顆粒特性對超重力濕法除塵性能的影響

郭林雅，祁貴生，劉有智

(中北大學超重力化工過程山西省重點實驗室，山西省超重力化工工程技術研究中心，山西 太原 030051)

隨著我國工業化發展速度的不斷加快，空氣中粉塵含量明顯增加。粉塵顆粒粒徑較小，易于富集有機污染物、細菌與病毒等[1-3]，對人體健康造成嚴重的危害。而且，大量粉塵懸浮于空氣中，降低大氣能見度，污染大氣環境。其中，工業鍋爐是重要的大氣污染源，其所用的燃料種類不統一，燃料成分不同，燃燒產生的煙氣特性、排放物所含物質差別較大。因此，對工業鍋爐進行除塵凈化時，需要充分考慮粉塵顆粒物性，以便于對除塵器進行選擇。

目前，我國工業鍋爐除塵設備以水膜除塵器[4]和旋風除塵器[5]為主。工業鍋爐燃燒產生的粉塵顆粒大小不一，粒徑范圍極大，采用傳統的水膜除塵器已無法將煙氣洗滌干凈，煙塵出口排放嚴重超標。同樣的，旋風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。但旋風除塵器也只能除去粒徑大于10μm的粉塵，對于細顆粒粉塵的去除率很低。要達到國家要求，就需要與除塵效果較好的除塵器相結合，如文丘里除塵器、袋式除塵器和靜電除塵器，但是會出現設備的耗能過大、卸灰時出現二次揚塵、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備以實現工業鍋爐粉塵的達標排放。

超重力旋轉填料床 (RPB)將機械旋轉碰撞、離心沉降、液滴捕捉等多種除塵機制集于一體[11]，是一種新型的高效除塵設備[12]，具有以下特點:粉塵脫除效率高、設備體積和重量極大的縮小、易于操作、能夠實現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驗室規模下各操作參數對除塵效率的影響，對粉塵的物性沒有做充分分析。而且，實驗粉塵多數為模擬粉塵，與實際粉塵有一定的差距。因此，本實驗在企業生產現場側線搭建實驗平臺，考察超重力濕法脫除實際工業鍋爐粉塵的性能，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備的主要依據之一。

1 實驗

1.1 實驗方法

本實驗采用的除塵設備是填料為塑料鮑爾環的錯流旋轉填料床，其具體參數見表1；實驗粉塵為取自不同化工廠的吹風氣鍋爐粉塵和生物質鍋爐粉塵。

粉塵進入超重機前，對顆粒物性進行測定: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，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方法 (GB/T 16913-2008)中比重瓶法測定。

表1 錯流旋轉填料床設備尺寸表

實驗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填料床進口粉塵進行采樣，根據濾膜捕集到的粉塵質量和采樣體積計算得到，此方法也應用于總除塵效率的測定。總除塵效率表示在同一時間內除塵器捕集的塵量與進入裝置的塵量之比，常用的計算公式如式(1)[18]。

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

表2 粉塵對水的潤濕性

1.2 實驗流程

實驗是在企業生產現場側線搭建超重力濕法除塵平臺，研究其對工業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處理后的含塵氣體在鼓風機形成的壓差推動力下進入氣體管路中，之后經氣體轉子流量計計量進入旋轉填料床。水經泵輸送至旋轉填料床，被高速旋轉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使用。期間，自下而上流動的氣體與由填料內緣向外緣沿徑向運動的液體錯流接觸。轉子轉速由變頻器調節。

圖1 超重力濕法脫除工業鍋爐粉塵工藝流程圖

2 結果與討論

2.1 粉塵顆粒物性參數對比

實驗測得吹風氣鍋爐粉塵(樣品1)和生物質鍋爐粉塵(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 粉塵物性參數表

