（环境工程专业论文）超声雾化水雾的除尘机理和在实验中的应用研究.pdf

摘要 8 0 年代以来，随着工业行业机械化、自动化水平的日益提高，比如( 采煤、 采矿和破碎等行业) 采煤机、掘进机和破碎机等得到广泛应用，加大了开采强 度与粉尘产生量，同时也使粒径小于5 岫的呼吸性粉尘含量大幅度上升。这类 粉尘粒径小，分散度高，相对比表面积大，呼吸性强，扩散面宽，化学活性、 吸附能力也大大增强。不仅容易吸附c o 、氮氧化合物、致癌物质等有毒有害物 质，与肺癌的发病率有明显的相关性，加大了对人体的危害性，而且气体吸附 降低了粉尘的湿润与凝聚性能；加之受作业环境风流及各种搅动的影响，将长 期浮游在空气中并到处飘散，很难用一般的技术有效治理。因而呼吸性粉尘的 防治就成为目前防尘工作的重点和难点。 现阶段呼吸性粉尘的防治，大都采用水雾降尘技术，并且为了提高降尘效 率，结合呼吸性粉尘自身的特点及作业现场的要求对水雾技术采取了多种改进 措施，如改善水雾性质的磁化水降尘技术，荷电水雾降尘技术：还有改进雾化 途径的压气喷雾降尘技术，超声雾化降尘技术，旋转喷雾罩封尘源技术等。本 试验就是针对此现状，采用超声波雾化技术，其产生水雾粒径小，与空气接触 面积大，蒸发率高能使含尘区水蒸汽迅速达到饱和，能满足改善粉尘湿润性所 需要的条件的特点，进行了作用机理和实验应用的研究。 获得如下结论： 1 云物理学、空气动力学、斯蒂芬流的输送等多种机理在超声波雾化水雾 实现“呼吸性粉尘”的捕集过程中的作用重大。 2 微细水雾有利于呼吸性粉尘的捕集。 3 超声雾化试验数据表明：该技术对水具有较优的雾化性能。雾流中粒径 1 0 衄的雾滴比例可达到7 6 8 n 以上，故超声雾化技术可实现微细水雾 捕尘。 4 对于微细水雾捕尘，因粉尘与捕尘水滴粒径都较小，所以采取一定的措 施加强颗粒间的碰撞结合、凝并沉降。 5 实验结果表明：雾滴大小对呼吸性粉尘除尘效率的影响比雾滴数量更显 著。 6 与传统的湿法除尘相比，除尘用水量大大减少，降低对后续设备的要求， 广东工业大学工学硕士学位论文 减少了运行成本。 综上所述本试验用超声波雾化水雾对呼吸性粉尘去除率的研究，具有较好 的净化效果，这为我国在处理粉尘污染方面提供一条有效的治理途径。 关键词：超声雾化；雾化性能；雾流参数；凝聚；呼吸性粉尘；除尘效率 a b s t r a c t a f t e r1 9 8 0 s ，f o rt h ei m p r o v i n go fi n d u s t r i a l i z a t i o na n da u t o m a t i z a t i o n si n i n d u s t r y , s u c h 勰e x c a v a t ec o a l ，m i n i n g ，c r a s h i n ga n d s oo n s om a n ym a c h i n e sw e r e u s e dw i d e l y t h cr a t eo fp r o g r e s sw a sh i g h e ra n dh i g h e r t h eq u a n t i t yo fd u s ta l s o g o tg r e a t e s p e c i a l l y , t h eq u a n t i t y o ft h ed u s tw h o s ed i a m e t e ri ss h o r t e r t h a n s p m t h e s ed u s ti sv e r ys m a l la n di t sb e t i sv e r yg r e a t nc a nb ei n b r e a t h eb y l u n ga n di tc o u l dd i f f u s ew i d e l y t h ea d s o r p t i o na n dt h ea c t i v eo f c h e m i s t r ya g ev e r y s t r o n g i tc o u l da d s o r bc o ，n o x ，c a r