（环境工程专业论文）湿法脱硫除尘中燃烧源pm10相变凝结特性试验研究.pdf

摘要 摘要 2 l 世纪污染问题将是人类所面临的巨大挑战。随着污染问题越来越严重，可吸入颗粒物的污染在国内 外已经引起广泛重视。燃烧源可吸入颗粒物的形成与控制技术更是备受广大科研工作者的关注。燃煤产生 的可吸入颗粒物是城市大气污染的重要来源，这些颗粒物粒径小、数目多、富集多种有害物质，对环境和 人体健康造成了严重的危害。虽然现有除尘装置的除尘效率可达9 9 以上，但这些除尘器对超细颗粒物的 捕获率较低，仍有大量的超细颗粒物进入大气中，构成大气气溶胶的主要部分。蒸汽相变技术是一种新颖 有效的可提高可吸入颗粒物脱除效率的办法，本文在可吸入颗粒物蒸汽相变脱除方面作了些具有一定开创 性的探索。 通过对表面活性剂理论的研究，探讨加入表面活性剂后，使得洗涤液增强对可吸入颗粒物的润湿性能， 进而提高脱除效率。通过对数种表面活性剂的试验，观察其对可吸入颗粒物润湿效果的影响程度，选用三 种表面活性剂加到洗涤液中，考察其对可吸入颗粒物脱除效果的影响。 采用电称低压冲击器( e l p i ) 、离子色谱仪、s e m 及x r f 对燃煤、燃油可吸入颗粒物凝结洗涤前后的 数浓度、粒径分布、可溶性离子组分、形貌和元素组分进行了分析测试。结果表明，燃煤和燃油产生的可 吸入颗粒形貌和组分具有较大的差别，燃煤颗粒主要为硅铝矿物质，属于中等憎水性颗粒，而燃油颗粒主 要为含炭物质，属于强憎水性颗粒；因此，同样条件下燃煤可吸入颗粒物的脱除效率明显高于燃油可吸入 颗粒物的脱除效率。 本文通过对湿式除尘的理论分析，自行设计并搭建了蒸汽相交宏观效果特性研究实验平台，通过宏观 试验考察了洗涤塔进口气液温差、进口烟气含湿量、液气比、颗粒物数浓度、润湿剂等操作条件对燃烧源 可吸入颗粒物脱除效果的影响。结果表明，脱除效率随洗涤塔进口气液温差的增大而提高，在相同进口气 液温差下，增大进口烟气含湿量可显著提高超细颗粒的脱除效率；液气比的影响与填料洗涤塔内是否存在 蒸汽相变有关；脱除效率随颗粒物浓度的增加而减小；润湿剂的添加有利于提高脱除效率。 考察了脱硫剂对可吸入颗粒物脱除效果的影响。结果表明，不同的脱硫剂对颗粒脱除效果不同，不添 加蒸汽时，c a ( o h h 溶液、n a o h 溶液可部分脱除可吸入颗粒物，但n h 3 h 2 0 溶液却出现了脱除效率为负的 现象；添加蒸汽时，四种溶液对可吸入颗粒物的脱除效率都显著提高，其中，n h r h 2 0 溶液对可吸入颗粒 物的脱除效率提高最为显著；液气比增大四种溶液对可吸入颗粒物的脱除效率明显增大。实验表明，在 蒸汽相变的情况下。可以实现协同湿法脱硫和脱除燃烧源可吸入颗粒物的目的。 关键词：可吸入颗粒物；蒸汽相变；洗涤塔；脱除 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t h u m a nb e i n gi sc o n f r o n t e dw i t ht h eg r e a tc h a l l e n g ef o rt h ep o l l u t i o np r o b l e mi n2 1c e n t u r y 1 1 1 ep o l l u t i o n o f p 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 r s 1 0o m ( p m i o ) h a sb e e na t t r a c t i n gm u c ha t t e n t i o nb o t hi n s i d eo r o u t s i d ec h i n a , 1 1 f o r m a t i o nm e c h a n i s ma n dt h ec o n t r o lt e c h n i q u e so fp m l 0f r o mc o m b u s t i o na r eb e i n g 饿d d m u c ha t t e n t i o nb ym o r ea n dm o r es c i e n t i f i cr e s e c h e r s 1 n h a l a b l ep a r t i c l e s ( 1 p s ) f r o mc o a lc o m b u s t i o na r et h e i m p o r t a n ts o u r c e so fa t m o s p h e r ep o l l u t i o ni nc i t i e s t h e s ef i n ea n dn u m e r o u sp a r t i c l e sc o n t a i nm a n yh a r m f u l m a t e d a l s t h e yh a v ea d v e r s ei m p a c to ne n v i r o n m e n ta n dh u m a nh e a l t h a l t h o u i g ht h ee f f i c i e n c