郭林雅，祁貴生，劉有智

(中北大學(xué)超重力化工過程山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西省超重力化工工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030051)

隨著我國工業(yè)化發(fā)展速度的不斷加快，空氣中粉塵含量明顯增加。粉塵顆粒粒徑較小，易于富集有機(jī)污染物、細(xì)菌與病毒等[1-3]，對人體健康造成嚴(yán)重的危害。而且，大量粉塵懸浮于空氣中，降低大氣能見度，污染大氣環(huán)境。其中，工業(yè)鍋爐是重要的大氣污染源，其所用的燃料種類不統(tǒng)一，燃料成分不同，燃燒產(chǎn)生的煙氣特性、排放物所含物質(zhì)差別較大。因此，對工業(yè)鍋爐進(jìn)行除塵凈化時(shí)，需要充分考慮粉塵顆粒物性，以便于對除塵器進(jìn)行選擇。

目前，我國工業(yè)鍋爐除塵設(shè)備以水膜除塵器[4]和旋風(fēng)除塵器[5]為主。工業(yè)鍋爐燃燒產(chǎn)生的粉塵顆粒大小不一，粒徑范圍極大，采用傳統(tǒng)的水膜除塵器已無法將煙氣洗滌干凈，煙塵出口排放嚴(yán)重超標(biāo)。同樣的，旋風(fēng)除塵器除塵效果也受粉塵顆粒密度的影響，粉塵顆粒密度越大，通過氣體時(shí)的速度也會增大，從而除塵效率得以提高，相反，則會降低。但旋風(fēng)除塵器也只能除去粒徑大于10μm的粉塵，對于細(xì)顆粒粉塵的去除率很低。要達(dá)到國家要求，就需要與除塵效果較好的除塵器相結(jié)合，如文丘里除塵器、袋式除塵器和靜電除塵器，但是會出現(xiàn)設(shè)備的耗能過大、卸灰時(shí)出現(xiàn)二次揚(yáng)塵、一次性投資大等問題[6-10]。因此，需要尋找一種綜合性能較高的除塵設(shè)備以實(shí)現(xiàn)工業(yè)鍋爐粉塵的達(dá)標(biāo)排放。

超重力旋轉(zhuǎn)填料床 (RPB)將機(jī)械旋轉(zhuǎn)碰撞、離心沉降、液滴捕捉等多種除塵機(jī)制集于一體[11]，是一種新型的高效除塵設(shè)備[12]，具有以下特點(diǎn):粉塵脫除效率高、設(shè)備體積和重量極大的縮小、易于操作、能夠?qū)崿F(xiàn)物料快速而均勻的微觀混合等。張艷輝等[13]，宋云華等[14]，柳巍[15]，付加[16]等均采用燃煤飛灰模擬工業(yè)粉塵，研究了氣量、液量和超重力因子等對超重力濕法除塵效率的影響規(guī)律，在最適條件下，除塵效率均可高于96%。但是，以上研究只是局限于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模下各操作參數(shù)對除塵效率的影響，對粉塵的物性沒有做充分分析。而且，實(shí)驗(yàn)粉塵多數(shù)為模擬粉塵，與實(shí)際粉塵有一定的差距。因此，本實(shí)驗(yàn)在企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場側(cè)線搭建實(shí)驗(yàn)平臺，考察超重力濕法脫除實(shí)際工業(yè)鍋爐粉塵的性能，并綜合考慮粉塵顆粒粒徑、有效密度和潤濕性三個(gè)特性的影響。濕法除塵中，水對粉塵的潤濕性也是選擇除塵設(shè)備的主要依據(jù)之一。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用的除塵設(shè)備是填料為塑料鮑爾環(huán)的錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)填料床，其具體參數(shù)見表1；實(shí)驗(yàn)粉塵為取自不同化工廠的吹風(fēng)氣鍋爐粉塵和生物質(zhì)鍋爐粉塵。

