力发电仍以煤炭等化石燃料为主要原料，其燃烧过程中所产生的硫化物、氮氧化物及粉尘等多种污染物质不仅对生态环境造成破坏，而且严重威胁了人类健康.随着国家对大气环境问题的逐步重视，燃煤电厂的污染物排放标准也变得更加严格，因而亟待开发一种高效洁净的脱除脱硫塔内污染物的技术.目前燃煤烟气的脱硫、脱硝及除尘主要在脱硫塔内完成，处理后的净烟气由烟囱排放到大气中.近年来，湿法脱硫技术在燃煤烟气处理中得到广泛应用，该技术不仅能高效脱除燃料燃烧后尾气中的二氧化硫，而且可以吸附、捕集烟气中的细颗粒物[1-3].然而，脱硫浆液会由于高温烟气作用而蒸发析出，出口颗粒物浓度反而有所增加.因此，优化脱硫工艺中液滴对细颗粒物的吸附能力，有助于从源头抑制细颗粒物的形成.

国内外研究表明，利用荷电水雾可以有效提高细颗粒物的捕集效率[4-10].电场作用下，荷电液滴与颗粒物间除了存在惯性碰撞及增湿凝并作用外，固液两相间的静电力也能进一步促进液滴对颗粒物的吸附捕集.此外，带同种电荷的液滴聚并能力弱，空间弥散性强.在库仑斥力作用下，母液滴还可破碎成更加细小的液滴，能有效增加荷电小液滴与细颗粒物的接触面积.左子文等[11]通过试验研究发现荷电后液滴的粉尘捕集数量比未荷电时高一个数量级以上.A. KRUPA等[12]指出荷电有助于水雾脱除细颗粒物，当荷电液滴与粉尘带相反电荷时，脱除效率得到进一步提高.C. CAROTENUTOA等[13]提出了荷电喷雾除尘效率的计算模型，研究结果表明：对于微粒子而言，较高的气液相对速度会提高捕集效率；液滴直径对细颗粒物捕集效率的影响较小；在格林菲尔德间隙(间隙为0.1 ～ 1.0 μm)中，气液相对速度在捕获机理中对细颗粒物的捕集效率影响不大，通过改善液滴荷电水平和减小液滴尺寸可以大幅提高捕集效率.

为适应高湿环境下能够稳定荷电，设计了新型吹扫式荷电雾化喷嘴.通过电场作用，可以提高荷电液滴对脱硫塔内细颗粒物的捕捉效率.为此，本课题组开展利用荷电水雾脱除脱硫塔内细颗粒物的试验，探讨液体流量和喷雾角度对液滴荷质比的影响，以确定最佳荷电条件.基于搭建的可视化喷淋塔模型实验台，对湿法脱硫塔脱除细颗粒物环境进行模拟，确立脱硫净烟气中颗粒物脱除效率与烟气流速、液体流量之间的关系.

1 试验装置与方法

1.1 吹扫式荷电雾化喷嘴结构

采用湿法脱硫技术对脱硫塔内的烟气进行处理时，由于烟气与喷淋浆液运动方向相反，会产生逆流夹带影响，导致塔内相对湿度极高，甚至达到饱和状态.且喷淋浆液和高温烟气混合会发生强烈的传质传热反应过程.在此环境下，由于电极凝结水极易发生放电击穿现象，从而使系统无法稳定运行.因此，采用常规荷电方法难以体现荷电喷雾的高效脱除细颗粒物的优势.综上，为提高荷电液滴对细颗粒物的脱除效率，设计了新型吹扫式荷电雾化喷嘴，其结构示意图如图1所示.

图1 吹扫式荷电雾化喷嘴结构示意图(单位：mm)

喷嘴固定于端盖圆心处，并进行接地处理.通过施加高压电，在喷腔内针状电极附近气体发生电晕放电，从而形成大量电子和负离子，并与喷淋液滴混合.同时，通过空气通道以一定流量注入气体，以保证针状电极处于干燥状态，确保荷电环境的安全性，有效避免了电极直接暴露于高湿环境导致被击穿所产生的系统不稳定问题.进而使液滴雾化，并有效稳定荷电，实现对颗粒污染物的脱除.

