利用冷却法构建湿气流过饱和场的实验研究

孟　强　 徐俊超　 张　军　 于　燕　 钟　辉

(东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室, 南京 210096)



利用冷却法构建湿气流过饱和场的实验研究

孟强 徐俊超 张军 于燕 钟辉

(东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室, 南京 210096)

以模拟湿法脱硫后的高湿烟气为工质,采用冷却的方式在相变室内建立水汽过饱和环境.提出一种间接测量水汽过饱和度的方法来衡量水汽相变过饱和场构建效果.考察了不同气流温湿度、冷却水温度以及相变室壁面材料对水汽过饱和场的影响.结果表明,提高气流相对湿度以及适当提高气流温度都有助于提高水汽过饱和度;冷却水温度对过饱和场建立有非常明显的影响,冷却温度越低,得到的水汽过饱和场过饱和度越高;采用低表面能的聚四氟乙烯材料作为相变室内内壁可有效增强相变效果,获得较大过饱和度的水汽氛围;当相变室入口气流温、湿度分别为50 ℃,90%且冷却水温度为20 ℃时,采用有机玻璃材料的相变室内水汽过饱度可以达到1.5左右.

湿法脱硫;冷却;水汽过饱和环境;过饱和度测量

细颗粒物PM2.5是燃煤电厂产生的主要污染物之一[1],而传统除尘设备对于细颗粒尤其是1 μm以下的细颗粒的脱除效率非常低.目前燃煤细颗粒排放控制技术发展的主要途径之一是设置预处理措施,使细颗粒通过化学或物理作用长大成较大颗粒,然后再加以脱除[2-5].其中,应用蒸汽相变原理促使细颗粒凝聚并长大是一项极具应用前景的预处理技术[5].

应用蒸汽相变预调节技术的关键是构建低能耗下的过饱和环境.由于燃烧源烟气水汽含量较低,通过添加蒸汽或冷却方法达到过饱和时能耗过高,因此本文对水汽含量较高的烟气进行研究.通常情况下,烟气经湿法脱硫后温度由80～150 ℃降至40～60 ℃,相对湿度由5%～10%增至90%～95%[6],烟气处于饱和或接近饱和状态,容易实现水汽过饱场的建立.因此,将蒸汽相变预调节技术与现有燃煤烟气湿法脱硫技术相结合可能实现该技术的工程应用.

对于将蒸汽相变作为脱除细颗粒物的预处理措施已有较多的研究[7-9],然而,大多研究针对燃烧源颗粒的宏观脱除效果[10-12],未能深入研究相变室内过饱和水汽氛围的形成规律.且相变室主要采用添加蒸汽的方式建立过饱和环境[12-13],烟气冷却条件下操作参数对过饱和氛围的影响机制还不明确;此外,相变室内水汽过饱和度只停留在理论计算阶段[14],缺乏实验证明.为此,本文建立了一套间接测量水汽过饱和度的实验装置,研究了不同气流特性(温度、湿度)以及不同冷却条件对建立过饱和场的影响.此外,还分析了不同相变室壁面材料对水汽过饱和度的影响.

1　实验

1.1测量方法

实验中采用过饱和度S来考察过饱和环境的建立效果,S定义如下:

(1)

式中,Pv为蒸汽分压;Pv,∞(T)为当地气体温度下的饱和蒸汽压力.

过饱和状态的气体并不稳定,目前还没有仪器能直接测量过饱和场中蒸汽的分压.为此,本文提出了一种间接测量过饱和度平均值的方法.图1为实验中湿气体状态在焓湿图上的变化过程,图中,A状态湿空气进入相变室中,减湿冷却到O状态,随后进入表面加热器等湿加热到B状态.通过测量O点的温度与B点的温、湿度,即可以计算出O状态点的过饱和度.

上述测量方法虽然只能测出所形成的过饱和场中过饱和度的平均值,但是考虑到利用冷却法构建的过饱和水汽环境比较均匀[14],所以该测量方法可以用于衡量和比较过饱和场的构建效果.