c i n o g e na n do t h e rt o x i c a n t d u s th a sp e r t i n e n c e w i t hl u n gc a n c e r i td oh a r mt op e o p l e sh e a l t h y i ta d s o r b e da i rs oi tc a nn o tb e w e t t e da n da g g l o m e r a t e de a s i l y , p l u st h ei n f e c t i o no fc i r c u m s t a n c ed i s s o l u t ea n d a g i t a t i o n , i tw i l lf l o a ti nt h ea i rf o rl o n gt i m e i ti sv e r yd i f f i c u l tt or e m o v et h ed u s t f r o mt h ea i r , s oi ti sag r e a tq u e s t i o nf o ru s n o wt h ew a yo fp r e v e n t i o na n dc u r ew i t hd u s ti sf l u i dm e t h o d p e o p l ea d d m a n ym e a s u r et om a k et h ef l u i db e dm e t h o dw o r k s u c ha sm a g n e t i z a t i o na n d e l e c t r i f i c a t i o n , t h eu s e do f u l t r a s o n i ct e c h n i ca n ds oo i la c c o r d i n gt os t a t u si nq u o ， p e o p l eu s e du l t r a s o n i ct e c h n i ct om a k eb e a dw h o s ed i a m e t e ri sv e r ys h o r t , s oi t s i n t e r f a c ew i t ha i rw o u l db e c a m eg r e a t , a n dt h ew a t e rv a p o u rw o u l ds o o nr e a c ht h e s a t u r a t i o n s oi tc a nc h a n g et h e q u a l i f i c a t i o n o fw e t n e s s , a n dr e s u l t so ft h e e x p e r i m e n tw e r ea c h i e v e da sf o l l o w s ： i t h em e c h a n i s mo fc l o u d - p h y s i c ss t u d y , a e r o d y n a m i c s ，s a d e p pf l o wi sv e r y i m p o r t a n t i nt h ew h o l ed u s tr e m o v ep r o c e s s 2 s m a l lb e a dc a na d s o r bd u s te a s i e r 3 t h ed a t ao fe x p e r i m e n t a t i o ni n d i c a t et h ea t o m i z a t i o nc a p a b i l i t yo ft h i s t e c h n i q u e i sv e r yg o o d t h e r ea r em o r et h a n7 6 8 f o g d r o pw i t hd i a m e t e r 2 0 r q n 的粗粉尘，对于呼吸性粉尘去除效率 很一般。 