1 前言

目前，燃煤电站普遍安装湿法烟气脱硫装置(WFGD)，烟气经脱硝反应器、电除尘后进入WFGD，最后由烟囱排入大气。WFGD系统出口细颗粒物浓度与排入大气中的细颗粒物直接相关，因此，降低脱硫净烟气中细颗粒物排放是控制燃煤电站细颗粒物排放的重要途径。虽然WFGD在脱除SO₂时，通过浆液洗涤及除雾器拦截等作用，可协同脱除烟气中的部分细颗粒物，但湿法脱硫洗涤过程同时还伴随着脱硫浆液雾化夹带、脱硫产物蒸发结晶析出等物化过程，又会形成新的颗粒物，使得燃煤烟气经湿法脱硫后中仍存在一定量的细颗粒物排放^[1-4]。目前，主要通过在WFGD系统下游安装湿式静电除尘器(WESP)降低脱硫净烟气中细颗粒物排放，但投资运行费用较高，因此探索其它经济高效的控制途径十分必要^[5-6]。近年来，利用水汽相变促使烟气中细颗粒凝结长大，从而使其更容易通过后续的高效除雾器拦截脱除也是一种重要控制手段^[7-8]；通常，烟气经湿法脱硫洗涤后，脱硫净烟气大多处于饱和状态，水汽含量较高，较易建立水汽相变所需的过饱和水汽环境^[9]。

本文基于石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺，结合前人研究基础，分别通过降低脱硫净烟气温度、脱硫净烟气中添加蒸汽或冷空气等措施建立细颗粒物凝结长大所需的过饱和水汽环境，并结合实际工况分析相关措施的可行性与适用性，旨在实现低能耗下利用水汽相变技术降低细颗粒物排放，为工业应用提供基础。

2 实验方法 2.1 实验系统

试验系统主要由全自动燃煤锅炉、缓冲罐、电除尘器、脱硫塔、水汽相变凝结长大室和测试控制系统等组成，如图 1所示。试验用煤为无烟煤，系统额定烟气量为350 Nm³·h^-1。燃煤锅炉产生的烟气经缓冲罐并由电除尘器脱除粗颗粒后进入脱硫塔，随后进入水汽相变凝结长大室。其中，缓冲罐主要用于稳定烟气中细颗粒物的浓度和粒径分布；脱硫塔采用3级喷淋，塔径219 mm、塔高5 600 mm；凝结长大室塔高1 000 mm，塔径219 mm；脱硫塔和凝结长大室顶部均设置高效除雾器。

2.2 采样与分析方法

细颗粒物浓度与粒径分布采用芬兰Dekati公司生产的电称低压冲击器(electrical low pressure impactor, ELPI)并配以采样枪、旋风分离器、稀释器(两级稀释，稀释比为67:1)、真空泵等相关部件进行实时在线测量。测试过程中，对采样系统进行全程加热处理，并用经空气加热器加热的高温净化气(150 ℃)作为稀释气，以消除水汽在采样管路和ELPI冲击盘上凝结对测量结果造成影响，也即测量排除了烟气中液滴与水汽的影响。烟气温湿度采用芬兰Vaisala公司的HMT337型温湿度变送器在线测定，且可通过该仪器获得烟气中的实际水汽分压。

为考察水汽相变技术对细颗粒物脱除的促进作用，采用排放降低率来描述不同相变措施的作用效果，排放降低率定义如下：

$\eta =\frac{{{N}_{1}}-{{N}_{2}}}{{{N}_{1}}}\times 100% $

(1)

其中η为细颗粒物的排放降低率，N₁为原始脱硫净烟气中细颗粒物数浓度，N₂为脱硫净烟气水汽相变后细颗粒物的数浓度。

此外，鉴于添加冷空气会稀释脱硫净烟气中细颗粒物的浓度，在计算过程中将净化后烟气中细颗粒物浓度根据冷空气添加量转化为原始浓度，即排放降低率已扣除添加冷空气的稀释作用。

3 脱硫净烟气中过饱和水汽环境的建立 3.1 过饱和水汽环境的建立及细颗粒物的临界过饱和度

针对湿法脱硫净烟气温度在50~60℃，相对湿度在95%~100%这一特点，分别通过添加冷空气、添加蒸汽以及脱硫净烟气降温等措施在脱硫净烟气中建立过饱和水汽环境，如图 2所示。