粉塵進(jìn)入超重機(jī)前，對顆粒物性進(jìn)行測定:粉塵粒徑分布的測定選用的是BT-2002型激光粒度分布儀；通過水對試管中粉塵的浸潤速度u20來表征粉塵的潤濕性，u20是判定粉塵潤濕性能的指標(biāo)，其值的大小可將粉塵分為4類，如表2所示[17]；粉塵的有效密度參照粉塵物性試驗(yàn)方法 (GB/T 16913-2008)中比重瓶法測定。

表1 錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)填料床設(shè)備尺寸表

實(shí)驗(yàn)中操作變量的取值為超重力因子40～170，氣量 125～475m3/h，液量 0.2～1.1m3/h。 粉塵入口濃度在150～200mg/m3之間，是采用TFC-30s雙通道粉塵采樣儀對旋轉(zhuǎn)填料床進(jìn)口粉塵進(jìn)行采樣，根據(jù)濾膜捕集到的粉塵質(zhì)量和采樣體積計(jì)算得到，此方法也應(yīng)用于總除塵效率的測定?？偝龎m效率表示在同一時(shí)間內(nèi)除塵器捕集的塵量與進(jìn)入裝置的塵量之比，常用的計(jì)算公式如式(1)[18]。

式中:η為除塵效率，%；Ci、Co分別為旋轉(zhuǎn)填料床入口、出口粉塵質(zhì)量濃度，g/m3。

表2 粉塵對水的潤濕性

1.2 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)是在企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場側(cè)線搭建超重力濕法除塵平臺，研究其對工業(yè)鍋爐粉塵的脫除能力，工藝流程圖如圖1所示。工廠中水膜除塵器預(yù)處理后的含塵氣體在鼓風(fēng)機(jī)形成的壓差推動(dòng)力下進(jìn)入氣體管路中，之后經(jīng)氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量進(jìn)入旋轉(zhuǎn)填料床。水經(jīng)泵輸送至旋轉(zhuǎn)填料床，被高速旋轉(zhuǎn)的填料切割為尺度很小的液滴、液膜等液體微元，捕集塵粒后排入水槽中循環(huán)使用。期間，自下而上流動(dòng)的氣體與由填料內(nèi)緣向外緣沿徑向運(yùn)動(dòng)的液體錯(cuò)流接觸。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速由變頻器調(diào)節(jié)。

圖1 超重力濕法脫除工業(yè)鍋爐粉塵工藝流程圖

2 結(jié)果與討論

2.1 粉塵顆粒物性參數(shù)對比

實(shí)驗(yàn)測得吹風(fēng)氣鍋爐粉塵(樣品1)和生物質(zhì)鍋爐粉塵(樣品2)的有效密度、潤濕性列于表3，粒徑分布圖分別為圖2和圖3。

表3 粉塵物性參數(shù)表

圖2 吹風(fēng)氣鍋爐粉塵粒徑分布圖

圖3 生物質(zhì)鍋爐粉塵粒徑分布圖

從以上三個(gè)角度對樣品1和樣品2進(jìn)行分析可知:樣品1的粒徑較大且分布較廣，主要集中在1.15～151.54μm 之間，平均粒徑為 46.95μm，而樣品2主要分布在小粒徑(1～6μm)范圍內(nèi)，平均粒徑為2.73μm；樣品2的有效密度低于樣品1，約69.53%；樣品1屬于親水性粉塵，樣品2屬于憎水性粉塵。綜合來看，兩種粉塵的物性差異較大，在顆粒特性的研究方面具有一定的代表性，而且針對傳統(tǒng)的濕法除塵技術(shù)，粒徑、有效密度大、具有親水性的樣品1相對容易被脫除，樣品2很難脫除。