yo fe x i s t i n gd u s t r e m o v i n ge q u i p m e n tc a l lr e a c hs om u c ha s9 9 ，am a s so f s u b m i c r o m e t e rp a r t i c l e sa l ee m i t t e di n t oa t m o s p h e r e h e t e r o g e n e o u sc o n d e n s m i o ni s an o v e lm e t h o dt oi m p r o v et h er e m o v a le m c i e n c yo ff i n ep a r t i c l e s s o m e i n b o v a t i v er e s e a r c ho f h e t e r o g e n e o u sc o n d e n s a t i o nh a sb e e nm a d ei nt h i sp a p e r t h es t u d yo ns u f f a c t a n tt h e o r ys h o w st h ef u n c t i o nm e c h a n i s mt h a ts t r e n g t h e n st h ew e t t a b i l i t yt op m j 0o f a q a e o u ss o l u t i o na f t e ra d d i n gs u r f a n t a n ta n di n e r e a s e st h er e m o v a le f f i c i e n e y b yt e s t i n gs e v e r a ls u r f a c t a n t sa n d o b s e r v i n gt h e i ri n f l u e n c e so nt h ew e t t a b i l i t yo f p m l 0 ，t h r e es u r f a c t a n t sw e r ec h o s e n t h ee f f e c t so f s u r f a e l a n t so n t h ep a r t i c l er e m o v a le 佑c i e n c yw e r ei n v e s t i g a t e d t h ep a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o na n dc o n c e n t r a t i o n , t h em i e r o s t r u e t u r ea n dm a j o re l e m e n tc o m p o s i t i o n so ff i n e p a r t i c l e sb e f o r ea n da f t e rs c r u b b i n gw e r em e a s u r e db ye l e c t r i c a ll o wp r e s s u r el m p a e t o r ( e l p i ) ，s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) a n dx r a yp h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p y ( x p s ) 1 1 1 ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h e p h y s i c - c h e m i c a lp r o p e t t i e so ff i n ep a r t i c l e sf r o mc o a la n do i lc o m b u s t i o nw e r et o t a l l yd i f f e r e n t , w h i c hh a v e c o n s i d e r a b l ei n f l u e n e e so nh c t e r o g e n e o u sn u c l e a t i o nb e h a v i o r t h el t m o v a le 塌c i e n c yo f f i n ep a r t i c l e sf r o mc o a l c o m b u s t i o n i s h i g h e r t h a n t h a to f o i l a c c o r d i n gt o t h e o r e t i e a la n a l y s i so f d u s tr e m o v a l ，at e s t - f a e i l i t yb a s e do nv a p o rh e t e r o g e n e o u sc o n d e