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北京化工大学硕士学位论文 超声波雾化对微细粉尘过滤性能影响研究 摘要 袋式除尘器是一种高效的空气过滤除尘技术，采用p t f e 覆膜滤料 为过滤材料，对可吸入颗粒物( p m l o ) 的捕集效率在9 9 9 9 9 以上。 研究表明，袋式除尘器过滤阻力主要来源于滤饼层。所以，采用有效 的方法降低滤饼过滤阻力和研究滤饼层结构对于袋式除尘器的节能降 耗具有重要的意义。 为降低滤饼过滤阻力和解决二次扬尘问题，本研究尝试将袋式除 尘技术与超声波雾化技术相结合，开发出超声波雾化袋式除尘技术。 实验采用2 5 0 0 目滑石粉作为模拟粉尘，以p t f e 覆膜滤料为过滤介质， 由超声波雾化加湿器提供超声波微细水雾。研究不同的操作条件( 雾 化浓度、粉尘浓度、过滤速度、过滤方向等) 对滤饼过滤阻力的影响 作用。 为了研究滤饼层结构，本研究拟采用新方法对滤饼层结构进行可 视化研究。通过在粉尘中加入固化剂，然后通入超声波微细雾滴来固 定滤饼结构并使其达到一定的强度，然后采用电子扫描显微镜拍摄滤 饼微观结构。 超声波雾化研究结果表明：( 1 ) 存在最佳雾粉比范围( o 8 1 3 ) 。 在这个范围内，相同粉尘负荷条件下，滤饼过滤阻力降为不加湿时的 5 0 以上，有利于节能降耗；( 2 ) 反冲洗频率降低。在固定过滤压降上 v i i 北京化工大学硕士学位论文 限的条件下，最佳雾粉比范围内，反冲洗频率降低5 0 以上，提高了 过滤材料的使用寿命；( 3 ) 滤饼呈湿态，反冲洗过程中易于剥落、便 于运输，且在排灰过程中不会产生二次扬尘。由此可见，超声波雾化 袋式复合除尘技术具有能耗低、粉尘后续处理简单等特点。 滤饼结构可视化研究结果表明：( 1 ) 相同的粉尘负荷条件下，雾 粉比合适时，滤饼结构较未加湿时更为疏松，滤饼空隙率较大，滤饼 层较厚，而雾粉比过大时，滤饼结构较未加湿时更为致密，空隙率极 小，滤饼层较薄，以上现象直观的解释了超声波雾化量对滤饼结构的 影响作用；( 2 ) 研究发现接近滤膜的一侧的滤饼层结构较为致密，而 迎风一侧的滤饼层结构疏松，并出现枝状结构，这也直观的证明了， 过滤过程中存在滤饼层压缩现象。该方法耗时短、过程简便，并能直 观、真实的反应出滤饼的微观结构。 本研究为表征滤饼结构提供了可视化的研究方法，同时直观的证 明了超声波雾化技术对于降低滤饼过滤阻力有较大的优势。 关键词：p t f e 覆膜滤料，可吸入颗粒物，超声波雾化，滤饼过滤 阻力，滤饼层 v i i i 北京化工大学硕士学位论文 t h ee f f e c to fu l t r a s0 n i ca t o m i z a t i o n0 n b e h a v l 0 ro ff i n ed u s ti na 己f i i r a t i o np r o c e ss a b s t r a c t i nt h er e s e a r c ho fa i rp o l l u t i o nc o n t r o l l i n g ，t h er e m o v a lo fi n h a l a b l e p a r t i c u l a t em a t t e rf r o ma i rs t r e a mw a sav e r yi m p o r t a n tt o p i c b a gf i l t e ri s o n eo fs e v e r a lp o p u l a ru n i to p e r a t i o n su s e df o rg a s p a r t i c u l a t es e p a r a t i o n p r o c e s s e s f i l t e r s a r e p e r f o r m i n g w i t h h i g h c o l l e c t i o n e f f i c i e n c y , p a r t i c u l a r l yf o ru s i n gp t f em e m b r a n ef i l t e rm e d i a a st h ef i l t e rm a t e r i a l i t s c o l l e c t i o ne f f i c i e n c yc a nr e a c ht o9 9 9 9 9 h o w e v e r , t h ep r e s s u r ed r o p a c r o s st h e s ef i l t e r si n c r e a s er a p i d l yw i t ht i m e ，p a r t i c u l a r l yf o rf e e d sw i t h h i 曲c o n c e n t r a t i o n sa n d o rf i n e ( i n h a l a b l ep a r t i c u l a t e ) p a r t i c l e t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ep