1.2实验装置

实验系统主要有压缩空气、气流温湿度调节室、相变室、冷却系统以及等湿加热系统等,如图2所示.由气瓶产生一定流量的空气进入温湿度调节室,通过调节加热带温度以及注入水蒸气来控制相变室入口气流的温、湿度.气流达到设定温、湿度后,将其通入相变室,利用冷却水使气流温度降低,建立水汽过饱和场.相变室为管状,内径为45 mm,壁厚3 mm,长度为300 mm,根据该尺寸以及实验中气流流量(5 L/min)等参数,计算得到Re≈132(<2 300),因此可以确定管内气流流动为稳定层流.相变室外侧设置一层循环水夹套,通过恒温循环流动水来控制管壁的冷却温度.在相变室出口连接有加热管道可以对过饱和水汽进行等湿加热,然后测量加热后的气体温、湿度.

图2　实验系统图

选用芬兰Vaisala公司生产的Vaisala-HMT337型温湿度变送器(湿度精度为±1%,温度精度为±0.2 ℃)测试实验温、湿度,循环冷却水由南京舜玛仪器设备有限公司的低温恒温槽提供.

1.3实验过程及条件

实验过程中,通过调节恒流泵流量和加热带加热温度来控制入口气流相对湿度与温度;通过调节低温恒温槽温度来控制相变室壁面冷却温度;气流流量为5 L/min.

相变室材料的表面性能会影响水汽在其表面的凝结,进而可能影响相变室中的过饱和环境.为此,本文实验中采用有机玻璃管和聚四氟乙烯管2种不同表面性能的材料构建相变室.其中,有机玻璃管的表面能为30 mN/m,聚四氟乙烯的表面能为18 mN/m.实验条件如表1所示.

表1　实验条件

2　实验结果与分析

2.1相变室入口气流相对湿度对过饱和度的影响

图3为相变室入口不同湿度条件对相变室内过饱和水汽环境影响曲线.实验中,选择相变室管壁温度Tw为接近自来水常温25 ℃,相变室入口气流温度Tin为50 ℃(因为湿法脱硫后净烟气温度大多为45～60 ℃).

图3　相变室入口气流相对湿度对水汽过饱和度的影响(Tw=25 ℃,Tin=50 ℃

图3中给出了通过计算标准差得出的测量值误差棒,从中可以看出,所测结果波动很小,这也说明了实验所用测量方法非常可靠.由图还可以看出,入口气流相对湿度对过饱和环境过饱和度影响明显,气流相对湿度的提高有助于形成更高过饱和度的过饱和氛围.这是由于入口气流相对湿度越大,其蒸汽分压力越高,在相同的冷却条件下,促进了Pv的增大,从而形成更高过饱和度的水汽场.然而,从图中不难发现,当相对湿度很大时,过饱和度的增加趋势有所下降,这可能是因为随着相变室入口气流相对湿度的提高,增大了相变室内水蒸气分压力差,从而使凝结于相变室内的水蒸气量增加,减小了水汽过饱和度.

2.2相变室入口气流温度对过饱和度的影响

图4为相变室内过饱和度随入口气流温度变化的曲线.由图中可以看出,入口气流温度为45 ℃时,相变室内水汽过饱和度随着相对湿度的增大呈上升的趋势;此外,比较气流入口温度为50，45 ℃的2条曲线可以发现,在相同相对湿度条件下,提高入口气流温度,过饱和度有所增加.

气流温度对于过饱和环境的影响主要表现在2个方面:① 相同冷却条件下,适当提高入口气流温度,增大了气流与冷却介质之间的温差,有利于湿气流的冷却,能够促进气流饱和蒸汽压力的降低,即促进Pv,∞(T)的降低,从而有助于形成高过饱和场;② 气流温度越高,其蒸汽分压越大,从而提高了相变室内水蒸气分压力差,水蒸气分压力差是湿质交换的推动力,所以伴随着气流温度的提高,会有更多的蒸汽凝结在相变室内,抑制了过饱和度的大幅增加.综合这2方面的因素,增加入口气流温度有助于增加相变室内的过饱和度,但入口气流温度过高的同时会增加相变室内的水汽耗散.这也说明,在过饱和环境的构建过程中,应合理控制相变室入口气流温度,不宜过高.

图4　相变室入口气流温度对水汽过饱和度的影响(Tw=25 ℃

2.3冷却水温度对过饱和度的影响

图5为相变室壁面不同温度条件对相变室内过饱和水汽环境影响的变化曲线.从图中可以看出,冷却水温度越低,形成的过饱和环境过饱和度越大,最高达到1.5左右.这是因为相同入口气流温度下,冷却水温度越低,气流会被冷却到更低温度,蒸汽的饱和压力越小,气流状态会离饱和线越远,这也意味着水汽过饱和度越大.图中不难发现,在入口气流相对湿度很高,冷却水温度很低时,过饱和度的变化有一个陡峭的上升趋势,这可能是由2个因素的共同作用导致的:① 气流相对湿度越高,跨越饱和线的障碍则越小,则容易形成过饱和环境;② 冷却水温度越低,有助于气流的冷却,从而形成高过饱和水汽环境.