1.2 液滴荷质比测量装置

液滴荷质比是评估喷嘴荷电喷雾特性的重要参数之一.本研究中通过试验对设计的新型吹扫式荷电雾化喷嘴产生的液滴荷质比进行了测量.网状目标法测量系统装置实物图如图2所示.

图2 网状目标法测量系统装置实物图

该系统主要由液滴喷淋装置、荷电装置和电荷测量装置等3部分组成.工作流程如下：喷淋装置中，通过隔膜泵，经喷嘴喷出液体；3个长度为10 mm的针状电极均匀分布在喷嘴下方50 mm处；1个气体出口设定在针状电极上方5 mm处，通入的气体由空压机提供；吹扫式荷电雾化喷嘴固定于高度可调的绝缘支架上；喷嘴喷出的液滴经由针状电极荷电后，由底部金属网桶收集，与接地端形成回路，由微安表测量其荷电电流.液滴荷质比计算公式为

(1)

式中：γ为液滴荷质比；q为液滴荷电量；m为液滴质量；I为液滴荷电电流；t为测量时间；qm为液体的质量流量；qV为液体的体积流量；ρ为液体的密度.

1.3 脱硫塔烟气除尘系统模拟

将吹扫式荷电雾化喷嘴应用于所设计的模拟脱硫塔烟气除尘系统中，系统装置如图3所示.

图3 脱硫塔烟气除尘系统模拟装置

该系统主要由模拟烟气配置系统、荷电喷淋系统及颗粒物采集系统组成.空气与燃煤飞灰经由离心风机充分混合后，配置成一定粉尘浓度的模拟烟气，其中粉尘添加量通过电磁振动给料器以一定振动频率进行定量输入.参考某电厂实际脱硫塔参数及尺寸，保证脱硫塔内烟气流动处于第2自模化区，采用近似相似准则搭建了喷淋塔.喷淋塔主体采用有机玻璃圆筒制作，其中塔直径为300 mm，塔高为1 500 mm，设置1个单层喷淋喷嘴，在塔出口设置除雾器.模拟烟气经离心风机增压后进入脱硫塔，喷淋的荷电液滴与模拟烟气在脱硫塔内逆流接触后，进行吸附捕集颗粒物，洗涤后的净烟气经过除雾器排放到脱硫塔外.颗粒物采集系统由前分离器、气溶胶粒度分布采集器(FA-3)及真空泵组成.根据惯性撞击原理，粒径大于10.00 μm的颗粒物由前分离器分离，随着下一级孔径逐渐减小，气流速度逐级增大.不同粒径颗粒物分别撞击在对应的采样滤膜上，各层级采集器采集的颗粒物粒径范围如表1所示.

表1 采集器各层级粒径分布

采样过程中，空白滤膜首先置于105 ℃烘箱中烘干1.0 h；取出后，放入干燥箱中平衡0.5 h，温度降至环境温度后，采用精密天平测量其质量；将采样滤膜放入采样器中，采样0.5 h；采样结束，继续烘干平衡后，测量采样后的滤膜质量.采样前、后的质量差即为采样器采集到的颗粒物质量.每个工况至少测量3次，取3次测量的质量平均值.每一级的除尘效率公式为

(2)

2 试验结果与分析

2.1 荷电液滴荷质比的测定

为验证新型吹扫式荷电雾化喷嘴在高湿环境下的使用性能，本研究中对不同荷电电压下该喷嘴在开放空间及密闭环境中的液滴荷质比进行对比分析.两种环境中液滴荷质比γ与荷电电压U的关系曲线如图4所示，其中密闭环境保持高湿(相对湿度>95%)，喷淋体积流量ql为0.4 L·min-1，气体体积流量qg为60 L·min-1.

图4 两种环境中液滴荷质比-荷电电压关系曲线

由图4可知：在密闭与开放环境中，液滴荷质比随着荷电电压的增大呈现相同的变化趋势；U≤12.5 kV时，随着电压增大，荷质比呈先缓慢增大而后趋于平稳的变化趋势；U>12.5 kV时，荷质比迅速增大，并与电压呈线性比例关系，斜率均约为50.

