应用水汽相变促进湿法脱硫净烟气中PM2.5和SO3酸雾脱除的研究

2.3应用水汽相变促进湿法脱硫净烟气中细颗粒及SO3酸雾脱除

2.3.1理论依据

由前述可知，石灰石-石膏法脱硫净烟气中细颗粒及SO3酸雾从数浓度角度看均主要属于亚微米级颗粒物，利用常规的除雾装置难以有效脱除，而对于3-5μm以上的微粒，如采用丝网除雾器等高效除雾设施，则可望取得较高脱除效率[15]。因此，结合现有湿法脱硫净烟气环境，通过添加蒸汽或湿空气等手段，建立过饱和水汽环境，促使细颗粒物及SO3酸雾凝结长大，可望降低WFGD系统出口细颗粒物及SO3酸雾排放。

为实现水汽在细颗粒物、SO3酸雾表面凝结，过饱和度必须超过临界值，根据文献[16，17]异质成核理论，结合脱硫净烟气中细颗粒、SO3酸雾润湿性及粒度分布特性，所需的临界过饱和度Scr为1.05-1.10[11，12]。通常，经湿法脱硫后的净化烟气温度大多为45-65℃，接近或处于饱和状态;因此，通过添加少量蒸汽即可实现细颗粒物、SO3酸雾凝结长大所需的过饱和水汽环境，进而促使水汽在其表面凝结。

但该方式建立的过饱和度随脱硫净烟气温度升高急剧减小，使得应用于温度较高的场合时，蒸汽耗量过高[18]。因此，基于湿气体饱和蒸气压和温度之间的非线性关系，通过混合两股不同温湿度的气体也可建立过饱和水汽环境，其原理与湿法脱硫净烟气排入大气环境后产生白雾及暖湿气流和冷空气交汇产生降水相仿。

图6(a)、图6(b)分别为添加蒸汽和湿空气两种方式下，脱硫净烟气温度对混合后烟气过饱和度和可凝结水汽量的计算结果。

图6脱硫净烟气温度对过饱和水汽环境形成的影响

其中，蒸汽温度为160℃，添加量为0.05、0.08kg/m3;脱硫净烟气的相对湿度取95%;脱硫净烟气与湿空气的混合体积比为10∶3，湿空气的相对湿度为90%，温度分别为20、25℃;可见，采用添加蒸汽建立过饱和水汽环境时，烟气过饱和度和可凝结水汽量均随脱硫净烟气温度的升高而降低，使得应用于温度较高(≥55-60℃)的场合时，蒸汽耗量过高(≥0.08kg/m3烟气);与之相比，采用添加湿空气方式时，混合烟气的过饱和度及可凝结水汽量则随脱硫净烟气温度的升高而增加，这表明该方式特别适合于脱硫净烟气温度较高(≥55-60℃)的场合。Heidenreich等[19]利用混合两股不同温湿度的高湿气体建立过饱和水汽环境，发现在可凝结水汽量为5.5g/m3时，微粒浓度为1.0×105/cm3时，亚微米级微粒可快速长大至2.0-3.0μm(≤0.1s)。

这一方面表明，水汽在微粒表面的核化凝结瞬间即可完成，促使微粒凝结长大所需的空间可以较小，这为利用脱硫塔顶部空间作水汽相变区提供了理论依据;同时表明在湿法脱硫净烟气中添加适量湿空气也可建立细颗粒物、SO3酸雾凝结长大所需的饱和水汽环境。

2.3.2蒸汽添加量的影响

图7为在脱硫净烟气中添加不同蒸汽量时的细颗粒物与SO3酸雾数浓度脱除效率测试结果(注:脱除效率依据除雾装置前后的细颗粒物与SO3酸雾总数浓度计算得到，不包含脱硫浆液的洗涤脱除，下同)，添加蒸汽温度为160℃，脱硫塔液气比为15L/m3，脱硫净烟气温度为45-50℃，空塔气速约2.9m/s。

由图7可知，由于脱硫净烟气接近饱和状态，且烟气温度较低，添加少量蒸汽即可使烟气达到细颗粒及SO3酸雾凝结长大所需的过饱和度，过饱和水汽在其表面发生异相核化凝结形成较大粒径的尘液滴或SO3酸雾滴，然后由丝网除雾器高效捕集，脱除效率明显增加，如蒸汽添加量由0.02kg/m3增加至0.08kg/m3时，脱除效率可分别由28%、29%提高至约52%、47%，这与图8中的数值计算结果吻合较好。

图8为相对湿度为95%的脱硫净烟气中添加不同量蒸汽时烟气所能达到的过饱和度曲线图，其中，蒸汽温度约105℃，初始脱硫净烟气温度分别为45、50、55℃。

由图8可知，蒸汽添加量越高，烟气所能达到的过饱和度越大，一方面可使发生核化凝结的微粒临界粒径减小，即更多的微粒可发生核化凝结长大;另一方面在各个微粒表面可凝结的过饱和水汽量增多，使凝结长大后的液滴粒径增大，从而提高惯性捕集效率[11，12]。另外，由图8还可知，在同样蒸汽添加量下，所能达到的过饱和度随脱硫净烟气温度的升高而降低。

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