r e s s u r ec o m e sf r o mt h ef i l t e rc a k el a y e nt h e r e f o r e ，e f f e c t i v e w a yt or e d u c et h eu s eo ft h ef i l t e rc a k er e s i s t a n c ea n dc a k es t r u c t u r eo ft h e e n e r g yc o n s u m p t i o nf o rt h eb a gf i l t e ri ss i g n i f i c a n t i nt h i sw o r k ，i no r d e rt of i n dh o wr e a s o n a b l yt h ef i l t e rt or e d u c et h e f i l t r a t i o nr e s i s t a n c e ，u l t r a s o n i ca t o m i z a t i o nh u m i d i f i c a t i o nt e c h n o l o g yw e r e c o m b i n e dw i t hb a gf i l t e rt e c h n o l o g yu n d e rv a r i o u so p e r a t i o nc o n d i t i o n s m e a n w h i l e ，i no r d e rt oi n v e s t i g a t i v et h ec a k el a y e rs t r u c t u r e ，w eu s e d n e wm e t h o d so fc a k el a y e rs t r u c t u r ev i s u a l i z a t i o n i nt h es t u d y , w ea d d i n g f i x a t i v et ot h ed u s tp o w d e r , a n dt h e np a s si n t ot h eu l t r a s o n i cm i c r o d r o p l e t t oaf i x e df i l t e rc a k es t r u c t u r ea n dm a k ei tr e a c hac e r t a i ni n t e n s i t y , a n dt h e n u s i n gas c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ep h o t o g r a p h so f c a k em i c r o s t r u c t u r e t h er e s u l t so fu l t r a s o n i ca t o m i z a t i o ne x p e r i m e n ts h o wt h a t ：( 1 ) t h e r e i sa no p t i m a lr a t i or a n g eo ff o ga n dd u s t ( o 8 - 1 3 ) i nt h i sc o n t e x t ，t h es a m e d u s tl o a dc o n d i t i o n s ，a f t e ru l t r a s o n i ch u m i d i f i c a t i o n ，t h ec a k ep r e s s u r ed r o p i sr e d u c e dt o5 0 ( 2 ) t h eb a c k w a s hf r e q u e n c yi sd e c r e a s e d ( 3 ) f i l t e rc a k e i x 北京化工大学硕士学位论文 w a sw e t t h ec a k ei se a s ys e p a r a t ef r o mf i l t e rm a t e r i a l a n di nt h ep r o c e s s i td o e sn o tp r o d u c et h ep h e n o m e n o no fs e c o n d a r yd u s t t h e r e f o r e ，t h e t e c h n i q u ec a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h er e s i s t a n c e t h es t u d yo fc a k es t r u c t u r ev i s u a l i z a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ：( 1 ) w h e n t h er a d i oo ff o ga n dd u s ti sf i t ，t h ec a k es t r u c t u r ei sm o r el o o s et h a n t h e s a m et i m e ，t h ec a k ep o r o s i t yi sl a r g e ra n dt h i c k e rc a k el a y e r o n c e ，t h ef o g i st o ol a r g e ，t h ec a k es t r u c t u r ef o r m e di sm o r ec o m p a c t ；( 2 ) t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ec a k el a y e rs t r u c t u r ew h i c hc l o s et ot h em e m b r a n es i d eo fi s m o r ec o m p a c t ，b u tt h e o t h e rs i d ei sl o o s e t h em e t h o di st i m e c o n s u m i n gs h o r t ，t h ep r o c e s si ss i m p l e ，a n dc a n d i r e c t l yr e f l e c tt h er e a lm i c r o s t r u c t u r eo ft h ec a k e t h e r e f o r e ，t h i ss t u d y p r o v i d e sac h a r a c t e r i z a t i o no fc a k es t r u c t u r ev i s u a l i z a t i o nm e t h o d s ，a l s o s h o w nt h a tt h eu l t r a s o n i ca t o m i z a t i o nt e c h n o l o g yc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h e c a k ef i l t r a t i o nr e s i s t a n c e k e yw o r d s ：p t f em e m b r a n ef i l t e rm e d i a ，i n h a l a b l ep a r t i c u l a t e m a t t e r ( p m l o ) ，u l t r a s o n i ca n da t o m i z i n g ，c a k er e s i s t a n c e ，c a k el a y e r s x 北京化工大学硕士学位论文 字母符号 符号说明 代表意义 滤料过滤面积 实际工况气体流量 过滤时间 含尘气体的含尘浓度 雾化浓度 雾粉比 尘粒粒径 中位粒径 表观气体过滤速度 压力损失 滤料本身的洁净阻力 沉积的粉尘层阻力 眦。 肌 s 蚵耐 m m 觚 h h h 么 q i ， q 旬 加 喀 v 廿 只 c 北京化工大学硕士学位论文 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：葛丝堑 日期：2 竺也! 里笪! 缪 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京 化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本 授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权 书。作者签名：兰垃作者签名：闺些婴 导师签名：z 乏盥 1 1 1 日期：型丝：三 日期：型! = ! ：兰：兰 北京化工夫学硕士肇位论文 1 文献综述 1 1 可吸入颗粒物来源、危害及控制标准 p m i o ( s u s p e n d e dp a r t i c u l a t em a t t e rw i t ha e r o d y n a m i cd i a m e t e rl e s st h a n10l x m ) 也可简称为可吸入颗粒物( i n h a l a b l ep a r t i c u l a t em a t t e r ) ，是指悬浮在大气中的空气 动力学直径小于l o l x m 的颗粒物。p m 2 5 ( s u s p e n d e dp a r t i c u l a t em a t t e rw i t h a e r o d y r n a m i cd i a m e t e rl e s st h a n2 5 p m ) 也称微细粒子( f i n ep a r t i c l e s ) ，是指悬浮在 大气中空气动力学直径小于2 5 t t m 的颗粒物【i 】。 当前p m l o 来源广泛，对人体健康和环境有严重的危害作用，已经成为突出的 大气环境问题，引起世界各国的高度重视【2 1 。 