工業(yè)細(xì)粒物PM2.5預(yù)團(tuán)聚及去除新技術(shù)研究進(jìn)展

程治良，譚其祥，李瑞恒，全學(xué)軍，王進(jìn)軍

(重慶理工大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，重慶　400054)

?

工業(yè)細(xì)粒物PM2.5預(yù)團(tuán)聚及去除新技術(shù)研究進(jìn)展

程治良，譚其祥，李瑞恒，全學(xué)軍，王進(jìn)軍

(重慶理工大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，重慶400054)

摘要：分析了目前傳統(tǒng)工業(yè)除塵系統(tǒng)的不足，指出對(duì)工業(yè)細(xì)粒物進(jìn)行預(yù)團(tuán)聚后，再應(yīng)用常規(guī)除塵設(shè)備脫除工業(yè)細(xì)粒物是一條提高細(xì)粒物去除效果的行之有效的技術(shù)路線。總結(jié)了細(xì)粒物預(yù)團(tuán)聚的物理與化學(xué)方法，并介紹了濕法除塵方面的新技術(shù)，以及水力噴射空氣旋流器(WSA)脫除工業(yè)細(xì)粒物的新技術(shù)及其除塵效果。WSA具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)內(nèi)部組件、不結(jié)垢和堵塞、除塵效率高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于研發(fā)新型除塵設(shè)備具有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：工業(yè)細(xì)粒物；預(yù)團(tuán)聚；水力噴射空氣旋流器；除塵

近年來(lái)，我國(guó)多地持續(xù)出現(xiàn)的霧霾天氣引起了民眾對(duì)空氣質(zhì)量的高度關(guān)注。環(huán)保部2013年的《中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)》數(shù)據(jù)表明，全國(guó)平均霾日數(shù)為35.9天，部分地區(qū)甚至超過(guò)了100天[1]，如圖1所示。引起霧霾天氣的元兇主要就是顆粒物(particulatematter,PM)。依據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑的不同，又分為PM10(≤10μm)的可吸入顆粒和PM2.5(≤2.5μm)的細(xì)顆粒物，后者可進(jìn)入人體肺部，危害更大。我國(guó)于2012年公布的將于2016年全面實(shí)施的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定：居民區(qū)、商業(yè)交通居民混合區(qū)、工業(yè)區(qū)等二類區(qū)域的PM2.5的濃度限值年平均值和日平均值分別為35和75μg/m3。

細(xì)顆粒物PM2.5超標(biāo)所引起的危害很大，嚴(yán)重影響民眾健康。PM2.5具有較大的比表面積，表面活性和吸附能力很強(qiáng)，能富集重金屬、有機(jī)物致癌物、細(xì)菌病毒等，且由于當(dāng)量直徑較小，能被人體吸入肺部，引起肺炎、肺氣腫甚至肺癌等呼吸系統(tǒng)疾病，此外，還可以使心血管疾病患病率和死亡率增大[2]。2012年世界衛(wèi)生組織(WHO)發(fā)布的《全球疾病負(fù)擔(dān)評(píng)估1990—2010》(GBD)報(bào)告[3]指出：PM2.5污染在全球健康風(fēng)險(xiǎn)因子中位居第7，造成全世界320萬(wàn)人過(guò)早死亡。而在中國(guó)，大氣PM2.5污染已成為主要健康風(fēng)險(xiǎn)因子之一，2010年導(dǎo)致了超過(guò)120萬(wàn)人的過(guò)早死亡和每年超過(guò)2 500萬(wàn)人的健康損失[4]。當(dāng)然，PM2.5超標(biāo)還會(huì)引起能見(jiàn)度降低、光化學(xué)煙霧、酸雨等災(zāi)害，對(duì)氣候產(chǎn)生重要影響。

治理PM2.5污染必須施行源頭治理的策略，研發(fā)相關(guān)源頭治理技術(shù)，是當(dāng)前我們經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的亟需，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。目前對(duì)于工業(yè)細(xì)粒物的脫除技術(shù)主要有2種：一種是對(duì)工業(yè)細(xì)粒物進(jìn)行預(yù)團(tuán)聚，使其先團(tuán)聚成大顆粒后再用電除塵等現(xiàn)有設(shè)備加以脫除[5-6]；另一種是采取濕法除塵的技術(shù)來(lái)提高除塵效率。本文綜述了近年來(lái)顆粒預(yù)團(tuán)聚技術(shù)的研究進(jìn)展，并介紹了濕法除塵方面的新技術(shù)。

圖1　2013年全國(guó)霾日分布示意圖

1細(xì)粒物預(yù)團(tuán)聚技術(shù)研究進(jìn)展

目前，燃煤電廠除塵設(shè)備90%以上為電除塵器?？稍陔姵龎m器前增設(shè)細(xì)粒物預(yù)團(tuán)聚裝置，再采用常規(guī)除塵器脫除。該技術(shù)具有很好的運(yùn)用前景。細(xì)粒物預(yù)團(tuán)聚技術(shù)主要有電團(tuán)聚、聲波團(tuán)聚、化學(xué)團(tuán)聚、蒸汽相變團(tuán)聚、光團(tuán)聚、熱團(tuán)聚、磁團(tuán)聚、湍流團(tuán)聚等。

