超聲波增濕撞擊流泡沫捕捉塔處理含鈹廢氣研究

凡思軍　　吳　磊　　劉忠英　　姚　劍　　馬繼飛　　李玉蘭　　侯惠奇　　謝雷東　　陳　堃（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所　嘉定園區(qū)　　上海　201800）

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超聲波增濕撞擊流泡沫捕捉塔處理含鈹廢氣研究

凡思軍吳磊劉忠英姚劍馬繼飛李玉蘭侯惠奇謝雷東陳堃
（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所嘉定園區(qū)上海201800）

摘要采用超聲波霧化除塵技術(shù)，研制了最大處理風(fēng)量為300m3·h-1的超聲波增濕撞擊流泡沫捕捉塔含鈹廢氣處理樣機(jī)，按照國家標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)超聲波增濕撞擊流泡沫塔的進(jìn)、出氣口進(jìn)行采樣，使用電感耦合等離子譜儀對(duì)其除鈹性能的影響因素進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，霧化加濕量的增加有利于除鈹效率的提高，但同時(shí)也使凈化后氣體的絕對(duì)濕度增加；超聲波加濕器安裝在距離塔體3m以上方能最大限度地提高除鈹效率；當(dāng)顆粒物粒徑在0.4μm以上時(shí)，除鈹效率較高，而在0.4μm以上時(shí)，除鈹效率顯著降低；除鈹效率隨進(jìn)氣口初始鈹濃度而增加；氣體流速的增加有利于提高除鈹效率，但氣體流速過高將導(dǎo)致凈化后氣體絕對(duì)濕度顯著增加，最佳氣體流速為12m·s-1。當(dāng)氣體流速為12m·s-1時(shí)，最佳塔內(nèi)水位為40cm。研究結(jié)果為超聲波增濕撞擊流泡沫捕捉塔在釷基熔鹽堆（ThoriumMoltenSaltReactor，TMSR）核能系統(tǒng)項(xiàng)目含鈹廢氣上的應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

關(guān)鍵詞超聲波增濕，泡沫捕捉，除鈹效率，絕對(duì)濕度，粒徑

Purification of Be-containing offgas by ultrasonic atomization-impinging stream foam tower

FANSijunWULeiLIUZhongyingYAOJianMAJifeiLIYulan HOUHuiqiXIELeidongCHENKun
（Shanghai Institute of Applied Physics， Chinese Academy of Sciences， Jiading Campus， Shanghai 201800， China）

Abstract Background:LiF-BeF2isusedascoolantsforThoriumMoltenSaltReactor（TMSR）.Theoffgasfrom TMSRcontainingberylliumwhichisharmfultobothhumanhealthandtheenvironmentmustbepurifiedbefore beingdischarged. Purpose:Anewtypewetduster-ultrasonicatomization-impingingstreamfoamtower was developed.Methods:Theberylliumremovalpropertieswereinvestigatedbysamplingaccordingtonationalstandards. Theincreaseofatomizationamountishelpfulforimprovingberylliumremovalefficiency.Results:Inorderto controltheabsolutehumidityoffgasafterpurification，theoptimalatomizationamountissetat80mL·min-1.The ultrasonichumidifiershouldbeinstalled3mawayfromthefoamtower. Particleswithdiameterbiggerthan0.4μm canberemovedeffectively.Theberylliumremovalefficiencyofoffgasincreaseswiththeinitialberyllium concentrationandtheoffgasvelocitywhichisoptimizedat12m·s-1.Theoptimalwaterlevelinthetoweris40cm whentheoffgasvelocityis12m·s-1.Conclusion:Theresultsindicatethatultrasonicatomization-impingingstream foamtowerissuitableforpurifyingoffgascontainingberylliuminTMSR.

