云式除塵技術(shù)對細顆粒物的脫除研究

程 滕,陶明清,向 羿,王 博

(蘭州大學資源環(huán)境學院,甘肅 蘭州 730000)

1 引言

細顆粒物（PM2.5）是我國最主要的大氣污染物之一，主要來源于燃料燃燒、工業(yè)生產(chǎn)及汽車尾氣等[1]。其粒徑小、比表面積大，容易吸附空氣中的病毒、細菌、有機物、重金屬等有毒有害物質(zhì)，并能夠穿透呼吸系統(tǒng)進入體內(nèi)，對人體健康造成嚴重危害[2-3]。

旋風除塵器是利用氣體高速旋轉(zhuǎn)形成的離心力將煙氣中的顆粒分離出來的一種除塵技術(shù)。由于具有工況適應(yīng)性強、運行成本低的優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于工業(yè)煙氣顆粒物的去除[4-5]。然而，傳統(tǒng)旋風除塵器雖然在結(jié)構(gòu)上進行了不同的優(yōu)化，但仍不能有效脫除細顆粒物[6-9]。針對該問題，有學者采用數(shù)值模擬計算的方法進行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)顆粒物在旋流場中的運動由離心力及流體曳力共同決定，對于細顆粒物來說，受到的離心力遠小于流體曳力，是其難以從氣流中分離出來的主要原因[10]。因此，使用預處理技術(shù)使細顆粒物團聚長大，再經(jīng)由旋風除塵器脫除，是獲得高脫除效率的有效途徑之一。

在諸多預處理技術(shù)中，水汽相變技術(shù)受到廣泛關(guān)注[11-13]。當環(huán)境的水汽過飽和度高于顆粒物的臨界過飽和度時，顆粒物會被激活成為凝結(jié)核，水蒸氣自發(fā)的發(fā)生相變并在其表面凝結(jié)[14-15]；同時，產(chǎn)生的熱泳力和擴散泳力會促使周圍的細顆粒物向凝結(jié)核表面遷移，進一步提高了細顆粒物間的碰撞概率[16]；此外，凝結(jié)在顆粒物表面的液滴提供了毛細力，比干煙氣顆粒團聚過程中起主要作用的范德華力高幾個數(shù)量級，能夠有效提高后續(xù)碰撞團聚的成功率[17]；最終，細顆粒物粒徑增大，質(zhì)量增加，形成大粒徑的含塵液滴。目前，創(chuàng)造過飽和水汽環(huán)境的方法主要有三類，分別為向煙氣中添加蒸汽[18]、添加濕空氣[19]和換熱器降溫[20]。其中，添加蒸汽運行成本高，添加濕空氣和換熱器降溫則要求原始煙氣為接近飽和狀態(tài)的高濕煙氣。

基于上述原理，本課題組提出一種新的除塵技術(shù)—云式除塵技術(shù)，由超聲波霧化室和旋風分離器組成。在霧化室中，利用超聲波霧化器產(chǎn)生4～10 μm的超細液滴。這些液滴由于具有極大的比表面積，能夠迅速蒸發(fā)創(chuàng)造出過飽和水汽環(huán)境，使煙氣中的水蒸氣在細顆粒物表面凝結(jié)形成含塵液滴；接著，在旋風分離器內(nèi)的湍流流場中，顆粒物、含塵液滴及未蒸發(fā)的液滴之間發(fā)生碰撞，并在毛細力的作用下團聚，粒徑進一步增長；最終，長大后的顆粒物能夠有效被旋風分離器收集在灰斗中；此外，被離心力甩在壁面的液滴可以匯聚形成液膜，提高了筒體壁面的附著力，從而增強對顆粒物的捕集，減少二次揚塵。

本文通過實驗室試驗和某催化劑廠全煙氣工況工程應(yīng)用試驗，研究了云式除塵技術(shù)對細顆粒物的脫除特性。實驗室試驗通過對比云式除塵器和傳統(tǒng)旋風分離器對顆粒物的總脫除效率及分級脫除效率，考察了云式除塵技術(shù)對顆粒物的強化脫除效果；并研究了關(guān)鍵操作參數(shù)霧化量對系統(tǒng)運行效果的影響。隨后，以某15000 m3/h煙氣量的工業(yè)系統(tǒng)為依托，考察了云式除塵系統(tǒng)對生產(chǎn)過程中工況波動的適應(yīng)性。

