潤濕劑強(qiáng)化水力噴射空氣旋流器濕法脫除細(xì)顆粒物

夏 珍，楊德全，程治良，王 森，程 杰

(重慶理工大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院， 重慶 400054)

近年來，我國持續(xù)出現(xiàn)的霧霾天氣，引起了人們對粉塵污染，尤其是空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于2.5 μm的細(xì)顆粒物(PM2.5)污染的極大關(guān)注[1]。這些懸浮的PM2.5顆粒易于富集有毒重金屬、有機(jī)污染物和酸性氧化物對人體和環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重危害[2-3]。目前，我國以燃煤為主的能源結(jié)構(gòu)使得燃煤煙氣粉塵排放成為PM2.5主要來源，另外，煤炭轉(zhuǎn)化、冶金、建材、化肥、石化等重型過程工業(yè)以及汽車尾氣的排放也是PM2.5的重要來源[4]，因此現(xiàn)階段對粉塵，尤其是PM2.5進(jìn)行源頭治理具有重要意義。

傳統(tǒng)的除塵設(shè)備主要有重力除塵器、靜電除塵器、袋式除塵器和旋風(fēng)分離器等，但由于PM2.5的屬性主要表現(xiàn)為亞微米甚至納米特性，并具有磁偶極子特性[5]，使得其與氣體很難分離，傳統(tǒng)的除塵設(shè)備對PM2.5的去除效果很差[6]。為此，國內(nèi)外廣泛開展了脫除PM2.5的新技術(shù)研究，發(fā)現(xiàn)濕法與靜電除塵耦合的處理技術(shù)在處理PM2.5方面效果較好，主要有Wet-ESP(wet electrostatic precipitation)技術(shù)[7-8]、填料洗滌塔與靜電除塵耦合技術(shù)[9]，蒸汽相變與靜電除塵耦合技術(shù)等[10-11]。然而，這類濕法靜電耦合技術(shù)存在設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、處理和運(yùn)行成本偏高、維護(hù)困難等問題。為了降低處理成本，有學(xué)者研發(fā)了廢水交叉流陣列的PM2.5處理系統(tǒng)，達(dá)到了與Wet-ESP同樣的分離效果[12-13]。為了進(jìn)一步強(qiáng)化濕法除塵效果，學(xué)者們研發(fā)了超重力濕法除塵設(shè)備，主要有動(dòng)態(tài)超重力設(shè)備旋轉(zhuǎn)填充床[14-15]和本課題組研發(fā)的靜態(tài)超重力設(shè)備水力噴射空氣旋流器(WSA)[16]。

前期研究表明：雖然水力噴射空氣旋流器在除塵方面取得了良好效果，但對1.8 μm以下的細(xì)顆粒物脫除效果較差[16]。有報(bào)道表明：研究在液相中添加潤濕劑，增加液相對粉塵的潤濕性，可顯著提高對細(xì)顆粒物的捕集[17-18]。本工作以燃煤電廠粉煤灰為模型污染物，通過添加十二烷基苯磺酸鈉、十二烷基硫酸鈉、曲拉通X-100等4種不同潤濕劑對水力噴射空氣旋流器捕集脫除細(xì)顆粒物影響，并對捕集前后的細(xì)顆粒物的形貌和粒徑分布進(jìn)行分析，以期建立高效濕法除塵新體系。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 細(xì)顆粒物樣品

本實(shí)驗(yàn)采用的模擬細(xì)粒物粉煤灰取自重慶合川某燃煤電廠。實(shí)驗(yàn)前將粉煤灰樣品放入105 ℃的烘箱中干燥12 h以上，在干燥器中冷卻至室溫后采用行星式球磨機(jī)(QM-3SP4型，南京大學(xué)儀器廠)進(jìn)行球磨處理2 h，混勻后貯存?zhèn)溆茫⒉捎肂ettersize 2000激光粒度分布儀(丹東市百特儀器有限公司)對樣品的粒徑分布進(jìn)行測量，結(jié)果如表1所示。處理后的模擬細(xì)顆粒物樣品中位徑D50為1.637 μm，PM2.5的含量為66.44%左右。