不同的气体体积流量下，荷电电压与时间关系曲线如图5所示.由图5可知，尽管在较高电压下，当气体体积流量大于60 L·min-1时，该喷嘴在密闭环境内持续喷淋30 min，系统荷电电压始终能保持在14.0 kV以上；当气体体积流量在40 L·min-1时，随着喷淋时间的增加，系统荷电电压持续下降到12.0 kV左右.这表明该喷嘴需要气体体积流量大于60 L·min-1才能保证针状电极的干燥.意味着在高湿环境下采用该喷嘴也能够稳定荷电电压.

图5 不同气体体积流量下荷电电压-时间关系曲线

为评估喷淋体积流量对吹扫式荷电雾化喷嘴性能的影响，对喷淋体积流量为0.2、0.3、0.4和0.5 L·min-1下的液滴荷质比进行了分析.不同液体体积流量下液滴荷质比与荷电电压关系曲线如图6所示.

图6 不同液体体积流量下液滴荷质比-荷电电压关系曲线

为保证系统安全性，避免针状电极被打湿、放电，保持空压机供气流量为60 L·min-1.由图6可知，当U≤10.0 kV时，液滴荷质比随着电压增大呈先增大后减小的趋势.这主要是由于低电压下液滴以感应荷电方式为主，液滴荷电粒子主要带正电荷.当针状电极附近开始发生气体电离时，由电晕放电产生的电子和负离子与感应电荷产生的正电荷相互抵消，导致液滴整体荷质比下降.随着荷电电压的继续增加，电离程度加剧，产生的电子和负离子数量迅速增多，荷电效果明显增强[14].随着液体体积流量的增加，机械雾化明显，喷雾角度扩大，液滴的比表面积增大，此时液滴经过电晕区域时荷电量更大.而当ql=0.5 L·min-1时，电晕放电情况下液滴荷电效果与电压关系不明显.这是因为液体流量过大，液滴运动速度过快，大液滴还没来得及分裂成小液滴，就脱离了电晕区域，这样会导致液滴荷电效果不理想.

图7为不同喷雾角度θ下液滴荷质比与荷电电压的关系曲线，其中喷雾流量为0.4 L·min-1，气体流量为60 L·min-1.

图7 不同喷雾角度下液滴荷质比-荷电电压关系曲线

由图7可知，当荷电电压低于10.0 kV时，喷雾角度越大，荷电效果越好.这主要是由于增大喷雾角度，使得液滴向电极靠近，致使液滴受到的电场力增大，荷电量增加.当喷雾角度过大时，因液滴打湿针状电极而发生放电、击穿，且随着电压增大，这一过程发展更快.因此，θ=60°时，随着电压增大，液滴荷质比呈现先增大后减小的趋势.

2.2 脱硫塔内颗粒物的脱除效率

本课题组进一步探讨了该喷嘴在实际脱硫塔中对烟气颗粒的分级脱除效率.在实际烟气脱除试验中，气溶胶粒度采集器采集到的粒径小于1.00 μm的微细颗粒物数量较少，可能造成颗粒物分级脱除效率误差较大，因此本试验中主要集中测量采样器的0～5级(粒径为1.10～10.00 μm)颗粒物的脱除效率.

2.2.1喷淋流量的影响

图8为不同喷淋体积流量下颗粒物分级脱除效率η与颗粒粒径dp关系曲线.