n s a t i o n w a sd e s i g n e dt os t u d yt h ei n f l u e n c e so fo p e r a t i n gp a r a m e t e r so nt h ep a r t i c l er e m o v a le f f i c i e n c y t h ee f f e c t so f t h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e ng a sa n dw a t e ri ns c r u b b e ri n l e t , t h em o i s tc o n t e n t so ff l u eg a s ，l i q u i dt og a s r a t i o ，p a r t i c l es u r f a e ec h a r a c t e r i s t i c ，p a r t i c l ec o n c e n t r a t i o n , s u r f a c t a n tk i n d so nt h er e m o v a le 币e i e n c yw e r e i n v e s t i g a t e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tr e m o v a le 墒c i e n c yi n c r e a s e sw i t ht h ei n l e tt e m p e r a t u r ed i f i e r e n c e b e t w e e ng a sa n dl i q u i d a tt h es a m et e m p e r a t u r ed i f i e r e n c e t h ec o n d e u s a d o n a lr e m o v a le f f i c i e n c yc o u l db e h i g i l l yi m p r o v e dw i t ht h ei n c r e a s ei nh u m i d i t yo fi n l e tg a s t h ei n f l u e n c eo fl i q u i dt og a sr a t i oi sr e l a i e dt ot h e e x i s t e n c oo fh e t e r o g e n e o u st e n d o n s a t i o ni nc o n d e n s a t i o ns c r u b b e r t h er e m o v a le m c i e n c yd e c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s ei nt h ep a r t i c l ec o n c e n t r a t i o n 1 1 1 ea d d i n go f s u f f a c t a n tw i l lb eh e l pf o rt h er i s eo f t h er e m o v a le f f i c i e n e y n l ei n f l u e n c eo fd e s u l f u r i z e ro nt h ep a r t i c l er e m o v a le m c i e n c yw a si n v e s t i g a t e d d i f f e r e n tm a t e r i a l so f d e s u l f u r i z e rh a v ed i t t e r e n te f f e c t so nt h ep a r t i c l er e m o v a le f f i e i e n e y w i t h o u ta d d i n gs t e a m t h es o l u t i o no f c a ( o h ha n dn a o hh a de f f e c t i v er e m o v a lo ff i n ep a r t i c l e s ，b u tt h es o l u t i o no fn h 3 - h 2 0h a sar e v e r s ee r i e c t w h e n w a t e r v a p o r i s i n j e c t e d ，a l l t h e f o u r k i n d so fs o l u t i o nc a n b ea c t i v e i n t h er e m o v a l o f f i n ep a r t i c l e s ，a m o n g w h i c ht h es o l u t i o no fn h 3 h 2 0h a st h em o s te r i e c t i v ea c c r e t i o n