表1 實(shí)驗(yàn)用模擬細(xì)顆粒物的粒徑分布

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

參照前期WSA的結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果[19-20]，實(shí)驗(yàn)中采用的水力噴射空氣旋流器的噴孔設(shè)置為正方形排列方式，孔徑為2 mm，每層均勻排布噴孔16個(gè)，共6層，噴孔間距為15.6 mm，側(cè)壁開孔區(qū)長度應(yīng)占中心排氣管長度的78%，其他幾何尺寸如表2所示。整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由WSA、文丘里管、貯液槽、流化床式粉塵發(fā)生器、風(fēng)機(jī)、循環(huán)泵，氣液分離器以及粉塵采樣器等組成，如圖1所示。為了讓粉塵與進(jìn)口氣體混合均勻，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)制作了一套小型流化床粉塵發(fā)生器[16]。實(shí)驗(yàn)前先將一定量的粉煤灰加入粉塵發(fā)生器，然后將其連接在除塵裝置上。為了使其內(nèi)部粉塵呈現(xiàn)出較好的流態(tài)化狀態(tài)，在其底部的進(jìn)氣口處從風(fēng)機(jī)出口處引入一股空氣，在空氣流動(dòng)的作用下，粉煤灰經(jīng)過流化床的頂部出口，通過文丘里管的吸力與實(shí)驗(yàn)裝置氣相進(jìn)口主路匯合形成混合均勻的含塵氣體。

1.氣泵; 2.閥門; 3.轉(zhuǎn)子流量計(jì); 4.文丘里管; 5.流化床粉塵發(fā)生器; 6.WSA; 7.貯液槽; 8.循環(huán)泵; 9.檔板式氣液分離器; 10. 柱狀分離器; 11.濾膜式粉塵采樣盒; 12.粉塵采樣器

表2 水力噴射空氣旋流器的幾何尺寸參數(shù)

1.3 實(shí)驗(yàn)過程及方法

實(shí)驗(yàn)前，首先稱取50 g的經(jīng)過球磨后的粉煤灰樣品(粒徑分布如表1所示)，將其加入至流化床粉塵發(fā)生器中，關(guān)閉粉塵發(fā)生器進(jìn)出口閥門。在貯液槽中加入5.5 L自來水，并稱取一定量不同潤濕劑，將其與少量自來水混合后也加入至貯液槽內(nèi)。開啟風(fēng)機(jī)與循環(huán)水泵，將液相射流速度(ul)和進(jìn)口氣速(ug)調(diào)節(jié)至預(yù)設(shè)值，并同時(shí)調(diào)節(jié)WSA底部閥門，使液相在其底部形成一定高度的液封，以保證含塵氣體主要由中心排氣管排出。當(dāng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行5 min后打開流化床粉塵發(fā)生器進(jìn)出口閥門，同時(shí)開始計(jì)時(shí)，使用型號為THF-30S的雙路粉塵采樣器采集出口氣體中粉塵質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)采用間歇式操作方式，單次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行10 min，采集的實(shí)驗(yàn)樣品經(jīng)烘干后使用電子天秤稱其質(zhì)量，每次實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次以上，結(jié)果取多次測量的平均值。實(shí)驗(yàn)考查十二烷基硫酸鈉、曲拉通X-100、十二烷基苯磺酸鈉等4種潤濕劑對粉塵去除率的影響，并捕集前后粉塵的粒徑分布和形貌進(jìn)行分析。

1.4 WSA總除塵效率的計(jì)算

除塵率是衡量WSA除塵性能最重要的技術(shù)指標(biāo)，本工作采用測量WSA中粉塵的進(jìn)出總質(zhì)量來計(jì)算其除塵率，其計(jì)算公式如式(1)所示。