图8 不同喷淋体积流量下颗粒物分级脱除效率-颗粒粒径关系曲线

由图8可知，不同喷淋流量下，随着颗粒粒径的增大，颗粒物脱除效率均呈现增大的趋势.当粒径范围从2.10～3.30 μm增大到3.30～4.70 μm时，颗粒物脱除效率提高不明显.液滴捕集含尘气流中颗粒物主要是通过惯性碰撞和扩散作用两种方式.颗粒粒径越小，越利于扩散，因此液滴通过扩散作用捕集细小颗粒物的效果越好[15].随着颗粒粒径的增加，惯性碰撞捕集逐渐起主导作用，液滴对颗粒物捕集的效果也随之不断增强.本研究中，液滴对颗粒粒径为3.30～4.70 μm颗粒物的捕集处于扩散作用与惯性碰撞的过渡阶段，造成此粒径范围的颗粒物既不能有效扩散，也没有足够的惯性力被液滴捕集.此外，从喷淋体积流量的角度看，增大喷淋流量对局部粒径范围内的颗粒物脱除效率有所提高，尤其是对大粒径颗粒物的脱除效果更为明显.例如，粒径为5.80～9.00 μm时，当喷淋流量从0.3 L·min-1增大到0.5 L·min-1时，脱除效率从46.82%提高至62.24%.这主要是由于喷淋流量的增加使得气液接触面积增大，促进了液滴对颗粒物的捕集.

2.2.2烟气流速的影响

图9为不同烟气流速vg下颗粒物分级脱除效率与颗粒粒径关系曲线.

图9 不同烟气流速下颗粒物分级脱除效率-颗粒粒径关系曲线

由图9可知，烟气流速越高，越不利于液滴对烟气中颗粒物的脱除，且这种影响机制对大粒径颗粒物作用更显著.例如，当颗粒物粒径范围为5.80～ 9.00 μm时，在vg=1.5 m·s-1时脱除率达到62.00%，而在vg=4.5 m·s-1时仅为43.00%.这主要是由于在低烟气流速下，颗粒物在喷腔内运动的时间较长，气液间发生惯性碰撞的可能性增大，提高了液滴捕集颗粒物的效果.而烟气流速的增大使得颗粒物与液滴接触时间减少，大大降低了颗粒物与液滴之间的惯性碰撞机会，因而颗粒物脱除效率降低.因而在实际应用中，保持低负荷运行有利于荷电液滴对颗粒物的捕集.

2.2.3粉尘质量浓度的影响

图10为不同粉尘质量浓度ρg下颗粒物分级脱除效率与颗粒粒径关系曲线.

图10 不同粉尘质量浓度下颗粒物分级脱除效率-颗粒粒径关系曲线

由图10可知，随着入口粉尘质量浓度的增加，颗粒物脱除效率先增大，后减小.这是因为入口粉尘质量浓度的增加导致颗粒物间距离减小，液滴与颗粒物间发生碰撞的概率增加，从而增强了液滴捕集颗粒物效果.同时细小颗粒物间更容易发生碰撞，并团聚形成大粒径颗粒物，进而通过惯性碰撞被液滴捕集.但随着粉尘质量浓度的继续增加，反而不利于颗粒物脱除，这主要是因为喷淋流量不变，而粉尘质量浓度继续增大，超过液滴捕集颗粒物的上限，反而不利于对颗粒物的脱除效率.

2.2.4液滴荷电电压的影响

图11为不同电压下颗粒物分级脱除效率与颗粒粒径关系曲线.

图11 不同荷电电压下颗粒物分级脱除效率-颗粒粒径关系曲线

荷电电压的改变直接导致液滴荷电量发生变化，液滴荷电后不仅通过惯性碰撞和扩散作用捕集颗粒，同时荷电液滴与颗粒物间的静电力作用也强化了液滴对其附近颗粒物的吸附.由图11可知，相比非荷电液滴(U=0 kV)，液滴荷电后各粒径范围颗粒物脱除效率均有所提高.该结论与文献[16]研究结果一致，即荷电喷雾具有良好的净化除尘效果.因此若将荷电喷雾技术应用于脱硫塔内进行脱尘处理，可以进一步提高颗粒物脱除效率，降低脱硫塔出口颗粒物的质量浓度.

3 结 论

1) 在两相流静电喷雾试验中，液滴荷质比随荷电电压的升高，呈现先增大、后减小、再增大的趋势，受喷淋流量和喷雾角度影响较大.

2) 喷淋塔中颗粒物分级脱除效率随颗粒粒径和喷淋流量的增大而增大，随烟气流速的增加而减小，随粉尘质量浓度的增加呈先增大后减小的趋势.

3) 液滴荷电能够增强荷电液滴与颗粒物间静电力作用，进一步提高喷淋塔除尘效率，是一种可行的控制烟尘排放浓度手段.