1 1 1 可吸入颗粒物的来源 可吸入颗粒物排放的来源广泛，主要分为两个方面：人为源和天然源。人为 源是指由于人类的活动引起的可吸入颗粒物排放，主要包括矿石燃料的燃烧、采 矿及破碎、施工扬尘、建筑物拆迁爆破扬尘等。天然源包括地面扬尘、森林火灾 的燃烧物、沙漠扬尘、土壤尘等。一般认为，人类活动所产生的颗粒物是造成空 气质量下降的主要原因。 近年来，随着国家和北京市政府对于北京城市大气质量的r 益重视，对大气 中的颗粒物排放采取了一系列的措施，虽然可吸入颗粒物的年排放量有降低的趋 势，但2 0 0 8 年烟、尘排放量依然达到了6 3 6 万吨【3 】。 1 1 2 可吸入颗粒物的危害 近十多年来，大量研究表明粒径较小的颗粒物与人体健康危害的相关程度显 著高于较大的颗粒物，微细颗粒和超微细颗粒物对人体的危害远远高于粗颗粒物 【4 】 o 颗粒物的粒度最终决定了它们最终能够进入人体的部位。1 0 “m 以上的颗粒会 被人的鼻毛阻挡；粒径为l o 5 t t m 间的颗粒可进入呼吸道中，但会被呼吸道阻挡， 而2 5 t t m 以下的颗粒能进入人体的肺部的气体交换系统，并可能导致与心和肺的 功能障碍有关的疾病( 如心血管病) 5 - 6 。其中，在采矿、铸造、油漆化工等行业中， 长期暴露在高浓度可吸入颗粒物的环境中劳动者，易患职业性尘肺等肺部疾病【7 锕。 同时，可吸入颗粒物分散度高、比表面积极大，所以具有很好的化学活性、 北京化工大学硕士学位论文 很强的吸附性和很强的凝聚核，是有毒有害元素和烃类化合物的主要载体，如各 种重金属( 如a s 、s e 、p b 、c r 等) 和p a h s ( 多换芳烃类) 、p c d d f s ( 二嗯英类) 等有机污染物，这些多为致癌物质和基因毒性诱变物质，对环境和人体健康危害 极大 9 1 。 目前，颗粒物已经成为我国城市大气环境的首要污染物，尤其是其中可吸入 颗粒物的污染问题十分严重【i 引。 1 1 3 可吸入颗粒物的排放控制的政策法规 国际上普遍重视对p m l o 的研究和防治工作，越来越多的国家规定了p m i o 的 大气环境质量标准l l 卜忆j 。 例如，随着对可吸入颗粒物危害性的进一步认识和对环保要求的日益提高， 美国于1 9 8 6 年率先制定了p m l o 的国家空气质量标准，规定p m l o 年平均浓度限值 为5 0 p g m 3 ，并于1 9 9 7 年发布新标准，在标准中首次引入p m 2 5 作为颗粒物污染参 数，规定p m 2 5 年平均浓度限值为1 5 9 9 m 3 1 3 - 1 4 1 ；欧洲也对原来的p m l o 的标准进行 了修订，并于1 9 9 7 年提出自己的p m 2 5 标准 i 引。相对而言，我国的进程较为落后， 在1 9 9 6 年颁布的新的空气质量标准中才对p m l o 做了规定，而我国的二级标准规 定的p m l o 年平均浓度限值( 1 0 0 9 9 m 3 ) 1 6 1 ，要比欧美的年平均浓度高出一倍还多， 而且到目前为止，还没有制定具体的p m 2 5 的排放标准。欧洲、美国及我国颗粒物 排放现行的具体标准，见表1 - 1 。 北京市自1 9 9 8 年底至2 0 0 7 年底，颁布了一系列的控制措施，如控制燃煤和 机动车尾气污染、重点污染企业的排放及控制建筑扬尘污染等大气污染控制紧急 措施。与这些措施相对应，2 0 0 7 年市区p m l o 年均浓度值从2 0 0 1 年的1 6 8 9 9 m 3 降 至1 4 8 9 9 m 3 ，下降了约1 6 。尽管如此，与国家的二级标准规定的1 0 0 i ，t g m 3 相比， 仍超标近5 0 t 3 1 。2 0 0 8 北京举行了奥运会，为了实现2 0 0 1 年中奥承诺，北京政府 采取多种控制方法使得奥运会期问p m l o 浓度降至5 7 j t g m 3 ，残运会期间为7 1 1 x g m 3 ， 都达到了国家二级标准。但是，2 0 0 8 年年均吸入颗粒物浓度值达到了1 2 2 9 9 m 3 ， 超出国家标准2 0 p j 。 2 北京化工大学硕士学位论文 表1 1 欧美和中国的大气颗粒物排放执行标准 t a b l e1 - 1a t m o s p h e r i cp a r t i c u l a t em a t t e re m i s s i o ns t a n d a r d so fe u r o p e ，u n i t e ds t a t e sa n dc h i n a 美国p m l o 美国p m 2 5 欧洲p m l o 欧洲p m 25 世界卫生组织p m l o 中国p m l o ( 二级标准) 中国p m 25 5 0 1 5 4 0 2 5 2 0 1 0 0 - 3 5 5 0 - 1 5 0 1 2 颗粒物捕集技术 为了消除工业生产排放的颗粒物对大气的污染，必须对排气中的颗粒物加以 净化，做到达标排放。从排气中去除或捕集颗粒物的技术称为除尘技术，用以实 现这一过程的设备称为除尘装置或除尘器。 1 2 1 常规除尘技术 在工业实际应用中，根据利用的除尘机理，人们习惯上将除尘装置分为4 大 类：机械式除尘装置、湿式除尘装置、静电除尘装置及过滤式除尘装置。