旋风除尘器 旋风除尘器是利用旋风气流产生的离心力使尘粒从气流中分离的装置。它 具有结构简单、应用广泛、种类繁多等特点。影响旋风除尘器的效率的因素有： 二次效应、比例尺寸、烟尘的物理性质和操作变量。旋风除尘器的最大缺点是： 容易引起二次扬尘，特别是对于粒径小的呼吸性粉尘，大大降低了除尘效率。 1 1 2 2 电除尘 电除尘器是含尘气体在通过高压电场进行电离的过程中，使尘粒荷电，并 在电场力的作用下使尘粒沉积在集尘极上，将尘粒从含尘气体中分离出来的一 种除尘设备。电除尘过程中与其他除尘过程的根本区别在于，分离力( 主要是 静电力) 直接作用在粒子上，而不是作用在整个气流上，这就决定了它具有分 离粒子耗能小、气流阻力也小的特点。在电除尘器中，为保证其在高效率下运 行，必须使粒子荷电，并有效地完成粒子捕集和清灰等过程。 1 1 2 3 湿式除尘器 湿式除尘器是使含尘气体与液体( 一般为水) 密切接触，利用水滴和颗粒 的惯性碰撞及其他作用捕集颗粒或使粒径增大的装置。湿式除尘器可以有效地 将直径为o 1 2 0 岫的液态或固态粒子从气流中除去，同时，也能脱除部分气 2 态污染物。它具有结构简单、造价低、占地面积小、操作及维修方便和净化效 率高的特点，能处理高温、高湿的气流，将着火、爆炸的可能减至最低。但采 用湿式除尘器时也要特别注意设备和管道腐蚀以及污水和污泥的处理等问题。 湿式除尘过程也不利于副产品的回收。如果设备安装在室外，还必须考虑在冬 天设备可能冻结的问题。再则，要使去除微细颗粒的效率也较高，则需要使液 相更好地分散，但能耗增大。 1 1 2 4 过虑式除尘器 过虑式除尘器，又称空气过虑器，是使含尘气流通过过虑材料将粉尘分离 捕集的装置，采用滤纸或玻璃纤维等填充层作虑料的空气过虑器，主要用于通 风及空气调节方面的气体净化。采用廉价的砂、砾、焦炭等颗粒物作为虑料的 颗粒层除尘器。采用纤维织物作虑料的袋式除尘器，在工业尾气的除尘方面应 用较广。袋式除尘气的除尘效率一般可达到9 9 以上。虽然它是最古老的除尘 方法之一，但由于它效率高，性能稳定可靠、操作简单，因而获得越来越广泛 的应用。同时，在结构型式、虑料、清灰方式和运行方式等方面也得到不断的 发展、虑袋形状传统上为圆形，后来又出现了扁袋，在相同过虑面积下体积小 而显示较大的生命力。 1 1 2 5 超声波雾化水雾除尘技术 超声波水雾是采用超声波技术使水雾化成超细的水滴，超声波雾化水雾粒 径小，其粒径 5 0 u m ，4 1 - - 5 0 um ，3 1 - - 4 0 pm ，2 1 - - 3 0 um ，i i - - 2 0 u m ， 5 0u4 1 3 l 一2 l u 一 i 0p 5 0 u m4 0 u m3 0 p i n2 0 u mm 雾滴数量( 个) 所占比例 81 21 62 93 66 l 4 97 49 81 7 92 2 23 7 7 3 3 2 本实验的步骤 ( 1 ) 将实验装置按照实验流程图连接好，并进行雾流参数的测定。 ( 2 ) 将大气采样器和滤纸安装完毕后，将其放置在试验塔进风口附近，开启运行， 3 0 测定实验环境下大气颗粒污染物的浓度。 ( 3 ) 将采样枪放入处理塔，连接好烟气烟尘测定器，开启运行，测定试验塔 出口空气中的颗粒污染物的浓度。 ( 4 ) 计算处理塔在特定条件下的处理效率。 3 3 3 本实验的研究内容 n 超声波雾化技术处理含尘气体的研究 ( 1 ) 雾化量对处理效率的影响 在温度、气体流量、气体停留时间一定的条件下， 效率的影响。雾化量的取值在1 5 0 3 0 0 m l h 范围内。 ( 2 ) 气体流量对处理效率的影响 本试验取了6 个不同的气体流量，分别为5 、1 0 、 口雾流参数 雾化水颗粒的粒径对除尘效益的影响。 测得入口水雾量对净化 1 5 、2 0 、2 5 l r a i n 。 广东工业大学工学硕士学位论文 第四章实验结果与讨论 4 1 超声波雾化技术处理含尘气体的研究 4 1 1 雾化量对处理效率的影响 在室温条件下，所测得处理塔进口颗粒物浓度转换为标准状况下，由图3 1 和图3 2 ( 修正) 可知道试验条件下进口颗粒物浓度基本上稳定在o 6 1 4 9 m g m 3 。 