Key words Ultrasonicatomization，F(xiàn)oamcapture，Berylliumremovalefficiency，Absolutehumidity，Particlesize

中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)（No.XDA02020400）資助

第一作者：凡思軍，男，1976年出生，2012年于中國科學(xué)院上海光學(xué)精密與機(jī)械研究所獲博士學(xué)位

SupportedbytheStrategicPriorityResearchProgramoftheChineseAcademyofSciences（No.XDA02020400）

Firstauthor：FANSijun，male，bornin1976，graduatedfromShanghaiInstituteofOpticsandFineMechanics，ChineseAcademyofScienceswitha doctor’sdegreein2012

釷基熔鹽堆（ThoriumMoltenSaltReactor，TMSR）核能系統(tǒng)項(xiàng)目是中國科學(xué)院先導(dǎo)科技專項(xiàng)之一，其戰(zhàn)略目標(biāo)是研發(fā)第四代裂變反應(yīng)堆核能系統(tǒng)（TMSR核能系統(tǒng)）[1-4]。與其他反應(yīng)堆相比，TMSR在固有安全性、放射性廢物處理、中子經(jīng)濟(jì)性和防核擴(kuò)散等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。TMSR選用LiF-BeF2作為一回路冷卻鹽，其具有中子吸收截面小、高溫穩(wěn)定性好、高導(dǎo)熱率、高比熱、高沸點(diǎn)、低飽和蒸汽壓和粘度等諸多優(yōu)點(diǎn)[5-7]。然而，Be元素具有很強(qiáng)的毒性，且鈹中毒的潛伏期很長，很難治愈，故國家在有關(guān)含鈹廢氣排放、含鈹廢水排放及工作場所職業(yè)接觸限值等方面都有嚴(yán)格的規(guī)定[8-10]。因而，在BeF2的合成、LiF-BeF2的制備以及熔鹽堆運(yùn)行過程中必須有可靠的含鈹廢氣凈化處理設(shè)備，對(duì)含鈹廢氣進(jìn)行有效處理，保證工作人員及周邊環(huán)境安全，方能保證熔鹽生產(chǎn)順利進(jìn)行以及TMSR反應(yīng)堆正常運(yùn)行。

廢氣除塵設(shè)備主要有4類[11]：機(jī)械式除塵設(shè)備、電除塵設(shè)備、過濾式除塵設(shè)備和濕式洗滌除塵設(shè)備。這些除塵設(shè)備中，袋式過濾設(shè)備的除塵效率最高，能達(dá)99.99%。但這類除塵設(shè)備易堵塞，處理氣速不宜過高，若用此類除塵設(shè)備處理含鈹廢氣，設(shè)備清灰時(shí)的二次揚(yáng)塵嚴(yán)重威脅工作人員的健康。因此，含鈹廢氣處理宜用濕法處理技術(shù)，將含鈹廢氣轉(zhuǎn)化為較安全、易于處理的含鈹廢水。

濕法處理含塵廢氣的效率一般較低，效率最高的文丘里除塵器也只有95%的除塵效率[11]，而含鈹廢氣處理后排放標(biāo)準(zhǔn)為12μg·m-3[8]，濕法除塵無法滿足含鈹廢氣的排放要求。另一方面，一般濕法處理含塵廢氣排放廢氣的含水量較高，對(duì)于含可溶性鈹化合物的含鈹廢氣，帶水量大也導(dǎo)致排放廢氣中的鈹含量偏高。水口山六廠和美國布拉什威爾曼公司[12]采用干法處理和濕法處理相結(jié)合的方法，來處理鈹冶煉過程中的含鈹廢氣。這些含鈹廢氣處理方法同樣存在干法清灰困難和濕法除塵效率不夠的缺點(diǎn)。TMSR熔鹽生產(chǎn)及堆運(yùn)行過程中產(chǎn)生的廢氣具有含鈹顆粒物質(zhì)量輕、粒徑小、易溶于水等特點(diǎn)，普通的濕式除塵器不能滿足TMSR含鈹廢氣的高除塵效率要求和凈化后廢氣低帶水量要求。因此，必須開發(fā)集成多種技術(shù)的新型含鈹廢氣處理設(shè)備，方能實(shí)現(xiàn)TMSR含鈹廢氣的達(dá)標(biāo)排放。

超聲波霧化除塵技術(shù)，利用蒸汽相變團(tuán)聚原理來促進(jìn)顆粒物在飽和水蒸氣中長大而沉降[13]。隨著顆粒物在過飽和蒸汽環(huán)境中停留時(shí)間的延長，顆粒物粒徑范圍迅速變窄，顆粒物由初始條件下的多分散分布的微粒，轉(zhuǎn)變?yōu)閱畏稚⒎植嫉牧捷^大的含塵液滴，粒徑較大的液滴因重力沉降作用從氣體中分離出去。

