電廠污泥車間靜電霧化過氧化氫殺菌特性研究

俞燕，施捷，詹曉艷，胡曉亮，陸毅彬

（1.嘉興新嘉愛斯熱電有限公司，浙江 嘉興 314016；2.杭州電子科技大學，浙江 杭州 310018）

污泥干化焚燒是這幾年發展起來的一種新興污技術。污泥經過機械等手段脫水干化后與煤炭摻混進行焚燒，煙氣經凈化達標排放，新嘉愛斯擁有國內最大污泥焚燒綜合利用熱電聯產項目。干化后的污泥含有將近40%的水分，由于這類污泥體積大，且富集了大量的微生物種群，在倉儲的過程中會釋放各種惡臭氣體，且成分復雜，主要是微生物呼吸或發酵所形成的產物和不完全產物。有效地將這一部微生物種群殺死阻止其代謝和呼吸對于污泥干化焚燒無害化處理、避免二次污染起著重要的作用。過氧化氫由于其較強的氧化性，作為傳統的殺菌方法已經廣泛應用于食品、醫療、化工等領域。將過氧化氫溶液霧化成細小的液滴群，使其具有較大的比表面積，彌漫在殺菌場所中，對殺毒滅菌有著至關重要的作用。本文將基于平行板電極靜電破碎實驗裝置研究過氧化氫的霧化機理，探討在污泥車間霧化殺菌的影響因素，為污泥干化過程中廢氣治理提供新的思路。

圖1 平行板電極靜電破碎的實驗裝置示意圖

1 實驗裝置

平行板電極靜電破碎實驗裝置示意圖如圖1 所示，主要由高速攝像機、微泵、高壓電源、平行板電極、LED 光源和固定腳架組成。輸液部分是由微泵推動儲存在注射器中的過氧化氫溶液，以精度為±2%來控制體積流量，從而保證流量的穩定。用魯爾接頭將注射器和毛細管噴嘴末端進行軟性連接，保證輸液過程無滲漏。啟動微泵后，可以通過其將過氧化氫溶液輸送至毛細管（內徑d=500μm，外徑D=800μm）一端。平行電極提供橫向平行高壓電場，因此，為避免搖晃，需要將毛細管噴嘴一端豎直固定以保證靜電霧化時噴嘴定。同時，將有機玻璃板貼合包裝在平行板周圍做到了良好的絕緣，避免鋁板直角針尖放電、空氣電離及電荷泄漏等。高速攝像機采用的是Phantom 高速相機。錄制幀率采用為15000fps，圖像分辨率512×384。使用背光均勻的LED 燈源用于視場照明，同軸心擺放于Phantom 高速相機鏡頭的對面位置，便于在大光圈且短時間曝光情況下獲得對比度明顯的圖像（圖2）。

2 電壓和流量對霧化的影響

2.1 電壓的影響

控制流量400ml/h、依次調高電壓研究電壓對35%過氧化氫溶液霧化的影響。液滴群數量隨電壓變化的情況如圖3所示。當電壓調節至12kV以下時，液滴表面聚集的電荷較少，靜電力對脫落液滴的個數并未造成影響，液滴的數量沒有明顯增加，未達到良好的破碎的效果。電壓調節至12 ～28kV時，于12kV出現了液滴數目第一次急劇拉升現象，主液滴脫落的過程中，較小衛星液滴也伴隨出現，從而導致了液滴數目的上升。隨著電壓的增加，一次周期性的脫落便可以分裂出14個左右的小液滴，并于28kV時，液滴數目出現第二次拉升，迅速攀升至37個。液滴數目在30kV時，由于空氣電離，導致流量不穩定，液滴個數盡管有所回落，但依然可以超出平均水平，10個左右的液滴數差距。