图5　冷却水温度对相变室内水汽过饱和度的影响(Tin=50 ℃

2.4相变室壁面性能对过饱和度的影响

图6为不同相变室壁面材料对相变室内过饱和水汽环境形成影响的变化曲线.从图中可以看出,在相同操作参数条件下,采用聚四氟乙烯材料作为相变室壁面所形成的过饱和环境过饱和度更大,这表明相变室壁面性能对水汽过饱和场的建立具有重要影响,使用低表面能材料可以有效增强过饱和场的构建效果.依据表面化学原理,水汽在固体表面上的凝结主要取决于固体的表面能,表面能越低,水汽越不容易在其上凝结.聚四氟乙烯具有很低的表面能(仅18 mN/m),因此相变室内壁面的竞争凝结作用减弱,减小了式(1)中分子项的下降趋势;此外,聚四氟乙烯等低表面能材料还能够实现水汽的珠状凝结[15],有利于冷凝传热,从而能高效地降低气流的温度,促进饱和蒸汽分压的降低,从而使式(1)中的分母减小,形成较大过饱和度的水汽氛围.

图6　相变室材料对水汽过饱和度的影响(Tw=25 ℃,Tin=50 ℃

3　结论

1) 本文利用冷却的方式对高湿气流进行降温,容易实现水汽过饱和环境的建立;提出的间接测量水汽过饱和度的方法可以作为衡量水汽过饱和环境构建效果的有效手段.

2) 相变室入口不同气流温度、湿度对水汽过饱和场的建立均存在显著影响,提高气流相对湿度以及适当提高气流温度都有助于提高水汽过饱和度.

3) 相变室壁面冷却温度的变化会影响水汽过饱和环境的建立,在相同入口条件下,冷却温度越低,形成的过饱和环境的过饱和度越大.

4) 当相变室使用有机玻璃材料、气流入口温度为50 ℃、相对湿度为90%、冷却水温度为20 ℃时,相变室内水汽过饱和场过饱和度可以达到1.5左右.

5) 相变室壁面性能对水汽过饱和场的建立有非常重要的影响,采用低表面能的相变室壁面材料能够抑制水汽在相变室壁面上的凝结,可明显提高水汽的过饱和度.

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Experimental study on construction of wet flue gas supersaturated environment by cooling method

Meng Qiang Xu Junchao Zhang Jun Yu Yan Zhong Hui

(Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China)

The high humidity gas of wet flue gas desulfurization system was simulated to build the supersaturated vapor environment by cooling method in condensation chamber. An indirect measurement method for the supersaturation was proposed to evaluate the construction effects on the supersaturated environment. The influences of different temperatures and humidities of flue gas, different temperatures of cooling water, and different surface materials of the chamber in the supersaturated environment were investigated. The results show that the increase of relative flue gas humidity and an appropriate increase of gas temperature will help to improve the vapor supersaturation; the temperature of cooling water has a very obvious impact on the construction of the supersaturated environment, the lower the cooling temperature is, the higher the supersaturation will be; taking the polytetrafluoroethylene material condenser with low surface energy as the inner wall of the chamber can effectively enhance the effect of phase transition and get a vapor environment with bigger supersaturation. When the gas temperature and the relative humidity at the inlet of the chamber are 50 ℃ and 90%, respectively, and the temperature of the cooling water is 20 ℃, the supersaturation in the condenser using organic glass material can reach about 1.5.

wet flue gas desulfurization; cooling; supersaturated vapor environment; supersaturation measurement

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.04.012

2015-11-23.作者简介: 孟强(1991—)，男，硕士生；张军(联系人)，男，博士，教授，博士生导师，junzhang@seu.edu.cn.

国家自然科学基金资助项目(51576043)、国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2013CB228504).

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.04.012.

TK16

A

1001-0505(2016)04-0746-05

引用本文: 孟强,徐俊超,张军,等.利用冷却法构建湿气流过饱和场的实验研究[J].东南大学学报(自然科学版),2016,46(4):746-750.