在室涅条件下，处理塔进口浓度为0 6 1 4 9m g m 3 ，进口气体流量为1 5 l r a i n ， 采样时间( 分别为为6 0 、8 0 、1 0 0 、1 2 0 、1 4 0 、1 6 0 、1 8 0 m i n ，) 一致的情况下， 考察了在不同气雾量的条件下，出口颗粒物的浓度变化，( 其中，曲线( 1 ) 代 表着在气雾量为1 5 0 m l h ，( 2 ) 、( 3 ) 、( 4 ) ，分别代表着在气雾量分别为：2 0 0 m l h 、2 5 0m l h 、3 0 0m l h 。) 其结果见图4 1 所示。 。目 占 倒 蠖 习 6 08 0 1 0 0 12 01 4 01 6 0 18 0 采样时间( m i n ) 图4 1 出口浓度和时间的关系 f i g 4 - 1r e l a f i o n so fo u t k te o n c e n t r a t i o na n dt i m e 图4 - - 1 可见，在考察气雾量范围内，随着气雾量的逐步增大，出口浓度也 呈现出明显的增大趋势。另外从图可以看出，每根曲线的各点并不处于或接近 弘弛如=暑邓“矩如侣偈他 第四章实验结果与讨论 处于同一水平线上，但根据每根曲线所处的位置上可以看出，虽然曲线之间有 相对接近的体现，但是，每根曲线还是相对限于某一单一的区域内波动，而且 曲线的走势有着较大的相同点。 理论上来说：每根曲线应该保持或相对保持在某一水平线上，才能体现在 同一试验条件下，处理塔处理效果的稳定性。但从事实上来说，由于多方面的 原因，比如：污染源浓度低、仪器灵敏度和精度不高、实验误差、读数误差的 原因的影响，导致曲线只处在一定范围内波动，但不影响大致走势，所以在处 理的过程中都采用加权，使得试验结果更加可靠，更加接近准确值。 根据对出口浓度的测定和处理，求出在各个特定条件下处理塔的处理效率 并根据所得数据绘制“处理效率一气雾量”曲线图，如下图4 2 所示。 7 0 6 8 6 6 6 4 葶 蒜6 2 荣6 0 5 8 5 6 5 4 1 4 0 1 6 0 ，8 02 0 02 2 02 4 02 6 02 8 03 0 03 2 0 气雾量( m l h ) 图4 - 2 气雾量与去除率的关系 f i g 睨r e l a t i o n so ff o g d r o pr a t ea n dc l e a n i n ge f f i c i e c y 图4 - - 3 可见：在气雾量为1 5 0 m l h ，进口浓度为o 6 1 4 9m g m 3 ，进口气体 流量为1 5 l r a i n 时，处理塔的处理效率并不高，只停留在5 0 左右，但随着气 雾量的增大，处理效率明显上升，特别是在横轴坐标为1 5 0 - - 2 5 0 的区间内，曲 线攀升较快，而在2 5 0 一的区间内，曲线攀升渐渐趋于缓慢。可见：在其他条 广东工业大学工学硕士学位论文 件不交的情况下，加大气雾量对处理效率的影响是：开始的时候，随着气雾量 的增大，处理效率也明显提高，但是，当气雾量达到某一值时，其对处理效率 的影响越趋于缓慢。所以，在提高处理效率的时候，我们要结合处理效率和处 理方法的经济性来考虑问题。 4 1 2 气体流量对处理效率的影响 在室温条件下，所测得处理塔进口颗粒物浓度转换为标准状况下，由图3 1 和图3 2 ( 修正) 可知道试验条件下进口颗粒物浓度基本上稳定在0 6 1 4 9 m g m 3 。 在室温条件下，处理塔进口浓度为0 6 1 4 9m g m 3 ，气雾量为1 5 0 r a l r a i n ， 采样时间( 分别为为6 0 、8 0 、1 0 0 、1 2 0 、1 4 0 、1 6 0 、1 8 0 m i n ，) 一致的情况下， 考察了在不同气雾量的条件下，出口颗粒物的浓度变化，( 其中，曲线( 1 ) 代 表着在进口气体流量为5 l r a i n ，( 2 ) 、( 3 ) 、( 4 ) 、( 5 ) ，分别代表着在气雾量分 别为：l o l m i n 、1 5 l m i n 、2 0 l l m i n 、2 5 l r a i n ) 其结果见图4 3 所示。 