2 研究方法

試驗系統(tǒng)如圖所1示，由給料機、電聲超聲霧化器、Lapple旋風分離器、風機和測量系統(tǒng)組成。試驗過程中，風機提供模擬煙氣，流量穩(wěn)定在400 m3/h，旋風分離器入口流速為16 m/s。待煙氣流量穩(wěn)定后，采用氣溶膠發(fā)生器加入濃度為4000 mg/m3的顆粒，與煙氣混合均勻。接著，含有顆粒物的模擬煙氣進入后續(xù)的霧化系統(tǒng)中，系統(tǒng)內(nèi)布有電聲超聲霧化器以產(chǎn)生粒徑在4～10 μm范圍內(nèi)的超細霧滴，通過調(diào)整霧化器運行數(shù)量改變霧化量。最后，顆粒與超聲波蒸汽充分混合后，與煙氣一起進入旋風分離器，并在料斗中進行分離收集。根據(jù)試驗需要，可關(guān)閉霧化系統(tǒng)，此時試驗考察的即為傳統(tǒng)旋風分離器對顆粒物的去除效果。

圖1 試驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

試驗中使用的粉塵顆粒為疏水二氧化硅，采用激光粒度分析儀（英國馬爾文，Mastersizer 2000）測試顆粒物的粒徑分布，結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?，顆粒物的中位粒徑(D50)為12.52 μm，D90為27.32 μm，說明顆粒物的整體粒徑較小。

圖2 粉塵顆粒物的粒徑分布Fig.2 Volume distribution of dust particles

試驗過程中，采用自動煙塵采樣儀（青島嶗應(yīng)，3012H-08）獲得系統(tǒng)進出口粉塵濃度，并通過下式得到系統(tǒng)對顆粒物的脫除效率：

式中：η為顆粒物總脫除效率，Cin為入口顆粒物濃度，Cout為系統(tǒng)出口顆粒物濃度。

此外，在出口處用過濾器采集樣品，然后使用激光粒度分析儀（英國馬爾文，Mastersizer 2000）分析樣品的粒徑分布和質(zhì)量分數(shù)。顆粒的分級去除效率可由式（2）計算得出：

式中：ηi為顆粒的分級去除效率；η為顆粒總?cè)コ?；pmi、分別為入口和出口相應(yīng)粒徑區(qū)間顆粒的質(zhì)量分數(shù)。

最后，采集旋風分離器灰斗中收集到的顆粒物，經(jīng)干燥后采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（scanning electronic microscopy,SEM）觀察顆粒物形貌。

3 結(jié)果與討論

3.1 云式除塵技術(shù)對顆粒物的強化脫除效果

試驗對比了傳統(tǒng)旋風分離器和云式除塵器對顆粒物的總脫除效果，結(jié)果如圖3所示。試驗過程中，云式除塵器處于該工況下的最佳運行狀態(tài)，霧化量約為76 g/m3，其余參數(shù)和第2節(jié)所述一致?？梢钥闯?，旋風分離器對顆粒物的脫除效率較低，僅有72.9%，相比之下，云式除塵器對顆粒物的脫除效率提高近20%，達到92.3%。上述結(jié)果證實，和傳統(tǒng)旋風分離器相比，采用云式除塵技術(shù)能夠顯著增強對顆粒物的捕集脫除。

圖3 不同系統(tǒng)對顆粒物的總脫除效果Fig.3 Total removal efficiency of particles by different system

為進一步研究云式除塵系統(tǒng)對細顆粒物的強化脫除效果，研究了傳統(tǒng)旋風分離器及云式除塵器對顆粒物的分級脫除效率，試驗結(jié)果如圖4所。

圖4 不同系統(tǒng)對顆粒物的分級脫除效果Fig.4 Grade removal efficiency of particles by different systems