式中:R為除塵總效率(%)；min為經(jīng)過粉塵發(fā)生器進(jìn)入WSA的粉塵總質(zhì)量(g)；mout為經(jīng)過實(shí)驗(yàn)裝置尾氣管排出的粉塵總質(zhì)量(g)。min與mout的計(jì)算方式分別如式(2)(3)所示。

min=m0-m1

(2)

其中: m0為粉塵發(fā)生器內(nèi)初始粉塵質(zhì)量(g)； m1為實(shí)驗(yàn)后粉塵發(fā)生器內(nèi)的粉塵剩余質(zhì)量(g)； m2為實(shí)驗(yàn)過程中在出口處采樣器中的粉塵質(zhì)量(g)； Vtotal為實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)入實(shí)驗(yàn)裝置的氣體總體積(m3)； Vi為實(shí)驗(yàn)過程中在出口處經(jīng)過粉塵采樣器的氣體總體積(m3)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 潤濕劑水溶液的表面張力分析

為了探索潤濕劑對水的表面張力的影響，研究了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的7種不同種類潤濕劑溶液表面張力的變化規(guī)律，結(jié)果如圖2所示。從圖2中可知：實(shí)驗(yàn)選擇的7種潤濕劑溶液的表面張力都隨潤濕劑質(zhì)量濃度的增大而減小，其中十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、吐溫80、曲拉通X-100這4種潤濕劑潤濕效果明顯優(yōu)于司班、聚乙二醇、聚乙二醇4000。且這7種潤濕劑均存在較優(yōu)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%。當(dāng)潤濕劑濃度由0增大至0.01%時(shí)，潤濕劑溶液的表面張力均出現(xiàn)了明顯下降，尤其是前4種潤濕劑在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%時(shí)，可使水的表面張力從72.15mN/m降低至30mN/m以下，大幅度提高潤濕劑溶液對細(xì)顆粒物的潤濕性；但當(dāng)潤濕劑溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)由0.01%增大至0.08%時(shí)，潤濕劑溶液的表面張力降低趨于平緩，降低的幅度較小，這可能是由于潤濕劑分子在溶液表面形成了界面吸附層，達(dá)到了界面飽和?？紤]到潤濕劑潤濕效果，本文選擇潤濕性較好的十二烷基硫酸鈉、曲拉通X-100、十二烷基苯磺酸鈉、吐溫80這4種潤濕劑進(jìn)行后續(xù)除塵實(shí)驗(yàn)。

圖2 不同質(zhì)量濃度潤濕劑溶液的表面張力變化規(guī)律

2.2 不同潤濕劑對粉塵捕集脫除率的影響

實(shí)驗(yàn)選取了4種潤濕性能較好的表面活性劑，分別為十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、曲拉通x-100、吐溫80，研究添加潤濕劑對水力噴射空氣旋流器捕集粉煤灰的影響。實(shí)驗(yàn)控制進(jìn)口氣速uG=13.17m/s、液相射流流速uL=1.20-1.66m/s、粉塵初始濃度c0=4 859.1-5 151.8mg/m3，加入相應(yīng)的4種潤濕劑考察其對WSA除塵效果的影響。

