操作參數(shù)對(duì)水力噴射空氣旋流器脫除細(xì)顆粒物的影響

程治良，全學(xué)軍，李碩，李瑞恒，徐飛

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

操作參數(shù)對(duì)水力噴射空氣旋流器脫除細(xì)顆粒物的影響

程治良，全學(xué)軍，李碩，李瑞恒，徐飛

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

工業(yè)生產(chǎn)過程中排放大量有毒有害細(xì)顆粒物，對(duì)環(huán)境和人體健康威脅嚴(yán)重，急需治理。針對(duì)傳統(tǒng)濕法除塵設(shè)備效率較低的問題，本文采用液相射流和空氣旋流耦合作用的靜態(tài)超重力設(shè)備——水力噴射空氣旋流器（WSA），以平均粒徑為1.56μm的滑石粉模擬細(xì)顆粒物，研究考察了粉塵初始濃度、液相射流流速、進(jìn)口氣速等操作參數(shù)對(duì)WSA的總除塵率η的影響；并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納分析，總結(jié)了操作參數(shù)與除塵率之間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型。結(jié)果表明，WSA對(duì)PM2.5含量為74.15%的粉塵樣品的除塵率最高達(dá)93%以上，尤其是粒徑為1.8μm以上的細(xì)顆粒物，去除率可達(dá)100%；WSA的除塵率隨著進(jìn)氣速度、射流速度及粉塵濃度的增大而增大，兩者之間關(guān)系式為：η=133.61×Reg0.026×Rel0.027×(cs/ρs)0.065。本工作為工業(yè)細(xì)顆粒的脫除提供了一種新的方法。

捕集；多相流；氣體旋流器；濕法除塵；模型

近年來，我國(guó)多地持續(xù)出現(xiàn)的霧霾天氣，引起了公眾對(duì)細(xì)顆粒物（粒徑≤2.5μm的細(xì)顆粒物又稱PM2.5）污染的高度關(guān)注[1]。我國(guó)現(xiàn)階段能源消耗以煤炭為主，燃煤是我國(guó)大氣環(huán)境中可吸入顆粒物的主要來源，另外，煤炭轉(zhuǎn)化、冶金、建材、化肥等重型過程工業(yè)尾氣的排放，也是PM2.5的重要來源[2]。

現(xiàn)階段對(duì)細(xì)顆粒物進(jìn)行源頭治理，具有重要意義，但傳統(tǒng)除塵設(shè)備較難滿足更高標(biāo)準(zhǔn)的PM2.5去除要求[3-4]。為此，國(guó)內(nèi)外廣泛開展了脫除PM2.5的新技術(shù)研究，發(fā)現(xiàn)濕法與靜電除塵耦合的處理技術(shù)，在處理PM2.5方面效果穩(wěn)定，受顆粒物的直徑的變化影響較小[5-6]，主要有Wet-ESP（wet electrostatic precipitation）技術(shù)[7-8]、填料洗滌塔和靜電除塵耦合技術(shù)[9]、蒸汽相變和靜電除塵耦合技術(shù)等[10-11]。但這類濕法靜電耦合技術(shù)存在設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)困難、處理和運(yùn)行成本偏高等問題。為了降低處理成本，四川大學(xué)朱家驊教授團(tuán)隊(duì)[12-14]研發(fā)了廢水交叉流陣列的PM2.5處理系統(tǒng)，產(chǎn)生類似于Wet-ESP的分離效果，以廢治廢降低處理成本。

濕法除塵具有去除效果好、成本低、可同時(shí)脫硫等優(yōu)點(diǎn)。但常見的濕法處理設(shè)備如洗滌塔、填料塔、交叉流液柱等設(shè)備都是常規(guī)重力設(shè)備[6]。由于重力場(chǎng)較弱，相間質(zhì)量傳遞、作用力等都比較弱，而在超重力環(huán)境下，會(huì)使得相間傳質(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)[15]，將其用于PM2.5的捕集強(qiáng)化，可大大提高捕集效率[16-17]。本文作者課題組[18-19]研究開發(fā)的水力噴射空氣旋流器（water-sparged aerocyclone，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，屬于靜態(tài)超重力設(shè)備，將其用于細(xì)顆粒物的脫除處理，研究操作參數(shù)對(duì)去除率的影響，并通過量綱分析法總結(jié)出去除率與操作參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，以期形成脫除細(xì)顆粒物的新體系。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 細(xì)顆粒物樣品

