煤電廠粉煤灰在水力噴射空氣旋流器中濕法捕集去除規(guī)律

徐 倩,邱 磊,林登銓,晏超群,程治良

(1.重慶理工大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院, 重慶 400054;2.重慶科技發(fā)展戰(zhàn)略研究院, 重慶 401123;3.福建金閩再造煙葉發(fā)展有限公司, 福州 350600)

隨著社會的快速發(fā)展,越來越多的環(huán)境問題也應(yīng)運而生,而由粉塵顆粒造成的空氣污染就是其中之一[1-3]。煤炭、石油等化石能源燃燒,作為我國能源主要來源,其危害是引起霧霾。霧霾的主要成分有酸性氣體SO2、NOx以及顆粒物(particulatematter,PM)[2,4-6],其中顆粒物是加重霧霾天氣污染的罪魁禍?zhǔn)?。根?jù)其直徑的不同,可分為塵粒、粉塵以及亞微粉塵。顆粒物直徑大于75 μm為塵粒,而直徑為1～75 μm的顆粒稱之為粉塵,粉塵中包含可入肺顆粒物PM2.5(≤ 2.5 μm)和可吸入顆粒物PM10(≤10 μm),其對身體造成的危害極大[7-10]。

因此研究如何有效防治霧霾并且去除粉塵顆粒污染物,對當(dāng)前顆粒物污染治理具有重要影響。目前傳統(tǒng)的除塵技術(shù)主要有靜電除塵、旋風(fēng)分離器除塵、布袋除塵以及重力除塵器除塵等[11]。針對傳統(tǒng)除塵設(shè)備去除細顆粒物效果較差,學(xué)者研發(fā)了細顆粒物預(yù)團聚及去除技術(shù)以及濕法除塵技術(shù)等[12-13]。預(yù)團聚技術(shù)通過物理或化學(xué)作用將細顆粒物進行預(yù)處理,使細顆粒物團聚,然后由現(xiàn)有污染物控制設(shè)備加以清除,這類除塵技術(shù)往往工藝較為繁瑣,處理成本較高[12]。作為現(xiàn)階段的主要除塵手段,濕法除塵技術(shù)主要是在除塵裝置處安裝濕法煙氣脫硫系統(tǒng),該法有除塵效果良好、處理成本低廉、同時脫硫等優(yōu)點[11]。然而傳統(tǒng)的濕法除塵設(shè)備[14-15]如洗滌塔、填料塔等常規(guī)的重力設(shè)備都具有相間作用力較弱、相間質(zhì)量傳遞、重力場作用弱等方面的問題[16]。

本課題組研發(fā)了一種在液體射流場和氣體旋流超重力場中來強化氣液傳質(zhì)的設(shè)備——水力噴射空氣旋流器(water-sparged aerocyclone,WSA)[17],相對于傳統(tǒng)旋風(fēng)旋流器的不同之處在于 WSA在圓柱主體部分外設(shè)置了夾套,液相進入夾套后,經(jīng)過WSA主體上的小孔分成多束射流進入筒體內(nèi),射流通過在旋流器內(nèi)部三維氣相旋流場作用下產(chǎn)生射—旋流耦合作用,從而使其產(chǎn)生射流霧化現(xiàn)象。并且產(chǎn)生的液滴在旋流場離心力作用下向壁面運動,形成超重力傳質(zhì)效果。兩相流體混合物向下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)運動,最后在旋流器下段分離空間內(nèi),進而實現(xiàn)氣液分離,并且與傳統(tǒng)常規(guī)氣液設(shè)備相比,能將氣液相間傳質(zhì)速率提高1～3個數(shù)量級[18],此外WSA還具備構(gòu)造簡單、沒有內(nèi)部組件、難以產(chǎn)生污垢以及不堵塞等優(yōu)點[19-20]。將WSA應(yīng)用于粉塵的捕獲去除,利用WSA的強化氣液傳質(zhì)性能,通過射流霧化的霧滴潤濕、粘附和卷吸作用,可大幅提升粉塵細顆粒物的去除效率[21]。針對煤電廠煤塵的易燃、易爆、顆粒細小等特性,本工作選用WSA濕法除塵,預(yù)計可捕捉粒徑<10 μm的細小煤塵,除塵率高;WSA構(gòu)造非常簡易,初期投入相當(dāng)少(相較電除塵器),占地面積非常小,運行成本低且修理便利。本研究采用WSA對燃煤電廠粉煤灰進行捕集去除,考察了粉塵初始濃度(c0)、進口氣速(ug)、射流流速(uL)等操作參數(shù)對WSA除塵率的影響規(guī)律,并研究了捕集去除前后粉煤灰粒徑分布、化學(xué)成分形貌以及金屬含量的變化規(guī)律。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