1.1電團(tuán)聚

電團(tuán)聚主要通過(guò)電荷的遷移與擴(kuò)散作用與顆粒物之間相互碰撞，增加細(xì)顆粒物的荷電能力，使不同粒徑的細(xì)顆粒物之間相互碰撞形成預(yù)團(tuán)聚體。電團(tuán)聚的研究核心是如何提高電團(tuán)聚速率。運(yùn)用異極荷電在交變電場(chǎng)中發(fā)生團(tuán)聚的原理，延長(zhǎng)細(xì)粒物在電場(chǎng)的停留時(shí)間能有效調(diào)高團(tuán)聚速率，具有很好的工業(yè)運(yùn)用前景。但是細(xì)顆粒物的微觀復(fù)雜性使得目前只是對(duì)荷電方式及團(tuán)聚電場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室研究，電團(tuán)聚理論尚不完善。

王連澤等[7]將含塵氣體置于不同電場(chǎng)風(fēng)速下，分別通過(guò)加載不同正負(fù)電壓的電場(chǎng)后在合二為一的條件下測(cè)試系統(tǒng)對(duì)細(xì)顆粒物的捕集效率，發(fā)現(xiàn)細(xì)顆粒物的團(tuán)聚效率增加約10%。團(tuán)聚效率主要受正負(fù)電場(chǎng)強(qiáng)度的共同影響。向曉東等[8]在研究三區(qū)式靜電除塵器后，設(shè)計(jì)了改進(jìn)后的雙區(qū)式電團(tuán)聚除塵設(shè)備，將預(yù)荷電區(qū)與團(tuán)聚區(qū)合并，使團(tuán)聚區(qū)更長(zhǎng)，細(xì)粒物在團(tuán)聚區(qū)停留時(shí)間從三區(qū)式的0.6s增至1.0s，反復(fù)荷電與團(tuán)聚使得細(xì)顆粒物粒徑不斷增大，除塵效率達(dá)98%。

對(duì)于同極性荷電顆粒，周建剛等[9]對(duì)煙道中的同極性荷電粉塵的團(tuán)聚效率進(jìn)行了研究，考察了電場(chǎng)類型、場(chǎng)強(qiáng)、頻率對(duì)團(tuán)聚效果的影響。結(jié)果表明：在頻率由0升至160Hz過(guò)程中，亞微米級(jí)顆粒的數(shù)量不斷減少，微米級(jí)細(xì)顆粒物增加，在頻率為0～80Hz的條件下變化較為明顯，而在80～160Hz的變化較為平緩；在相同條件下，交變電場(chǎng)的團(tuán)聚效果比直流電場(chǎng)好，可能是因?yàn)橹绷麟妶?chǎng)中電子及細(xì)顆粒物受到的電場(chǎng)力是單方向的，接地極板會(huì)復(fù)合掉電荷和電子，影響團(tuán)聚效率。

駱仲泱等[10]研究了直流電場(chǎng)中細(xì)顆粒物的荷電特性，指出直流電場(chǎng)中的顆粒荷電主要是場(chǎng)致荷電和擴(kuò)散荷電，粒徑小于0.2μm的顆粒以擴(kuò)散荷電為主，大于0.2μm的顆粒以場(chǎng)致荷電為主，粒徑越大，荷電量越大，電壓越大。譚百賀等[11]在將直流電場(chǎng)施加在電除塵器中研究了異極荷電顆粒的團(tuán)聚效率，結(jié)果表明：當(dāng)直流團(tuán)聚區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度由0升至1.6kV/cm時(shí)，對(duì)于亞微米級(jí)細(xì)顆粒物的團(tuán)聚效率只由14.8%增加至24%，脫除效果并不顯著。

1.2聲團(tuán)聚

聲波團(tuán)聚就是利用高強(qiáng)度聲場(chǎng)引起細(xì)顆粒物之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而增加它們之前的碰撞效率，在顆粒間作用力的作用下，微粒以一定的比例粘附在一起形成預(yù)團(tuán)聚體[12-13]。低頻高強(qiáng)聲波更有利于聲波團(tuán)聚。但聲波團(tuán)聚能耗較大，還會(huì)產(chǎn)生噪聲污染，而且對(duì)于聲團(tuán)聚研究?jī)H限于聲強(qiáng)、頻率、細(xì)粒物粒徑的研究，對(duì)于如濕度、溫度等均沒(méi)有進(jìn)行探索。