本實(shí)驗(yàn)采用的細(xì)粒物模擬物為工業(yè)級(jí)滑石粉，實(shí)驗(yàn)前須將滑石粉樣品放入120℃的烘箱干燥12h以上，冷卻后采用行星式球磨機(jī)（QM-3SP4型，南京大學(xué)儀器廠）進(jìn)行球磨處理，混勻后放在干燥器中貯存，并采用Bettersize2000激光粒度分布儀（丹東市百特儀器有限公司）對(duì)樣品的粒徑分布進(jìn)行測(cè)量，如表1所示，處理后的樣品中位徑為1.56 μm，PM2.5含量為74.17%。

表1 實(shí)驗(yàn)用細(xì)顆粒物的粒徑分布

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

參照前期結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果[20]，本實(shí)驗(yàn)采用的水力噴射空氣旋流器的噴孔設(shè)置為正方形排列方式，孔徑為2mm，每層均勻排布噴孔16個(gè)，共6層，噴孔間距為15.6mm，其他幾何尺寸如表2所示。整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由WSA、文丘里管、貯液槽、流化床式粉塵發(fā)生器、風(fēng)機(jī)、循環(huán)泵、氣液分離器以及粉塵采樣器等組成，如圖1所示。

表2 水力噴射空氣旋流器的幾何尺寸參數(shù)

為了使得粉塵能夠在較好的狀態(tài)下與氣相混合，設(shè)計(jì)制作了一套小型流化床作為粉塵發(fā)生器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。實(shí)驗(yàn)前從粉塵發(fā)生器上方加入一定量經(jīng)過干燥后的滑石粉樣品，支路的載氣可通過流化床底部進(jìn)氣口進(jìn)入，載氣流量可通過流量計(jì)調(diào)節(jié)，以保證氣流的穩(wěn)定，使得滑石粉樣品呈現(xiàn)出流態(tài)化狀態(tài)，并在空氣流動(dòng)的作用下，經(jīng)過流化床頂部出口，通過文丘里管與實(shí)驗(yàn)裝置氣相進(jìn)口主路匯合形成混合均勻的含塵氣體。

在實(shí)驗(yàn)過程中，首先向流化床式粉塵發(fā)生器中加入定量的細(xì)粒物樣品，然后開啟循環(huán)水泵使儲(chǔ)槽中的水進(jìn)入WSA的液體夾套，并經(jīng)過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，然后打開風(fēng)機(jī)將空氣從WSA的封頭進(jìn)氣口切向輸入其頂部，由于WSA進(jìn)氣口與文丘里管相連接，因此該過程中空氣會(huì)經(jīng)過文丘里管與進(jìn)入文丘里管的細(xì)粒物混合形成含塵氣體，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)。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。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置流程和WSA設(shè)備圖

圖2 自制流化床式粉塵發(fā)生器結(jié)構(gòu)與實(shí)物圖

1.3 實(shí)驗(yàn)過程與方法

實(shí)驗(yàn)前，首先稱取50g的細(xì)顆粒物樣品，將其加入至流化床粉塵發(fā)生器中，關(guān)閉粉塵發(fā)生器進(jìn)出口閥門。開啟風(fēng)機(jī)與循環(huán)水泵，將液相射流速度（ul）和進(jìn)口氣速（ug）調(diào)節(jié)至預(yù)設(shè)值，并同時(shí)調(diào)節(jié)WSA底部閥門，使液相在其底部形成一定高度的液封，以保證含塵氣體主要由中心排氣管排出。當(dāng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行5min后，打開粉塵發(fā)生器進(jìn)出口閥門，并同時(shí)開始計(jì)時(shí)，使用型號(hào)為THF-30S的雙路粉塵采樣器采集出口氣體中粉塵質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)采用間歇式操作方式，單次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行10min，采集的實(shí)驗(yàn)樣品經(jīng)烘干后使用電子天平稱其質(zhì)量，每次實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次以上，結(jié)果取多次測(cè)量的平均值。實(shí)驗(yàn)考察粉塵初始濃度、液體射流速度、進(jìn)口氣速等操作參數(shù)對(duì)粉塵去除率的影響，并歸納兩者之間的數(shù)學(xué)模型規(guī)律。

1.4 WSA總除塵效率的計(jì)算

除塵率是衡量WSA除塵性能最重要的技術(shù)指標(biāo)，本工作采用測(cè)量WSA中粉塵的進(jìn)出總質(zhì)量來計(jì)算其除塵率，其計(jì)算公式如式(1)所示。

式中，η為除塵總效率，%；min為經(jīng)過粉塵發(fā)生器進(jìn)入WSA的粉塵總質(zhì)量，g；mout為經(jīng)過實(shí)驗(yàn)裝置尾氣管排出的粉塵總質(zhì)量，g。min與mout的計(jì)算方式分別如式(2)、式(3)所示。

