尾氣濕含量對氣液交叉流陣列捕集PM2.5的影響

李 勇 鄭志堅(jiān) 夏素蘭 文 浩 陳 毅

（四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川成都，610065）

我國正值工業(yè)化快速發(fā)展階段，近十年影響大氣環(huán)境質(zhì)量的主要因素是各種工業(yè)尾氣排放，其中的 PM2.5危害很大［1－2］。過程工業(yè)尾氣中 PM2.5排放占大氣PM2.5來源接近50%，因此PM2.5的控制首選工業(yè)尾氣源頭控制［3］?，F(xiàn)存PM2.5的減排技術(shù)成本高昂，若以荷蘭本世紀(jì)制定的工業(yè)尾氣PM2.5減排率50%計(jì)劃為參照［4］，一臺315kW 的尾氣離心通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生PM排放量35kg·h－1，即便50%的減排率所需成本也高達(dá)1750·h－1，這在我國現(xiàn)階段經(jīng)濟(jì)不可行。因此開發(fā)經(jīng)濟(jì)可行、PM2.5捕集效率高的技術(shù)迫在眉睫。從“以廢治廢”角度出發(fā)，利用工業(yè)尾氣含濕特性，本課題組開發(fā)了基于氣液交叉流界面吸收PM2.5凈化技術(shù)，并已成功實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用［5－6］。如圖1所示，吸收液通過水平多孔板和親水導(dǎo)流線分散為具有光滑表面的連續(xù)流動降膜陣列，含濕工業(yè)尾氣橫掠降膜陣列，尾氣中水蒸氣向液膜表面冷凝，驅(qū)動PM2.5微粒向液膜表面運(yùn)動并被吸收。本文通過質(zhì)量衡算及傳質(zhì)速率方程，得到氣液交叉流降膜陣列PM2.5捕集效率模型，重點(diǎn)研究尾氣濕含量對PM2.5捕集效率的影響。

1 理論分析

圖1 光滑連續(xù)的降膜陣列

圖2 含濕尾氣橫掠降膜陣列示意圖

圖2為含濕尾氣橫掠降膜陣列示意圖，尾氣進(jìn)口表觀氣速、溫度、濕含量分別為u0、T1、H1，尾氣出口氣速、溫度、濕含量分別為u1、T2、H2。陣列垂直于氣流方向排布，液柱直徑為dc，軸間距為a，排間距為b，液膜表面溫度恒定為Tw。

假設(shè)尾氣中水蒸氣分壓大于液膜表面溫度對應(yīng)的飽和蒸氣壓，尾氣中水蒸氣均勻的向液膜表面發(fā)生冷凝擴(kuò)散，根據(jù)水蒸氣質(zhì)量守恒：

式中uw為氣液交叉流陣列中水蒸氣向液膜表面運(yùn)動的體積通量，H1、H2為尾氣進(jìn)口、出口濕含量，kg/kg；ρg為空氣密度、ρw為尾氣中水蒸氣分壓對應(yīng)的水蒸氣密度，g/cm3；n為陣列排數(shù)。

水蒸氣體積通量：

此即為水蒸氣組分向液膜表面的遷移速度，帶動PM2.5粒子以同樣的速度向液膜表面運(yùn)動，忽略重力、熱泳力等對PM2.5的影響，此時PM2.5向液膜表面的傳質(zhì)系數(shù)Kp等于水蒸氣體積通量uw［7］，即：

根據(jù)PM2.5質(zhì)量衡算及傳質(zhì)速率方程，單排液膜陣列PM2.5吸收量為：

式中V為尾氣體積流量，m3/s；Ai為單排液柱傳質(zhì)面積，m2；（ci－ci＋1）為通過該排后尾氣PM2.5濃度變化值，mg/m3；cs為液膜表面PM2.5濃度。假設(shè)一旦PM2.5和液膜接觸就被全部吸收，即液膜表面PM2.5濃度為0，則單排降膜陣列PM2.5捕集效率ηi為：