2.2 除塵效率的對比

2.2.1 超重力因子對除塵效率的影響

固定氣量300m3/h，液量0.3m3/h，分別考察超重力因子β對吹風(fēng)氣鍋爐粉塵和生物質(zhì)鍋爐粉塵的脫除效率的影響，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，除塵效率隨超重力因子的增加均呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢。超重力因子增大，一方面液體被剪切的程度增強(qiáng)，氣液相界面快速更新，相界比表面積增大，另一方面，粉塵顆粒在逐漸變大的離心力作用下，與液體發(fā)生慣性碰撞的幾率變大，所以粉塵脫除效率提高。而隨著超重力因子β持續(xù)增大，液體在填料孔道中的停留時(shí)間變短，氣液兩相接觸不充分，除塵效率稍有下降。

圖4 超重力因子對粉塵脫除效率的影響

對比發(fā)現(xiàn)，超重力因子相同時(shí)，吹風(fēng)氣鍋爐粉塵的脫除效率高于生物質(zhì)鍋爐粉塵，這可能是因?yàn)槌亓σ蜃拥拇笮∮绊懙椒蹓m進(jìn)入旋轉(zhuǎn)填料床內(nèi)所具有的動(dòng)能的大小。動(dòng)能越大，粉塵顆粒一方面易與旋轉(zhuǎn)填料床殼體發(fā)生碰撞，進(jìn)入殼體底部排出，一方面容易與氣體分離，進(jìn)入填料內(nèi)彎彎曲曲的孔道，被過濾、阻塞而脫除。粉塵顆粒速度同旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)速，質(zhì)量成為影響動(dòng)能的主要因素。由2.1節(jié)可知，吹風(fēng)氣鍋爐粉塵有效密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于生物質(zhì)鍋爐粉塵，所以吹風(fēng)氣鍋爐粉塵脫除效率較高。但兩者的脫除效率相差不大，超重力因子為127.12時(shí)，脫除效率分別為86.67%、83.69%。可見，超重力設(shè)備中獨(dú)特的填料高速旋轉(zhuǎn)模式，削弱了粉塵有效密度對除塵效果的影響，粉塵受到的離心力在除塵過程中起到了關(guān)鍵作用。

2.2.2 氣量對除塵效率的影響

固定液量為0.5m3/h，超重力因子為127.12，考察氣量對吹風(fēng)氣鍋爐粉塵和生物質(zhì)鍋爐粉塵脫除效率的影響，結(jié)果如圖5所示。由圖可知，隨著氣量的增加，除塵效率呈先升高后降低的變化趨勢。氣量增大，液量保持不變，氣液相間擾動(dòng)作用增強(qiáng)，氣液湍動(dòng)程度加劇，有利于提高液滴與粉塵顆粒發(fā)生碰撞的概率和強(qiáng)度[19]。同時(shí)，粉塵顆粒易被潤濕，除塵效率增大[20]。而當(dāng)氣量超過最佳值后，氣體停留時(shí)間變短，與液體未完全接觸便從氣體出口排出，導(dǎo)致除塵效率降低。

同樣的，相同氣量下，吹風(fēng)氣鍋爐粉塵的除塵效率高于生物質(zhì)鍋爐粉塵。生物質(zhì)鍋爐粉塵粒徑和有效密度小，氣量過大會使粉塵顆粒隨氣體沿填料縫隙穿過床層而不與液體接觸，所以脫除效率較低，而且最適宜氣量較低，為300m3/h，脫除吹風(fēng)氣鍋爐粉塵的最適宜氣量為400m3/h。