t h er e m o v a ie f f i c i e n c yi n c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s i n go f t h el i q u i dt og a sr a t i o 1 1 1 er e s u l t ss h o w e dt h a tt h r o u 曲t h ed e s u l f u r i z e r , t h ef i n ep a r t i c l e sc a nb e r e m o v e dt o g e t h e rw i t ht h es o l f u rd i o x i d e i ti ss h o w nt h a tf m ep a r t i c l e sf r o mc o m b u s t i o nc a nb ee 街c i e n c i l y r e f n o v e db yh e t e r o g e n e o u sc o n d e n s a t i o ni nt h ed e s u l f u r i z a t i o ns c r u b b e r k e yw o r d s ：l n h a l a b l ep a r t i c l e s ，h e t e r o g e n e o u sc o n d e n s a t i o n , s c r u b b e r , r e m o v a l i l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名： 黝 导师签名：硅毳丛豸刍期：2 1 巫生沙 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 随着人e l 的激增，社会的进步，全球经济的快速增长，人类赖以生存的生态环境已成为全球瞩目的焦 点。由于大气具有全球流动性，污染的范围广，因此，大气污染问题更是越来越普遍地受到世界各国的关 注。大气污染是危害人类健康的主要环境因素之一。大气污染物是由多种污染物组成的复杂混合物，在目 前公认的各种大气污染物中，颗粒物，特别是细颗粒物，已被公认为是对人体健康危害最大且代表性最强 的大气污染物，w t o 、美国环境保护署( e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na g e n c y , e p a ) 、欧盟等诸多机构在评价大 气污染的健康危害时，均使用颗粒物作为代表性大气污染物”j 。美国e p a 更是把颗粒物与臭氧、一氧化碳、 二氧化硫、氮氧化物和铅定义为环境中的6 种常见污染物，也称为标准污染物。 1 1 1 我国大气污染特征 我国是目前世界上最大的煤炭生产国，煤炭资源丰富，储量高达8 6 0 0 亿吨，居世界第三位。同时， 我国也是燃煤大国，煤炭占整个能源消耗的7 0 s 0 t “。据环境公报，2 0 0 0 年全国烟尘排放量1 1 6 5 m t ，s 0 2 排放量1 9 9 5 m r , 前者6 0 来自燃煤，后者8 7 来自燃煤，同时，大气中的污染物还有7 1 的c ( h 和6 7 的n o x 是燃煤引起的，燃煤引发的煤烟型污染是我国大气污染的主要类型。 随着我国工业化、城市化进程的加快和人民生活水平的提高，我国的煤炭消费量还将持续增长，预计 2 0 2 0 年中国煤炭的消费量将占一次能源消费量的6 7 ，总耗煤量将增加到2 3 亿吨例。我国以煤为主的能 源结构在今后相当长时期内不会改变，所以煤烟型污染是我国现在和今后大气污染的主要特征。 目前全球关注的酸雨、温室效应和臭氧层破坏等三大主要环境问题威胁着人类生存，都与燃煤产生的 二氧化硫、氮氧化物、烃类化合物、碳氧化物等直接有关。我国的大气可吸入颗粒物在世界各国中名列前 茅，当前最突出的是城市大气中总悬浮微粒( t s p ) 和s 0 2 的污染。据有关部门统计，总悬浮微粒在我国北 方地区城市百分之百超标。总悬浮颗粒物( t s p ) 或可吸入颗粒物( p m l o ) 已成为目前影响城市空气质量 的主要污染物，而s 0 2 排放量居世界第一位，部分地区s 0 2 污染严重，我国酸雨侵害面积已达2 6 6 7 万平 方千米，占国土面积的3 0 ，估计每年损失在2 0 亿元以上每年因燃煤污染造成的损失高达1 0 0 亿元以上1 4 j 。 显然，全国大气污染的主要来源是燃烧源可吸入颗粒物和s 0 2 。 1 1 2 可吸入颗粒物及其危害 由于我国煤烟型的大气污染特征，所以我国的主要大气污染物为颗粒状大气污染物和s 0 2 。通常所说 的颗粒状大气污染物包括烟尘、粉尘、总悬浮颗粒物、可吸入颗粒物、可入肺颗粒物等。我国颗粒状大气 污染物中可吸入颗粒物的危害最严重。 大气颗粒物( a i r b o m ep a r t i c u l a t em 硼e r ) 是指分散在大气中的固态或液态颗粒状物质p 】，其粒径通常采 用空气动力学直径来描述，一般颗粒在大气中呈双峰分布，如图1 a 所示嗍。