其中，m0為粉塵發(fā)生器內(nèi)初始粉塵質(zhì)量，g；m1為實(shí)驗(yàn)后粉塵發(fā)生器內(nèi)的粉塵剩余質(zhì)量，g；m2為實(shí)驗(yàn)過程中在出口處采樣器中的粉塵質(zhì)量，g；Vtotal為實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)入實(shí)驗(yàn)裝置的氣體總體積，m3；Vi為實(shí)驗(yàn)過程中在出口處經(jīng)過粉塵采樣器的氣體總體積，m3。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 粉塵初始濃度對(duì)除塵率的影響

當(dāng)進(jìn)口氣速ug為13.17m/s、射流流速ul為1.84m/s時(shí)，研究考察粉塵初始濃度c0對(duì)WSA捕集脫除細(xì)顆粒物效果的影響，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，粉塵初始濃度從2480mg/m3增高到5923mg/m3時(shí)，在WSA中的總除塵率η迅速由88.4%增大到93.5%，當(dāng)繼續(xù)增大粉塵濃度至8272mg/m3，除塵率增大趨于平緩，繼續(xù)增大粉塵濃度至9350mg/m3時(shí)，WSA的除塵率反而出現(xiàn)小幅降低；同時(shí)，可以看出WSA的出口尾氣處粉塵濃度先持續(xù)升高，然后變化不大，再大幅升高的現(xiàn)象。即粉塵的去除率隨著濃度初始濃度的增大而出現(xiàn)先增大，后略有下降的規(guī)律，這一結(jié)果與付加等[21]采用旋轉(zhuǎn)填充床濕法除塵的結(jié)果相一致。當(dāng)粉塵初始濃度較低時(shí)，旋轉(zhuǎn)氣流中的所含有的細(xì)顆粒物較少，氣液兩相劇烈作用后形成的霧化液滴對(duì)細(xì)顆粒物的潤(rùn)濕、卷吸的概率較小，所以此時(shí)的除塵率較低[22]；當(dāng)粉塵濃度增大時(shí)，旋轉(zhuǎn)氣流中的粉塵量增多，增加了其與霧化的液相射流液滴的接觸概率，其被潤(rùn)濕和卷吸進(jìn)入液相的可能性增大，導(dǎo)致了除塵率的升高。并且依據(jù)前期研究[23]，液相中細(xì)顆粒物的適當(dāng)增大，將提高氣液兩相傳質(zhì)面積，這也將有利于氣相中的細(xì)顆粒物的捕集脫除，這也可能是除塵率增大的原因之一。由于液相射流流速一定，過高的粉塵濃度必將導(dǎo)致局部液相中的顆粒物濃度過高，其捕集脫除粉塵效果降低，從而導(dǎo)致了除塵率的降低，這一點(diǎn)也和前期研究發(fā)現(xiàn)液相中顆粒物濃度超過一定范圍，將導(dǎo)致WSA的氣液傳質(zhì)面積降低的結(jié)果吻合[23]。

圖3 粉塵初始濃度c0對(duì)WSA的除塵率和出口尾氣中粉塵濃度的影響

圖4 射流流速ul對(duì)WSA的除塵率和出口尾氣中粉塵濃度的影響

2.2 液相射流速對(duì)除塵率的影響

液相射流流速的大小不僅會(huì)影響射流霧化程度，更會(huì)影響濕法除塵過程中的液氣比，是影響去除效果的重要指標(biāo)。在進(jìn)口氣速ug為13.17m/s、粉塵初始濃度c0為5856mg/m3左右時(shí)，研究考察液相射流流速ul對(duì)WSA脫除細(xì)顆粒物效果的影響，研究結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，當(dāng)ul由1.11m/s增大到1.84m/s時(shí)，WSA中的總除塵率η持續(xù)由91.7%增大到93.4%，而WSA的出口尾氣處粉塵濃度也出現(xiàn)持續(xù)降低的規(guī)律。這主要由于如下幾個(gè)方面的原因造成，首先，液相射流流速ul的增大導(dǎo)致射流柱強(qiáng)度和射流慣性力增大，使得射流柱具有良好的穿透深度，這會(huì)增大其與粉塵的碰撞概率，并會(huì)導(dǎo)致氣液兩相的耦合作用增強(qiáng)，液相射流霧化程度更高，氣液傳質(zhì)作用面積增大，這也有利于氣相中的細(xì)顆粒物捕集進(jìn)入液相[22]。另外，當(dāng)進(jìn)口氣速一定時(shí)，ul的增大必定導(dǎo)致液氣比的增大，即單位體積內(nèi)的霧化液滴密度增大，更多的液滴與氣相中的細(xì)顆粒物作用，導(dǎo)致了除塵率的升高，這一點(diǎn)也和另一超重力濕法除塵設(shè)備旋轉(zhuǎn)填充床的結(jié)果一致[17]。