圖2 不同電壓下的霧化顆粒圖像

圖3 液滴群個數隨電壓變化情況

圖4 平均粒徑隨電壓變化情況

綜上所述，當電壓調節至28 ～30kV時，液滴數量明顯要遠高于先前電壓值。接觸荷電使管道內液體與電荷直接接觸，從而在管道內就帶上電荷。管道內射流而出的液體，因電荷大量聚集，導致庫侖斥力急劇增大，使得液滴破碎并得到可觀的液滴數目。因此，液滴數量受到電壓的影響較大，在保證流量穩定、無空氣電離條件下，實際工程若有高壓源條件允許，應該優先設置較大的電壓，從而保證較大的場強。但是，隨著電壓升高，主液滴粒徑不會一味減小，而是逐漸減小并趨于穩定。主液滴的大小在一定程度上對液滴群的平均粒徑造成了一定的影響，在霧化過程中，使得主液滴的粒徑保持較小的占比將成為實驗的關鍵。

不同電壓下的液滴群平均粒徑變化情況如圖4 所示，表明了相對較低的電壓情況下（10kV以下），破碎液滴的粒徑大部分都要大于1000μm，以一顆主液滴的形式脫落，并未形成有效破碎。在中等電壓情況下，即10 ～20kV時，伴隨著衛星小液滴的出現，平均粒徑開始下降，于10kV時的平均粒徑下降尤為明顯。在高電壓下，當電壓調至22kV時，破碎液滴的粒徑逐漸開始出現100μm 以下的小液滴，并隨著電壓升高，占比逐漸增大，于28kV時，占比達到最高，平均粒徑也相應達到最小值154.8μm，這一階段的破碎液滴的粒徑大小主要分布在51.2 ～194.5μm 的范圍內。可以發現通過改變電壓能夠改變主液滴的粒徑大小，其粒徑尺寸是評估霧化效果良好的關鍵因素。

圖5 液滴群個數隨流量變化情況圖

圖6 液滴平均粒徑隨流量變化曲線

2.2 流量的影響

固定電壓值為28kV、通過微泵從小到大調節不同流量。實驗中液滴群個數隨流量變化情況如圖5 所示。流量位于0 ～100ml/h時，此時，流量較小，針管口偶有出現主液滴和跟隨其而來的衛星液滴，液滴數目較少；流量在100 ～550ml/h 由于流量的增加，液滴的數量將增加。第一次較為明顯的急劇上升位于流量175ml/h，數量驟升。于流量為500ml/h時達到液滴數量峰值37個。流量置于500～1200ml/h 的范圍內，液滴數量開始不斷下降，第一次明顯的驟降位于流量1000ml/h，液滴數量驟降，于超高流量1200ml/h時，受限于電壓無法上升，超高流量的推力明顯抑制住了電場力的作用，很難再有好的破碎果。

平均粒徑折線圖表明（如圖6 所示），流量25 ～175ml/h：粒徑于158 ～308μm 波動，粒徑上下浮動是由于微泵在小流量下，考慮為流量不穩定所導致。此外過氧化氫溶液由于靜電力與黏性力共同作用，一定程度削減了微泵低流量時的推力，使得管口低流速的液體牢牢黏附于管口，從而造成數據上的波動。流量調節至175 ～700ml/h時，平均粒徑開始下降并趨于平緩。平均粒徑也從最高值234μm 降至500 ml/h時的最低值92.8μm。流量位于700 ～1000ml/h時，液滴的平均粒徑開始增大。流量在1000 ～1200ml/h時，粒徑的曲線斜率陡增，粒徑增大速度遠超于上一階段，平均粒徑增大速度迅猛。

3 結語

（1）通過以上的研究發現，過氧化氫的靜電霧化特性受到電壓和流量的影響。當電壓為28kV，流量為500ml/h，35%過氧化氫溶液霧化的液滴數量較多，且平均粒徑達到了90.7μm。

（2）合理控制霧化的電壓和流量，將過氧化氫霧化成100um 以下氣溶膠，可以在污泥倉庫空氣中形成網狀屏障，彌漫在堆積污泥的上方及周圍。隨著污泥抓斗的翻泥與卡車傾倒污泥，與微生物大面積的接觸而殺死。最大可能地達到殺菌效果，避免微生物因呼吸和代產生惡臭氣體，造成二次污染。