重力除 尘器、惯性除尘器和离心除尘器和属于机械式除尘装置，喷淋塔、水膜除尘器、 文丘里管除尘器属于湿式除尘装置，颗粒袋式除尘器属于过滤式除尘装置。其中， 目前研究较多的主要是电除尘技术和袋式除尘技术。 1 2 1 1 静电除尘器 静电除尘器是利用高压电场使气体电离，从而使颗粒荷电，在库仑力作用下 使颗粒与气流分离的装置。 静电除尘器运行阻力很小，约9 8 2 9 4p a ，能耗低；并可处理从低温低压到高 温高压的含尘气流。理论上，静电除尘器捕集粒径范围为0 0 1 1 0 0 1 t m ，除尘效率 可达9 9 以上【1 7 1 。 但是静电除尘器的除尘效率受粉尘比电阻的影响很大，最适宜比电阻为 1 0 4 5 x 1 0 1 0q e m 的粉尘粒子，如低于此范围则易产生二次扬尘现象，高于此范围 则易发生反电晕现象，使除尘性能下斛1 8 】。而实际工业过程产生的粉尘比电阻差 异很大，导致除尘效率降低，因此安装有静电除尘器的火电厂烟尘排放浓度依然 北京化工大学硕士学位论文 超标。另外，静电除尘器还存在着钢材耗量较大，设备造价偏高，装置体积庞大、 占地面积大等缺点。 静电除尘器在低粒径范围内除尘效率低，原因是可吸入颗粒物粒径小、表面 积大、难以荷电、驱动速度低，研究认为，如若使静电除尘器对p m 2 5 的捕集效率 达到9 9 ，则需要5 个甚至6 个电场，这从经济上看是不合理的，必须对含尘气 体进行预处理【l9 1 。因此，静电除尘技术难以在可吸入颗粒物方面有所作为。相比 之下，袋式除尘技术具有较大的优势。 1 2 1 2 袋式除尘器 与静电除尘器相比，袋式除尘器具有如下优判2 0 - 2 1 1 ：不受烟气成分、含尘浓 度、颗粒分散度、比电阻等粉尘性质的影响。 袋式除尘器以高效率著称，如对微尘粒( 1 5 1 t m ) 效率在9 9 以上，一般在 9 9 9 以上，尤其突出的是对亚微米级粒径的微细粉尘有较高的分级效率。排放烟 尘浓度小于5 0m g m 3 ，甚至可达1 0m g m 3 以下；如果使袋式除尘器采用p t f e 覆 膜滤料，则对p m l o 和p m 2 5 等细颗粒物的净化效率会进一步提高。在过滤风速高 而粒径细的条件下，p t f e 覆膜滤料都能达到9 9 9 9 9 以上的有效过滤，比普通滤 料效率提高1 2 个数量级f 2 羽。图1 1 是p t f e 覆膜滤料与普通滤料捕集性能比较， 几乎实现零排放。图1 2 是p t f e 覆膜滤料与普通滤料的压力损失和使用寿命的对 比，可见p t f e 覆膜滤料在压力损失和使用寿命方面均优于普通滤料。 莲 糕 按 甓 娘 图1 - 1p t f e 覆膜滤料与普通滤料除尘效率性能比较【2 3 j f i g 1 1t h ed u s tr e m o v a le f f i c i e n c yc o m p a r i s o no fp t f em e m b r a n ef i l t e rm e d i aa n do r d i n a r yf i l t e r 4 北京他工夫学硕士晕位论文 橐 餐 r 嘲 使用时间，t 图1 - 2 不同滤料的压力损火及使用寿命对比【2 3 】 f i g 1 - 2t h ec o m p a r i s o no fp r e s s u r ed r o pa n dl i f eo ft h ed i f f e r e n tf i l t e rm a t e r i a l s 另外，在脱除烟尘中的微量重金属污染物上，袋式除尘器也明显优于静电除 尘器。表1 2 是根据澳大利亚同一电厂对两台6 6 0 m w 机组烟气除尘情况的跟踪研 究【1 9 】。在燃烧同一种燃料，机组运行情况相同的条件下，两台除尘器出口处的污 染物排放情况相差较大。这说明袋式除尘器能够更好的捕集亚微米级的颗粒物， 而微量重金属大多是富集在亚微米级的颗粒上。 表l - 2 烟尘中微量重金属透过袋式除尘器和静电除尘器的百分比， t a b l e1 - 2t h ec o n t e n to f t r a c ee l e m e n t s 因此，随着耐高温、高湿、抗腐蚀、抗静电等高性能过滤材料的快速发展， 袋式除尘技术已经成为燃煤电厂出尘的新宠。工业发达的国家从2 0 世纪7 0 年代 开始将袋式除尘器用于火电厂的烟气净化，由于这些国家的烟尘排放要求日益严 格，袋式除尘技术得到了进一步发展，特别是滤料材质的发展，使得滤袋寿命得 到延长，滤袋得到了较广泛的应用。 目前应用于表面过滤的滤料大部分是经过预涂层技术，在传统滤料表面涂附 某种化学品代替过滤初始阶段形成的粉尘初层，以达到表面过滤的目的。近年来， 由于覆膜技术的同趋成熟，覆膜滤料也开始大面积推广。 如g o r e - - t e x 滤料由两层材料复合而成，表面为膨体四氟乙烯微孔滤膜 ( p t f e ) ，底层是涤纶或丙纶等底布来支撑滤膜。利用p t f e 覆膜滤料过滤粉尘， 北京化工大学硕士学位论文 其过滤机理为表面过滤。