張軍亞 李海英 劉紹謙 張妍妍 路 靈 劉吉愷

(1.華北理工大學冶金與能源學院,河北 唐山 063210;2.山東華宇工學院能源與建筑工程學院,山東 德州 253034)

鋼鐵行業(yè)作為我國傳統(tǒng)工業(yè)具有規(guī)模大、產量高的特點。近年來,我國的鋼鐵產量已超過10億t。鋼鐵生產過程中轉爐、高爐、燒結等工序產生大量以細顆粒物(PM2.5)、可吸入顆粒物(PM10)為主的微細粉塵,對大氣環(huán)境造成了嚴重的影響。這些微細粉塵比表面積高,易吸附重金屬、多環(huán)芳烴等有害成分;體積小,易隨呼吸進入身體,對人類健康產生很大危害[1-3]。當前捕集鋼鐵微細粉塵主要采用布袋、靜電除塵器等除塵設備,綜合捕集效率可達99.5%,但對PM2.5的捕集效率較低[4]。為能有效去除微細粉塵,在除塵設備前安裝預處理裝置,使微細粉塵在物理、化學作用下團聚形成較大顆粒,可大大提高微細粉塵去除效率。

當前在我國鋼鐵生產中采用煙氣預處理技術去除微細粉塵還少有研究,該技術主要在化工、火力發(fā)電等方面進行了應用研究,如聲波團聚、蒸汽相變(液化冷凝)團聚、化學團聚、擾流團聚等技術[5-8]。其中,化學團聚和擾流團聚技術由于成本低、安裝方便、系統(tǒng)可靠性高等優(yōu)點,近年來受到廣泛關注[9]。化學團聚技術指通過噴灑團聚劑液滴促進對粉塵顆粒的捕捉與黏附的技術。擾流團聚是指顆粒在擾流流場中由于速度和運動軌跡的不同而發(fā)生碰撞團聚的現象。HU等[10]采用密度泛函理論探究水、果膠和海藻酸鈉與粉塵顆粒組成的各種團聚體作用機理,證實了團聚劑對靜電場除塵有明顯的促進作用。LIU等[11]探究了高分子團聚劑對微細粉塵去除效果的影響,發(fā)現高分子團聚劑使粉塵顆粒的峰值粒徑增加到原來的4倍以上。GUO等[12]通過實驗證明了兩種不同的化學團聚溶液具有協同作用,混合團聚劑的捕集效率高于單獨團聚劑。申奧等[13]通過數值模擬發(fā)現,擾流柱可影響團聚室中的流場分布,從而達到粉塵團聚的效果。王國昌等[14]通過模擬探究了擾流柱形狀對流場擾動效果的影響,發(fā)現“V”形擾流柱對流場的擾動效果好。

為更好提高微細粉塵的捕捉效率,協同團聚[15]技術越來越受到關注。因此,本研究針對轉爐煙氣的微細粉塵,探索研究化學團聚與擾流團聚協同作用對煙氣中微細粉塵的去除效果。

1 實驗方法

1.1 實驗裝置及過程

粉塵團聚實驗裝置如圖1所示?？諝饨涱A熱器加熱至(100±10) ℃進入鼓風機,攜帶著給粉機的灰塵進入緩沖罐攪拌,微細粉塵和空氣混合形成的氣溶膠進入團聚室,在團聚劑液滴的黏附和渦流擾動的共同作用下微細粉塵團聚形成較大顆粒。團聚室的末尾處設有煙氣采樣器,采集樣品通過激光粒度分析儀(Mastersizer2000)檢測,其余廢液流入專門的收集裝置。由于煙氣流速不同,氣溶膠總體質量濃度為200～300 mg/m3。團聚室(1 000 mm×200 mm×200 mm)為棱柱結構,內部的圓形擾流柱直徑為40 mm,“V”形擾流柱邊長為35 mm、夾角為90°,兩種擾流柱交錯排列。在距離頂部50 mm處設置噴霧系統(tǒng),霧化壓力為0.5 MPa,霧滴直徑≤30 μm,其兩側為不銹鋼材質的錐形進出口。

所有數據均為環(huán)境條件下穩(wěn)定運行3次的平均值,并根據團聚前后粉塵的體積分數計算相應的捕集效率。

1.2 實驗材料

實驗用微細粉塵取自唐山某鋼廠轉爐干法除塵系統(tǒng)。

團聚劑:黃原膠(XTG)與魔芋膠(KGM)復配溶液黏度較高[16],通過單一化學團聚實驗選取了效果較好的復配比(XTG、KGM質量比為3∶7)。另外,為增加溶液對粉塵的潤濕效果,以0.5 g/L十二烷基硫酸鈉為濕潤劑。