2.2.1 十二烷基硫酸鈉(SDS)的影響

潤濕劑SDS對粉煤灰細(xì)顆粒物在WSA中捕集脫除的影響結(jié)果，如圖3(a)所示，圖中虛線表示不添加潤濕劑時(shí)，粉煤灰細(xì)顆粒物在WSA中的捕集脫除效率為99.21%。由圖可知：當(dāng)潤濕劑SDS加入的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增大至0.010%時(shí)，粉煤灰細(xì)顆粒物的脫除率呈逐漸增大趨勢，并在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.010%時(shí)達(dá)到最大值99.45%。這與圖3所示的表面張力結(jié)果一致，當(dāng)SDS的加入量逐漸增大時(shí)，SDS溶液的表面張力持續(xù)降低，溶液潤濕效果增加，濕法除塵率也逐漸提高；而當(dāng)繼續(xù)增大SDS濃度由0.010%至0.017%時(shí)，粉煤灰細(xì)顆粒物的脫除率反而降低，在0.017%濃度時(shí)，粉塵去除率甚至低于不加潤濕劑時(shí)。這主要是因?yàn)楫?dāng)SDS質(zhì)量分?jǐn)?shù)至0.010%以上時(shí)，溶液表面張力減小的幅度很小，溶液潤濕性無明顯增加，且實(shí)驗(yàn)過程中觀察到SDS質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.010%以上時(shí)，體系中會(huì)產(chǎn)生大量的泡沫，導(dǎo)致處理系統(tǒng)的廢水射流流速由1.66m/s降低至1.20m/s，這會(huì)導(dǎo)氣液兩相作用程度降低，粉塵去除率降低[16]。

2.2.2 曲拉通X-100(TritonX-100)的影響

潤濕劑曲拉通X-100對粉煤灰細(xì)顆粒物在WSA中濕法捕集脫除的影響規(guī)律結(jié)果如圖3(b)所示。由圖可知：當(dāng)曲拉通X-100加入量由0增大至0.001%時(shí)，粉煤灰去除率迅速由99.20%增大至99.42%，而當(dāng)繼續(xù)增大其值為0.011%時(shí)，粉塵去除率幾乎沒有增加，但繼續(xù)增大曲拉通X-100質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.013%時(shí)，粉塵去除率又增大至99.57%，再繼續(xù)增大曲拉通X-100濃度為0.017%時(shí)，粉塵去除率出現(xiàn)降低，但高于不加潤濕劑值。這表明：曲拉通X-100的潤濕效果明顯。這是由于非離子表面活性劑在水中不會(huì)電離產(chǎn)生電荷，同時(shí)非離子表面活性劑容易吸附在固體顆粒的表面，可以降低固體顆粒與液體之間的表面張力，去除率最高達(dá)99.57%，但過高的曲拉通X-100濃度反而降低除塵率。

2.2.3 十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)的影響

潤濕劑SDBS對粉煤灰細(xì)顆粒物在WSA中濕法捕集脫除的影響規(guī)律結(jié)果如圖3(c)所示。由圖可知：當(dāng)潤濕劑SDBS加入的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增大至0.010%時(shí)，粉煤灰細(xì)顆粒物的去除率出現(xiàn)逐漸增大趨勢，并在SDBS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.010%時(shí)，粉塵去除率達(dá)到最大值99.73%，繼續(xù)增大潤濕劑的質(zhì)量濃度為0.017%時(shí)，粉塵去除率幾乎保持不變。這一結(jié)果與顏金培[17]、付加[21]等研究結(jié)果一致。這主要是由于SDBS的加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增大至0.010%時(shí)，水溶液的表面張力由72.20mN/m降低至36.71mN/m，當(dāng)SDBS加入量由0.010%繼續(xù)增大為0.017%時(shí)，潤濕劑溶液的表面張力變化不大。

2.2.4 吐溫80(Tween80)的影響

潤濕劑吐溫80對粉煤灰細(xì)顆粒物在WSA中濕法捕集脫除的影響規(guī)律結(jié)果如圖3(d)所示。由圖可知：當(dāng)潤濕劑吐溫80加入的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增大至0.001%時(shí)，粉煤灰細(xì)顆粒物的略有增大；當(dāng)其繼續(xù)由0.001%增大至0.013%時(shí)，吐溫80加入量對粉塵去除率幾乎沒有影響；但當(dāng)繼續(xù)增大吐溫80的質(zhì)量分?jǐn)?shù)至0.017%時(shí)，粉塵去除率出現(xiàn)顯著增大，去除率達(dá)99.55%。 這也可能是因?yàn)橄鄬τ谄渌?種潤濕劑，吐溫80的潤濕效果較差，因?yàn)樾枰^大的濃度才能達(dá)到較好的潤濕效果，除塵率才會(huì)出現(xiàn)顯著提高。