不同于深层过滤机理，表面过滤具有如下一些特点：其 滤尘效率高，过滤的粉尘很容易从膜表面清除，清狄效果好、再生性能好，寿命 可达2 5 年，良好的透气性【2 4 1 ，能采用较高的过滤流速，阻力小，在相同的过滤 面积下，可处理的风量较大，粉尘湿度稍大也不容易堵塞。 袋式除尘器结构比较简单，操作维护方便，主要的清灰过程均可由程序控制 自动完成，不存在水污染问题，运行和维护成本大大降低。因而世界上高效除尘 技术越来越倾向于使用袋式除尘。 由于我国环保技术起步较晚，与袋式除尘器相配套的机械制造、滤料生产等 基础技术与国外先进技术有很大的差距，同时，粉尘排放浓度国家标准较低，导 致袋式除尘器的优势并不能体现出来。目前，国内高效除尘技术大多使用静电除 尘。但随着我国环保法规的日益严格，电厂燃煤锅炉各项污染物排放浓度标准的 提高，以及相关配套设备的技术的提高，袋式除尘技术将日益受到重视。 但是，当捕集可吸入颗粒物时，由于颗粒物粒径过小，所形成的滤饼的空隙 率过小，滤饼阻力较大，存在着运行阻力过大的缺陷，制约着袋式除尘技术的进 一步的广泛应用。 1 2 2 可吸入颗粒物捕集技术 目前，国内外对于可吸入颗粒物的控制技术，可粗分为以下两种： ( 1 ) 改造现有除尘装置。主要是针对静电除尘器和袋式除尘器的，目前，改 造静电除尘器具有成本大，捕集效率相对较低等缺点。而袋式除尘技术特别是采 用新型滤材的袋式除尘装置最为经济高效。 ( 2 ) 颗粒团聚法。采用物理化学方法使细颗粒物团聚或长大成大颗粒物再加 以脱除就可减少烟尘的排放。如声、电、热、相变等各种技术对超细颗粒的团聚， 都有不同程度的促进作用。目前，该技术还处于基础研究阶段。而且颗粒团聚法 只是预处理( 预调节措施) 方法，还需要采用常规除尘技术作为后处理装置。 1 2 3 颗粒团聚捕集微细粉尘的技术 根据颗粒团聚机理的不同，颗粒团聚捕集微细粉尘技术可分为：电凝并除尘 技术、声团聚除尘技术、蒸汽相变团聚除尘技术等技术。 1 2 3 1 电团聚除尘技术 电团聚是提高粉尘团聚的有效方法之一。该方法团聚原理是：通过增加微细 6 北京化工大学硕士学位论文 颗粒的荷电能力，促进微细颗粒以电泳方式到达飞灰颗粒表面的数量的增加，从 而提高颗粒间的团聚效应。张向荣 2 5 2 6 】等在理论分析和数值模拟的基础上，求解 荷电颗粒凝并的数量平衡方程，分析比较了外电场存在与否时，颗粒数量浓度的 变化关系。结果表明，外电场间的凝并系数增加，能促使荷电颗粒的凝并。 w a t a n a b e 27 】采用同极性荷电尘粒在三区式电团聚除尘装置中进行团聚实验，认为 除尘效率在5 h z 左右时最佳，处理颗粒0 0 6 - - 1 2 9 m 的飞灰，比常规的电除尘器的 效率提高了3 0 。 采用电团聚技术能够使电除尘器除去超细颗粒物的效率大大提高，但是除尘 极板捕捉的颗粒累计到定数量后，效率大大降低。需要用燃烧法再生，这限制 了电团聚技术在工业中的使用【2 8 1 。 1 2 3 2 声团聚除尘技术 声团聚是根据声学原理，利用具有很高能量密度的声区，引起空气分子振动， 通过分子稀疏的和稠密的变化，使超细颗粒物发生团聚。t i w a r y t 2 9 】等的研究表明 在1 6 0 d b 、2 - 3 k h z 声场中，粒子粒径可由0 2 1 a m 团聚增大到2 0 9 m 。袁竹林【3 0 】等 通过数值方法对悬浮在声波场中的p m 2 5 的受力进行分析研究表明，在音频为 1 0 k h z 、强度为1 w m 2 声场中，声波对空气中的悬浮p m 2 5 有显著的作用。可见， 声团聚方法收集亚微米粉尘是有效的，这一度引起了人们的极大的关注。但是为 了产生几十甚至几百千赫的声波，需要耗费大量的电能，同时还需要消除噪声的 危害，因此到目前尚未制造出实用的声团聚除尘器。 1 2 3 3 蒸汽相变团聚除尘技术 蒸汽相变团聚机理，在过饱和蒸汽环境中，蒸汽以可吸入颗粒物为凝结核发 生相变，使颗粒质量增加，从而易受惯性碰撞而捕集。该机理因涉及到微观“云 物理学的相关理论，又称为微观“云 物理学机理。蒸汽相变团聚技术是促进燃 烧源的可吸入颗粒物凝并长大的有效措施，特别是对细颗粒物( p m 2 5 ) 具有重要 的研究意义。 沈湘林等【3 l 】对应用蒸汽相变原理作为脱除燃烧源p m 2 5 预调节措施，然后采用 常规除尘装置( 如旋风除尘器、湿式洗涤塔等) 作为后处理装置，实现微细粒子 的捕集过程。研究发现，通过注入水蒸气调节烟气的含湿量，然后通过相变核化 室后，水蒸气先在颗粒表面形成冷却水，从而改变了颗粒的表面性质，使颗粒粒 度增大或凝并长大形成大颗粒，然后由扩散式旋风除尘器脱除。结果表明，蒸汽 相变与扩散式旋风除尘技术结合可有效地脱除p m 2 5 ，加入合适的水蒸气后，对燃 7 北京化工大学硕士学位论文 煤、燃油p m 2 5 的脱除效率可分别提高8 0 、6 0 以上。另外，沈湘林等【3 2 】还采用 湿式洗涤塔作为后续处理装置，用于脱除长大后的含尘液滴，结果说明蒸汽量的 增加，能够迅速提高小粒径颗粒的脱除效率，蒸汽添加量为0 1 7 k g m 3 时，对平均 粒径为0 3 1 x m 的颗粒的脱除效率超过8 0 ；而且研究表明，随着颗粒径的增加， 脱除效率显著提高。 以上研究是通过直接通入水蒸汽的方式来提供蒸汽相变条件，因为由液态水 转变为水蒸气需要消耗大量的能量，在某种程度上限制了其应用范围。