傳統(tǒng)的泡沫除塵技術(shù)是氣流自下而上通過篩板上的水層，由控制通過篩板的氣流速度來控制篩板上形成的泡沫層。氣流連續(xù)通過時(shí)，部分顆粒物被篩板過濾，篩板上的泡沫不斷破裂、合并、生成，在這過程中顆粒物被不斷更新的泡沫捕捉，并可通過調(diào)整篩板孔徑和孔隙率來提高呼吸性粉塵的去除效率[14]。

絲網(wǎng)除霧是較有效的除霧方式，它是根據(jù)實(shí)際工況需要用金屬絲或者工程塑料絲編織而成。其除霧過程為：夾帶在氣相中的水滴在經(jīng)過絲網(wǎng)時(shí)，碰到絲網(wǎng)的金屬（或有機(jī)材料）絲上，被粘附下來，隨著吸附霧滴的不斷增多，小霧滴聚集成為大霧滴，最后在重力的作用下掉落下來。在霧滴掉落過程中，同時(shí)吸附氣體中的小霧滴，最后掉落到除塵器的底部循環(huán)水中。在實(shí)際的應(yīng)用中，大量的掉落霧滴也有利于吸附小霧滴，故絲網(wǎng)的實(shí)際除霧效果要好于絲網(wǎng)的理論除霧效果[14-16]。絲網(wǎng)除霧效率的影響因素通常包括氣體流速、絲網(wǎng)厚度、液滴粒徑、比表面積等[17-23]。

經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)和理論分析，我們將超聲波增濕技術(shù)、泡沫捕捉技術(shù)、絲網(wǎng)除水技術(shù)有機(jī)集成，并革新了形成泡沫的關(guān)鍵部位微孔網(wǎng)板，研制了超聲波增濕泡沫捕捉塔含鈹廢氣處理系統(tǒng)樣機(jī)（圖1）。本文探討超聲波增濕撞擊流泡沫捕捉塔的除塵效率和氣體凈化后的含水量的影響因素。

1　超聲波增濕撞擊流泡沫捕捉塔除塵原理

超聲波增濕撞擊流泡沫捕捉塔以水為液相捕捉介質(zhì)，采用霧化增濕除塵、撞擊除塵、泡沫捕捉粉塵以及微孔網(wǎng)板除水的復(fù)合型原理，對(duì)廢氣進(jìn)行除塵、除水、凈化處理。其除塵、除水過程如下：

待處理氣體經(jīng)管路向塔內(nèi)流動(dòng)，在經(jīng)過超聲波霧化加濕器時(shí)，主要通過三種方式除去粉塵[24]：

（1）根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，含塵氣流繞過霧滴時(shí)，塵粒由于慣性會(huì)從繞流的氣流中偏離而與霧滴相撞被捕捉，即通過粉塵粒子與液滴的慣性碰撞、攔截以及凝聚、擴(kuò)散等作用實(shí)現(xiàn)捕捉，捕捉幾率與霧滴直徑與粉塵受力情況有關(guān)。霧化加濕器產(chǎn)生的一定粒徑分布的霧滴，粉塵與之混合，使氣體蒸汽壓達(dá)到飽和。

（2）“云”物理學(xué)原理。由于超聲霧化的霧滴微細(xì)，部分霧滴會(huì)在空氣中迅速蒸發(fā)，使得局部密閉的捕塵空間中空氣的相對(duì)濕度很快達(dá)到飽和，飽和后的水蒸氣以塵粒為核凝聚形成“云”，并進(jìn)一步增大成為“雨”落下來。這種機(jī)理對(duì)抑制亞微米及微米級(jí)的粉塵特別有效。

（3）斯蒂芬流的輸送機(jī)理，在噴霧區(qū)內(nèi)，液滴迅速蒸發(fā)時(shí)，必然會(huì)在液滴附近區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生蒸汽組分的濃度梯度，形成由液滴向外流動(dòng)擴(kuò)散的斯蒂芬流，因此，懸浮于噴霧區(qū)中的“呼吸性粉塵”顆粒，必然會(huì)在斯蒂芬流的輸送作用下運(yùn)動(dòng)，最后接觸并粘附在凝結(jié)液滴上被濕潤捕集。

圖1　超聲波增濕撞擊流泡沫捕捉塔?。╝）　示意圖，（b）　300　m3·h-1樣機(jī)Fig.1　Schematics　（a）　and　prototype?。╞）　of　ultrasonic　atomization-impinging　stream　foam　tower.