聲波團(tuán)聚機(jī)理有同向團(tuán)聚理論、流體力學(xué)作用、聲輻射壓力作用、聲致湍流。同向團(tuán)聚理論、流體力學(xué)作用是主要的聲波團(tuán)聚機(jī)理。流體力學(xué)作用的主要機(jī)理為聲尾跡效應(yīng)。如圖2所示，前一個(gè)顆粒在聲場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，背面產(chǎn)生低壓的尾跡區(qū)域，后一個(gè)顆粒在前一個(gè)顆粒的尾跡區(qū)域中加速向前運(yùn)動(dòng)，在聲波的下半周期，兩顆粒調(diào)換位置做相同的運(yùn)動(dòng)，在幾個(gè)聲波周期后，兩顆粒之間距離減小，產(chǎn)生碰撞并團(tuán)聚[14]。

徐鴻等[15]在不同聲壓級(jí)、頻率、粉塵濃度的情況下進(jìn)行了研究，指出頻率控制在低頻范圍1～5kHz時(shí)，能使細(xì)顆粒物產(chǎn)生較大的振幅，產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)碰撞并團(tuán)聚。在聲強(qiáng)為128dB的條件下對(duì)3個(gè)不同頻率(1.7,2.9,4.3kHz)進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)細(xì)顆粒物均有較強(qiáng)的團(tuán)聚趨勢(shì)。在2.9kHz頻率下，細(xì)顆粒物團(tuán)聚效果最明顯；聲強(qiáng)為140dB時(shí)，團(tuán)聚效率最高，PM2.5減少52.0%～63.6%,PM10減少35.6%～53.3%。

圖2　聲尾跡效應(yīng)示意圖[14]

1.3化學(xué)團(tuán)聚

化學(xué)團(tuán)聚指使用帶有極性基團(tuán)的高分子長(zhǎng)鏈以“架橋”方式將多個(gè)細(xì)顆粒連接團(tuán)聚[16-17]。高分子團(tuán)聚劑引起顆粒團(tuán)聚有2個(gè)步驟：第一是對(duì)顆粒的吸附作用，團(tuán)聚劑溶于水后與細(xì)粒物發(fā)生電中和作用；第二就是團(tuán)聚劑的“架橋”作用?；瘜W(xué)團(tuán)聚不僅能有效脫除工業(yè)細(xì)粒物，還能同時(shí)脫除多種污染物，且不用改變正常生產(chǎn)條件和設(shè)備操作運(yùn)行參數(shù)[18]。董勇等[19]指出，化學(xué)團(tuán)聚主要有3種團(tuán)聚方式(如圖3所示)：① 液滴捕集超細(xì)顆粒物形成鏈狀或叢狀顆粒群；② 較大顆粒為載體的表面粘附；③ 顆粒層層包裹形成包衣結(jié)構(gòu)。

趙汶、劉勇等[16,20]先通過(guò)向脫硫系統(tǒng)中進(jìn)入電除塵器的煙氣中添加果膠(pectingum，PG)，發(fā)現(xiàn)電除塵器對(duì)細(xì)粒物的脫除效率由約83%上升到約92%，；而后向進(jìn)入濕法煙氣脫硫系統(tǒng)的煙氣添加非離子型聚丙烯酰胺(polyacrylamide,PAM)、羧甲基纖維素鈉(carboxymethylcellulose,CMC)、黃原膠(xanthangum,XTG)、聚合氯化鋁(polyaluminumchloride,PAC)、聚合硫酸鐵(polyferricsulfate,PFS)，考察了團(tuán)聚劑濃度、pH值及煙氣溫度的影響，結(jié)果表明：當(dāng)濃度達(dá)到0.05%時(shí)，煙氣溫度為120～250 ℃時(shí)脫除效率最高；降低pH值使得團(tuán)聚劑高分子鏈更加柔軟伸展[21]，細(xì)粒物更能被高分子鏈吸附，有利于細(xì)粒物的團(tuán)聚；但團(tuán)聚霧滴難以完全蒸發(fā)會(huì)影響團(tuán)聚效果。李海龍、趙永椿等[22-23]對(duì)于燃后區(qū)化學(xué)團(tuán)聚技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，選取了PAM、CMC、XTG、PAC四種團(tuán)聚劑，也得到類似的結(jié)論。無(wú)機(jī)高分子材料PAC具有很強(qiáng)的電中和作用，但對(duì)于細(xì)粒物的團(tuán)聚效果不明顯證明了引起細(xì)粒物團(tuán)聚的因素是高分子鏈的“架橋”作用，而不是電中和作用。

化學(xué)團(tuán)聚雖然具有多種優(yōu)點(diǎn)，但目前的研究主要集中在對(duì)團(tuán)聚劑的研究，且團(tuán)聚劑的選擇方面過(guò)于單一，應(yīng)適當(dāng)考慮選取更多種類、更加經(jīng)濟(jì)的高分子材料進(jìn)行試驗(yàn)，并應(yīng)將多種因素綜合考慮，深入分析團(tuán)聚劑與細(xì)顆粒物的反應(yīng)機(jī)理，從而為工業(yè)應(yīng)用技術(shù)奠定理論基礎(chǔ)。