所以，开 发出更为节能的供湿方式，具有重要的意义。通过通入超声波雾滴，由于雾滴粒 径极小，易蒸发形成过饱和水汽，达到相团聚所需要的条件，更节能高效并具有 实用意义。 1 2 3 4 超声波雾化除尘技术 超声波雾化除尘技术是利用蒸汽相变团聚原理的新除尘技术之一。该技术属 于湿式除尘技术，但是与普通的喷雾湿式除尘的机理完全不同，又称为干雾除尘 技术、超声波干雾除尘技术。 超声波雾化除尘技术是本文研究的一个重点，以下将对技术及其捕集机理详 细的介绍。 1 3 超声波雾化除尘技术 超声波雾化除尘技术，即利用超声波雾化器产生的微细雾滴实现除尘的技术。 超声波雾化除尘技术是新型除尘技术，具有效率高，能够有效地去除可吸入颗粒 物、微细粒子的优点。其捕集机理与普通的喷雾除尘机理完全不同，在捕尘中耗 水量极少，避免了普通喷雾水量过大的弊病。在空气过滤领域、矿山开采等领域 具有广阔的发展前景。 1 3 1 超声波雾化技术 超声波雾化技术是利用超声波特殊的性能来雾化水的新型喷雾技术，该技术 能使水充分雾化，实现微细水雾捕尘。利用上述原理产生水雾的装置称为超声波 雾化装置。 1 3 1 1 超声雾化原理 北京化工大学硕士学位论文 超声波是频率高于2 0 0 0 0 h z 的声波，具有方向性好，穿透能力强，易于获得 较集中的声能，能在气体、液体及固体媒介中传播，产生各种超声波效应，如机 械效应、热效应、化学效应、声空化等。超声能够使水或水溶液雾化形成粒径极 小的微细雾滴。超声波对水雾化起主要作用的有如下几种： ( 1 ) 机械效应。超声波在介质中传播过程中，引起介质中质点振动，它能在 液体内部产生很大的液压冲击，破坏液体分子日j 的作用力，可促成液体的乳化、 凝胶的液化和固体的分散。 ( 2 ) 声空化作用。当超声波在液体中传播时，在一定声强作用下液体内部由 于液体微粒的剧烈振动，会在液体内部产生大量小气泡。气泡随声压振动快速生 长、合并直至破裂，在这个过程中，液体微粒之间发生剧烈的相互作用，液体的 温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体( 如水和油) 发生乳化，并且加速溶质的溶解，加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所 引起的各种效应称为超声波的空化作用。 ( 3 ) 热效应。超声波频率高，能量大，通过介质时会引起分子间剧烈摩擦， 将声能转变为热能，产生热效应，为破坏分子之间的作用力提供能量。 ( 4 ) 化学效应。超声波的作用可促使发生或加速某些化学反应。例如纯的蒸 馏水经超声处理后产生过氧化氢；溶有氮气的水经超声处理后产生亚硝酸； 超声波在液体中传播时，在上述各种效应共同作用下，液体内部会出现大量 孔隙，同时分子间作用力遭到破坏，使液体分散歼来，实现水的雾化。 1 3 1 2 超声波雾化器的分类及应用 超声波雾化器，按照动力方式不同分为两种，以压缩空气为驱动的超声波雾 化器和以电力为驱动的超声波雾化器。 以压缩空气为驱动的超声波雾化器，主要部件为超声雾化喷头，其结构如图 1 3 所示。当高速气流冲击雾化器的共振腔时，在气流出口与腔之间由于聚能而产 生超声场，泵水进入超声场时，水迅速被雾化成高密集的微细水雾，水雾的粒径 通过调节压力可在l 1 5 0 1 t m 之间变化。 雾化效果的衡量指标有两个，一是雾滴粒径，以小于5 0 1 t m 雾滴所占比例表示； 二是单位面积内的雾滴的数量。影响超声波雾化性能的主要因素有气压和水量。 其中，张小艳等【3 3 】的研究表明采用压缩空气为驱动力的超声波雾化装置，气 压和水量对雾化效果有很大影响。实验研究表明在气压为0 4 5 m p a 、水量为4 0 l h 时，雾滴中粒径小于5 0 1 t m 的雾滴比例可达8 0 9 。 该超声波雾化装置主要应用于矿山抑尘。 9 北京化工大学硕士学位论文 图l - 3 超声波雾化装置f 3 4 】 1 压力通道；2 一水通道；3 共振腔 f i g 1 - 3u l t r a s o n i ca t o m i z e r 1 - t h ep r e s s u r ec h a n n e l ；2 - t h ew a t e rc h a n n e l ；3 - r e a o n a n tc a v i t y ； 以电力为驱动的超声波雾化器，通常表现为超声波雾化空气加湿器，一般结 构如图1 4 所示。现代超声波雾化设备内部采用集成式超声波机芯( 雾能转换器) ， 通过机芯高频震荡( 震荡频率为1 7 m h z 或2 4 m h z ，超过人的听觉范围，对人体及 动物绝无伤害) ，使电能转化为机械能，将水抛离水面而产生自然飘逸的水雾，不 需要加热或化学剂，而产生l 1 0 9 m 水颗粒漂浮在空气中。与加热雾化方式比较， 能源节省了9 0 。雾化效果的主要评价指标是雾化量，即单位时间内被雾化液体 的质量，一般以g h 为单位。影响雾化效果因素有：液体的表面张力、载雾气体流 量、雾化器自身功率、雾化池的液位高度。 