空气动力学直径是指一个粒 子与密度为1 0 0 0 k g m 3 的球形粒子的空气动力学效应相同时，则该球形粒子的直径为该粒子的空气动力学 直径。 东南大学硕士学位论文 l 苫 弘帅c p | 口d 口柏博i 玎l d 日l o 呻 一一c 口_ r _ 钟自* _ _ 一一一舢c r - _ n * 口目- 一t f _ d i t o 一 一m ”日w ，+ 恐篡一 i 1 口u # 图1 1 大气中颗粒物尺寸大小及其分布 大气颗粒物的术语有：悬浮颗粒物( s p m ) 为所有大气颗粒物的通用术语：总悬浮颗粒物( t o t a l s u s p e n d e dp a r t i c l e t s p ) 指大气中1 0 0 u m 以下的颗粒；p m l o 指空气动力学直径小于或等于1 0 p r o 的大气颗 粒物；p m 2 ，指空气空力学直径小于或等于2 5 m 的大气颗粒物；可吸入颗粒物( 1 n h a l a b l ep a r t i c l e s ) 指通 过呼吸系统可以吸入热体的颗粒，我国曾成为飘尘，通常就是指p m l o 可入肺颗粒物( r e s p i r a b l ep a r t i c l e s ) 指能够进入人体肺泡的颗粒，通常就是指p m 25 i ”。可吸入颗粒物对人体的危害程度与尘粒的大小及性质密 切相关。在各种可吸入颗粒物中，以粒径在0 5 5 o h m 的细颗粒对人体的危害最大。这是因为粒径大于5 “m 的细颗粒能被鼻毛与呼吸道粘液挡住而排除；粒径小于0 ，5 “m 的细颗粒，能被粘附在上呼吸道表面随痰而 排出，只有粒径在o 5 5 5 0 p m 的细颗粒能直接深入肺部，在肺泡内沉积、并可能进入血液输往全身，在身 体各个部位累积产生症状嗍，如图1 2 所示。 l 拍 誉 v6 0 妊 蹙 2 0 t _ 扩散_ 碰攘_ _ 一沉阵_ 0 0 1饥l1 0l 粒御( “m j 图1 2 呼吸系统中烟尘沉积状况 我国对燃烧排放的烟尘，通常使用静电除尘器或布袋除尘器，它们对占质量份额较大的大粒径颗粒通 常有很高的收集率，但是对于烟尘中数i ：1 众多的小颗粒的收集效率却不高，特别对亚微米颗粒( 粒径约为 o 0 5 1 w - n ) 的收集效率会显著降低【9 】，导致这些颗粒物直接排入大气中。这也是为什么空气中总的悬浮颗 粒物浓度降低而可吸入颗粒物的浓度反而增加的原因。这些细小的颗粒物虽然只占飞灰总质量的很少部 分，但是对大气环境和人的健康威胁极大。由于粒径小、比表面积大，富集了大量的痕量元素，在空气中 的停留时间长，而且能够通过呼吸系统直接进入人的体内，给人的身体造成很大的危害【l “j 。长期生活在 细颗粒物浓度高的环境中，呼吸系统发病率增高，特别是慢性阻塞性呼吸道疾病如气管炎、支气管炎、支 气管哮喘、肺气肝和肺心病等发病率显著增高，也会促进这些病人的病性恶化，提前死亡”“。 2 第一章绪论 可吸入颗粒物对气候的影响体现在降低空气的能见度、对温度的影响等方面【i ”。可吸入颗粒物能降低 能见度，这是因为颗粒物及气体分子能对光发生吸收和散射减弱光信号，并由于散射作用减少了目标物与 天空背景之间的对比度。大量研究表明，p m i o 和p m 25 的性质与能见度的降低密切相关“q 。由于颗粒物的 存在，直接阻挡太阳光抵达地球表面，这样使可见光的光学厚度增大，抵达地面的太阳能量急剧下降，从 而使地面温度降低，高空的温度升高，久而久之，就改变了地表的气候状况，进一步影响地球的生态环境。 空气中的颗粒物对降水有不可忽视的影响。颗粒物的凝结核的成云作用和降水对颗粒物的冲刷作用均 可以使颗粒物进入降水或云水中。同时，云水在空中迁移流动过程中也会吸收空中的颗粒物其中的各种 化学成分进入云水或降水体系后，会发生一系列的复杂变化，并影响或决定云水和降水的污染性质。颗粒 物影响和决定降水化学性质的一个重要方面是颗粒物中的化学物质溶解在云水中而改变降水的酸碱度，给 建筑物和农作物带来灾难性影响的酸雨就与大气中富含s 0 2 和n o x 的颗粒物溶解在云水中相关了”“。 在我国城市大气环境的颗粒物污染非常严重，特别是超细颗粒物( p m 25 ) 的污染特别严重。据我国环 境质量报告书和世界资源报告的数据，我国空气质量超标的城市中，6 8 都存在可吸入颗粒物污染问题。 1 9 9 8 年统计的3 2 2 个城市中，空气总悬浮颗粒物平均浓度为o 2 8 9 m g m 3 ，6 8 的城市总悬浮颗粒物浓度年 平均值超过国家二级标准，有3 0 8 个城市总悬浮颗粒物年平均值高于世界卫生组织( w h o ) 的空气质量指 南值( o 0 9 m g m 3 ) ，占统计城市的9 5 以上；2 0 0 0 年，全国城市空气污染依然严重，环境质量较差的城市 比重较大。近几年来，由于相关部门对环保的重视，环境污染的状况有所缓解，但整体水平还比较差，在 统计的城市中，半数| 三i 上的城市颗粒物浓度未达到国家二级标准，大气中的颗粒物已经成为影响城市空气 质量的首要污染物【1 6 1 。