從圖4可以看出，對于傳統(tǒng)旋風分離器，隨著顆粒物粒徑的增大，脫除效率呈現(xiàn)出先下降后上升的現(xiàn)象，并在2.3 μm處達到最低值，僅有9.2%。這是因為粒徑大于2 μm的顆粒主要受到離心力的作用，因此可以被旋流場有效分離；同時，布朗擴散會促進小于0.1 μm的細顆粒物發(fā)生碰撞團聚，形成較大團聚體，因而也能被有效脫除；而對于粒徑在1～2 μm的顆粒，擴散和離心力都不明顯，導致去除率較低，該現(xiàn)象被稱為“魚鉤”效應(yīng)[21-22]。在云式除塵器中，“魚鉤”效應(yīng)得到明顯抑制，各粒徑段顆粒物的脫除效率和傳統(tǒng)旋風分離器相比都有明顯提高，這主要歸因于顆粒物的碰撞凝并長大。微米級顆粒物的臨界過飽和度較低，容易被激活使水汽在其表面凝結(jié)，形成較大的含塵液滴；同時，增強的熱泳力和擴散泳力促進了亞微米級細顆粒物的碰撞團聚，因此，各粒徑段顆粒物的粒徑都能夠增大，長大后的顆粒物進入旋風分離器被有效脫除[19]。

采集傳統(tǒng)旋風分離器和云式除塵器灰斗中收集到的顆粒物樣品，對微觀形貌進行觀察，得到SEM圖像如圖5所示?？梢钥闯?，傳統(tǒng)旋風分離器收集到的顆粒物呈不規(guī)則的橢球形，粒徑在十幾微米，和圖2所示的粉塵粒徑分布相吻合（見圖5（a））。相比之下，云式除塵器收集到的顆粒物中出現(xiàn)了許多亞微米級的細顆粒物（見圖5（b）），證明云式除塵技術(shù)增強了對細顆粒物的脫除。

圖5 不同系統(tǒng)灰斗中顆粒物的SEM圖像Fig.5 SEM morphology of particles in hopper of different system

此外，在旋風分離器料斗中收集到的顆粒較為分散，未觀察到有明顯的團聚體產(chǎn)生，顆粒物表面較為光滑；而在云式除塵器的料斗中，細顆粒物間出現(xiàn)明顯的團聚現(xiàn)象，生成了粒徑較大的團聚體，且大顆粒表面附著的細顆粒物明顯增多。這一現(xiàn)象證實了顆粒物在水汽相變、碰撞團聚的作用下生成了團聚體。

3.2 霧化量對云式除塵技術(shù)運行效果的影響

圖6所示為霧化量對云式除塵技術(shù)顆粒物總脫除效率的影響。試驗過程中，云式除塵系統(tǒng)的霧化量分別調(diào)整為 0、38、50、63、76、100、127 g/m3，其余參數(shù)和第2節(jié)所述一致。可以看出，當霧化量在0～76 g/m3之間時，隨著霧化量的提高，云式除塵器對顆粒物的總脫除效率顯著提高，從72.9%增加至92.3%；而當霧化量超過76 g/m3時，進一步提高霧化量對顆粒物脫除效率的影響有限。增加霧化量，一方面有助于構(gòu)建過飽和環(huán)境，能使更多細顆粒物凝結(jié)長大；另一方面，未蒸發(fā)的液滴數(shù)隨之增加，提高了液滴和顆粒物間碰撞團聚的概率，有助于形成粒徑更大的團聚體；此外，液滴在旋風分離器壁面匯聚形成液膜，減少了二次揚塵的產(chǎn)生，因此，脫除效率會隨霧化量的提高顯著上升。但當霧化量過大時，額外噴入的液滴難以有效蒸發(fā)，對過飽和度的提高程度有限；同時，液滴數(shù)過多會使液滴之間發(fā)生碰撞團聚，對顆粒物碰撞團聚長大的促進作用不再增強；此外，當壁面液膜厚度達到一定程度時，對抑制二次揚塵的效果將不再發(fā)生變化，因此，當霧化量提高到一定程度時，系統(tǒng)的脫除效率將逐漸穩(wěn)定。

圖6 霧化量對顆粒物總脫除效果的影響Fig.6 Effect of atomization amount on total removal efficiency of particles

圖7顯示了霧化量對系統(tǒng)壓降的影響。實驗過程中，風機頻率（風速）不變，僅改變系統(tǒng)霧化量?？梢钥闯?，當霧化量從0增加到127 g/m3時，系統(tǒng)的壓降持續(xù)下降，從1200 Pa下降至1135 Pa。這是因為液滴的存在減弱了旋風分離器內(nèi)的旋流強度，壁面摩擦隨之減小，從而降低了系統(tǒng)壓降。壓降越低意味著系統(tǒng)能耗越低，由此可見，噴霧不僅能夠增強旋風分離器對顆粒物及細顆粒物的脫除，還有降低系統(tǒng)能耗的作用。