實驗所采用粉煤灰樣品取自重慶市合川某燃煤電廠,將粉煤灰樣品進行預(yù)處理。首先,將樣品放入110 ℃的烘箱干燥處理12 h以上,隨后將其取出放入干燥器中冷卻并恒溫儲存?zhèn)溆?。?為處理完成的粉煤灰的粒徑分布。由表1可知樣品顆粒的中位徑為13.19 μm,其中PM2.5的含量約占17.18%,樣品顆粒中PM10的含量約占41.35%。

表1 實驗用粉煤灰的粒徑分布表

1.2 實驗裝置

參照前期實驗研究優(yōu)化結(jié)果[15],正方形排列方式為本實驗采用的WSA噴孔的最優(yōu)設(shè)置形式,孔徑為 2 mm,每層均勻排布噴孔16個,共6層,噴孔間距為15.6 mm,而側(cè)壁開孔區(qū)長度占中心排氣管長度的3/4以上,WSA其他尺寸詳細參見我們前期工作[11,22]。風(fēng)機、轉(zhuǎn)子流量計、WSA、文丘里管、貯液槽、氣液分離器、粉塵采樣器、循環(huán)液泵以及粉塵發(fā)生器等組成整個WSA濕法除塵實驗裝置,其流程如圖1所示。實驗過程中的含塵氣體的形成過程:在粉塵發(fā)生器中加入定量前期處理干燥儲備的粉煤灰樣品[11],用一小型風(fēng)機向粉塵發(fā)生器底部進氣口通入空氣,并使用氣體流量計調(diào)節(jié)空氣流量。通過調(diào)節(jié)空氣的流速,讓粉塵發(fā)生器中的粉煤灰呈現(xiàn)不間斷的湍動的均勻分布狀態(tài),并持續(xù)不斷地被粉塵發(fā)生器頂部的文丘里管的吸力吸入,最后與主干路氣流匯合形成混合均勻的含塵氣體。

1.3 實驗過程與方法

首先將50 g研磨充分并干燥的實驗用粉煤灰加入自制粉塵發(fā)生器中,并且關(guān)閉粉塵發(fā)生器進出口閥門。隨后向貯液槽加入5.5 L干凈的自來水,接著開啟氣泵和循環(huán)液泵,將ug和uL控制在恒定的預(yù)設(shè)值,同時調(diào)節(jié)WSA主筒體的底部閥門,使液相在主筒體底部形成一定高度的液封,以確保脫塵氣體主要由中心排氣管排出。實驗開始前須將實驗設(shè)備穩(wěn)定運行10 min,隨后打開粉塵發(fā)生器進出口閥并開始計時,采用型號為THF-30S的雙路粉塵采樣器捕集測定WSA尾氣流中粉塵濃度。本實驗操作方式采用間歇式,單次捕集實驗時間控制為8 min,每次實驗至少平行進行3次,結(jié)果為多次實驗的平均值。采用電子天平(0.000 01 g)稱量捕集粉塵前后濾膜質(zhì)量之差除以氣體采樣體積計算粉塵濃度,濾膜稱量前應(yīng)采取40 ℃低溫烘干。影響WSA除塵效率的關(guān)鍵因素為塵粒與液滴之間的相對速度、塵粒質(zhì)量、液滴的尺寸和形狀等。其次,由于塵粒大小的不同[19],塵粒的截留作用與布朗擴散也會影響除塵效果。因此,針對WSA設(shè)備特性,本研究主要探究了粉塵初始濃度、液相射流流速、進口氣速對除塵效率的影響規(guī)律。