2 結果與分析

2.1 轉爐粉塵特性分析

轉爐煙氣粉塵主要來自3個方面:(1)鋼鐵冶煉過程中向熔池吹氧,發(fā)生各種化學反應,由于此時溫度較高,會使一部分鐵及鐵氧化物蒸發(fā),形成煙氣;(2)噴射和噴濺會使爐氣中攜帶一些固態(tài)物質,組成轉爐粉塵;(3)下料過程中的一些粉末、灰塵(如白灰、白云石、螢石等)也會隨爐氣進入煙氣,形成轉爐粉塵。原始粉塵粒徑分布如圖2所示。微細粉塵粒徑主要分布在0～60 μm,呈單峰分布;峰值粒徑是10.74 μm,占比為5.24%;PM2.5、PM10的體積分數分別為22.54%、61.10%。

圖2 原始粉塵粒徑分布Fig.2 Distribution diagram of original dust particle size

2.2 擾流柱縱向距離對團聚效果的影響

單一團聚實驗發(fā)現:當擾流柱橫向距離為6 cm、團聚劑質量濃度為1.00 g/L、煙氣流速為10 m/s時,微細粉塵的捕集效率較高。沒有額外說明變量,協同團聚實驗以此為基礎進行。調節(jié)擾流柱縱向距離為6～10 cm,縱向距離對微細粉塵捕集效率的影響如圖3所示。隨著擾流柱縱向距離的增大,PM2.5和PM10的捕集效率呈先增后減的趨勢,當縱向距離為8 cm時,PM2.5、PM10捕集效率最高,分別為86.47%、91.28%。分析原因:縱向距離影響著擾流柱產生的旋渦強度。當縱向距離較短時,擾流柱布置較緊湊,擾流柱后面的旋渦結構會被其后的擾流柱破壞,氣流擾動只存在擾流柱周圍,擾流柱下游擾動強度較弱,不利于粉塵間的碰撞;當縱向距離較長時,擾流柱后面的旋渦結構強度會削弱,使前后兩個擾流柱產生的旋渦結構還未發(fā)生耦合作用,便已消散,導致碰撞效率降低[17]38。之后實驗控制擾流柱的縱向距離為8 cm。

圖3 縱向距離對微細粉塵捕集效率的影響Fig.3 The effect of longitudinal distance on the capture efficiency of fine dust

2.3 擾流柱橫向距離對團聚效果的影響

調節(jié)橫向距離為3～8 cm,橫向距離對微細粉塵的捕集效率的影響如圖4所示。隨著擾流柱橫向距離的增加,微細粉塵的捕集效率先增后減,當擾流柱橫向距離為6 cm時,微細粉塵的捕集效率達到最高。分析原因:較小的橫向距離會使同一水平的兩個擾流柱后的旋渦結構發(fā)生干擾,擾流柱周圍的氣流速度突變,下游的擾動強度較低,不利于粉塵顆粒和團聚劑液滴的卷吸、碰撞;當橫向距離較大時,兩個“V”形擾流柱緊靠團聚室壁面,大量微細粉塵從擾流柱中間逸出,使粉塵與液滴碰撞效率較低,影響團聚效果[17]39。

圖4 橫向距離對微細粉塵捕集效率的影響Fig.4 The effect of transverse distance on the capture efficiency of fine dust

2.4 煙氣流速對團聚效果的影響

控制煙氣流速為6～12 m/s,煙氣流速對微細粉塵捕集效率的影響如圖5所示。隨著煙氣流速增加,微細粉塵的捕集效率先增后減,當煙氣流速為9 m/s時,PM2.5和PM10的捕集效率分別達到88.69%、93.32%。分析原因:隨著煙氣流速的增加,流場內的液滴與顆粒速度增加,速度梯度也增加,而且流場中的雷諾數增加,擾流強度增大,使得擾流團聚核函數增加,促進粉塵顆粒與團聚劑液滴的碰撞,從而提升粉塵的團聚效果[18]。但過大的煙氣流速,使團聚室內的粉塵顆粒與液滴停留時間縮短,導致許多粉塵和液滴還未充分接觸,就已隨主流排出,最終使粉塵的團聚效果降低[19]。之后實驗控制煙氣流速為9 m/s。

