表面活性霧滴聯(lián)合金屬網(wǎng)柵增效除塵

鄧權(quán)龍，丁厚成，徐遠(yuǎn)迪，蔣仲安，楊嵐，孫雪霏

（1 安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002；2 北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083）

粉塵防治工作一直是大氣環(huán)境治理和職業(yè)健康關(guān)注的重點(diǎn)。燃煤和工業(yè)排放是城市PM2.5的重要來源，且顆粒物攜帶As、Pb、Zn、Cu 等多種金屬[1?2]，對人們呼吸系統(tǒng)的健康造成嚴(yán)重威脅。此外，國家衛(wèi)生健康委等多部門聯(lián)合印發(fā)的《國家職業(yè)病防治規(guī)劃（2021—2025 年）》強(qiáng)化了安全生產(chǎn)和職業(yè)健康的要求[3]，每年我國塵肺病發(fā)病數(shù)占總塵肺病新增數(shù)的80%以上[4?5]。因此，國內(nèi)粉塵顆粒物防治工作的形勢很嚴(yán)峻，需要對作業(yè)場所顆粒物排放進(jìn)一步治理。

在工業(yè)生產(chǎn)中常用的除塵技術(shù)主要有機(jī)械式除塵、袋式除塵、濕式除塵、靜電除塵等[6]，其中濕式除塵技術(shù)具有成本低、效率高、易操作等特點(diǎn)，常見除塵設(shè)備有水浴水膜除塵器、沖擊式除塵器、加壓噴淋除塵器等[7?8]。噴霧降塵作為傳統(tǒng)的濕式除塵方法，在工業(yè)防塵中廣泛應(yīng)用，其核心在于噴嘴性能方面，眾多學(xué)者對其噴霧霧化效果[9?10]、參數(shù)優(yōu)化[11?12]、智能化控制[13?14]等方面開展大量研究工作，通過改善霧滴粒度分布、霧化角度、噴霧形狀等指標(biāo)，提高除塵效果。然而對于某些微細(xì)顆?；蛘唠y溶于水的顆粒物，單純的水噴霧除塵效率并不高。部分學(xué)者在復(fù)合式濕式除塵方面開展了大量研究工作，周磊等[15]針對褐煤細(xì)顆粒粉塵疏水性的問題，采用表面活性劑增強(qiáng)噴霧的復(fù)合式除塵試驗(yàn)，除塵效率具有顯著提高；王軍鋒等[16]開展了表面活性劑影響下細(xì)水霧吸附細(xì)顆粒物特性的試驗(yàn)，測試其對顆粒的聚合作用；Nie 等[17]通過化學(xué)改性方法開發(fā)了一種具有高潤濕性和凝聚性的環(huán)保抑塵劑，通過噴霧降塵可顯著降低粉塵濃度；Guo 等[18]對噴霧與濕式弦柵復(fù)合濕式除塵的參數(shù)進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)研究，得出除塵阻力與噴霧壓力、振弦格柵填充率和風(fēng)速的關(guān)系。盡管多種濕式除塵機(jī)理聯(lián)合應(yīng)用的研究結(jié)果不少，但是如何基于多種除塵機(jī)理的復(fù)合，研發(fā)新型、高效、經(jīng)濟(jì)的除塵設(shè)備一直是除塵領(lǐng)域的難題，也是科研人員的共同目標(biāo)。

因此，基于前人的研究工作的基礎(chǔ)上，本文將表面活性劑、高壓噴霧和金屬網(wǎng)柵三者進(jìn)行聯(lián)合，構(gòu)建噴霧協(xié)同金屬網(wǎng)柵除塵試驗(yàn)裝置，對表面活性劑進(jìn)行優(yōu)選，揭示風(fēng)速、噴霧壓力、網(wǎng)孔目數(shù)、網(wǎng)柵層數(shù)和粉塵濃度對除塵性能的影響規(guī)律，為新型高效的復(fù)合濕式除塵技術(shù)的改進(jìn)提供參考。