加濕氣體進(jìn)入塔內(nèi)后，經(jīng)塔內(nèi)彎頭導(dǎo)向，以一定速度向下沖擊塔內(nèi)變向擋板，變向撞擊周圍的水，形成撞擊區(qū)，撞擊區(qū)內(nèi)湍動(dòng)強(qiáng)烈，氣液兩相間相對(duì)速度高。廢氣中攜帶的顆粒物在撞擊面的氣液兩相間做復(fù)滲透振蕩。振幅在兩相阻力作用下逐漸減小，顆粒的軸向速度逐漸消失，最后離開撞擊區(qū)，停留在水中。

隨后氣體折返向上穿過微孔網(wǎng)盤。微孔網(wǎng)盤分為三層，每層孔徑不同，以控制過網(wǎng)氣速。水相在微孔網(wǎng)盤上呈運(yùn)動(dòng)著的泡沫狀態(tài)，氣體過網(wǎng)速度逐層提高，泡沫表面氣液兩相間湍流程度強(qiáng)，氣液間接觸面積大且在不斷更新，傳質(zhì)作用被加強(qiáng)。廢氣中的顆粒物與液相充分接觸，經(jīng)慣性碰撞、截留和布朗擴(kuò)散作用被水滴捕捉進(jìn)入水相中被除去。

氣體中的霧滴在穿過微孔網(wǎng)盤與液相不斷作用過程中，易攜帶微小水滴，因此在設(shè)備頂部設(shè)置微孔網(wǎng)盤作為除水器，霧滴在通過除水微孔網(wǎng)盤時(shí)因多次撞擊減速，軸向速度很快降為零，被截留除去。

超聲波增濕撞擊流泡沫捕捉塔內(nèi)，液相通過循環(huán)水箱持續(xù)進(jìn)水和溢流，被捕捉顆粒物隨溢流水進(jìn)入循環(huán)水箱中，水箱內(nèi)設(shè)置折流結(jié)構(gòu)，顆粒物沉淀和油類物漂浮而被分離除去，凈化后的水進(jìn)入水膜除塵器內(nèi)回用。超聲波增濕撞擊流泡沫捕捉塔底部設(shè)置有排污口，塔底累積的顆粒物可定期通過排污口置換排出。

2　實(shí)驗(yàn)方法

2.1氣體采樣方法

根據(jù)GB/T16157《固定污染源排氣中顆粒物的測定與氣態(tài)污染物采樣方法》[25]，采樣位置選擇在垂直管道段，避開彎頭和斷面急劇變化的部位。其位置選擇在距離彎頭、閥門、變徑管下游方向不小于6倍直徑處，或距上游部件不小于3倍管徑處。本實(shí)驗(yàn)中，排氣管直徑為160mm，取管道中心作為采樣點(diǎn)。遵循等速采樣原則使用青島嶗應(yīng)3012H型煙塵采樣儀、芬蘭Dekati公司的低壓沖擊器（Dekati LowPressureImpactor，DLPI）和靜電低壓沖擊器（ElectricalLowPressureImpactor，ELPI）進(jìn)行采樣。實(shí)驗(yàn)中處理氣體為某鈹陶瓷廠實(shí)驗(yàn)室空氣和噴霧干燥塔附近含鈹氣體。

2.2濾膜消解分析及濃度計(jì)算

濾膜的消解分析按照HJ657-2013《固定源廢氣鈹?shù)臏y定電感耦合等離子體譜法》[26]測定。進(jìn)氣口和出氣口廢氣中的鈹含量按照式（1）計(jì)算：