2.3 進(jìn)口氣速對(duì)除塵率的影響

在射流流速ul為較優(yōu)值1.84m/s、粉塵初始濃度c0為5710～5882mg/m3時(shí)，研究考察進(jìn)口氣速ug對(duì)WSA除塵效率的影響，結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，進(jìn)口氣速存在一個(gè)較優(yōu)值為13.17m/s，當(dāng)進(jìn)口氣速低于13.17m/s時(shí)，進(jìn)口氣速的增大會(huì)導(dǎo)致WSA的總除塵率增大，但當(dāng)進(jìn)口氣速繼續(xù)由13.17m/s增大至16.46m/s時(shí)，除塵率反而出現(xiàn)略有降低現(xiàn)象。這樣的規(guī)律也反映在WSA出口粉塵濃度ct變化規(guī)律上，ct呈現(xiàn)先降低再略有升高的現(xiàn)象。而這一結(jié)果也與前期測(cè)定的射流霧化液滴尺寸結(jié)果相吻合，前期研究表明進(jìn)口氣速增大，射流霧化液滴尺寸呈現(xiàn)先降低后增大的規(guī)律[25]。液相射流霧化形成的液滴尺寸越小，其與粉塵接觸面積越大，除塵率也就越高。除塵率與進(jìn)口氣速之間的之所以呈現(xiàn)這樣的規(guī)律，主要由于液相射流流型隨著進(jìn)口氣速的增大依次呈現(xiàn)變形旋線射流、破碎旋線射流、霧化旋線射流，射流柱前端與旋流氣體的劇烈作用，會(huì)逐漸出現(xiàn)膨脹、擴(kuò)大、破裂，并產(chǎn)生霧化，使得液相表面積增大，氣液傳質(zhì)作用面積也會(huì)增大，氣相中的粉塵與液相霧滴的碰撞概率就會(huì)增大，增加液體捕集及粉塵預(yù)團(tuán)聚的作用[22]。但過大的氣速，一方面會(huì)導(dǎo)致液相射流發(fā)生貼壁霧化，這會(huì)降低氣液兩相耦合作用區(qū)域，降低氣液作用面積，這將導(dǎo)致去除率的降低[22]；另一方面過大的進(jìn)口氣速也會(huì)導(dǎo)致粉塵的停留時(shí)間縮短，導(dǎo)致了除塵率的降低。

圖5 進(jìn)口氣速ug對(duì)WSA的除塵率和出口尾氣中粉塵濃度的影響

2.4 除塵率與操作參數(shù)之間數(shù)學(xué)關(guān)系模型

影響WSA除塵效率η的主要因素包括：氣體密度ρg、氣體黏度μg、進(jìn)口氣速ug、液體密度ρl、液體黏度μl、射流速度ul、進(jìn)氣口當(dāng)量直徑d0、液體噴孔內(nèi)徑d1、粉塵濃度cs、粉塵密度ρs。用量綱分析法和Buckinghan π定理可以得到如式(4)關(guān)系式。

式中，η為WSA總的除塵效率，k、a、b、c為待定系數(shù)；與表示進(jìn)口氣體和液相射流的雷諾數(shù)；cs為進(jìn)口粉塵平均濃度，kg/m3；ρs為粉塵密度，kg/m3。

采用單因素實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以式(4)進(jìn)行多元線性擬合。在20℃的條件下，有關(guān)氣液相的物性參數(shù)為：空氣密度ρg=1.205kg/m3，動(dòng)力黏性系數(shù)μg=1.79× 10–5Pa·s；水的密度ρl=0.998×103kg/m3，動(dòng)力黏性系數(shù)μl=1.01×10–3Pa·s；滑石粉密度ρl=2.7×103kg/m3，得到WSA總除塵效率的關(guān)聯(lián)式如式(5)。

由式(5)可以看出，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，即13852≤Reg≤27703，2184≤Rel≤3640，WSA的總除塵效率η與氣相雷諾數(shù)Reg、液相射流Rel與粉塵濃度與密度比cs/ρs均成指數(shù)關(guān)系，擬合的相關(guān)性較好，R2值高達(dá)0.98。其中cs/ρs對(duì)除塵效率η的影響最大，其次是Rel和Reg。圖6為除塵率的實(shí)驗(yàn)值與按照式(5)計(jì)算的擬合值的對(duì)比，兩者吻合度較高，最大誤差低于1%，說明回歸方程能用來預(yù)測(cè)WSA的總除塵效率。