圖5 氣量對粉塵脫除效率的影響

2.2.3 液量對除塵效率的影響

固定氣量為各自的最佳值，超重力因子為127.12，考察液量對吹風(fēng)氣鍋爐粉塵和生物質(zhì)鍋爐粉塵脫除效率的影響，結(jié)果見圖6。液量增加，除塵效率呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢。這是因?yàn)橐毫吭龃螅瑔挝惑w積填料含有的液滴數(shù)目變多，也就是增大了填料持液量[21]，液體在填料中被分散后，用于捕集粉塵的液滴和液膜總數(shù)變大，除塵效率提高。而液量過大，填料表面液膜較厚，填料高速旋轉(zhuǎn)作用下生成的液滴尺寸較小，并且相界面更新速率減慢，除塵效率下降。因此，在脫除吹風(fēng)氣粉塵和生物質(zhì)鍋爐粉塵時(shí)，存在最適宜液量，分別為0.55m3/h、0.90m3/h。另外可以發(fā)現(xiàn)，相同除塵效率情況下，生物質(zhì)粉塵耗液量較大。這可能是因?yàn)樯镔|(zhì)粉塵的浸潤性較差，液滴與粉塵顆粒碰撞時(shí)不易被浸潤、包裹，需要更多的液滴與粉塵顆粒作用才能被捕獲，耗液量相對變大。

圖6 液量對粉塵脫除效率的影響

3 除塵效率經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)

據(jù)式(2)、(3)對吹風(fēng)氣鍋爐粉塵和生物質(zhì)鍋爐粉塵的η值進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)，即:

式中，A1，A2，a1，b1，c1，a2，b2，c2為待定系數(shù)，A1、A2包括了超重力裝置結(jié)構(gòu)、填料結(jié)構(gòu)和介質(zhì)特性等影響。通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合，得到本實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi)η與超重力因子β、氣量G和液量L等操作參數(shù)的關(guān)聯(lián)式，式(4)、(5)。

將不同條件下η的實(shí)驗(yàn)值和理論值進(jìn)行了對比，其最大誤差均小于15%，相關(guān)性較好。因此，擬合得到的關(guān)聯(lián)式可以用來反映兩種工業(yè)鍋爐粉塵的脫除效果。

4 結(jié)論

本文以吹風(fēng)氣鍋爐粉塵和生物質(zhì)鍋爐粉塵為實(shí)驗(yàn)粉塵，表征了粉塵的粒徑、有效密度和潤濕性，并對比研究了超重力濕法除塵技術(shù)脫除兩種粉塵時(shí)，除塵效率隨超重力因子、液量、氣量的影響規(guī)律，分別獲得了各自的最佳操作條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:

（1）吹風(fēng)氣鍋爐粉塵和生物質(zhì)鍋爐粉塵的物性差別較大，吹風(fēng)氣鍋爐粉塵更適用于濕法除塵技術(shù)。

①粉塵粒徑:樣品1粒徑大、分布較廣:平均粒徑為 46.95μm，主要分布在 1.15～151.54μm 之間；樣品2粉塵粒徑小、分布集中:平均粒徑2.73μm，分布在 1～6μm 之間。

②有效密度:樣品1為2120kg/m3，高于樣品2的 365.6kg/m3，約 69.53%。

③潤濕性:樣品1為親水性粉塵，樣品2為憎水性粉塵。

（2）吹風(fēng)氣鍋爐粉塵和生物質(zhì)鍋爐粉塵的脫除效率隨超重力因子、液量和氣量的變化規(guī)律相似，均呈現(xiàn)出先增大后下降的趨勢，最適宜操作條件分別為:超重力因子 127.12，氣量 400m3/h、300m3/h，液量 0.55m3/h、0.90m3/h。

（3）相同操作條件下，吹風(fēng)氣鍋爐粉塵脫除效率高于生物質(zhì)鍋爐粉塵，但兩種粉塵的除塵效率最高可分別達(dá)到91.48%、90.23%?？梢姡亓穹ǔ龎m技術(shù)受粉塵物性參數(shù)的限制較小，對粉塵的適用性強(qiáng)，應(yīng)用前景廣闊。

（4）通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸，得到了以上兩種工業(yè)鍋爐粉塵的脫除效率η的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，平均計(jì)算誤差在15%以內(nèi)，擬合度良好，可為除塵過程中操作參數(shù)的優(yōu)化提供一定的指導(dǎo)。