燃煤烟气中电-热耦合驱动硫酸雾凝聚长大机理及促进方法研究

With the application of ultra-low emission technology in coal-fired power plants, new environmental pollution problems caused by sulfuric acid mist formed by sulfur trioxide (SO3) have become increasingly prominent. This project is aimed at the bottleneck problem of inefficient removal of sulfuric acid mist. Starting from the dynamic behavior of sulfuric acid mist collision and coagulation, both theoretical and experimental methods are used to investigate the growth of sulfuric acid mist under electro-thermal coupling effects. Based on the modified dissipative particle dynamics (DPD) method, the mechanism of micro-nano scale sulfuric acid mist collision and coagulation activated by internal and external force is to be revealed. The coupling mechanism between multi-fields at different regions in space under corona discharge and heat transfer is to be clarified. The relationship between the evolution process of sulfuric acid mist and the non-uniform external field is to be established by the discrete sampling along the path. A comprehensive method is to be proposed to realize rapid growth of sulfuric acid mist by multi-field effects in the finite space. Through this project, we will deepen the understanding for the collision and coagulation dynamics of micro-nano scale droplets, which can provide theoretical and methodological guidance for solving the bottleneck problem of inefficient removal of sulfuric acid mist.

随着燃煤电厂烟气污染物超低排放的推进，三氧化硫（SO3）形成的硫酸雾造成的环境污染问题正逐渐凸显。本项目针对燃煤烟气中微纳尺度硫酸雾难脱除的瓶颈问题，从硫酸雾碰撞、聚合的动力学行为入手，采用理论研究结合实验的方法，对电-热耦合驱动下硫酸雾的凝聚长大机理及过程调控开展系统研究。基于修正的耗散粒子动力学方法，揭示微纳尺度硫酸雾碰撞接触、聚合等微观过程中的内力及外力驱动机制；明确放电与换热驱动下多场间的耦合机制，揭示空间中不同区域内影响硫酸雾凝聚的外部驱动条件的变化规律；通过沿程离散采样方法，建立硫酸雾凝聚演变过程与非均匀外场的空间对应关系，形成有限空间内基于多外场协同调控凝聚过程的硫酸雾快速长大促进方法。通过本项目的开展，将深化对微纳尺度流变性液滴的碰撞、聚合的动力学行为的认识，为解决硫酸雾脱除效率低的瓶颈问题提供理论支撑与方法指导。

煤燃烧排放的污染物是造成我国严重大气污染的重要原因之一，目前燃煤电厂的常规污染物已实现超低排放，但部分电厂SO3排放产生的有色烟羽等环境污染问题正逐步凸显。本项目提出电-热耦合驱动硫酸雾凝聚长大的技术方案，既考虑了当下烟气换热与湿式静电连用消除有色烟羽的实际现状，又考虑到放电与换热在流动、传热、传质方面的耦合对硫酸雾凝聚长大的强化效应，对硫酸雾长大机理、电热耦合机制和凝聚长大促进方法开展了研究，建立了考虑了团聚和凝结两个物理过程的硫酸雾长大动力学模型，模拟硫酸雾的长大过程并与实验数据进行对比验证，揭示了不同粒径范围内硫酸雾凝聚长大的主控机制，明晰了团聚与凝结两个物理过程的独立与耦合关系，发现两者的耦合主要体现在粒径小于0.05 μm的范围内；建立了沿程离散采样的硫酸雾粒径演变研究方法，在未加外场干预时，硫酸雾长大需要耗费较长时间，粒径分布并最终趋于正态分布，进一步探究了放电、调温、增湿等外场干预有段对硫酸雾凝聚长大的影响规律，发现电晕放电和烟气降温分别强化硫酸雾团聚长大和凝结长大，并首次拟合获得了不同外场条件下硫酸雾长大的凝聚系数；建立了放电、荷电、迁移、换热、凝结多过程耦合的湿式电除尘数值模型，首次将水汽凝结导致颗粒长大的过程考虑到模型中，发展了冷凝型湿式静电除尘器的数值模型，明确了放电与换热驱动下多场间的耦合机制，揭示了空间中不同区域内影响硫酸雾凝聚的外部驱动条件的变化规律，获得了硫酸雾凝聚演变过程与非均匀外场的空间对应关系；开展了燃用高硫煤机组SO3形成、转化和控制全过程研究，在实际运行条件下基于SO3测试和监测数据，研究了SO3在不同污染物控制装备间的转化与控制，分析了不同污染物控制装备间的协同关系，提出了SO3协同减排的综合控制策略，可使SO3排放小于5 mg/m3。本项目不仅为解决硫酸雾脱除效率低的瓶颈问题提供理论支撑与方法指导，还可为烟气/大气中其他微细气溶胶的形成、演变、分离及测量研究提供借鉴。