圖5 煙氣流速對微細粉塵捕集效率的影響Fig.5 The effect of smoke velocity on the capture efficiency of fine dust

2.5 團聚劑濃度對團聚效果的影響

控制團聚劑質量濃度為0.50～1.50 g/L,團聚劑質量濃度對微細粉塵捕集效率的影響如圖6所示。隨著團聚劑濃度的增大,PM2.5和PM10的捕集效率先升后降。分析原因:當團聚劑濃度較低時,溶液中的團聚劑分子少,黏度也低,不利于對粉塵的黏附與捕捉,團聚劑濃度過高,導致溶液黏度和分子間作用力增加,不利于團聚溶液霧化[20];另外,隨著溶液中團聚劑分子的數量迅速增加,聚合物分子數量對碰撞概率的影響相應減弱,而且較多的團聚劑分子的吸附位點會相互吸附,不利于對粉塵的捕捉[21]。

圖6 團聚劑質量濃度對微細粉塵捕集效率的影響Fig.6 The effect of agglomeration agent mass concentration on the capture efficiency of fine dust

2.6 微細粉塵的團聚效果

微細粉塵在協同團聚的流場中主要依靠擾流柱的擾動作用和化學團聚劑的黏附碰撞作用。為探究這些因素對微細粉塵的捕集效果,分析化學、擾流、協同團聚作用后微細粉塵的粒徑分布情況。經過擾流、化學、協同團聚技術處理后,微細粉塵粒徑的峰值從10.74 μm分別提高到28.25、85.32、220.41 μm(見圖7);PM2.5的捕集效率分別達到30.88%、51.46%和88.69%,PM10的捕集效率分別達到34.53%、53.13%和93.32%。在擾流團聚過程中,粉塵顆粒隨氣流通過擾流柱時,較小的顆粒很快通過動量傳遞并獲得動量,較大的顆粒具有較長的弛豫時間,顆粒的速度變化率增加,發(fā)生相對運動,從而依靠較薄弱的范德華力發(fā)生團聚,但團聚較松散。在化學團聚過程中,粉塵顆粒會與化學團聚劑液滴在短時間內碰撞,很快兩者會流速一致,從而導致團聚劑液滴對粉塵的捕集效果較差。協同團聚過程彌補了兩者的不足之處。擾流裝置與團聚劑液滴間的相互作用對于微細粉塵的碰撞與團聚發(fā)揮耦合作用。

圖7 不同團聚技術對粉塵的作用效果Fig.7 Effect of different agglomeration technologies on dust

通過掃描電鏡觀察不同團聚作用后粉塵表面變化,結果如圖8所示。團聚前的粉塵顆粒大多為表面光滑的球形,較大顆粒間的黏結幾乎沒有,只有部分粒徑小于1 μm的顆粒間發(fā)生吸附。經過擾流作用后,顆粒間依靠分子間作用力進行吸附,顆粒間的黏附有了明顯的增加,一些大顆粒表面吸附了一些小的顆粒,但此時結構也較松散。小于1 μm的粉塵顆粒在鏈狀團聚劑的捕捉作用下,大量黏附在較大顆粒表面,形成的結構也較牢固。協同團聚后,可看到許多吸附了大量粉塵顆粒的絡合結構,形成結構牢固的體積較大的團聚體。

圖8 不同團聚作用下微細粉塵的電鏡圖像Fig.8 SEM of fine dust under different agglomeration

3 結 論

(1) 擾流柱的縱向距離和橫向距離分別影響著流場中的渦流強度和流速分布。距離過大或過小,都會使渦流強度較弱,不利于粉塵顆粒與團聚劑液滴的碰撞。當縱向距離為8 cm、橫向距離為6 cm時,擾流柱周圍氣流速度大,粉塵團聚效果最優(yōu)。

(2) 煙氣流速的增加會使粉塵顆粒與液滴相對速度增加,流場中的擾動增加,但煙氣流速過高,會使粒子在流場中的停留反應時間縮短,最終得出最佳煙氣流速為9 m/s。

(3) 隨著團聚劑濃度的增加,粉塵的捕集效率不斷增大,但超過1.00 g/L時,溶液的霧化效果降低,對粉塵的捕捉效果也會降低,最優(yōu)條件下得出PM2.5和PM10的捕集效率分別為88.69%和93.32%。

(4) 在化學與擾流協同團聚過程中,擾流裝置中的微細粉塵與團聚劑液滴間的相互作用對于微細粉塵的團聚和生長中起著重要作用。協同團聚可明顯提高微細粉塵的團聚效果。