圖7 霧化量對系統(tǒng)壓降的影響Fig.7 Effect of atomization amount on system pressure drop

3.3 工程應(yīng)用情況

在實驗室理論研究不斷深入的同時，云式除塵技術(shù)同步進行工業(yè)放大，并應(yīng)用于煤炭、石化等行業(yè)，以解決細顆粒物難以捕集的問題。圖8展示了云式除塵系統(tǒng)的工業(yè)裝置。煙氣首先進入云霧發(fā)生器，經(jīng)兩級超細噴霧后顆粒物發(fā)生水汽相變長大形成含塵液滴，并和其余未蒸發(fā)的液滴一同進入后續(xù)的超重力旋風分離器；在超重力場中，顆粒物進一步碰撞團聚長大，并在離心力的作用下從煙氣中分離出來，最終得到符合排放標準的潔凈煙氣。

圖8 云式除塵系統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用Fig.8 Industrial application of Cloud-Air-Purifying system

以某催化劑廠15000 m3/h風量的工程系統(tǒng)為依托，開展全煙氣工況工程應(yīng)用試驗，以考察云式除塵系統(tǒng)對生產(chǎn)過程中工況波動的適應(yīng)性。首先，對煙氣中的顆粒物分析可知，PM2.5和PM10的占比分別為28.3%及82.0%，可見該煙氣中的顆粒物粒徑較小，細顆粒物占比高。圖9顯示了系統(tǒng)運行過程中進出口顆粒物濃度及脫除效率?？梢钥闯觯a(chǎn)過程中，原始煙氣工況波動較大，顆粒物濃度在70～650 mg/m3范圍內(nèi)波動。但經(jīng)過云式除塵系統(tǒng)后，出口顆粒物濃度始終保持在20 mg/m3以下，脫除效率介于91.4%～99.7%，平均脫除效率為96.3%，可見云式除塵技術(shù)對工況波動的適應(yīng)性較強，并能確保工業(yè)煙氣中的粉塵濃度達到排放標準。此外，云式除塵技術(shù)的耗水量低，運行過程中系統(tǒng)根據(jù)煙氣條件自動調(diào)節(jié)霧化量，但始終未超過100 g/m3；且收集到的含塵漿液可直接回用于生產(chǎn)，避免造成二次污染。

圖9 顆粒物的濃度及脫除效率Fig.9 Particle concentrations and removal efficiency

相較國內(nèi)外應(yīng)用較普遍的除塵技術(shù)，云式除塵技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、投資成本低、占地規(guī)模小等獨特的優(yōu)勢。與布袋除塵器相比，云式技術(shù)不需要濾料，能夠有效處理高溫、高濕含塵煙氣；與濕式電除塵技術(shù)相比，云式除塵技術(shù)對粉塵濃度的適應(yīng)性更強；與濕式除塵技術(shù)相比，如廣泛應(yīng)用于冶金工業(yè)的動力波洗滌器等，云式除塵技術(shù)的一次性建設(shè)投資低、工程建設(shè)難度小、廢水量更小。

4 結(jié)論

本文通過實驗室試驗和工程應(yīng)用試驗研究了云式除塵技術(shù)對細顆粒物的脫除特性。

（1）實驗室研究結(jié)果表明，和傳統(tǒng)旋風分離器相比，云式除塵器對顆粒物的脫除效率顯著提高，尤其是對細顆粒物及“魚鉤”范圍內(nèi)的顆粒物。優(yōu)化霧化量可以提高云式系統(tǒng)對顆粒物的脫除效率，降低系統(tǒng)壓降及能耗。

（2）工程應(yīng)用研究結(jié)果表明，云式除塵技術(shù)具有耗水量低、工況適應(yīng)性強的優(yōu)點。當原始粉塵濃度在70～650 mg/m3范圍內(nèi)波動時，出口粉塵濃度均保持在20 mg/m3以下，平均脫除效率為96.3%。收集到的含塵漿液可回用于生產(chǎn)，不會造成二次污染。