2.5 粉塵脫除前后粒徑分布變化規(guī)律

在較優(yōu)的操作參數(shù)下，即c0為5940mg/m3、ul為1.84m/s、ug為13.17m/s時(shí)，在WSA中進(jìn)行細(xì)顆粒的捕集脫除實(shí)驗(yàn)，將WSA出口尾氣中的粉塵樣品進(jìn)行粒徑分布測(cè)定，結(jié)果如表3所示。對(duì)比表1和表3可知，初始粉塵粒徑在1μm和1.8μm以下的細(xì)顆粒物分別占30.57%和57.35%；而WSA出口尾氣中粉塵粒徑在1μm和1.8μm以下的細(xì)顆粒物達(dá)到80.07%和100%。這表明WSA去除的主要是粒徑超過1.8μm的細(xì)顆粒物，去除率可達(dá)100%。但1μm以下的細(xì)顆粒物（PM1.0）處理效果不夠理想，需要持續(xù)研究改進(jìn)，并考慮在液相中加入表面活性劑等，以提高其對(duì)PM1.0的脫除率。

圖6 WSA總除塵率η實(shí)驗(yàn)值與擬合值比較

表3 WSA出口尾氣中粉塵樣品的粒徑分布

3 結(jié)論

本工作采用水力噴射空氣旋流器（WSA）對(duì)滑石粉模擬的細(xì)顆粒物進(jìn)行了捕集脫除實(shí)驗(yàn)研究，考察了粉塵初始濃度、液相射流流速、進(jìn)口氣速等操作參數(shù)對(duì)除塵率的影響，得出如下結(jié)論。

（1）粉塵初始濃度增大，WSA的除塵率增大，但過大的粉塵濃度會(huì)降低除塵率；液相射流流速增大，除塵率增大；進(jìn)口氣速增大除塵率增大，但超過一定限值，繼續(xù)增大進(jìn)口氣速不會(huì)導(dǎo)致除塵率進(jìn)一步提高。

（2）通過量綱分析和多元線性擬合，得到操作參數(shù)與總除塵效率的關(guān)系為：η=133.61×Reg0.026×Rel0.027×(cs/ρs)0.065，該回歸方程能較好地預(yù)測(cè)WSA總除塵效率。

（3）WSA主要脫除的是粒徑為1.8μm以上的細(xì)顆粒物，去除率可達(dá)100%，但對(duì)1.0μm以下的細(xì)顆粒物脫除效果略差。

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Effect of operation parameters on removal efficiency of fine particles in a water-sparged aerocyclone

CHENG Zhiliang，QUAN Xuejun，LI Shuo，LI Ruiheng，XU Fei
（School of Chemistry and Chemical Engineering，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China）

With the rapid development of industry in China，mass of fine particulate matter is emitted to the air，which is a big threat to the environment and public health. In order to overcome the shortage of low efficiency of traditional wet dust collection devices，a new device of water-sparged aerocyclone（WSA）was used for removal of model PM2.5sample of talcum powder with average particle size of 1.56 μm. The effects of operation parameters of initial concentration of dust，liquid jet velocity，gas inlet velocity on the total removal efficiency（η）of dust were investigated. Besides， experimental data was then summarized and analyzed to obtain the relationship between operating parameters and the removal efficiency. Results showed that the highest removal efficiency of fine particulate matter with 74.15% of the PM2.5was over 93%. When the WSA was used to treat the dusty gas，it is particularly effective to the particulate matter whose diameter is bigger than 1.8 μm，the removal efficiency can even reach to 100%. The removal efficiency increased with the increase of initial concentration of dust，liquid jet velocity and gas inlet velocity，which follows the formula ofη=133.61×Reg0.026×Rel0.027×(cs/ρs)0.065. The formula was proved to be useful in forecasting the removal performance of dust of the WSA. This investigation could develop a new process in removing industrial fine particulate matter.

capture；multiphase flow；gas cyclone；wet collection；model

TQ028.8

A

1000–6613（2017）04–1202–07

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.04.007

2016-08-19；修改稿日期：2016-09-30。

國(guó)家自然科學(xué)基金（21176273）、重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃（cstc2015jcyjA20005）及重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（KJ1600927，KJ14000912）。< class="emphasis_bold">第一作者及聯(lián)系人：

及聯(lián)系人：程治良（1986—），男，博士，講師，主要從事新型分離設(shè)備的基礎(chǔ)及應(yīng)用研究。E-mail：purper@cqut.edu.cn。