图l - 4 超声波雾化空气加湿器 f i g 1 - 4u l t r a s o n i ch u m i d i f y i n ge q u i p m e n t 1 0 蕊遵 章卜承筒 择控歼关 风讥 交趣翟 北京化工大学硕士学位论文 目前，该超声波雾化器与以压缩空气为动力的超声波雾装置相比，具有体积 小巧，运行声音小，产生的雾滴粒径小等优点( 一般在1 l o i r t m 之间) ，所以，在 生活中应用较为广泛。实际应用产品有超声波雾化空气加湿器、香薰器、消毒机 等。另外，也可以通过加入治疗性药物，主要用于上呼吸道感染性疾病的治疗。 1 3 2 超声波雾化除尘技术 2 0 世纪8 0 年代开始，国内外开始研究一种全新的除尘技术超声波雾化抑 尘( 除尘) 技术。这种除尘的特点是利用微细水雾捕集和凝聚微细粉尘，使粉尘 特别是呼吸性粉尘很快沉降，实现抑尘的目的。 该方法有效地避免了使用于式、湿式除尘器带来的问题和清灰工作带来的二 次污染。同时，由于其捕尘机理与普通的喷雾捕尘完全不同，在捕尘中，耗水量 极少，被称为超声波干雾捕尘，避免了普通喷雾水量过大的弊病【3 5 1 。 1 3 2 i 国内外研究状况 1 9 世纪7 0 年代末，美国科罗拉多矿业大学的斯考温德和布朗对微细水雾的除 尘性能进行研究。研究结果表明采用微细水雾能有效地捕集呼吸性粉尘。 1 9 7 7 年美国新泽西声能发展公司率先开发出一种能产生微细水雾的超声波雾 化器。这种雾化器由压缩空气驱动，当高速气流冲击共振腔时，由于聚能而产生 超声场，当泵入水时，水迅速被雾化成浓密的微细水雾，通过调节压力可使水雾 的粒径在1 5 0 9 m 之间变化。 该公司把这种雾化器用在煤的破碎、筛选、皮带转运站的抑尘中，具体的方 法是在落料罩及受料皮带等产尘点上喷微细水雾，将扬起的粉尘直接抑制在产尘 点上。因为这种微细水雾的直径比普通的水雾小1 0 倍以上，与呼吸性粉尘的粒径 相近，同时研究表明微细粉尘抑尘仅需要少量的水就可以获得极高的除尘效率， 被称为“超声干雾抑尘。采用该技术后，由于水量较小，对煤增湿很少，冬季不 会使煤冻结，同时不会降低煤燃烧的热效率。因此，首先在美国发电厂的除尘系 统中全面推广使用【3 6 1 。 1 3 2 2 国内研究概况 在我国，从2 0 世纪8 0 年代开始，冶金部马鞍山研究院对该项技术进行了一 系列的理论研究与产品开发。9 0 年代初已经开发出c w 型超声雾化器，并应用于 工业除尘，收到了良好效果，主要的应用方式有以下两种：超声雾化就地抑尘装 北京化工大学硕士学位论文 置和超声雾化旋风除尘器【3 6 】。 国内众多研究人员对该项技术进行了一系列的研究，主要是从捕集机理、除 尘效率、应用领域、发展前景等方面进行研究。 ( 1 ) 超声波雾化除尘机理研究。徐立平等【3 5 】认为超声波雾化的原理主要是空气 动力学理论和云物理学理论。从动力学理论分析认为粉尘被捕捉的机率与雾滴直 径有关，当雾滴直径与尘粒直径相近时，雾滴更易捕集到尘粒。实验研究也表明， 雾滴直径与尘粒直径之比k 值的范围在1 2 5 k 1 m m ) ，出水量在7 0k g h 以上。 气体 图3 - 8 喷淋加湿装置示意图 f i g 3 - 8t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f t h es 芦a ) ，i n gh u m i d i f i c a t i o nd e v i c e 为考察喷淋加湿方式对过滤阻力的影响作用，进行了以下三组对比实验：( 1 ) 喷淋空白实验；( 2 ) 含尘实验；( 3 ) 喷淋+ 粉尘实验。具体的实验参数见下表3 1 。 北京化工夫学硕士学位论文 表3 1 喷淋加湿实验参数 喷淋强度粉尘浓度表面流速膜面积进气流量过滤方向 g g hg m 3 m sm 2m 3 h 图3 - 9 喷淋加湿过程过滤压降随时间变化图 f i g 3 9e v o l u t i o no f t h ep r e s s u r ed r o pw i t ht h ef i l t r a t i o nt i m ei nt h es p r a ) ，i n gh u m i d i f i c a t i o n p r o c e s s 采用喷淋加湿方式对过滤阻力的影响作用，如图3 - 9 所示。对比图3 - 9 中过滤 阻力随时间的变化趋势线可知，在喷淋的条件下，实验初始阶段过滤阻力增加速 度比较快，到达一定时间后开始增长趋势变缓。而未加湿的条件下，过滤阻力增 加缓慢，但当喷淋加湿后，过滤阻力迅速增大。而且，加入喷淋后的过滤压降并 不是喷淋和粉尘过滤阻力的简单的叠加，其压降远远大于二者压降的总和。 从实验现象可看到得现象，喷淋加湿之后，粉尘颗粒物与水形成泥状，发生 “糊袋”现象，这是导致压降迅速增加的最主要的原因。 由上可知，粉尘和水滴对于过滤阻力具有相互协同的作用，使得过滤阻力迅 速增加。可见，喷淋加湿的方式不适用。 3 2 2 超声波雾化加湿方式对过滤压降的影响 超声波雾化加湿实验装置图如图3 1 0 所示。水在雾化器中，被超声波振荡器 3 7 北京化工大学硕士学位论文 雾化成细小的液滴，通入压缩空气将雾滴带出，在除尘腔内与含尘气体混合。 滤料 图3 - 1 0