。量 普 一 赵 疑 口 丑 8 0 1 0 01 2 01 4 01 6 01 8 0 采样时间( m i l l ) 图4 3 出口粉尘浓度与时间的关系 f i g 4 3r e l a t i o n so fo u t l e tc o n c e n t r a t i o na n dt i m e 鸵弘弘s勰“趁寻侣伯侄 第四章实验结果与讨论 图4 3 可见，在考察进口气体流量范围内，随着进口气流量的逐步增大， 出口浓度也呈现出明显的增大趋势。另外从图可以看出，曲线( 1 ) 在横坐标 1 0 0 之前没有测到出口浓度值，究其原因是：在进口气流流量只有5 l m i n ，且 采样时间( 分别是6 0 、8 0 m i n ) 小于1 0 0 m i n ，加上进口污染源的浓度本来就小， 所以才会测不出出口浓度值。 图4 3 所示，曲线( 1 ) 一( 4 ) 并不处于或接近处于同一水平线上，而是 在一定的范围内波动，并且曲线( 1 ) 一( 4 ) 的前半段波动较大，而后半段波 动相对趋于平缓，分析可知：后半段曲线的绘制是基于流量乘以采样时间的绝 对值相对较大，所以各测量点多趋于同一水平上。而曲线( 5 ) 在纵轴上体现为 所测各点处于或接近处于同一水平线上，成一平滑曲线，此曲线可以证明：在 一定的条件下，处理塔的处理效果是稳定可靠的。 根据对出口浓度的测定和处理，求出在各个特定条件下处理塔的处理效率 并根据所得数据绘制“处理效率一气体流量”曲线图，如下图4 4 所示。 8 0 7 0 一8 0 邑 替 较5 0 爿 篮4 0 3 0 2 0 51 01 52 0 气流量( l m i n ) 2 5 图4 - 4 气流量与去除率的关系 f i g 4 4r e l a t i o n so fa i r f l o wa n dc l e a n i n ge f f i c i e e y 图4 4 可见；在气雾量为1 5 0 m l h ，进口浓度为0 6 1 4 9m g m 3 ，进口气体 流量为1 5 l m i n 时，处理塔的处理效率达到了7 0 以上，但是，在其他条件不 广东工业大学工学硕士学位论文 变的情况下，加大气流量时，处理塔的处理效率呈现下降趋势，这说明：在进 口气流量和气雾量之间存在一个“点”，在这个点上处理塔的处理效率和所需气 雾量的经济可操性都能达到较高，由此知道，提高处理效率的方法有多种，单 从减少进口气流量或增加气雾量方面考虑，其收效并不高。故要提高处理效率 应从多方面着想。 4 2 雾流参数对处理效果的影响 4 2 1 微细水雾捕尘机理 ( 1 ) 根据空气动力学原理，含尘气流绕过雾滴时，尘粒由于惯性会从绕流 的气流中偏离而与雾滴相撞被捕捉，即通过粉尘粒子与液滴的惯性碰撞、拦截 以及凝聚、扩散等作用实现捕捉的，其被捕捉的几率与雾滴直径、粉尘受力情 况有关。( 2 ) “云”物理学原理，由于超声雾化的雾滴微细，部分雾滴会在空气 中迅速蒸发，使得局部密闭的捕尘空间中空气的相对湿度很快达到饱和，饱和 后的水蒸气以尘粒为核凝聚形成“云”，并进一步增大成为“雨”落下来。这种 机理对抑制亚微米及微米级的粉尘特别有效。( 3 ) 斯蒂芬流的输送机理，在喷 雾区内，液滴迅速蒸发时，必然会在液滴附近区域内产生蒸汽组分的浓度梯度， 形成由液滴向外流动扩散的斯蒂芬流；同样，当蒸汽在莱一核上凝结时，也会 造成核周围蒸汽浓度的不断降低，形成由周围向凝结核运动的斯蒂芬流。因此， 悬浮于喷雾区中的“呼吸性粉尘”颗粒，必然会在斯蒂芬流的输送作用下运动， 最后接触并粘附在凝结液滴上被湿润捕集。 4 2 2 微细粒子在气液二相流中的受力分析 超声雾化除尘器中的运动为稀疏气固两相流动，忽略粉尘颗粒间的互相作 用，则粒子在运行中受力有；黏性阻力f a ，粉尘粒子与雾滴间的静电力f ，重 量f j ，m a g n u s 力f ，b a s s e t 力f b “1 ，压差力r ，s a f f m a n 力f 。删，粒子附加 质量力r ，以及升力f 。等。粉尘粒子运动过程中综合受以上各力作用，但是有 的力对粒子运动影响很小，因此忽略一