實(shí)驗(yàn)條件：uG=13.17 m/s，c0=4 859.1～5 151.8 mg/m3，uL=1.20～1.66 m/s

2.3 細(xì)顆粒物捕集前后粒徑分布變化規(guī)律

進(jìn)口氣流uG為13.17m/s、液相射流流速uL為1.60m/s、粉塵初始濃度c0為5 030.8mg/m3時(shí)，加入潤濕性能最優(yōu)的SDBS(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.010%)，在WSA中進(jìn)行粉煤灰細(xì)顆粒物捕集去除研究，并對WSA尾氣管中的細(xì)顆粒物進(jìn)行收集，研究考查了細(xì)顆粒物在WSA中捕集脫除前后的粒徑分布和形貌特性變化規(guī)律。

研究結(jié)果表明：WSA尾氣管中的粉煤灰細(xì)顆粒平均濃度為14.59mg/m3，平均除塵率為99.71%。由于尾氣管中細(xì)顆粒物濃度較少，在相同實(shí)驗(yàn)條件下多次捕集得到WSA尾氣管中的細(xì)顆粒物粒徑分布結(jié)果如圖4所示。與表1中處理前粉煤灰細(xì)顆粒的粒徑分布對比可知：捕集前粉塵最大粒徑為12.700μm，平均粒徑為1.637μm。從圖4中可以看出：WSA尾氣中的細(xì)顆粒物的最大粒徑為1.670μm，最小粒徑為0.54μm，平均粒徑為1.050μm。這表明在添加潤濕劑的情況下，WSA對1.670μm以上的顆粒物去除效率可達(dá)100%。對比表1可知：WSA對粒徑低于1μm(即PM1)的細(xì)顆粒物也有一定的脫除效果。

圖4 WSA尾氣管中燃煤電廠粉煤灰細(xì)顆粒物粒徑分布

2.4 細(xì)顆粒物捕集前后形貌特征變化規(guī)律

通過分別對在捕集前和尾氣管中粉煤灰細(xì)顆粒物進(jìn)行SEM表征，來研究細(xì)顆粒物在WSA中捕集前后形貌特性變化規(guī)律，結(jié)果如圖5所示。由圖可知：捕集前粉煤灰細(xì)顆粒物主要呈規(guī)則的球狀形貌，表面粘附有蛛網(wǎng)粘絲狀物質(zhì)；添加潤濕劑濕法捕集處理后的WSA尾氣管中的粉煤灰細(xì)顆粒物主要呈光滑的球狀形貌。

圖5 細(xì)顆粒物在WSA中的形貌特性

3 結(jié)論

本工作采用水力噴射空氣旋流器(WSA)濕法捕集脫除粉煤灰細(xì)顆粒物，研究考查了SDS、SDBS、曲拉通X-100、吐溫80這4種潤濕劑對WSA濕法除塵效果的影響，并對捕集前后粉塵的粒徑分布和形貌特性進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論：

1) SDS、SDBS、曲拉通X-100、吐溫80這4種潤濕劑均可提高WSA濕法捕集除塵效果，其中添加SDBS，WSA濕法除塵效果最優(yōu)，粉塵去除率最高可達(dá)99.73%，潤濕劑添加量均存在較優(yōu)值，超過較優(yōu)值粉塵去除率反而有所降低；

2) 捕集前粉煤灰細(xì)顆粒物平均粒徑為1.637 μm，濕法捕集后WSA尾氣中的細(xì)顆粒物平均粒徑僅為1.050 μm，WSA對1.670 μm以上的顆粒物去除效率可達(dá)100%，且其對PM1也有一定的脫除效果；

3) 捕集前粉煤灰細(xì)顆粒物為表面粘附有蛛網(wǎng)粘絲狀的球狀物質(zhì)，濕法捕集后WSA尾氣中的細(xì)顆粒物呈光滑小球狀。