我国在1 9 9 6 年颁布的环境空气质量标准( g b 3 0 9 5 1 9 9 6 ) 中规定了p m l o 的标准， 并统一在空气质量日报中取消了t s p 质量指数，采用p m l o 指标，见表1 1 。美国环保局( u s e p a ) 在1 9 9 7 年提出了p m 25 的大气环境标准，规定2 4 小时平均值为6 5 9 9 m 3 i l ”，三年平均值为1 5 p g m ；欧共体也于 1 9 9 7 年提出了自己的p m 25 标准【l g l ，并建议2 0 1 0 年实施m p 25 的限制值：2 4 小时平均值为3 8 p g m 3 ，年平 均值为1 9 p g m ，见表1 2 。因而，研究细颗粒物最终的控制排放策略、方案和技术已经成为迫在眉睫的事 情。 表1 1 我国颗粒污染物的浓度限值( g b 3 0 9 5 1 9 9 6 ) 污染物名称 取值时间浓度限值 一级标准二级标准三级标准浓度单位 t s p 日平均 0 1 2o 3 0 o 5 0 可吸入颗粒物 p m l o 年平均 日平均 0 0 4 0 0 5 0 1 0 o 1 5 o 1 5 o 2 5 ( 标准状态) 表1 2 美国e p a 和欧洲的t s p 、p m 执行标准 1 2 可吸入颗粒物控制技术研究现状 就国内外研究现状来看，研究的重点多集中在大气中可吸入颗粒物的源解析、危害、浓度、形态以及 气候条件对颗粒物扩散的影响等方面口。埘2 2 1 ，而对可吸入颗粒物的控制排放研究较少。 3 东南大学硕士学位论文 1 2 1 传统除尘方式和除尘器 1 2 1 1 现有常规除尘技术概述 除尘器利用不同的作用力，如重力、惯性力、离心力、扩散附着力、静电力等使烟气中颗粒物得到分 离与捕集。按颗粒从烟气中分离出来的作用原理，除尘器可分为以下四大类，即机械力除尘器( 包括重力 沉降室、惯性除尘器、离心力除尘器等) ，电除尘器、过滤式除尘器( 布袋除尘器) 、洗涤式除尘器。按照除 尘过程中涉及到有无液体参与作用又可将除尘器分为干式除尘器( 无液体参与作用) 和湿式除尘器( 有液体 参与作用) 两大类。其中在我国燃煤电厂中使用得最多的是袋式除尘器和利用高压静电场力米除尘的各种高 压静电除尘器。 电除尘器在正常运行工况下除尘效率很高，高效电除尘器的除尘效率( 质量收集效率) 高达9 9 7 。但 是对于粒径o 1 1 0 u m 的亚微米级的颗粒来说仍有高达1 5 的颗粒会离开除尘器排入大气幽】。目前，为 提高除尘效率，有的电除尘器甚至采取两级或三级电场，但是由于静电除尘效率与极板面积成指数关系， 所以虽然体积增大了许多，但除尘效率提高得却很少，特别是对p m 25 的脱除作用依然很弱。 i - r l f k 州砷d d p 时 图1 35 2 0 m w 燃煤锅炉上电除尘器的除尘效率 图1 3 为常规电除尘器在亚微米级颗粒区的收集效率的下降趋势。这个下降是由于对小颗粒缺乏足够 的荷电造成【2 4 】。因此，改善静电除尘器的供电条件，提供高强度的电晕电场强制粒子荷电，是一种方法； 利用颗粒的团聚特牲，采用专门的技手段，使微细粒子凝并成较粗的粒子后再处理是另一种方法。团聚变 大的粉尘颗粒采取常规除尘方式( 如旋风除尘器、布袋除尘器、电除尘器、湿式除尘器等) 去除时，可提高 除尘效率，降低运行成本，因此颗粒团聚与普通除尘方式配合可以提高颗粒的收集效率，使除尘效率增加。 布袋除尘器主要靠惯性碰撞、拦截和扩散脱除，同样，由于1 9 m 附近的颗粒正好处于惯性和扩散混合 区，布袋对其脱除效率同样很低。即使现在采用的覆膜滤料，增强了拦截作用，对p m l o 作用有显著加强， 但却仍未能达到期望水平1 2 5 1 。因此，要从源头上控制可吸入颗粒物的排放，必须寻找新的控制方法。 1 2 1 2 湿式除尘技术 湿法烟气除尘即湿式除尘，由洗涤介质形成的液滴( 通常为水滴，其直径往往比被清除的颗粒火很多) 穿过需净化的空气而清除固体颗粒的过程。不同的洗涤器类型形成水滴的方法也不同，并以不同方式保证 水滴与被净化气体间有一相对速度。在湿式除尘中，气体中的颗粒是在气液两相接触过程中被捕集的。湿 式除尘的理论基础是气液两相间的接触面积、捕尘体形成的流体动力学以及颗粒在捕尘体上的沉降“。 湿式除尘中气液两相接触表面的形式及大小，对除尘效率有着重要的影响。气液两相接触表面的形式 及大小取决于一相进入另一相的方法，即水与含尘气流的接触方式，主要有三种形式：( 1 ) 液滴：当洗涤 液体向含尘气体中分散时，如在重力喷淋塔洗涤器中，将形成液滴气液接触表面，气体中颗粒在液滴捕尘 4 第一章绪论 体表面上沉降；大多数实际应用的湿式除尘器是以液滴作为捕尘体而进行捕尘的；形成液滴捕尘体的方法 主要有两种：一种是采用机械( 喷头) 喷雾的方法将洗涤液体分散成细小的液滴：另一种方法是以含尘气 流本身的速度冲击贮水液面，而形成细小液滴( 同时有气泡生成) 。( 2 ) 液膜：有些湿式除尘器，如填料 塔洗涤除尘器和湿式离心式洗涤除尘器，利用水进入除尘器后，在其内表面形成一层液膜，进入装置内气 流中的尘粒受惯性和离心力的作用撞击到液膜中，而完成除尘过程：在这些湿式除尘器中，气液两相接触 表面为液膜，液膜是这类除尘器的主要捕尘体，颗粒在液膜上得到沉降。