水汽相变原理是在过饱和水汽环境中，水汽以颗粒物为凝结核发生相变，使得颗粒物质量和粒径增大，更易于惯性捕集。当水汽过饱和度高于细颗粒物临界过饱和度S_cr时，细颗粒物被激活并在表面形成液滴胚，即异质核化过程。细颗粒物的临界过饱和度S_cr由式(2)表示^[10-12]：

${S_{{\rm{cr}}}} = \exp {\left[ {\frac{{8\pi {\sigma ^3}{V_{\rm{L}}}^2}}{{3{k^3}{T^3}\left( {4\pi {R_{\rm{p}}}^2{K_{\rm{c}}}} \right)}}f\left({{\mathit{m}_{\rm{ \mathsf{ θ} }}},\mathit{r}}\right)} \right]^{\frac{1}{2}}} $

(2)

其中σ为表面张力，V_L为一个分子的体积，k为玻尔兹曼常数，T为水汽温度，R_p为细颗粒半径，K_c为动力常数，f(m_θ, r)为几何因子。从式(2)可以看出，细颗粒的临界过饱和度与其粒度成反比，即细颗粒物粒径越小，核化所需的过饱和度越高。

3.2 凝结长大室内过饱和度模拟计算

水汽相变促进脱硫净烟气中细颗粒物脱除的关键影响因素是形成的过饱和度大小。采用式(3)计算上述3种措施在凝结长大室中建立的平均过饱和度^[13]，计算结果图 3所示：

$S = \frac{{P\left( {T,x} \right)}}{{{P}\left( {T,x} \right)}} $

(3)

式中，P(T, x)为实际烟气水汽分压，P_s(T, x)为温度T下烟气饱和水汽分压。

图 3为不同脱硫净烟气温度下，平均过饱和度随烟气降温幅度、蒸汽及冷空气添加量变化特性的数值计算结果。计算时做了以下假设：(1)凝结长大室中温度、压力及流场分布均匀；(2)凝结长大室中烟气不含颗粒物，且为绝热结构；(3)原始脱硫净烟气为饱和状态。由图 3(a)可见，提高脱硫净烟气的降温幅度，过饱和度相应增大；此外，降温幅度对过饱和度的影响与原始脱硫净烟气温度关系不大；图 3(b)表明，过饱和度随着蒸汽添加量的增加而提高，但较高的原始脱硫净烟气温度不利于过饱和度环境的建立；由图 3(c)可见，提高冷空气添加量和原始脱硫净烟气温度均有利于建立更高的过饱和度。同时，结合式(2)还可以发现，采用3种措施建立的过饱和水汽环境基本可以满足大部分细颗粒物凝结长大所需的临界过饱和度。

此外，由图 3还可发现，对于高温脱硫净烟气(≥ 55℃)，更适合采用添加冷空气法来获得较高的过饱和度；对于低温脱硫净烟气(≤ 50~55℃)，则适宜采用添加蒸汽方式；而采用降温法可应用于不同温度的脱硫净烟气，适用范围较广。

4 结果与分析 4.1 脱硫净烟气中细颗粒物数浓度和粒径分布

对原始脱硫净烟气中细颗粒物浓度和粒径分布进行测量，结果如图 4所示。可以看出，细颗粒物的数浓度约为4.6×10⁶#·cm^-3，质量浓度约为9.3 mg·m^-3，细颗粒物粒径主要集中在0.07~0.26μm，与实际燃煤电厂脱硫净烟气细颗粒物排放特性类似^[14-15]。由于细颗粒物占总颗粒物数量百分比远高于质量百分比，控制细颗粒数量浓度排放更有意义，因此，本文排放降低率均是基于细颗粒物数量浓度变化。

4.2 不同方法降低脱硫净烟气细颗粒物排放的性能对比

试验中，脱硫净烟气的温度均为55 ℃，且为饱和状态；利用不同方法建立过饱和度促进细颗粒物脱除时，脱硫净烟气的温降为5 ℃ (方法1)，处理后烟气温度为50 ℃；蒸汽添加量为50 g·Nm^-3 (方法2)，处理后烟气温度为58.9 ℃；冷空气添加量为总烟气量的30%，冷空气温度10 ℃ (方法3)，处理后烟气温度为46.1 ℃。图 5为3种方法下的细颗粒物排放降低率，图 6为3种方法在脱硫净烟气中建立的平均过饱和度。需要指出的是，图 6为3种方法在脱硫净烟气中建立的平均过饱和度并不是基于同一温度，而是基于3种不同方法在最合适操作条件下在烟气中获得的过饱和度，其目的主要是将3种方法在最合适操作条件下所能建立的水汽过饱和度进行对比。