1 除塵原理

表面活性霧滴聯(lián)合網(wǎng)柵除塵作用主要涉及高壓噴霧降塵、表面活性劑增效潤濕、網(wǎng)柵水膜捕塵三個方面的原理。

其中高壓噴霧以水流為介質(zhì)，在高壓、高能作用下水流穿過噴嘴產(chǎn)生激烈的液體破碎，從而形成微細(xì)水霧顆粒，產(chǎn)生霧化作用[19]。粉塵穿過霧化區(qū)域時(shí)，塵粒與水霧顆粒進(jìn)行充分混合，兩者之間發(fā)生相互的碰撞與凝聚，結(jié)合成新的大顆粒物，在重力作用下實(shí)現(xiàn)沉降[20]。表面活性劑因其分子的兩親結(jié)構(gòu)使其具有界面活性，使其溶液體系的界面狀態(tài)發(fā)生明顯變化，有效地降低水溶液的表面張力[21?22]，與普通水霧相比，表面活性霧滴能夠增效對塵粒的潤濕作用。其中，網(wǎng)柵水膜捕塵是基于網(wǎng)柵間動態(tài)形成和破碎的水膜與粉塵顆粒的作用，在高壓噴霧作用下，霧滴在網(wǎng)柵上被吸附停留，當(dāng)液滴積累至一定程度時(shí)，在網(wǎng)孔形成水膜。在含塵氣流經(jīng)過網(wǎng)柵時(shí)，粉塵顆粒被水膜潤濕捕集，同時(shí)水膜瞬間也發(fā)生破裂[23?24]。網(wǎng)柵上的水膜的形成與破裂是瞬時(shí)動態(tài)的循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)柵水膜連續(xù)捕塵。

經(jīng)過噴嘴霧化后，表面活性霧滴在網(wǎng)柵網(wǎng)孔處形成動態(tài)水膜，當(dāng)粉塵顆粒進(jìn)入霧化區(qū)，液滴與顆粒發(fā)生凝聚作用結(jié)合成新顆粒，在風(fēng)流作用下，遇到網(wǎng)柵水膜被捕集，表面活性霧滴聯(lián)合網(wǎng)柵除塵原理示意如圖1。

圖1 表面活性霧滴聯(lián)合網(wǎng)柵除塵原理示意圖

2 模型與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)

表面活性霧滴聯(lián)合金屬網(wǎng)柵除塵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由風(fēng)塵控制、噴霧控制和數(shù)據(jù)測試共三部分組成，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2。風(fēng)塵控制部分包括粉塵發(fā)生裝置、進(jìn)風(fēng)管、勻流板、箱體、金屬網(wǎng)柵、出風(fēng)管、離心式通風(fēng)機(jī)，箱體尺寸為1200mm×450mm×450mm，粉塵發(fā)生裝置模擬塵源且控制產(chǎn)塵量，風(fēng)機(jī)通過無極變速調(diào)節(jié)所需風(fēng)量，風(fēng)機(jī)為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供通風(fēng)動力。噴霧控制部分包括循環(huán)水箱、試劑混合器、水管、水泵、水壓表、水流量表、噴嘴，其中循環(huán)水箱底部具有污水過濾功能，實(shí)現(xiàn)污水循環(huán)利用；H2S 型水泵為高壓低流量型水泵，最大供水量488L/h，額定功率3.1kW，提供0～20MPa 連續(xù)可調(diào)的水壓。數(shù)據(jù)測試部分主要儀器包括LS?909 激光粒度分析儀（測試范圍0～2100μm、精度1%）、VT?100 風(fēng)速儀（測試范圍0.15～30m/s、精度3%）、AS510 壓力計(jì)（測量范圍0～10kPa、精度1Pa）、FC?3A型采樣儀（流量范圍5～25L/min、精度1%）、CPA2250D 型分析天平（測量范圍0～220g、精度0.01mg）、JC2000D4G 表面張力測試儀（測量范圍0～2000mN/m、精度0.01mN/m），為減小測量誤差，單個數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)測量3次。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)圖

2.2 實(shí)驗(yàn)材料

2.2.1 金屬網(wǎng)柵

金屬網(wǎng)柵材質(zhì)為304不銹鋼，通過方形框架將金屬網(wǎng)固定自制而成，為了研究金屬網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)特征對粉塵顆粒的捕集效果，選取不同網(wǎng)孔尺寸和層數(shù)的金屬網(wǎng)開展實(shí)驗(yàn)。選擇的網(wǎng)孔尺寸目數(shù)分別為20、40、60、80和100共5種，選擇層數(shù)分別為1、2、3、4、5共5種進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。金屬網(wǎng)柵如圖3所示。