式中：ωi為樣品i測試數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算得到的空氣或廢氣中的鈹含量，μg·m-3；Ci為電感耦合等離子質(zhì)譜儀（Inductivelycoupledplasmamassspectrometry，ICP-MS）測得的樣品i溶液中鈹?shù)臐舛?，μg·L-1；Vi為樣品i的溶液定容體積，mL；C0為ICP-MS測得的空白樣品溶液中鈹?shù)臐舛龋蘥·L-1；V0為空白樣品溶液的定容體積，mL；V為該次實(shí)驗(yàn)所采集的空氣或廢氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的干體積，m3。

鈹顆粒物的去除效率η按式（2）計(jì)算：

式中：ω1為進(jìn)氣口鈹?shù)捏w積濃度；ω2為出氣口鈹?shù)捏w積濃度。

2.3氣體絕對(duì)濕度的測定

廢氣含水量指標(biāo)采用GB11605-2005《濕度測量方法》[27]中的重量法測量。利用五氧化二磷吸收管吸收所排廢氣中的水。吸收水汽前后的五氧化二磷采用精密天平稱取質(zhì)量，二者的差值即為所吸收水汽的質(zhì)量。同時(shí)測量通過吸收管的氣體體積，來計(jì)算氣體中的水含量。同時(shí)測量通過吸收管的氣體體積，來計(jì)算氣體中的絕對(duì)濕度Ha（Absolute Humidity）：

式中：M1與M2分別為采樣前后的U型管質(zhì)量，g；V為采樣體積，m3。

3　結(jié)果與討論

3.1超聲波霧化加濕對(duì)除鈹效率的影響

3.1.1霧化量對(duì)除鈹效率的影響

在室溫條件下，處理氣體含鈹濃度為0.08-0.10μg·m-3，進(jìn)口氣體流量為250m3·h-3，超聲波加濕器安裝在泡沫塔進(jìn)氣管路3m處，霧化量為0mL·min-1、40mL·min-1、60mL·min-1、80mL·min-1、100mL·min-1時(shí)的除塵效率見圖2。超聲波增濕撞擊流泡沫捕捉塔的除塵效率隨霧化量增加，但當(dāng)霧化量逐步變大時(shí)，除塵效率的增速趨緩。在沒有霧化加濕的情況下，超聲波增濕泡沫捕捉塔的除鈹效率僅為62.2%，而當(dāng)霧化量達(dá)到100mL·min-1時(shí)，其除鈹效率能達(dá)到92.2%。這表明霧化加濕有助于除鈹效率的提高。

為研究霧化量的增加對(duì)處理后廢氣帶水量的影響，測量了廢氣中絕對(duì)濕度對(duì)霧化量的變化關(guān)系。實(shí)驗(yàn)時(shí)，溫度為10oC，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空氣的絕對(duì)濕度為5.65g·m-3，霧化量為0mL·min-1、40mL·min-1、60mL·min-1、80mL·min-1、100mL·min-1。在未開啟超聲波增濕的情況下，含鈹空氣經(jīng)超聲波增濕撞擊流泡沫捕捉塔凈化處理后，空氣的絕對(duì)濕度由5.65g·m-3增加到6.2g·m-3，這表明，經(jīng)超聲波增濕撞擊流泡沫捕捉塔凈化處理后，含鈹氣體的含水量稍有增加。泡沫捕捉塔運(yùn)行參數(shù)保持不變，開啟超聲波加濕器，測量不同霧化量下的出氣口氣體的絕對(duì)濕度，所得結(jié)果表明（圖3），出氣口氣體絕對(duì)濕度隨霧化量增加，當(dāng)霧化量為80mL·min-1時(shí)，出氣口的絕對(duì)濕度接近該溫度下飽和蒸汽壓下的絕對(duì)濕度；霧化量為100mL·min-1時(shí)，出氣口氣體的絕對(duì)濕度達(dá)9.85g·m-3，超出該溫度下飽和蒸汽壓下的絕對(duì)濕度?？紤]到TMSR的含鈹廢氣中含有可溶性的鈹化合物，部分溶解了鈹?shù)乃粴怏w夾帶出來，導(dǎo)致除鈹效率的降低。故在調(diào)節(jié)霧化量時(shí)應(yīng)和除鈹效率結(jié)合起來考慮。

圖2　超聲波增濕霧化量和除鈹效率的關(guān)系Fig.2　Beryllium　removal　efficiency　as　a　function　of atomization　amount.