1.氣泵;2.閥門;3.轉(zhuǎn)子流量計;4.文丘里管;5.流化床式粉塵發(fā)生器;6.WSA;7.貯液槽;8.循環(huán)液泵;9.擋板式氣液分離器;10.濾膜式粉塵采樣盒;11.粉塵采樣器

1.4 粉塵的表征

捕集前后粉塵樣品的顆粒直徑采用激光粒度分布儀進行測定(Bettersize2000,中國丹東百特科技有限公司),采用日立S4800掃描電子顯微鏡(SEM,JSM-6460LV,日本)對WSA濕法捕集前后粉塵樣品的微觀形貌進行觀察,采用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀(ICP-OES,Agilent 700,美國)對粉塵中的Cr、As、Pb、Hg等重金屬元素含量進行精確測定。

1.5 總除塵率的計算

除塵設(shè)備性能優(yōu)劣主要由除塵率來檢驗,同時也是檢驗除塵儀器的重要技術(shù)指標(biāo)[23]。本工作通過測量進入WSA的粉塵總質(zhì)量以及逃逸出的粉塵總質(zhì)量來計算WSA的去除率。

(1)

式中:R為總除塵率,%;min為經(jīng)過粉塵發(fā)生器進入WAS的粉塵總質(zhì)量,g;mout為經(jīng)過尾氣裝置逃逸出的粉塵總質(zhì)量,g。

min與mout的計算式為:

min=m0-m1

(2)

(3)

式中:m0為初始粉塵質(zhì)量,g;m1為實驗儀器中剩余粉塵質(zhì)量,g。實驗過程中,在出口閥處采集的粉塵質(zhì)量為m2,g;在出口閥處采集的氣體總體積為Vi,m3;通入實驗裝置的氣體總體積為Vtotal,m3。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 粉塵初始濃度c0對除塵率的影響

實驗控制進口氣速為13.17 m/s、射流流速為1.66 m/s,研究考查粉塵初始濃度c0對去除率的影響。根據(jù)燃煤電廠實際尾氣排放粉塵濃度值[24]以及前期研究結(jié)果[11,21],設(shè)定c0分別為1 356.80、1 705.47、2 584.00、5 061.50、11 802.25 mg/m3,WSA進出口壓降控制在1.26～1.30 kPa。圖2為不同c0對除塵率影響實驗結(jié)果。c0由1 356.80 mg/m3增大到1 705.47 mg/m3時,WSA濕法捕集除塵率卻從99.11%降低至98.83%,繼續(xù)增大c0到5 061.50 mg/m3,粉塵去除率又增大至99.35%,但繼續(xù)增大c0至11 802.25 mg/m3,除塵率并沒有明顯變化。出現(xiàn)這種規(guī)律的原因是當(dāng)增大c0到一定值時[25-26],在恒定的液相射流流速下,過高的粉塵濃度導(dǎo)致局部液相中的顆粒物濃度過高,顆粒物與霧化的液相射流液滴接觸面積減少,使得WSA系統(tǒng)捕集脫除效果下降。此時,繼續(xù)增加粉塵初始濃度,粉塵去除率也并不會明顯增加,甚至出現(xiàn)降低。適當(dāng)?shù)姆蹓m濃度存在于氣液兩相流中,可以有效增加氣液接觸面積,從而保持一個較高的去除率[27]。