用氟塑料换热器降低脱硫净烟气温度时，除了过饱和水汽在细颗粒物表面凝结促使细颗粒物粒径增大、质量增加外，由于氟塑料换热管表面温度低于烟气主体温度，部分水汽可在换热管表面凝结形成水膜，较小粒径的颗粒物可通过热泳力、扩散泳力等作用迁移至换热管表面并沉积，使细颗粒物的数浓度进一步降低^[16-18]，细颗粒物排放降低率约为40.2%。在脱硫净烟气中添加蒸汽时，烟气实际水汽分压在其饱和水汽分压基本不变的情况下进一步提高，从而建立过饱和水汽环境，当蒸汽添加量为50 g·Nm^-3时，过饱和度为1.18，粒径较大的细颗粒物被激活并凝结长大为含尘液滴，而粒径较小的细颗粒物核化所需临界过饱和度较高，难以发生凝结长大，进而随脱硫净烟气排入大气，细颗粒物排放降低率相对较低，约为34.8%。此外，添加蒸汽的方法虽然初期投资较小，但实际运营费用较高，较适用于脱硫净烟气温度较低的场合。在脱硫净烟气中添加占总烟气量30%的冷空气时，过饱和度可达1.35，细颗粒物排放降低率相对较高，约为43.5%。

一方面，非均相水汽凝结使细颗粒物凝结长大；另一方面，凝结长大室中添加冷空气加强了脱硫净烟气的扰动，强化了细颗粒物和液滴的碰撞聚并^{[13, 19]}。凝结聚并长大后的细颗粒物更容易被高效除雾器拦截脱除，因此效果较为显著。然而，试验中所用的冷空气的温度为10 ℃，对于实际燃煤电厂来说，很难达到此条件。因此，添加冷空气的方法更适用于环境温度较低、且较容易获得冷空气的高纬度或者高海拔区域燃煤电厂。

4.3 温降幅度、蒸汽及冷空气添加量与细颗粒物排放降低率的关系

图 7为温度降低量、蒸汽及冷空气添加量对细颗粒物排放降低率的影响。试验中饱和脱硫净烟气的温度为55 ℃。由图 7(a)可知，脱硫净烟气的温降幅度从2增至10 ℃，细颗粒物的排放降低率可由11.3%提高到47.2%。主要原因是饱和脱硫净烟气温度降低幅度增加时，脱硫净烟气温度降低，烟气饱和水汽分压也随之降低；然而，该过程中实际水汽分压基本保持不变，根据式(3)过饱和度的定义可知，烟气中水汽过饱和度会逐渐提高，有利于更小粒径细颗粒物的核化，从而促进细颗粒物排放降低率的提高。不过，在实际燃煤电厂中，脱硫净烟气温度不能无限制地降低，结合细颗粒物排放降低率与燃煤电厂实际情况，认为合理的脱硫净烟气温降在4~6 ℃。由图 7(b)细颗粒物排放降低率随蒸汽添加量的变化情况可见，随着蒸汽添加量从20逐渐增加到100 g·Nm^-3，细颗粒物排放降低率可从9.5%提高到42.3%。这是由于在脱硫净烟气中添加蒸汽时，烟气实际水汽分压增加，使得烟气过饱和度进一步提高(如图 8(b)所示)，有利于激活更小粒径的细颗粒物并使之作为凝结核形成含尘液滴。虽然细颗粒物排放降低率随着蒸汽添加量的增大而提高，但是蒸汽添加量的增加同时也会加大设备的运营成本。此外，随着蒸汽添加量的进一步增加，细颗粒物排放降低率的增加逐渐趋于平缓。因此，合理的蒸汽添加量应为40~60 g·Nm^-3。

由图 7(c)细颗粒物排放降低率随冷空气添加量的变化情况可见，随着冷空气添加量的增加，细颗粒物排放降低率也随之提高；如当冷空气添加量从10%增大至50%时，细颗粒物排放降低率可从33.2%提高至46.2%。但是，在添加冷空气过程中，细颗粒物排放降低率的提高也随冷空气添加量的增大而呈现出先升高后趋于平缓的趋势。主要是两个原因造成的：一是添加冷空气使得混合烟气的温度降低，混合后烟气饱和水汽分压也相应降低，脱硫净烟气中过饱和度得到提升，如图 8(c)所示；另一是冷空气中水汽含量远低于脱硫后烟气，使得混合烟气的绝对水汽含量随着冷空气添加量的增加而降低，又不利于过饱和水汽环境的建立。同时考虑细颗粒物排放降低率与燃煤电厂实际情况，适宜的冷空气添加量为25%~30%。