( 3 ) 气泡：当含尘气体向液体中 分散时，如在板式塔洗涤除尘器中，将形成气体射流和气泡形状的气液接触表面，气泡和气体射流即为捕 尘体，颗粒在气泡和气体射流捕尘体上沉降。对许多类型的湿式除尘器来说，气体和洗涤液体的接触表面 不只是一种类型接触表面和捕尘体，而是有两种或两种以上的接触表面形式。 在湿式除尘中主要涉及的颗粒在捕尘体上沉降的形式有惯性碰撞、拦截捕获，扩散沉降和热泳力沉降 等。 1 惯性碰撞 当含尘气流绕流于液滴捕尘体时，由于颗粒比气体分子具有较大的惯性力，气流中的颗粒将脱离弯曲 的气体流线，继续向前运动，并与捕尘体相碰撞，这种捕获也称为惯性力沉降旧，是捕集密度较大的尘粒 的主要机理。不同粒径的球形颗粒在液滴( 捕尘体) 上的捕获见图1 4 1 z “。图中颗粒3 的捕获便是依靠惯 性碰撞而被液滴捕获的。 ：兰乏荔乏三器 2 三三；主蔓之。j j ! ：；! ：纛： 三兰釜爹= 。j ：耋兰兰爹：二 图1 4 不同粒径的球形颗粒在液滴上的捕获示意图 2 拦截捕获 依靠被绕物体( 捕尘体) 表面，捕集气体中具有大小而无质量的颗粒的过程称为拦截捕获过程。拦截 捕获是忽略颗粒的质量，不考虑颗粒惯性碰撞的捕尘效应。当只考虑拦截捕集效应时。沿气体流线运动的 颗粒不仅能在流线与被绕物体相交表面处沉降，而且还能捕获流线与捕集体表面距离等于或小于粒子半径 d p 2 的所有颗粒【2 6 】，图1 4 中的颗粒5 便是被液滴拦截捕获的。 3 扩散沉降 微细的颗粒在气流中常伴有无规则的布朗运动，引起布朗扩散四，当细颗粒与液滴( 或液膜) 相接触 时，便被捕集。 4 扩散泳力沉降 气体介质中如果有浓度梯度存在某一方向的物质扩散速度明显大于其他方向。微粒在扩散运动分子 的撞击下，也会产生与扩散方向相同的运动，这种现象称为扩散泳o “。在冷凝与蒸发过程中，扩散泳表现 得十分明显。 。 图1 5 为蒸发过程中扩散泳的示意图【“i 。当液滴( 或液膜) 表面进行蒸发时，在液滴或液膜表面上会 产生蒸气组分的浓度梯度，但当气体总压不变时，气态混合物就会发生垂直于液滴表面的流动，并向这个 5 查堕查兰堡主堂垡堡苎 表面扩散，这种气体流动称为斯蒂芬流。斯蒂芬流对颗粒的沉降影响很大。例如用喷水雾清除粉尘颗粒时 斯蒂芬流有助于液滴捕获粉尘粒子i “。 蕞q 黼 摊 撼动疗一 ，木蔗气分子 图1 5 扩散泳示意图 i 4 ，一j 。 o ：气 图1 6 热泳示意图 5 热泳 在气体介质中，如果有温度梯度存在，微粒就会受到由热侧指向冷侧的力的作用，这种力是微粒热侧 和冷侧之间的分子碰撞差异而产生的结果f 2 6 1 。热区介质分子运动剧烈，单位时间碰撞微粒的次数较多，而 冷区介质分子碰撞微粒次数较少，两侧分子碰撞次数和能量传递的差异，就会使微粒产生由高温区向低温 区的运动。这一现象称为热泳或温差泳，如图1 6 所示p ”。该机理在气液温差较高、洗涤除尘器内存在蒸 汽相变作用时，可促进细颗粒的脱除。 6 相变凝结原理 一般的湿式除尘器对可吸入颗粒物脱除效率较低，特别是p m 25 ；若通过调节湿式除尘器操作条件， 使烟气在除尘器内可达到过饱和，在高温过饱和气体与低温洗涤水接触时，会出现水蒸气的冷凝，部分蒸 气将冷凝在起凝聚核作用的颗粒上，颗粒口司凝聚水层质量增加，更易惯性碰撞捕集。同时，当出现冷凝的 时候，会产生扩散泳和热泳沉降，使颗粒增大并更容易被脱除。其效率主要取决于每单位质量干烟气可凝 结水汽量。斯坦福研究所、a p t 等完成的小型试验证明，借助于冷凝原理可大大提高除尘效率p ”。 1 2 2 可吸入颗粒物脱除预处理技术 如果通过某种预处理技术使细颗粒变大成为粗颗粒，再利用常规的除尘器清除变大的粗颗粒，则可解 决细颗粒的环境污染问题。从控制角度来看，清除可吸入颗粒可以通过物理或化学作用来使其发生凝并或 团聚，颗粒的团聚指在某种力的作用下颗粒间产生了相互运动，彼此发生碰撞、接触而团聚成团的过程。 团聚物是一个较大粒度的颗粒聚集体，从而易于被常规的分离设备分离下来，提高整体的清除效率。声、 光、电、磁、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。 1 声团聚 声团聚是指在声场作用下，气l 茸两相物中的闶相和气相之间会发生复杂的相互作用。一般来讲各种相 互作用是同时进行的，使得微粒相互靠近并且最终团聚。而多分散系统的气溶胶本身是一种表面能不稳定 的体系，有相互凝结成较大颗粒的趋势，声波能加速颗粒的运动速率，增加了粒子的碰撞几率，从而使气 体中的微粒聚集成较大的颗粒，易于被捕集。声团聚的机理有三种：第一种是同向凝聚作用。声波场中的粒 子随气体介质的振荡而趋于前后运动，小颗粒随介质运动较快，而大颗粒较慢，结果不同粒径颗粒的相对 运动加速颗粒碰撞而使颗粒团聚。第二种是流体力学作用，在单分散体系中，颗粒之间的相对速度为零， 但声波团聚实验表明颗粒团聚现象很明显。一般认为存在两种流体力学作用：伯努力流体力学作用，流场中 6 。： 一 第一章绪论 在垂直于波速方向的两个颗粒之间形成类似射流的作用，根据伯努力原理存在的静压会拉近颗粒而使其碰 撞；另外一种流体力学作用是由于围绕每个颗粒的流场不对称造成的。第三种是湍流扩散和湍流惯性。