圖3　循環(huán)流化床煙氣脫硫工藝中顆粒的團(tuán)聚方式[19]

1.4蒸汽相變團(tuán)聚

蒸汽相變就是通過(guò)添加蒸汽、混合不同溫度的兩股飽和氣體、冷卻中高溫濕氣體等措施[24-25]使水汽達(dá)到過(guò)飽和，利用過(guò)飽和水汽在細(xì)顆粒物表面的凝結(jié)形成預(yù)團(tuán)聚體。蒸汽相變協(xié)同濕法脫硫(WFGD)系統(tǒng)能達(dá)到工業(yè)粉塵與SO2同時(shí)脫除的效果，使得蒸汽相變對(duì)比其他預(yù)團(tuán)聚技術(shù)有更明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。雖然提高蒸汽添加量理論上可使細(xì)顆粒物凝結(jié)長(zhǎng)大至更大的尺寸，但蒸汽相變過(guò)程的復(fù)雜變化會(huì)使實(shí)際效果有誤差，仍需對(duì)技術(shù)提出改進(jìn)，且會(huì)增大廢水產(chǎn)量，引起新的污染。由于需要在脫硫區(qū)或脫硫凈化濕煙氣加入蒸汽，可能會(huì)與脫硫劑發(fā)生凝結(jié)，還應(yīng)試驗(yàn)研究脫硫劑及脫硫塔對(duì)于細(xì)顆粒物脫除效率的影響，分析其氣液熱值交換的規(guī)律，從而完善蒸汽相變的工業(yè)運(yùn)用。

劉錦輝等[26]考察了活化水添加量、蒸汽添加量、細(xì)粒物數(shù)量濃度及除霧器性能對(duì)脫除效率的影響。結(jié)果表明：隨著活化水及蒸汽添加量的增加，預(yù)團(tuán)聚體液滴的粒徑也增加，脫除效率增加；細(xì)粒物的濃度越低，單個(gè)細(xì)粒物得到的蒸汽量越多。鮑靜靜等[27-28]以旋風(fēng)分離器處理后的無(wú)煙煤為顆粒源，考察了不同脫硫劑條件下整個(gè)系統(tǒng)對(duì)細(xì)顆粒物的脫除效率，并指出，原始煙氣含濕量較低，不適合直接加入蒸汽，但可以采取兩種措施：一是在脫硫區(qū)加入蒸汽，利用煙氣與脫煙液之間的熱值交換使煙氣達(dá)到飽和狀態(tài)；二是在脫硫凈化濕煙氣中加入蒸汽，由于該煙氣含濕度達(dá)到90%～95%，只需加入少量蒸汽就可達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)。而且過(guò)飽和度越大，不僅可使發(fā)生核化凝結(jié)的微粒臨界粒徑減小，促使更多的細(xì)顆粒核化凝結(jié)長(zhǎng)大，還可以使微粒表面凝結(jié)的蒸汽量增加，使預(yù)團(tuán)聚體的粒徑增大。但對(duì)于脫硫劑及脫硫條件如何影響系統(tǒng)脫除細(xì)顆粒性能這一問(wèn)題并沒(méi)有深入研究。

熊桂龍等[29]指出只靠過(guò)飽和蒸汽在顆粒物表面的凝結(jié)作用不易使得亞微米級(jí)微粒長(zhǎng)大為3～5μm的微米級(jí)微粒后被高效除霧器脫除，且過(guò)高的蒸汽添加量會(huì)帶來(lái)大量的能耗需求。利用對(duì)噴流結(jié)合蒸汽相變的方法脫除細(xì)顆粒物，不僅可以促進(jìn)水汽在細(xì)顆粒表面凝結(jié)長(zhǎng)大，同時(shí)可使表面凝結(jié)有水膜的細(xì)顆粒物間發(fā)生相互碰撞，促使其進(jìn)一步碰撞凝并長(zhǎng)大，增大除塵效率。

2濕法除塵新技術(shù)研究進(jìn)展

除了預(yù)先將PM2.5進(jìn)行團(tuán)聚，再進(jìn)行處理的技術(shù)，國(guó)內(nèi)外還開(kāi)展了捕集脫除工業(yè)尾氣中的PM2.5的新技術(shù)研究[30]，如圖4所示。但這些技術(shù)都存在隨著顆粒物粒徑的下降處理效果降低的缺點(diǎn)，只有濕法靜電除塵的耦合技術(shù)(Wet-ESP，wetelectrostaticprecipitation)的處理效果穩(wěn)定，受顆粒物的直徑的變化影響不大。但Wet-ESP技術(shù)存在電極材料易于腐蝕等問(wèn)題。為了解決腐蝕問(wèn)題，Bayless等[31]研發(fā)了纖維膜Wet-ESP，以纖維膜代替了傳統(tǒng)的鋼板作為收塵極，水充滿于帶電的纖維膜內(nèi)，可帶走纖維膜的表面沉淀物，并維持穩(wěn)定的電場(chǎng)。但該技術(shù)仍存在設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)困難、處理和運(yùn)行成本偏高等問(wèn)題。