圖3　超聲波增濕霧化量和凈化后氣體絕對(duì)濕度的關(guān)系Fig.3　Absolute　humidity　of　purified　offgas　as　a　function　of atomization　amount.

3.1.2超聲波加濕器的安裝位置對(duì)除鈹效率的影響

超聲波加濕器的安裝位置會(huì)影響水霧與氣體中顆粒物的相互作用，安裝位置離泡沫捕捉塔太近，則水霧來不及與顆粒物作用，含鈹顆粒物空氣就進(jìn)入塔里，超聲波霧化加濕卻起不到應(yīng)有的輔助除塵效果。

我們研究了超聲波加濕器的安裝位置對(duì)除鈹效率的影響，以選定合適的超聲波加濕器安裝位置。實(shí)驗(yàn)中，空氣中鈹濃度0.10-0.12μg·m-3，氣體流速12m·s-1，泡沫捕捉塔入口距泡沫塔有效除塵區(qū)0.5m，超聲波加濕器安裝位置為距入口2m、3m、4m時(shí)，在出氣口進(jìn)行顆粒物采樣，消解分析后的去除效率見圖4。當(dāng)超聲波加濕器安裝在進(jìn)氣口附近時(shí)，鈹?shù)娜コ蕛H為75.1%；安裝位置為2m，鈹?shù)娜コ噬?8.3%，安裝位置距塔入口3m，鈹?shù)娜コ蔬_(dá)91%，距離為4m時(shí)鈹?shù)娜コ首兓淮螅@說明本實(shí)驗(yàn)中泡沫捕捉塔的超聲波加濕器安裝位置在3m左右即能實(shí)現(xiàn)對(duì)廢氣的有效加濕，超聲波增濕撞擊流泡沫捕捉塔能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)的鈹去除效率。

圖4　超聲波加濕器安裝位置對(duì)除鈹效率的影響Fig.4　Effect　of　installation　position　of　ultrasonic　humidifier on　beryllium　removal　efficiency.

3.2含鈹顆粒物粒徑對(duì)除鈹效率的影響

顆粒物的空氣動(dòng)力學(xué)粒徑對(duì)超聲波增濕撞擊流泡沫捕捉塔除塵效率有很大的影響。粒徑較大者的收集效果高于小顆粒物。進(jìn)入超聲波增濕撞擊流泡沫捕捉塔的塵粒較大，則去除效率可很高；反之，則去除效率較小。為準(zhǔn)確衡量超聲波增濕撞擊流泡沫捕捉塔的對(duì)不同粒徑含鈹顆粒物的去除效果，用分級(jí)除鈹效率來表征含鈹顆粒物粒徑對(duì)增濕撞擊流泡沫捕捉塔效率的影響。

圖5為初始鈹濃度在0.51μg·m-3、氣體流速在12m·s-1、超聲波加濕器安裝在進(jìn)氣管路上距塔入口3m處時(shí)，使用芬蘭Dekati公司的DLPI和ELPI多級(jí)采樣儀分別對(duì)設(shè)備的進(jìn)氣口氣體和出氣口的凈化后氣體進(jìn)行顆粒物采樣，微波消解后使用ICP分析超聲波增濕撞擊流泡沫捕捉塔的分級(jí)除鈹效率。由圖5可以看出，超聲波增濕撞擊流泡沫捕捉塔的分級(jí)除塵效率和粒徑呈指數(shù)關(guān)系變化。其中0.108μm以下的顆粒物去除效率僅在10%左右，隨著顆粒物粒徑的增大，鈹去除效率也不斷增大，當(dāng)顆粒物粒徑從0.108μm變化到0.65μm時(shí)，分級(jí)效率急劇上升。當(dāng)鈹顆粒物粒徑達(dá)到0.65μm以上時(shí)，鈹去除效率趨于平穩(wěn)，去除效率達(dá)到95%以上。0.26μm以上的顆粒物的去除效率也能達(dá)60%以上，0.4μm以上的顆粒物能達(dá)82%以上，說明超聲波增濕撞擊流泡沫捕捉塔對(duì)細(xì)顆粒物也有比較好的去除效果。

圖5　初始鈹濃度為0.51　μg·m-3時(shí)的分級(jí)除鈹效率Fig.5　Classification　efficiency　of　beryllium　removal　at　the initial　beryllium　concentration　of　0.51　μg·m-3.

