溫差對氣液交叉流PM2.5去除效率影響

文 浩 鄭志堅 夏素蘭 李 勇 陳 毅 四川大學(xué) 成都 610065

在工業(yè)化快速發(fā)展階段，工業(yè)尾氣排放已經(jīng)成為影響大氣環(huán)境質(zhì)量的主要因素，PM2.5 污染即是一個嚴峻挑戰(zhàn)［1-2］。為改善大氣環(huán)境質(zhì)量，世界各國對PM2.5 減排制訂了嚴格的法規(guī)，如荷蘭限定工業(yè)尾氣PM2.5 排放濃度不超過9 mg/m3［3］。我國現(xiàn)階段工業(yè)尾氣PM2.5 排放濃度比荷蘭的指標高10 余倍［4］，減排任務(wù)十分艱巨。我國2016年將實施《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》第一過渡時期目標值，即PM2.5日均濃度≤75μg/m3、年均濃度≤35μg/m3。實現(xiàn)PM2.5 減排的宏偉目標需要行之有效的減排技術(shù)，利用工業(yè)尾氣高溫特性，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)［5］。低溫水流通過水平多孔板分散為具有光滑表面的連續(xù)流動液柱群，見圖1。高溫工業(yè)尾氣橫掠液柱群，尾氣與液柱表面發(fā)生傳熱帶動PM2.5產(chǎn)生附面運動并被液柱吸收。本文著重研究氣液交叉流傳熱傳質(zhì)，分析氣液溫差對PM2.5 去除效率的影響，得到降膜陣列PM2.5 去除效率理論表達式。

1 氣液交叉流去除高溫工業(yè)尾氣PM2.5理論

圖1 光滑連續(xù)的氣液交叉流液柱群

圖2為高溫工業(yè)尾氣橫掠錯排降膜陣列分析示意圖，進口處含PM2.5 氣體流速為u0、溫度Tin，液柱垂直于氣流排布，溫度為Tw，液柱直徑為dw，同排液柱間軸線距離為a，液柱排距為b，出口處氣體溫度Tout。

圖2 氣流橫掠錯排降膜陣列分析示意圖

對于氣液交叉流體系，因為氣體入口溫度大于液柱表面溫度，氣液之間將發(fā)生傳熱，根據(jù)熱量衡算和傳熱速率方程，得:

式中，K 為總傳熱系數(shù)，w/ (m2·k);A 為總傳熱面積，m2;ΔTm為氣液對數(shù)平均溫差，k;w 為氣體質(zhì)量流量，kg/s;cp為氣體比定壓熱容，J/(kg·k)。

本文模型中傳熱傳質(zhì)為氣膜控制過程，因此氣膜側(cè)傳熱系數(shù)h 近似等于總傳熱系數(shù)K，即

根據(jù)傳熱傳質(zhì)類比模型，引用科卡伯恩類比律［6］:

式中，Sh 為舍伍德數(shù);Nu 為努塞爾數(shù);Sc 為施密特數(shù);Pr 為普朗特數(shù);kc為氣體傳質(zhì)系數(shù)，m/s;D 為氣體擴散系數(shù)，m2/s;k 為氣體導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m·K)。

聯(lián)立(2)、(3)得到氣體傳質(zhì)系數(shù):

PM2.5 完全跟隨氣體運動，假設(shè)PM2.5 和液面接觸即被全部吸收，即液柱表面PM2.5 濃度為0。根據(jù)PM2.5 質(zhì)量衡算及傳質(zhì)速率方程，單排PM2.5 去除量:

式中，V 為氣流體積流率，m3/s;Ai為單排降膜傳質(zhì)面積，m2;Ci、Ci+1為第i 排進、出口尾氣PM2.5 濃度，mg/m3。則單排PM2.5 去除效率ηi:

聯(lián)立式(4)、(7)得出不同氣液溫差時單排PM2.5 去除效率理論表達式:

對圖2 中規(guī)則排布的液柱群，其動力學(xué)條件是等同的，模型計算假設(shè)來流具有均勻的表觀流速和表觀顆粒濃度，因此總體分離效率可按單液柱順序串聯(lián)模型計算，如果各排單液柱吸收效率視為相同，則總數(shù)為n 排的降膜陣列PM2.5 總?cè)コ?