基于濕法技術(shù)與其他技術(shù)相耦合可顯著提高細(xì)顆粒物PM2.5的捕集效率的認(rèn)識(shí)，學(xué)者們對(duì)此開(kāi)展了廣泛研究。2006年JaworekA等[32]依據(jù)庫(kù)侖力吸引微粒向荷電液滴表面沉淀的原理，研發(fā)了荷電霧滴Wet-Electro-Scubber，具有良好的去除細(xì)顆粒效果。KorellJ等[33]將填料洗滌塔和靜電除塵耦合，可同時(shí)去除汞、二噁英和細(xì)顆粒物等。清華大學(xué)的王曉華[34]系統(tǒng)研究了熱泳、水蒸汽和水膜與靜電場(chǎng)耦合對(duì)顆粒脫除效率的影響規(guī)律，指出濕法與靜電場(chǎng)的耦合的確可以提高顆粒物的去除率。

圖4　PM2.5處理新技術(shù)及其效果[30]

為了降低處理成本，研發(fā)適合我國(guó)國(guó)情的PM2.5去除技術(shù)，四川大學(xué)的朱家驊教授團(tuán)隊(duì)[35]根據(jù)PM2.5擬流體性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)圍繞氣液傳熱傳質(zhì)表面的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)在恰當(dāng)?shù)鸟詈戏绞较聦?duì)邊界層內(nèi)的微粒具有內(nèi)源性場(chǎng)的作用，推動(dòng)微粒向氣液界面運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生類似于Wet-ESP的分離效果，并由此構(gòu)建了廢氣-廢水交叉流陣列的PM2.5處理系統(tǒng)，以廢治廢，降低了處理成本，并成功應(yīng)用石油鉆進(jìn)柴油機(jī)的尾氣PM2.5的處理中[36]，捕獲效率可達(dá)90%以上，如圖5所示。

圖5　分離柴油機(jī)尾氣PM2.5的變溫交叉流系統(tǒng)、過(guò)程參數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)照片[35]

工業(yè)尾氣中的PM2.5捕集脫除技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是采用濕法捕集技術(shù)，具有去除效果好、成本低、可同時(shí)脫硫等優(yōu)點(diǎn)。但常見(jiàn)的濕法處理設(shè)備如洗滌塔、填料塔、交叉流液柱設(shè)備等都是常規(guī)重力設(shè)備[37]，由于重力場(chǎng)較弱，使相間質(zhì)量傳遞、作用力等都比較弱。而在超重力環(huán)境下，相間傳質(zhì)速率比傳統(tǒng)的塔式反應(yīng)器中要高1～3個(gè)數(shù)量級(jí)[38]，將其用于PM2.5的捕集，可大大提高捕集效率。中北大學(xué)的付加等[39]利用超重力設(shè)備逆流和錯(cuò)流型旋轉(zhuǎn)填充床，對(duì)平均粒徑為2.25μm的粉煤灰模擬的細(xì)顆粒物捕集去除率可達(dá)98.5%和97.5%。實(shí)驗(yàn)流程如圖6所示。

圖6　超重力旋轉(zhuǎn)填料床除塵實(shí)驗(yàn)流程

3水力噴射-空氣旋流耦合場(chǎng)濕法除塵新技術(shù)研究

本課題組研發(fā)的水力噴射空氣旋流器(Water-spargedaerocyclone，WSA)是一種利用液體射流場(chǎng)和氣體旋流超重力場(chǎng)耦合強(qiáng)化氣液傳質(zhì)的新型設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)內(nèi)部組件、不結(jié)垢和堵塞、傳質(zhì)效率高等優(yōu)點(diǎn)，并成功用于氨氮廢水的吹脫[40]、豬場(chǎng)廢水同時(shí)脫氮除磷和去除COD[41]、煙氣脫硫[42]和含鉻廢水的處理[43]。將其用于工業(yè)細(xì)粒物處理已取得了良好的除塵效果，對(duì)于研發(fā)新的除塵設(shè)備具有參考價(jià)值。

細(xì)顆粒物PM2.5在WSA中捕集去除流程如圖7所示。貯槽中水經(jīng)離心泵輸出后進(jìn)入WSA的液體夾套，并經(jīng)過(guò)其多孔壁上的小孔產(chǎn)生面向旋流器中心的穩(wěn)定軸對(duì)稱射流；空氣由鼓風(fēng)機(jī)輸出后，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)；在進(jìn)入WSA前，通過(guò)文丘里管向氣體中加入混合均勻的PM2.5模擬物滑石粉，而后切向進(jìn)入WSA的頂部，產(chǎn)生強(qiáng)烈的空氣旋流場(chǎng)，撞擊徑向射流液柱，并向下做螺旋運(yùn)動(dòng)；經(jīng)過(guò)氣液兩相相互作用后，氣霧從WSA的中心排氣管排出至一個(gè)氣液分離器實(shí)現(xiàn)氣液分離后排空，帶出的少量吸收液從氣液分離器底部排出，而大部分吸收液則從WSA的底部排出。為了維持氣液良好的接觸狀態(tài)，WSA底部需維持一定的液封高度。