圖2 粉塵初始濃度c0對粉塵去除率R的影響曲線

2.2 進口氣速ug對除塵率的影響

將粉塵初始濃度控制在4 970～5 097 mg/m3、液相射流速為1.47 m/s。研究進口氣速ug對除塵率的影響,實驗時調(diào)節(jié)ug分別為6.58、8.20、9.88、11.52、13.17、14.81 m/s,實驗結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,隨著進口氣速由6.58 m/s增至14.81 m/s時,WSA捕集粉塵顆粒物的除塵率由97.9%持續(xù)增大到99.40%。但進口氣速從6.58 m/s增大到9.88 m/s后相較于9.88 m/s到14.81 m/s這一過程增幅更大。根據(jù)前期研究顯示,進口氣速增加,WSA的氣液傳質(zhì)效率并非線性增大,而是存在一個較優(yōu)峰值;WSA中液相射流流型隨著進口氣速的增大,射流柱與旋流氣體會產(chǎn)生劇烈作用,漸漸出現(xiàn)膨脹、擴大、破裂,甚至霧化,并依次出現(xiàn)變形旋線射流、破碎旋線射流、霧化旋線射流,這一系列變化也會逐漸增大氣液傳質(zhì)面積[21]。同時,氣相中的粉塵與液相霧滴的碰撞概率也隨氣液傳質(zhì)作用面積的增大而提高,起到增加液體捕集及粉塵預(yù)團聚的作用[14]。然而過大的進口氣速,一方面會導(dǎo)致液相射流發(fā)生貼壁霧化,降低氣液兩相耦合作用區(qū)域以及氣液作用面積,使得粉塵去除率降低[17];另一方面,會導(dǎo)致粉塵的停留時間縮短,這也造成除塵率降低。

圖3 進口氣速ug對粉塵去除率R的影響曲線

由圖4可知,進口氣速ug也會顯著影響氣相壓降。壓力損失過大會導(dǎo)致除塵設(shè)備的除塵率不高,同時操作壓力過大會提高對設(shè)備的要求,能耗也會增加,因此氣相壓降應(yīng)保持在合適的范圍[28]。在實驗初始階段,進口氣速由6.58 m/s增大至8.23 m/s,氣相壓降從0.21 kPa快速增大至0.89 kPa,粉塵的去除率也迅速提高,這可能是由于發(fā)生了射流霧化現(xiàn)象[29-30]。隨著進口氣速的增大,氣相壓降也隨之繼續(xù)緩慢增大,這就導(dǎo)致設(shè)備的抗壓要求和能耗也相應(yīng)提高,因此有必要將進口氣速控制在一個合適的區(qū)間,在保證較大的粉煤灰去除率的同時保持設(shè)備的較低運行成本。

圖4 進口氣速ug對氣相壓降Δp的影響直方圖

2.3 液相射流速uL對除塵率的影響

濕法除塵過程中射流霧化程度以及液氣比會受到液相射流流速uL的影響,因此uL的變化也會影響粉塵去除率。將進口氣速ug控制為13.17 m/s、粉塵初始濃度c0保持在5 028～5 097 mg/m3,來研究液uL對除塵率的影響。如圖5所示, WSA中的總除塵率R隨著uL由1.11 m/s增大到1.85 m/s,由99.10%持續(xù)增大到99.30%。即粉塵的去除率符合隨uL的增大而緩慢增大的規(guī)律。呈現(xiàn)這種規(guī)律的主要原因是射流柱強度和射流慣性力隨著液相射流流速uL的增大而增大,進而使得射流柱的穿透深度得到加強。同時,液體與粉塵的碰撞概率也隨之增大,進而增強氣液兩相的耦合作用。氣液傳質(zhì)作用面積會隨著液相射流霧化程度提升而以進一步提高,這一現(xiàn)象也有利于氣相中的細顆粒物被捕集進入液相[28]。另外,當(dāng)進口氣速一定時,液氣比會隨著uL的增大而增大,表明單位體積內(nèi)的霧化液滴密度增大,更多的液滴與氣相中的細顆粒物作用,進而提升了除塵率。