圖3 金屬網(wǎng)柵制作過程

2.2.2 噴嘴

噴嘴的選項(xiàng)決定著噴霧效果的優(yōu)劣，為了提高霧化效果，使得霧滴與顆粒發(fā)生充分混合，實(shí)現(xiàn)高效的碰撞和凝聚作用，實(shí)驗(yàn)中選用了霧化角80°且口徑為1.5mm 的實(shí)心噴嘴，最高壓力承受為10MPa，流量最高達(dá)300mL/min，具有耐高壓且水流量低的特點(diǎn)。

2.2.3 表面活性劑

表面活性劑的種類有很多種，根據(jù)其離子特型、除塵場景和成本經(jīng)濟(jì)性等方面的因素，共初選了常見的6 種表面活性劑進(jìn)行了相關(guān)性能參數(shù)測試，具體信息如表1。

表1 六種表面活性劑信息

2.2.4 粉塵樣品

實(shí)驗(yàn)用的粉塵來源于某鐵礦井下現(xiàn)場收集的粉塵，對粉塵樣品分別進(jìn)行X射線EDS能譜儀分析和SEM電鏡掃描，如圖4所示。結(jié)果顯示粉塵主要元素為Si、O、Al、Na、C 等，說明該粉塵種SiO2含量較高，粉塵形狀較多地呈現(xiàn)為不規(guī)則的方形和圓形。采用激光粒度分析儀（OMEC，LS?909）對粉塵顆粒粒徑進(jìn)行測試分析，結(jié)果如圖5。粉塵粒徑范圍0～231μm，其中D10為4.71μm，D50中值粒徑為24.47μm，D90為69.43μm，從粉塵粒徑分布測試結(jié)果看出粉塵大部分屬于細(xì)塵。

圖4 粉塵樣品EDS分析和SEM掃描結(jié)果

圖5 粉塵粒徑分布圖

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)中測量的除塵性能主要參數(shù)有風(fēng)速、通風(fēng)阻力、粉塵濃度和除塵效率，其中風(fēng)速、通風(fēng)阻力分別通過風(fēng)速儀和分壓儀測定。粉塵濃度采用濾膜取樣稱重法測得，計(jì)算方法如式(1)。

式(1)中，c為粉塵濃度，g/m3；Δm為濾膜采樣前后質(zhì)量差，mg；Q為采樣流量，L/min；t為采樣持續(xù)時(shí)間，min。

根據(jù)除塵效率的定義，計(jì)算公式如式(2)。

式(2)中，η為除塵效率，%；Δm1、Δm2分別表示除塵器進(jìn)口和出口處粉塵質(zhì)量，mg。

在進(jìn)風(fēng)管道和出風(fēng)管道分別設(shè)置采樣孔，通過FC?3A型采樣儀進(jìn)行采樣，采用CPA2250D型分析天平對濾膜樣品進(jìn)行質(zhì)量分析，得出相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3 結(jié)果與分析

3.1 表面活性溶液性質(zhì)測試分析

對初選的AES、LABSA、APG0810、X?100、CAB?35、LAB?35共6種表面活性劑分別進(jìn)行0.04%、0.07%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%質(zhì)量分?jǐn)?shù)配制溶液，通過表面張力測試儀對其進(jìn)行表面張力測試。測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 表面張力與溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線

從測試結(jié)果看出，隨著表面活性劑溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，溶液表面張力總體呈現(xiàn)降低趨勢。當(dāng)溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為零（純水）時(shí)，表面張力最大為0.06964N/m，隨著表面活性劑溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，溶液表面張力首先大幅度的降低，然后進(jìn)入緩慢變化，當(dāng)溶質(zhì)大于0.4%時(shí)，溶液表面張力值基本趨于穩(wěn)定。因此，通過對比6種表面活性劑溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時(shí)的表面張力值，并對其數(shù)值由高至低排序：fAPG0810>fLABSA>fCAB?35>fAES>fX?100>fLAB?35。

由于溶液表面張力值大小能夠體現(xiàn)與固體界面的滲入難易程度，溶液表面張力越小浸潤粉塵顆粒越容易。因此從6種表面活性溶液中甄選出表面張力較小的3 種進(jìn)行進(jìn)一步除塵實(shí)驗(yàn)，分別為AES、LAB?35、X?100，溶液中表面活性劑溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.4%。