1.氣泵；2.閥門(mén)；3.轉(zhuǎn)子流量計(jì)；4.文丘里管；5.流化床式粉塵發(fā)生器；6.水力噴射空氣旋流器；7.液體儲(chǔ)槽；8.循環(huán)水泵；9.篩板式氣液分離器；10.粉塵采樣濾盒；11.粉塵采樣器。

圖7水力噴射空氣旋流器捕集工業(yè)PM2.5流程

實(shí)驗(yàn)使用工業(yè)級(jí)粉煤灰來(lái)模擬氣相中的顆粒物。實(shí)驗(yàn)前須將滑石粉放入120℃烘箱內(nèi)干燥2h以上，以去除因大氣濕度所帶來(lái)的粉塵團(tuán)聚現(xiàn)象。使用激光粒度分布儀對(duì)烘干后的滑石粉進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表1所示，其中位徑為1.919μm，PM2.5含量為64%，處理效果如圖8所示。PM2.5的捕集去除率通過(guò)式(1)進(jìn)行計(jì)算。

(1)

式中c0和ct為WSA的進(jìn)出口氣流中的PM2.5濃度。

由圖8可知，當(dāng)進(jìn)口氣速為13.17m/s和液相射流流速為1.84m/s時(shí)，粉煤灰模擬的細(xì)顆粒物PM2.5在WSA中的捕集去除率可達(dá)98.8%以上，除塵效果較好。另外，由圖可以看出，PM2.5的濃度對(duì)其在WSA中捕集去除率的影響較小，當(dāng)其濃度由2 373mg/m3增大至5 277mg/m3時(shí)，PM2.5的去除率由98.8%增大至99.1%。這一研究結(jié)果與我們前期的脫氨結(jié)果類似[40]，可能由于PM2.5的去除主要由氣液耦合作用激烈程度決定，氣液耦合場(chǎng)越激烈，液相射流霧化程度越高，其對(duì)細(xì)顆粒物的潤(rùn)濕作用越強(qiáng)，PM2.5的去除率越高，而在一定范圍內(nèi)PM2.5的濃度對(duì)其去除率影響則很小。

表1　模擬粉塵的粒度分布

圖8　水力噴射空氣旋流器捕集細(xì)顆粒物

4結(jié)束語(yǔ)

1) 傳統(tǒng)工業(yè)除塵裝置工業(yè)細(xì)粒物的脫除效果并不理想，運(yùn)用預(yù)處理技術(shù)使工業(yè)細(xì)顆粒物團(tuán)聚長(zhǎng)大成為大顆粒，在實(shí)驗(yàn)室條件下能有一定的脫除效果，但對(duì)于復(fù)雜的工況效果下的工業(yè)細(xì)粒物的脫除研究仍然不夠。

2) 提出了運(yùn)用水力噴射空氣旋流除塵新技術(shù)，指出WSA利用液相射流和空氣旋流超重力的耦合作用，工業(yè)細(xì)粒物的脫除效率能達(dá)到98.8%以上，具有良好的除塵效果。另外，進(jìn)一步研究細(xì)粒物在多相流耦合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和脫除機(jī)制，可深化對(duì)多相流界面運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)，更能對(duì)研發(fā)新型除塵設(shè)備有好的啟發(fā)，這將對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)“節(jié)能減排”戰(zhàn)略產(chǎn)生積極作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部.2013年中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)[EB/OL].[2014-06-05].http://jcs.mep.gov.cn/hjzl/zkgb/2013zkgb/201406/t20140605_276521.htm.

[2]LUF,XUD,CHENGY.Systematicreviewandmeta-analysisoftheadversehealtheffectsofambientPM2.5andPM10pollutionintheChinesepopulation[J].EnvironmentalResearch,2015,136:196-204.

[3]LIMSS,VOST,FLAXMANAD,etal.Acomparativeriskassessmentofburdenofdiseaseandinjuryattributableto67riskfactorsandriskfactorclustersin21regions,1990-2010:asystematicanalysisforGlobalBurdenofDiseaseStudy2010[J].Lancet,2012,380:2224-2260.

[4]YANGG,WANGY,ZENGY,etal.RapidhealthtransitioninChina,1990-2010:findingsfromtheGlobalBurdenofDiseaseStudy2010[J].Lancet,2013,381:1987-2015.

[5]FRANCESCODN,CLAUDIAC,LUCADA,etal.Captureoffineandultrafineparticlesinawetelectrostaticscrubber[J].JournalofEnvironmentalChemicalEngineering,2015( 3):349-356.