2 氣液交叉流降膜陣列去除PM2.5 實驗

錯排降膜陣列去除PM2.5 實驗裝置見圖3。

圖3 降膜陣列去除PM2.5 實驗裝置示意圖

由直徑為3mm 的親水導(dǎo)流線垂直穿過上、下兩塊相距0.5m 的多孔板，組成均勻?qū)ΨQ布置的20列×200 排降膜陣列。用循環(huán)水泵使導(dǎo)流線陣列上方多孔板上保持恒定液位，保證每根導(dǎo)流線表面產(chǎn)生連續(xù)均勻穩(wěn)定的降膜流動。低壓風(fēng)機送空氣進氣流主體管道，通過空氣加熱器將空氣加熱到指定溫度模擬工業(yè)尾氣的高溫特性，為避免氣流主體中發(fā)生蒸發(fā)或冷凝而干擾對實驗的測量，利用超聲波霧化器向主流氣體中加入相應(yīng)量的水蒸氣。高溫工業(yè)尾氣顆粒采用簡易流化床裝置接入氣流管道，和氣體均勻混合后進氣液交叉流陣列，形成降膜陣列PM2.5 去除效率實驗系統(tǒng)。每40 排降膜陣列為一組，每組之間設(shè)置采樣孔，檢測PM2.5 濃度。

采用帶濕度修正的LD -5S 激光粉塵儀測量尾氣中PM2.5 的質(zhì)量濃度，通過空氣動力學(xué)切割頭使得只有動力學(xué)直徑2.5μm 以下的顆粒(PM2.5)能被采樣和檢測，分辨率為0.01mg/m3，誤差在±5%之內(nèi)。實驗中將兩臺同型號的激光粉塵儀采樣管放入兩個采樣口，同時以2L/min 的采樣速率抽取尾氣樣品檢測，得到同一時刻不同位置對應(yīng)的PM2.5 質(zhì)量濃度。尾氣的流速由精密皮托管壓差計檢測，絕對精度分度值0.2Pa，差在±2%之內(nèi)。尾氣進出口溫度由溫度計檢測，溫度計量程為0 ～100℃，誤差在±2%之內(nèi)。工業(yè)尾氣中的顆粒用惰性的Al2O3粉體模擬，其PM2.5 粒級的平均直徑為2.2μm。

3 結(jié)果與討論

不同氣液溫差下前n 排降膜陣列PM2.5 去除效率變化曲線見圖4。

圖4 不同氣液溫差下前n 排降膜陣列PM2.5 去除效率變化曲線(Re=140)

由圖4 可知，降膜陣列PM2.5 去除效率隨液柱排數(shù)增加而增加，兩者呈指數(shù)關(guān)系變化。對于氣流雷諾數(shù)恒定為140，不斷增加入口氣體和液柱表面的溫差，PM2.5 去除效率也不斷增加。當氣液溫差由20oC 增加至80oC 時，相應(yīng)200 排降膜陣列PM2.5 去除效率由48.5%提高至73.2% (單排降膜陣列 PM2.5 去除效率由0.33% 提高至0.66%)。氣液溫差為80oC 的條件下，PM2.5 去除效率達到90%所需液柱排數(shù)為350，若排間距b =1.5dw，則分離通道總長度為1575mm，對工藝裝置尾氣凈化設(shè)備而言其效率是很高的。

4 結(jié)語

(1)針對工業(yè)尾氣PM2.5 污染問題，基于工業(yè)尾氣高溫特性，利用工業(yè)廢水-廢氣交叉流界面去除工業(yè)尾氣PM2.5，獲得高效去除PM2.5裝置。

(2)研究工業(yè)尾氣橫掠降膜陣列時的傳熱傳質(zhì)，理論推導(dǎo)出PM2.5 去除效率表達式。研究表明降膜陣列PM2.5 去除效率隨氣液溫差增加而增大，隨液柱排數(shù)增加而增大。

(3)對高溫工業(yè)尾氣橫掠降膜陣列進行實驗，實驗結(jié)果和理論分析吻合良好，說明了理論模型的準確性。

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