4.4 原始脱硫净烟气温度的影响

图 9为3种不同方法下，原始脱硫净烟气温度对细颗粒物排放降低率的影响。试验中，脱硫净烟气降温幅度为5 ℃，蒸汽添加量为50 g·Nm^-3，冷空气添加量为30%。由图可得，随着原始脱硫净烟气温度的升高，不同方法下细颗粒物排放降低率呈现出不同的变化趋势；对于脱硫净烟气降温方法，脱硫净烟气原始温度对细颗粒物排放降低率的影响并不明显；与之相比，添加蒸汽措施，细颗粒物排放降低率随着原始脱硫净烟气温度的升高反而降低，当脱硫净烟气原始温度从50升高至60 ℃时，细颗粒物排放降低率从40.1%降低至29.6%。对于添加冷空气方式，细颗粒物排放降低率则随着原始脱硫净烟气温度的升高而升高；当原始脱硫净烟气温度从50升至60 ℃时，细颗粒物排放降低率可从40.5%增至45.7%。

上述现象与采用不同方法在脱硫净烟气中建立的过饱和度特性不同有关。如图 10所示，采用换热器降温方式时，随着原始脱硫净烟气温度升高，饱和水汽分压与实际水汽分压均随之增大，使得过饱和度随脱硫净烟气温度的变化改变并不明显。采用添加蒸汽方式时，过饱和度随着原始脱硫净烟气温度的升高而明显降低，这是由于原始脱硫净烟气温度升高时，实际水汽分压基本不变，而饱和水汽分压却随之升高，造成烟气过饱和度下降；当脱硫净烟气温度较高时，要达到相同的过饱和度，则需要添加更多的蒸汽。由图 10可见，对于添加冷空气方式，随着原始脱硫净烟气温度的升高，过饱和度逐渐增大；这是因为，脱硫净烟气温度逐渐增加时，混合后烟气的温度也会增加，使得混合后烟气的饱和水汽分压提高，与此同时，实际水汽分压也逐渐升高。根据传热计算，可以得出原始脱硫净烟气温度上升幅度要高于混合烟气温度的上升幅度，即混合烟气中实际水汽分压增加幅度高于混合烟气中饱和水汽分压的增加幅度。

此外，从图 9中还可以进一步看出，氟塑料换热器降温法适用于不同温度的原始脱硫净烟气，细颗粒物的排放降低率基本不随脱硫净烟气温度的变化而变化；此外该措施还可与湿法脱硫后烟气脱白、烟气节水有机结合；脱硫净烟气中添加蒸汽和添加冷空气与原始脱硫净烟气温度存在较大关系，添加蒸汽的方法更适用于原始脱硫净烟气温度较低(≤ 50~55 ℃)的场合，而添加冷空气方法更适用于原始脱硫净烟气温度较高(≥ 55~60 ℃)的场合。

5 结论

结合脱硫净烟气特点，本文提出分别通过脱硫净烟气中加装氟塑料换热器降温、添加蒸汽、添加冷空气3种措施建立过饱和水汽环境，促进细颗粒物凝结长大，进而由后续高效除雾器拦截脱除。结果表明，3种方法均可在脱硫净烟气中建立过饱和水汽环境，降低进细颗粒物的排放，在典型工况下，降低脱硫净烟气温度、添加蒸汽和添加冷空气可分别使细颗粒物排放浓度降低约40%、35%和45%；烟气温降幅度、蒸汽及冷空气添加量与细颗粒物排放降低率存在正相关关系，温降幅度、蒸汽及冷空气添加量越大，细颗粒物排放降低率越高，但是影响逐渐趋于微弱；脱硫净烟气降温法降低细颗粒物排放与原始脱硫净烟气温度关系不大，适用于不同温度的脱硫净烟气，并可与湿法脱硫后烟气脱白、烟气节水有机结合；添加蒸汽法较适用于原始脱硫净烟气温度较低的场合，添加冷空气法则较适用于原始脱硫净烟气温度较高的场合。