由 （2）式、（3）式、（5）式得出：

對圖2所示規(guī)則均勻排布的降膜陣列，其動力學(xué)條件是等同的，模型計(jì)算假設(shè)來流具有均勻的表觀氣速和PM2.5濃度，忽略陣列的頭尾效應(yīng)，如果各排降膜陣列PM2.5捕集效率視為相同，總數(shù)為n排的降膜陣列PM2.5總捕集效率為：

2 氣液交叉流捕集PM2.5實(shí)驗(yàn)

圖3為PM2.5捕集效率測試實(shí)驗(yàn)裝置，由dc＝3mm導(dǎo)流線垂直穿過上、下兩塊相距0.5m的多孔板，組成均勻錯排布置的20列×90排降膜陣列，前30排為一組，其余每20排為一組，每組之間設(shè)置采樣孔。氣液交叉流設(shè)備通過水泵由水槽向多孔分布板供水，在導(dǎo)流線上形成連續(xù)均勻穩(wěn)定的降膜流動。換熱器加熱風(fēng)機(jī)提供的氣流，超聲波霧化器提供水蒸氣，PM2.5生成裝置產(chǎn)生PM2.5粒子，在氣液交叉流降膜陣列入口前均勻混合，模擬含PM2.5和水蒸氣的工業(yè)尾氣。

圖3 氣液交叉流捕集PM2.5實(shí)驗(yàn)流程圖

表1 Al2O3粒徑分布

實(shí)驗(yàn)使用純度為99%惰性Al2O3粉體模擬尾氣中的PM2.5粒子，用 Malvern Mastersizer 2000（英國馬爾文公司）測量Al2O3粉體粒徑，測量范圍0.1 μm～1000μm，Al2O3粉體粒徑分布如表1所示。采用帶濕度修正的LD－5S激光粉塵儀（北京聚道合盛科技有限公司）測量氣流中PM2.5質(zhì)量濃度，分辨率為0.01mg·m－3，誤差在±5%之內(nèi)。用Dwyer RHT－D－LCD溫濕度變送器測量氣流相對濕度和溫度，相對濕度分辨率0.1，溫度分辨率0.1℃，誤差在±2%之內(nèi)。進(jìn)口尾氣流速由MAGNEHELIC－2000精密皮托管壓差計(jì)（Dywer Instruments，Inc）檢測，其分度值0.2Pa，誤差±2%。

實(shí)驗(yàn)中控制尾氣進(jìn)口表觀氣速u0＝0.69m/s，T1＝80℃恒定不變，PM2.5進(jìn)口濃度不變，改變進(jìn)口尾氣的濕含量，依次檢測各采樣孔PM2.5濃度。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

如圖4所示，PM2.5捕集效率與排數(shù)之間呈指數(shù)關(guān)系變化。理論結(jié)果表明，進(jìn)口尾氣濕含量H1從0.28kg/kg增加到0.52kg/kg，單排降膜陣列PM2.5捕集效率從0.64%增加到1.26%，相應(yīng)90排降膜陣列PM2.5捕集效率從44%增加到68.1%，該理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。單排降膜陣列PM2.5捕集效率為1.26%時，達(dá)到90%分離效率僅需182排，若排間距b＝1.5dc，則分離通道總長度僅為819mm，對工藝裝置尾氣凈化設(shè)備而言其效率是很高的。

圖4 不同濕含量下PM2.5捕集效率理論與實(shí)驗(yàn)對比

4 結(jié)論

（1）提出以廢水－廢氣構(gòu)建的氣液交叉流降膜陣列捕集工業(yè)尾氣中PM2.5，實(shí)現(xiàn)以廢治廢的目的。

（2）基于質(zhì)量衡算和傳質(zhì)速率方程，得到以尾氣濕含量為控制參數(shù)的氣液交叉流降膜陣列PM2.5捕集效率模型。理論結(jié)果表明，進(jìn)口尾氣濕含量從0.28kg/kg增加到0.52kg/kg，單排降膜陣列PM2.5捕集效率從0.64%增加到1.26%，當(dāng)濕含量為0.52kg/kg時，預(yù)測182排降膜陣列就可達(dá)到90%分離效率。

（3）通過90排氣液交叉流降膜陣列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。

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