3.2 風(fēng)速對除塵性能的影響分析

氣流風(fēng)速對網(wǎng)柵水膜形成和破裂速率具有較大影響，同時(shí)決定粉塵顆粒與水膜接觸的時(shí)間。如圖7所示，隨著風(fēng)速增大，除塵效率呈現(xiàn)首先逐漸升高，然后緩慢降低的趨勢。當(dāng)風(fēng)速在0.8m/s 時(shí)，除塵效率基本達(dá)到峰值，隨后發(fā)生輕微的降低；純水霧滴除塵效率為94.22%，與其相比，表面活性霧滴的除塵效果有較大的提升，其中0.4%LAB?35溶液噴霧除塵效果最優(yōu)，效率最高達(dá)97.06%。

圖7 風(fēng)速對除塵效率的變化曲線

由于系統(tǒng)處理風(fēng)量與風(fēng)速成正比，在升高風(fēng)速的同時(shí)，可以有效提升處理風(fēng)量，但導(dǎo)致除塵效率發(fā)生降低。含塵氣流穿過網(wǎng)柵的速度，即決定著粉塵與水膜和霧滴的接觸時(shí)間，進(jìn)而對除塵效率產(chǎn)生較大影響。所以綜合除塵效率和處理風(fēng)量兩者的關(guān)系，風(fēng)速取值要適中恰當(dāng)，推薦最優(yōu)風(fēng)速范圍0.8～1.0m/s。

3.3 噴霧壓力對除塵效率的影響分析

如圖8 所示，除塵效率隨著噴霧壓力的增大而升高。當(dāng)噴霧壓力小于2MPa 時(shí)，除塵效率處于低效區(qū)；當(dāng)壓力超過2MPa 時(shí)，除塵效率基本大于90%，且隨著噴霧壓力升高呈現(xiàn)增加的趨勢。當(dāng)噴霧壓力為8MPa 時(shí)，其中除塵效率的排序?yàn)棣荓AB?35（98.17%）>ηAES（96.96%）>ηX?100（96.39%）>ηH2O（95.72%），與純水噴霧相比，表面活性溶液霧滴除塵效率具有部分提升。噴霧壓力對霧化粒徑具有重要影響，霧化壓力越大，霧化粒徑越細(xì)，單位體積溶液接觸顆粒物的表面積越大，從而增強(qiáng)對顆粒物的捕集作用。

圖8 噴霧壓力對除塵效率的變化曲線

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，噴嘴流量與噴霧壓力呈正相關(guān)，噴霧壓力增大帶來噴嘴耗水量增加。實(shí)驗(yàn)采用的是高壓低流量的水泵，噴霧耗水量在80～240mL/min范圍內(nèi)，耗水量總體較小且都能接受，所以綜合除塵效率和耗水量的考慮，建議噴霧壓力為4～8MPa范圍內(nèi)取值較為合適。

3.4 網(wǎng)柵目數(shù)對除塵性能的影響分析

金屬網(wǎng)柵作為本實(shí)驗(yàn)除塵系統(tǒng)的核心部件之一，其結(jié)構(gòu)參數(shù)直接對除塵效果產(chǎn)生較大影響。選取了20目、40目、60目、80目、100目共5種網(wǎng)孔尺寸進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖9所示。隨著網(wǎng)柵目數(shù)增加，即網(wǎng)孔尺寸減小，除塵效率呈現(xiàn)上升的趨勢。當(dāng)目數(shù)為20時(shí)，純水噴霧的除塵效率僅為84.10%，LAB?35溶液滴的除塵效率為90.93%；當(dāng)目數(shù)增至100 時(shí)，純水噴霧的除塵效率為96.11%，LAB?35溶液霧滴的除塵效率為98.54%。系統(tǒng)阻力也隨著目數(shù)的增大而增大，當(dāng)目數(shù)在20～40目時(shí)，系統(tǒng)阻力小于30Pa；隨著目數(shù)的增大，系統(tǒng)阻力迅速增大，當(dāng)目數(shù)為80 目時(shí)，系統(tǒng)阻力已經(jīng)高達(dá)208Pa。網(wǎng)孔大小直接關(guān)系著實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)部的局部阻力，網(wǎng)孔越小，過流斷面積越小，產(chǎn)生的局部阻力越大。綜合考慮，建議網(wǎng)柵目數(shù)為60～80目較為適宜。

3.5 網(wǎng)柵層數(shù)對除塵效率的影響分析

網(wǎng)柵層數(shù)是網(wǎng)柵內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)之一，也是對除塵性能影響的重要因素。通過對5種層數(shù)工況下的霧滴除塵進(jìn)行效率測定，得到圖10所示結(jié)果。隨著層數(shù)增加，系統(tǒng)除塵效率呈現(xiàn)上升趨勢。三種表面活性霧滴除塵效果均高于純水霧滴的除塵效果，其中LAB?35溶液霧滴除塵效率最高，且略高于AES溶液霧滴，X?100溶液霧滴除塵效率最低。