3.3含鈹顆粒物濃度對(duì)除鈹效率的影響

當(dāng)煙氣流速12m·s-1、超聲波加濕器安裝在進(jìn)氣管路上距塔入口3m處，采用不同含鈹濃度的空氣作進(jìn)氣，用DLPI和ELPI多級(jí)采樣儀分別對(duì)進(jìn)氣口氣體和出氣口的凈化氣體進(jìn)行顆粒物采樣，消解后使用ICP測試進(jìn)氣口和出氣口的鈹濃度，計(jì)算超聲波增濕撞擊流泡沫捕捉塔的除鈹效率。在本實(shí)驗(yàn)中，5次采樣的空氣中鈹?shù)目倽舛确謩e為0.04μg·m-3、0.08μg·m-3、0.10μg·m-3、0.15μg·m-3、0.51μg·m-3。

圖6為含鈹顆粒物濃度對(duì)超聲波增濕撞擊流泡沫捕捉塔除鈹效率的影響曲線。在低濃度區(qū)域0.04-0.1μg·m-3，去除效率在87%-89%。而在含鈹顆粒物濃度達(dá)到0.51μg·m-3時(shí)，去除效率能達(dá)到95.3%。當(dāng)含鈹顆粒物濃度增大時(shí)。顆粒物與顆粒物之間的碰撞凝并幾率增加，大顆粒物凝并沉降，小顆粒物凝并后粒徑變大而更易除去。另一方面，含鈹顆粒物濃度增加，也有利于含鈹顆粒物和超聲波加濕器產(chǎn)生的霧滴之間的凝并，使得含鈹顆粒物更容易除去。故當(dāng)含鈹顆粒物初始濃度增加時(shí)，超聲波增濕撞擊流泡沫捕捉塔的總除鈹效率增加。

圖6　鈹初始濃度對(duì)超聲波增濕撞擊流泡沫捕捉塔除鈹效率的影響Fig.6　Influence　of　initial　beryllium　concentration　on beryllium　removal　efficiency.

3.4氣體流速對(duì)除鈹效率、凈化后氣體絕對(duì)濕度的影響

圖7為初始鈹濃度0.5-0.8μg·m-3時(shí)氣體流速對(duì)鈹去除效率和凈化后氣體絕對(duì)濕度的影響。超聲波增濕撞擊流泡沫捕捉塔除塵過程主要為霧化增濕除塵、撞擊除塵和泡沫除塵，氣體流速發(fā)生變化，則這三種除塵過程的除塵效率均受影響。圖7表明，超聲波增濕撞擊流泡沫捕捉塔的除塵效率隨氣體流速增加，但當(dāng)流速達(dá)9m·s-1以上，氣體除鈹效率增長趨緩。凈化后氣體的絕對(duì)濕度隨氣體流速快速增加。氣體流速對(duì)該設(shè)備的三個(gè)除塵過程的除塵效率有著不同的影響。氣體流速增加，氣體中顆粒物未被加濕即進(jìn)入泡沫捕捉塔中，進(jìn)入后續(xù)的除塵過程，因此氣體流速增加將降低霧化增濕除塵效率。對(duì)于撞擊除塵，氣體流速增加后，氣體中的顆粒物由于慣性作用增強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)方向難于改變，直接撞擊水而被除去，故氣體流速的增加有利于撞擊過程除塵。超聲波增濕泡沫捕捉塔的微孔網(wǎng)板上的泡沫層的形成狀態(tài)決定了泡沫除塵效率[28]。當(dāng)氣體流速增加時(shí)，泡沫層的高度增加，使塵粒和捕捉介質(zhì)間的接觸面積增加，從而使除塵效率增加。但是，整體而言，一定范圍內(nèi)增加氣體流速，有利于除鈹效率的提高。但當(dāng)氣體流速過大時(shí)，會(huì)發(fā)生泡沫飛濺現(xiàn)象，泡沫層的高度降低，不利于顆粒物的去除。由圖7，氣體流速為12m·s-1以上，含鈹顆粒物的去除效率變化不大，而泡沫捕捉塔的凈化后氣體的絕對(duì)濕度迅速增加，同時(shí)，由于氣體中帶水量的增加，水中溶解部分鈹化合物，影響超聲波增濕撞擊流泡沫捕捉塔的鈹去除效率。

圖7　氣體流速對(duì)鈹去除效率和凈化后廢氣絕對(duì)濕度的影響Fig.7　Influence　of　offgas　velocity　on　beryllium　removal efficiency　and　absolute　humidity.