[6]ANATOLJ,ANDRZEJK,ARKADIUSZTS,etal.SubmicronparticlesremovalbychargedspraysFundamentals[J].JournalofElectrostatics,2013,71:345-350.

[7]王連澤,賀美陸,孟亞力.雙極荷電粉塵顆粒凝聚的初步研究[J].環(huán)境工程,2002,20(3):31-33.

[8]向曉東,陳旺生,幸福堂,等.交變電場(chǎng)中電凝并收塵理論與實(shí)驗(yàn)研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2000 (2):61-65.

[9]周建剛,劉棟,白敏菂,等.煙道中同極性荷電粉塵的凝并研究[J].環(huán)境工程,2009(2):12-14.

[10]駱仲泱,江建平,趙磊,等.不同電場(chǎng)中細(xì)顆粒物的荷電特性研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2014(23):3959-3969.

[11]TANBH,WANGLZ,ZHANGXR.TheeffectofanexternalDCelectricfieldonbipolarchargedaerosolagglomeration[J].JournalofElectrostatics,2007,65(2):82-86．

[12]ZHOUD,LUOZY,FANGMX,etal.Numericalstudyofthemovementoffineparticleinsoundwavefield[J].EnergyProcedia,2015,75:2415-2420.

[13]ZHOUD,LUOZY,FANGMX,etal.Preliminaryexperimentalstudyofacousticagglomerationofcoal-firedfineparticles[J].ProcediaEngineering,2015,102:1261-1270.

[14]張光學(xué),劉建忠,王潔,等.聲波團(tuán)聚中尾流效應(yīng)的理論研究[J].高校化學(xué)工程學(xué)報(bào),2013(2):199-204.

[15]徐鴻,駱仲泱,王鵬,等.聲波團(tuán)聚對(duì)燃煤電廠可吸入顆粒物的排放控制[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2007(7):1168-1171.

[16]趙汶,劉勇,鮑靜靜,等.化學(xué)團(tuán)聚促進(jìn)燃煤細(xì)顆粒物脫除的試驗(yàn)研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2013(20):52-58.

[17]魏鳳.燃煤亞微米顆粒的形成和團(tuán)聚機(jī)制的研究[D].武漢：華中科技大學(xué),2005.

[18]李海龍,張軍營(yíng),趙永椿,等.燃煤細(xì)顆粒固液團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2009,29(2):62-66.

[19]董勇,齊國(guó)杰,崔琳,等.循環(huán)流化床煙氣脫硫工藝中顆粒增濕團(tuán)聚現(xiàn)象的分析[J].動(dòng)力工程,2009,29(7):671-675.

[20]劉勇,趙汶,劉瑞,等.化學(xué)團(tuán)聚促進(jìn)電除塵脫除PM2.5的實(shí)驗(yàn)研究[J].化工學(xué)報(bào),2014(9):3609-3616.

[21]施云芬,楊銳,魏冬雪,等.化學(xué)團(tuán)聚技術(shù)脫除燃煤細(xì)顆粒物的研究進(jìn)展[J].化學(xué)通報(bào),2014(5):407-409.

[22]李海龍,張軍營(yíng),趙永椿,等.燃煤細(xì)顆粒固液團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2009,29(3):62-66.

[23]趙永椿,張軍營(yíng),魏鳳,等.燃煤超細(xì)顆粒物團(tuán)聚促進(jìn)機(jī)制的實(shí)驗(yàn)研究[J].化工學(xué)報(bào),2007(11):2876-2881.

[24]QILQ,ZHANGYJ.Effectsofwatervaporonfluegasconditioningintheelectricfieldswithcoronadischarge[J].JournalofHazardousMaterials,2013,256/257:10-15.

[25]WUH,YANGLJ,YANJP,etal.ImprovingtheremovaloffineparticlesbyheterogeneouscondensationduringWFGDprocesses[J].FuelProcessingTechnology,2016,145:116-122.

[26]劉錦輝,楊林軍,熊桂龍,等.LIFAC煙氣脫硫中應(yīng)用蒸汽相變促進(jìn)細(xì)顆粒物脫除的實(shí)驗(yàn)研究[J].燃料化學(xué)學(xué)報(bào),2011(1):1-7.

[27]鮑靜靜,楊林軍,顏金培,等.濕法煙氣脫硫系統(tǒng)對(duì)細(xì)顆粒脫除性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].化工學(xué)報(bào),2009 (5):1260-1267.

[28]鮑靜靜,印華斌,楊林軍,等.利用蒸汽相變脫除濕式氨法脫硫中形成的氣溶膠微粒[J].動(dòng)力工程,2009(2):178-183.

[29]熊桂龍,楊林軍,顏金培,等.對(duì)噴流協(xié)同蒸汽相變對(duì)燃煤細(xì)顆粒脫除性能的影響[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2011,32(4):39-45.

[30]PERRYRH.Perry’sChemicalEngineer’sHandbook[M].NewYork:McGraw-HillCo,Inc,1999:6-47.