隨著網(wǎng)柵層數(shù)的增加，除塵效率得到提升，但系統(tǒng)阻力也隨之增大。當(dāng)層數(shù)為5層時(shí)，表面活性霧滴除塵效率最高達(dá)97.16%，系統(tǒng)阻力為200Pa。所以發(fā)現(xiàn)，改變網(wǎng)柵層數(shù)時(shí)，除塵效率與阻力存在一定的相互制約，需要全面考慮兩者關(guān)系。網(wǎng)柵目數(shù)和層數(shù)的增加均會導(dǎo)致系統(tǒng)阻力的增大，根據(jù)圖9和圖10綜合考量，推薦設(shè)置網(wǎng)柵目數(shù)為60～80目、網(wǎng)柵層數(shù)為3層或4層。

圖9 網(wǎng)柵目數(shù)對除塵效率的變化曲線

圖10 網(wǎng)柵層數(shù)對除塵效率的變化曲線

3.6 除塵效率受粉塵入口濃度的影響分析

為了獲取表面活性霧滴聯(lián)合金屬網(wǎng)柵除塵對粉塵濃度的適用情況，在風(fēng)速0.6m/s、噴霧壓力4MPa、層數(shù)3、目數(shù)60 的工況下，對入口粉塵濃度從范圍50～800mg/m3進(jìn)行除塵實(shí)驗(yàn)，測得三種表面活性霧滴的除塵效率，如圖11 所示。與純水噴霧除塵相比，三種表面活性霧滴都有不同程度的效率提升，其中除塵效果最好的是LAB?35 溶液霧滴，其次是AES溶液霧滴，X?100溶液霧滴除塵效率最低。隨著入口粉塵濃度的增大，除塵效率呈現(xiàn)先增大然后降低的變化，當(dāng)粉塵濃度在400mg/m3時(shí)，除塵效率最高為96.74%。粉塵濃度增加容易導(dǎo)致網(wǎng)柵網(wǎng)孔的水膜清灰速率降低，從而阻礙水膜的形成，進(jìn)而影響對顆粒物的捕集速率，造成除塵效率的降低，即體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)裝置的除塵容量。

圖11 入口濃度對除塵效率的變化曲線

4 結(jié)論

通過構(gòu)建表面活性溶液噴霧聯(lián)合金屬網(wǎng)柵除塵實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢Ρ砻婊钚詣┤芤盒再|(zhì)進(jìn)行測試分析，優(yōu)選了三種活性劑（AES、LAB?35、X?100）并進(jìn)行除塵試驗(yàn)，研究風(fēng)速、噴霧壓力、網(wǎng)孔目數(shù)、網(wǎng)柵層數(shù)和粉塵濃度對除塵效率及系統(tǒng)阻力的影響規(guī)律，得到如下結(jié)論。

（1）除塵效率隨著風(fēng)速增大呈現(xiàn)首先逐漸升高，后緩慢降低的趨勢，風(fēng)速為0.8m/s時(shí)，除塵效率最高，隨后發(fā)生輕微的降低，推薦最優(yōu)風(fēng)速范圍0.8～1.0m/s。

（2）網(wǎng)柵層數(shù)、目數(shù)、噴霧壓力對除塵性能的影響規(guī)律具有相似之處，隨著目數(shù)、層數(shù)、噴霧壓力增加，除塵效率有所升高，然而會導(dǎo)致系統(tǒng)阻力或耗水量的增加，需要綜合平衡考慮，推薦網(wǎng)柵層數(shù)為3 層或4 層，目數(shù)為60～80 目，噴霧壓力為4～8MPa。

（3）隨著入口粉塵濃度的增大，除塵效率呈現(xiàn)先增大然后降低的變化，當(dāng)粉塵濃度在400mg/m3時(shí)，除塵效率最高為96.74%。

（4）表面活性劑能夠大幅降低水的表面張力，對噴霧聯(lián)合金屬網(wǎng)柵的除塵效果有增效作用，其中0.4%LAB?35 溶液霧滴除塵效率最優(yōu)，其次0.4%AES溶液霧滴，最低為0.4%X?100溶液霧滴。