3.5塔內(nèi)水位對(duì)除鈹效率、凈化后氣體絕對(duì)濕度的影響

液氣比是影響濕式除塵器除塵效率的一個(gè)重要因素[29-30]。在氣體流速保持不變的情況下，影響超聲波增濕撞擊流泡沫捕捉塔的液氣比的是塔內(nèi)水位。圖8為初始鈹濃度0.65-0.90μg·m-3、氣體流速12m·s-1時(shí)塔內(nèi)水位變化對(duì)設(shè)備除鈹效率和凈化后氣體絕對(duì)濕度的影響。

圖8　水位高度對(duì)鈹去除效率和凈化后廢氣絕對(duì)濕度的影響Fig.8　Influence　of　water　level　on　beryllium　removal efficiency　and　absolute　humidity.

圖8表明，當(dāng)塔內(nèi)水位增加時(shí)，設(shè)備的除鈹效率增加，而當(dāng)塔內(nèi)水位達(dá)到40cm時(shí)，除鈹效率增長趨緩。當(dāng)塔內(nèi)水位增加時(shí)，微孔網(wǎng)板上泡沫層的高度增加，小水滴的數(shù)量增加，氣液的接觸面積增大，氣液接觸更為充分，從而使設(shè)備的除鈹效率增加。而當(dāng)進(jìn)一步升高塔內(nèi)水位時(shí)，盡管水滴對(duì)含鈹塵粒的捕集效率增加，但是由于此時(shí)凈化后氣體的絕對(duì)濕度快速增加，而氣體中夾帶的水滴溶解部分含鈹顆粒物造成設(shè)備的除鈹效率增長趨緩。另一方面，凈化后氣體絕對(duì)濕度的增加造成設(shè)備耗水量增加，使設(shè)備運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性變差。因此在超聲波增濕泡沫捕捉塔的實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場工況選擇合適的塔內(nèi)水位，以實(shí)現(xiàn)較高的除塵效率、較低的耗水量，使其運(yùn)行成本更為經(jīng)濟(jì)。

4　結(jié)語

超聲波增濕撞擊流泡沫捕捉塔具有優(yōu)良的含鈹廢氣處理效果，其除鈹性能主要受到霧化量、超聲波加濕器安裝距離、含鈹顆粒物粒徑、含鈹顆粒物濃度及空氣流速的影響，具體為：1）超聲波增濕的霧化加濕量增加有利于除鈹效率的提高，但加濕量過高會(huì)引起凈化后廢氣絕對(duì)濕度的增加；2）超聲波加濕器距離泡沫塔的距離在3m以上方能實(shí)現(xiàn)對(duì)含鈹廢氣的有效加濕，提高除鈹效率；3）含鈹顆粒物的粒徑大于0.4μm時(shí)，除鈹效率顯著增加，而小于0.4μm時(shí)，顯著減小；4）含鈹顆粒物濃度的增加有利于超聲波增濕撞擊流泡沫捕捉塔除鈹效率的提高；5）一定范圍內(nèi)增加空氣流速，有利于除鈹效率的提高，但當(dāng)空氣流速超過12m·s-1時(shí)，除鈹效率增加緩慢，反而使凈化后廢氣的絕對(duì)濕度快速增加；6）在進(jìn)氣氣速為12m·s-1時(shí)，獲得較高的除鈹效率、較低的凈化后氣體的絕對(duì)濕度的塔內(nèi)最佳水位為40cm。在超聲波增濕撞擊流泡沫捕捉塔的實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況調(diào)節(jié)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，以滿足TMSR含鈹廢氣處理需求。

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收稿日期：2015-10-08，修回日期：2015-11-02

Correspondingauthor:LIYulan，E-mail:lyl@sinap.ac.cn

通信作者：李玉蘭，E-mail:lyl@sinap.ac.cn

DOI:10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.010604

中圖分類號(hào)TL426