[31]BAYLESSDJ,ALAMMK,RADCLIFFR,etal.Membrance-basedwetelectrostaticprecipitation[J].FuelProcessingTechnology,2004,85:781-798.

[32]JAWOREKA,BALACHANDRANW,KRUPAA,etal.Wetelectroscrubbersforstateoftheartgascleaning[J].EnvironmentalScience&Technology,2006,40(20):6197-6207.

[33]KORELLJ,PAURH-R,SEIFERTH,etal.Simultaneousremovalofmercury,PCDD/F,andfineparticlesfromfluegas[J].EnvironmentalScience&Technology,2009,43:8308-8314.

[34]王曉華.靜電場(chǎng)中水對(duì)顆粒物脫除增強(qiáng)機(jī)理與過(guò)程[D].北京:清華大學(xué)，2013.

[35]朱家驊,夏素蘭,魏文韞,等.濕法除塵技術(shù)進(jìn)展及變溫多相流脫除PM2.5的新方法[J].化工學(xué)報(bào),2013,64(1):155-164.

[36]陳治良,魏文韞,朱家驊,等.橫掠液柱流的微粒運(yùn)動(dòng)機(jī)理及PM2.5捕獲(Ⅱ)——重型柴油機(jī)尾氣PM2.5捕獲效率[J].化工學(xué)報(bào),2012,63(7):2010-2016.

[37]ALVAREZA,QUEROLX,TOMASA.Environmentalimpactofacoalcombustiondesulphurizationplant:Abatementcapacityofdesulphurizationprocessandenvironmentalcharacterizationofcombustionby-products[J].Chemosphere,2006,65(11):2009-2017.

[38]陳建峰.超重力技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002:1-3,13-30.

[39]付加,祁貴生,劉有智,等.超重力濕法脫除氣體中細(xì)顆粒物研究[J].化學(xué)工程,2015,43(4):6-10.

[40]王富平,全學(xué)軍,趙清華,等.水力噴射空氣旋流分離器脫氨[J].化工學(xué)報(bào),2009,60(5):1186-1192.

[41]QUANXJ,YECY,XIONGYQ,etal.Simultaneousremovalofammonia,PandCODfromanaerobicallydigestedpiggerywastewaterusinganintegratedprocessofchemicalprecipitationandairstripping[J].JHazardMater,2010,178(1/3):326-332.

[42]趙清華,全學(xué)軍,程治良,等.水力噴射-空氣旋流器用于濕法煙氣脫硫及其傳質(zhì)機(jī)理[J].化工學(xué)報(bào),2013,64(11):3993-4000.

[43]程治良,全學(xué)軍,代黎,等.水力噴射空氣旋流器用于含Cr(Ⅵ)廢水處理[J].化工學(xué)報(bào),2014,65(4):1403-1410.

(責(zé)任編輯劉舸)

Review on Pre-Agglomeration and New Removal MethodsofIndustrialFineParticulateMatter

CHENG Zhi-liang, TAN Qi-xiang, LI Rui-heng, QUAN Xue-jun, WANG Jin-jun

(College of Chemistry and Chemical Engineering，ChongqingUniversityofTechnology，Chongqing400054，China)

Abstract:Thedisadvantagesoftraditionalindustrialdustremovalsystemswerediscussed,andaneffectivemethodfordustremovaltopre-agglomeratefineparticulatemattersbeforeusingconventionaldustremovalsystemswassuggested.Thephysicalandchemicalmethodsofpre-agglomeratingindustrialfinemattersweresummarized;moreover,anewdustremovalmethodbyusingawater-spargedaerocyclone(WSA)wasintroduced.TheWSAwascharacterizedbyhigherefficiencydustremoval,simplerstructure,nointernalpartsandnofoulingandpluggingwithinit,whichisbeneficialtothefurtherresearchofdevelopingnewdustremovalequipments.

Keywords：industrialparticulatematter；pre-agglomeration；water-spargedaerocyclone(WSA)；dustremoval

收稿日期：2016-03-22

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21176273)；重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃項(xiàng)目(cstc2015jcyjA20005)；重慶理工大學(xué)星火計(jì)劃項(xiàng)目(2014XH16)；重慶理工大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目

作者簡(jiǎn)介：程治良(1986—)，男，博士，講師，主要從事特種廢水處理和PM2.5捕集等方面的研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.06.013

中圖分類號(hào)：X513

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-8425(2016)06-0075-08

引用格式：程治良，譚其祥，李瑞恒，等.工業(yè)細(xì)粒物PM2.5預(yù)團(tuán)聚及去除新技術(shù)研究進(jìn)展[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016(6):75-82.

Citationformat：CHENGZhi-liang,TANQi-xiang,LIRui-heng,etal.ReviewonPre-AgglomerationandNewRemovalMethodsofIndustrialFineParticulateMatter[J].JournalofChongqingUniversityofTechnology(NaturalScience)，2016(6):75-82.