圖5 射流流速uL對粉塵去除率R的影響規(guī)律

2.4 捕集前后粉塵粒徑及形貌變化規(guī)律

對WSA尾氣中捕集的粉煤灰顆粒物的粒徑進行測定,具體結(jié)果如表2所示。對比表1和2可知,未經(jīng)WSA處理的粉塵,顆粒物粒徑主要分布在0.02～100 μm,粉煤灰中粒徑小于2.5 μm的細顆粒物(PM2.5)含量為17.18%,粒徑超過10 μm的顆粒物(PM10)占41.35%,粒徑分布范圍較廣,粒徑較大的顆粒物含量較多。經(jīng)濕法捕集處理后的水力噴射空氣旋流器尾氣中的粉塵,粒徑主要分布范圍為0.02～1.80 μm,這表明水力噴射空氣旋流器對于粒徑大于1.8 μm的粉煤灰顆粒物捕集去除效果較好,去除率可達100%;對實驗樣品中的粉塵顆粒中的PM2.5的綜合去除率可達到87.50%。同時利用掃描電子顯微鏡觀測捕集處理前后的粉煤灰微觀形貌,結(jié)果如圖6所示。其中圖6(a)和圖6(b)分別是捕集前以及尾氣中的粉煤灰形貌SEM圖。從圖6(a)可以觀測出,處理前的粉煤灰顆粒大小不均,表面粗糙,顆粒分布較為分散,存在許多直徑較大的顆粒物。而經(jīng)WSA濕法處理后的粉煤灰,顆粒較小,顆粒平滑均勻且分布較為聚集(圖6(b)),結(jié)果表明WSA對粉煤灰中較大顆粒物去除效果良好。

表2 濕法捕集后WSA尾氣中粉煤灰粒徑分布及不同粒徑粉煤灰去除率

圖6 WSA濕法捕集前(a)和尾氣中(b)粉煤灰 微粒SEM圖

2.5 捕集前后粉煤灰金屬元素變化規(guī)律

實驗對象為燃煤電廠粉煤灰,化學(xué)成分主要為多種氧化物、黏土、碳酸鹽,硫酸鹽等[3],大量的金屬元素存在于粉煤灰顆粒物中,甚至含有有害重金屬元素。表3為WSA濕法捕集前后粉煤灰顆粒物中主要金屬元素測定結(jié)果對比。與捕集前粉煤灰中金屬元素對比,實驗后得到的粉煤灰中,致癌重金屬Pb、Cr、As、Hg等的含量在處理后有所增加,其主要是因尾氣中的顆粒物粒徑更小(見表2),具有更大的比表面積,同時具備更高的表面活性和吸附能力,更多的重金屬能夠在其表面被吸附[22]所致。WSA設(shè)備的濕法捕集除塵率可達99%以上,因此金屬元素去除率平均達96.90%,Pb、Cr、As、Hg四種有毒重金屬平均去除率達98.85%,本工作可有效降低粉塵重金屬毒性風(fēng)險。

表3 WSA濕法捕集前后粉塵中金屬元素變化規(guī)律

3 結(jié)論

1) WSA的濕法除塵率隨粉塵初始濃度、進口氣速、液相射流流速的增大均呈現(xiàn)先較大幅度增大、后保持不變或增幅較小的規(guī)律,存在較優(yōu)數(shù)值,且進口氣速的增大也會使得氣相壓降顯著升高,導(dǎo)致能耗增加;

2) 本實驗的粉煤灰顆粒粒徑主要分布在0.02～100 μm,其中位徑為13.19 μm,約17.18%為PM2.5, 約43.15%為PM10。 經(jīng)WSA濕法捕集處理后,粉塵顆粒物粒徑大于1.8 μm的能夠完全被去除,粒徑在0.02～1.8 μm區(qū)間的細顆粒物的平均去除率為87.50%。捕集前粉煤灰顆粒物呈表面粗糙的球狀和不規(guī)則狀,而捕集后粉煤灰顆粒呈規(guī)則的球狀。

3) 粉煤灰中含有Pb、Cr、As、Hg等致癌性重金屬,其中Cr含量高達558.72 mg/kg,經(jīng)過WSA濕法捕集處理后,樣品粉煤灰中重金屬平均去除率達98%以上。該設(shè)備在工程應(yīng)用上具有除塵效率高、構(gòu)造簡單、投入較少、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)和維修便利等一系列優(yōu)勢。