圖2 吹風氣鍋爐粉塵粒徑分布圖

圖3 生物質鍋爐粉塵粒徑分布圖

從以上三個角度對樣品1和樣品2進行分析可知: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，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，而且針對傳統的濕法除塵技術，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對吹風氣鍋爐粉塵和生物質鍋爐粉塵的脫除效率的影響，結果如圖4所示。可以看出，除塵效率隨超重力因子的增加均呈現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，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持續增大，液體在填料孔道中的停留時間變短，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

對比發現，超重力因子相同時，吹風氣鍋爐粉塵的脫除效率高于生物質鍋爐粉塵，這可能是因為超重力因子的大小影響到粉塵進入旋轉填料床內所具有的動能的大小。動能越大，粉塵顆粒一方面易與旋轉填料床殼體發生碰撞，進入殼體底部排出，一方面容易與氣體分離，進入填料內彎彎曲曲的孔道，被過濾、阻塞而脫除。粉塵顆粒速度同旋轉床轉速，質量成為影響動能的主要因素。由2.1節可知，吹風氣鍋爐粉塵有效密度遠遠大于生物質鍋爐粉塵，所以吹風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，脫除效率分別為86.67%、83.69%。可見，超重力設備中獨特的填料高速旋轉模式，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，考察氣量對吹風氣鍋爐粉塵和生物質鍋爐粉塵脫除效率的影響，結果如圖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，氣液相間擾動作用增強，氣液湍動程度加劇，有利于提高液滴與粉塵顆粒發生碰撞的概率和強度[19]。同時，粉塵顆粒易被潤濕，除塵效率增大[20]。而當氣量超過最佳值后，氣體停留時間變短，與液體未完全接觸便從氣體出口排出，導致除塵效率降低。

同樣的，相同氣量下，吹風氣鍋爐粉塵的除塵效率高于生物質鍋爐粉塵。生物質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，考察液量對吹風氣鍋爐粉塵和生物質鍋爐粉塵脫除效率的影響，結果見圖6。液量增加，除塵效率呈現出先增大后降低的趨勢。這是因為液量增大，單位體積填料含有的液滴數目變多，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，在脫除吹風氣粉塵和生物質鍋爐粉塵時，存在最適宜液量，分別為0.55m3/h、0.90m3/h。另外可以發現，相同除塵效率情況下，生物質粉塵耗液量較大。這可能是因為生物質粉塵的浸潤性較差，液滴與粉塵顆粒碰撞時不易被浸潤、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 除塵效率經驗關聯

據式(2)、(3)對吹風氣鍋爐粉塵和生物質鍋爐粉塵的η值進行了經驗關聯，即:

式中，A1，A2，a1，b1，c1，a2，b2，c2為待定系數，A1、A2包括了超重力裝置結構、填料結構和介質特性等影響。通過對實驗數據的擬合，得到本實驗工況范圍內η與超重力因子β、氣量G和液量L等操作參數的關聯式，式(4)、(5)。

將不同條件下η的實驗值和理論值進行了對比，其最大誤差均小于15%，相關性較好。因此，擬合得到的關聯式可以用來反映兩種工業鍋爐粉塵的脫除效果。

4 結論

本文以吹風氣鍋爐粉塵和生物質鍋爐粉塵為實驗粉塵，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脫除兩種粉塵時，除塵效率隨超重力因子、液量、氣量的影響規律，分別獲得了各自的最佳操作條件。實驗結果如下:

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

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）吹風氣鍋爐粉塵和生物質鍋爐粉塵的脫除效率隨超重力因子、液量和氣量的變化規律相似，均呈現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，吹風氣鍋爐粉塵脫除效率高于生物質鍋爐粉塵，但兩種粉塵的除塵效率最高可分別達到91.48%、90.23%。可見，超重力濕法除塵技術受粉塵物性參數的限制較小，對粉塵的適用性強，應用前景廣闊。

（4）通過對實驗數據的回歸，得到了以上兩種工業鍋爐粉塵的脫除效率η的經驗關聯式，平均計算誤差在15%以內，擬合度良好，可為除塵過程中操作參數的優化提供一定的指導。