当声 场强度超过某一数值( 约1 6 0 d a ) 时，就会出现声致湍流，湍流中粒子间的碰撞有两种机理。一种是湍流扩 散，是由于粒子空间不均性产生速度差异，产生碰撞：二是湍流惯性。粒子运动跟不上区域湍流而产生相对 运动p 掣q 。各种声团聚机理的相对重要性如图1 7 所示。 畲 焱 毒- 出 忸 1 湍流扩散 湍流扩散 湍流惯性 湍流惯性 同向凝结 流体力学 0 。l11 0 粒子直径( 微米) 图1 7 各种声凝并机理的相对重要性 声波的频率和强度对团聚有一定的影响【”，高频和低频对收尘都有一定的效果。实验室的声波除尘装 置由声波发生器、声团聚箱和分离器组成。声团聚方法收集! 哑微米粉尘是有效的，曾一度引起除尘界的极 大关注。但是对于高频来说，为了产生几十甚至十百千赫的声波，需要解决高能耗的问题，同时还需要消 除噪声的危害。因此，如何产生低成本的有效声场，也是高频声能消烟除尘技术能得以应用的重要研究课 题。也正是因为这个原因，到目前尚来制造出实用的声波除尘器。 2 光团聚 光团聚的方法是应用光辐射的原理促进颗粒物团聚。l u s h n i k o v 进行了激光照射促使超细颗粒物团聚 的动力学机理分析。认为超细颗粒物团聚遵循如下过程：入射电子束一等离子体膨发一等离子体云膨胀一 成核一冷凝膨胀长大+ 等离子云膨胀一凝结一不规则片状形一团聚一凝胶化p ”。d i 等在压力0 - 1 5 b a r 和温 度1 8 0 0 2 0 0 0 k 之间变化的震动试管内，进行了超细颗粒团聚的实验研究。基于团聚的随机理论，分析了 光的折射角、光的强度的变化对颗粒的数目、粒径和形态的影响。不同的光散射辜产生不同的团聚形状。 指出光照射煤烟团聚的过程中，首先形成长链状的结构，然后很多小颗粒结合形成紧促的聚合体，呈现出 不规则的片状p 6 】。通过改变激光传播的折射角光的强度等多种参数可以促使超细颗粒发生团聚，但其成本 相当大，目前还不可能大规模利用。 3 电团聚 电团聚是通过增加微细颗粒的荷电能力，促进微细颗粒以电泳方式到达飞灰颗粒表面的数量，从而增 加颗粒间的团聚效应。在外电场中，微粒内的正负电荷受到电场力的排斥，吸引而作相对位移。尽管位移 是分子尺寸的，但相邻分子的积累效应就在微粒两侧表面分别聚集有等量的正负束缚电荷，并在微粒内部 产生沿电场方向的电偶极矩。电场对微粒的这种作用即为电极化作用。微粒荷电后成为一种电介质，这种 电介质进入电晕电扬后，在场强的作用下，其原子或分子发生位移极化或取向极化，产生附加电场，这种 附加电场反过来又进一步改善其极化程序。微粒在电场中被极化而产生极化电荷，无论在非均匀电场( 如电 除尘器的电晕板附近) ，或在均匀电场( 如电除尘器的近收尘极区域) ，粒子的偶极效应将使粒子沿着电力线 移动，在很短的时间内就会使许多粒子沿电场方向凝结在一起，形成灰珠串型( 亦称链式结构) 的粒子集合 体。我们注意到，粒子在电场中形成“灰珠串”的现象与粒子是否带电( 自由电荷) 无关。因为极化产生的 7 东南大学硕士学位论文 电荷起源于原子或分子的极化，因而总是牢【刮地粘缚在介质上。它与导体上的自由电荷不同，既不可能从 介质的一处转移到另一处，也不可能从一个物体传递给另一个物体。即使物质同时具有导电性，情形也是 如此。若使介质与导体相接触，极化电荷亦不会与导体上的自由电荷相中合。因此，只要有电场的存在， 粒子就会极化，就会有团聚现象发生。而且这种粒子的偶极效应不仅发生在电场空间，形成空间团聚，即 使在电除尘器的收尘极板上，已释放电荷的粒子间仍由于极化作用的存在而团聚在起m “叫。 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为提高，但除尘极板捕捉的颗粒累计一定数 量后，效率大大降低了，需用燃烧法再生，这限制了电团聚技术在工业中的使用 4 0 j 。 4 ，磁团聚 磁团聚指的是强磁性颗粒经磁场作用，即磁选或预磁后，由于其剩磁的相互作用而产生的团聚现象。 磁团聚技术应用于生产实践已有很长的历史。如物料的提纯、磁力选矿等。2 0 世纪7 0 年代开始将磁分离 技术用于对冶炼、造纸、电镀和化工等废水中超细颗粒物的处理。空气是流体，既然磁力能进行水污染控 制，同样，磁团聚也能用于空气污染净化。因此，磁团聚除尘是可行的。2 0 世纪8 0 年代开始了磁团聚除 尘的应用研究。研究表明，磁团聚除尘对收集亚微米粒子的效率是极高的。目前的主要问题是如何高效收 集弱磁性尘粒，以及如何清除和解磁附着在面上的被收集的粒子。 5 热团聚 热凝并又称为热扩散凝并是指超细颗粒物在没有外力、温度较高的环境下产生明显的成核和凝并的 现象。由布朗运动( 扩散) 导致气溶胶粒子互相接触而合并的过程叫热团聚，也是最常见的一种团聚方式。 通常情况下，对于烟尘浓度高，粒径相差较大的颗粒物，热团聚的效果比较明显j 。s m o l u c h o w s k i 首先建 立了在静止连续介质中的球形超细颗粒物热团聚模型，并且认为要使超细颗粒物增长到较大的粒径，需要 较长的时间n 2 。由于热团聚过程非常缓慢，难以到达有效分离细微粉尘的实际要求。 6 湍流边界层团聚 湍流团聚是指超细颗粒物在湍流的射流中有明显的