李 季 鄭志堅 夏素蘭 李 勇 文 浩 四川大學化學工程學院 成都 610065

設(shè)計技術(shù)

降膜陣列脫除工業(yè)尾氣PM2.5效率研究

李 季*鄭志堅 夏素蘭 李 勇 文 浩 四川大學化學工程學院 成都 610065

提出一種低壓降、大通量、高效率降膜陣列式，利用廢水廢氣交叉流界面脫除工業(yè)尾氣中PM2.5技術(shù)。以含Al2O3粉末的氣溶膠流體模擬工業(yè)尾氣橫掠20列×90排直徑3mm的降膜陣列進行實驗，結(jié)果表明降膜陣列脫除尾氣PM2.5效率隨降膜陣列傳質(zhì)面積增大而增大，隨處理量的增大而降低。當體積流量為111.3m3/h，相應(yīng)的尾氣雷諾數(shù)為230時，傳質(zhì)面積為0.0942m2的單排降膜陣列脫除PM2.5的效率為0.794%，此工況下，傳質(zhì)面積為37.7m2的400排降膜陣列脫除PM2.5的理論效率可達95.8%。

PM2.5 降膜陣列 脫除效率 氣液交叉流

PM2.5對空氣的污染嚴重危害到人體健康。有關(guān)中國大氣PM2.5污染源的研究指出，以基礎(chǔ)原材料加工與能源產(chǎn)業(yè)為主的重型過程工業(yè)尾氣排放占大氣PM2.5來源的45%[1-3]?，F(xiàn)有PM2.5的減排技術(shù)成本高昂，以西歐為例，本世紀初開始的工業(yè)尾氣PM2.5排放減半計劃，利用蒸汽噴淋、靜電沉積和纖維過濾等方法減排1t(PM2.5)的成本約為10萬歐元[4]。我國以產(chǎn)品附加值低的基礎(chǔ)重工業(yè)為主的大型過程工業(yè)，如以上述方法進行減排，其成本難以接受。而我國大型基礎(chǔ)工業(yè)的規(guī)模十分龐大，其尾氣PM2.5減排對大氣污染治理成敗意義重大。近年來，中國新頒布的大氣污染物排放標準對過程工業(yè)尾氣排放做出嚴格控制[5]。因此，為滿足我國工業(yè)尾氣PM2.5減排的客觀需求，開發(fā)經(jīng)濟可行的PM2.5減排技術(shù)，勢在必行。從“以廢治廢”的角度出發(fā)，作者課題組研發(fā)了尾氣廢水交叉流技術(shù)，并成功應(yīng)用于柴油機廢氣與鉆井廢水同步治理。本文在此基礎(chǔ)上，研發(fā)了降膜陣列PM2.5脫除技術(shù)，彌補了氣液交叉流流動穩(wěn)定性不高、處理量不大等缺點，并對實驗結(jié)果及其放大設(shè)計進行討論。

1 降膜陣列脫除PM2.5實驗研究

降膜陣列脫除PM2.5實驗流程見圖1。

圖1 降膜陣列脫除PM2.5實驗流程

由排距4.5mm、行距5.2mm、 20列×90排直徑3mm的交錯排列導流線陣列垂直穿過上、下兩塊多孔板，多孔板相距0.5m。廢水從導流線與多孔板開孔之間的環(huán)隙均勻流出，環(huán)隙寬0.5mm。每根導流線的親水表面都保持穩(wěn)定的降膜流動，從而構(gòu)成穩(wěn)定的降膜陣列PM2.5脫除實驗裝置。在常溫下進行實驗，用磁力泵循環(huán)廢水，使進降膜陣列的廢水液位保持穩(wěn)定。由壓縮機進空氣，與Al2O3流化床產(chǎn)生的PM2.5顆?；旌暇鶆?，模擬工業(yè)尾氣進入降膜陣列。

尾氣的流速由皮托管壓差流量計檢測，絕對精度分度值0.2Pa，誤差在±2%。在降膜陣列進出口設(shè)置采樣孔，形成降膜陣列的PM2.5脫除效率實驗測試系統(tǒng)。采用帶濕度修正的LD-5S激光粉塵儀測量尾氣中PM2.5的質(zhì)量濃度，通過空氣動力學粒徑切割頭使得只有PM2.5的顆粒能被采樣和檢測，分辨率為0.01mg/m3，誤差在±5%。實驗中將兩臺LD-5S激光粉塵儀采樣管放入兩個采樣口，同時抽取橫掠降膜陣列的尾氣樣品進行檢測，采樣速率2L/min，得到同一時刻進出降膜陣列的尾氣PM2.5質(zhì)量濃度。

表1為實驗Al2O3粉末的物性參數(shù)，經(jīng)馬爾文激光粒徑儀測得粒徑分布，結(jié)果顯示PM2.5的含量為4.52%、平均直徑為2.01μm。

表1 Al2O3物性參數(shù)表

2 結(jié)果討論與放大設(shè)計

2.1 實驗結(jié)果討論

在同一進氣流速下，同一時刻測得尾氣在不同采樣點的PM2.5質(zhì)量濃度。為保證實驗數(shù)據(jù)的可重復(fù)性，每組實驗都重復(fù)進行了3～4次。當橫掠降膜陣列的尾氣體積流量為111～248m3/h時，分別測得進出降膜陣列氣體的PM2.5質(zhì)量濃度及降膜陣列脫除PM2.5效率實驗值，實驗結(jié)果見表2。

表2 20列×90排降膜陣列PM2.5脫除效率實驗數(shù)據(jù)

實驗表明，隨著尾氣處理量逐漸由111m3/h增加到248m3/h，20列×90排降膜陣列脫除PM2.5效率由51.2%下降到36.1%，可見幾何結(jié)構(gòu)一定的降膜陣列PM2.5脫除效率隨著處理量增大而降低。

2.2 理論分析與放大設(shè)計

降膜陣列均勻?qū)ΨQ排列，根據(jù)質(zhì)量衡算及傳質(zhì)通量方程，單排PM2.5脫除量：

V(ci-ci+1)=KPMAi(ci-cs)

(1)

式中，V為含塵尾氣體積流率，m3/s；(ci-ci+1)為通過該排后尾氣PM2.5濃度減小值，mg/m3；KPM是PM2.5顆粒的對流傳質(zhì)膜系數(shù)，m/s，與流體物性和流動結(jié)構(gòu)有關(guān)；Ai為單排降膜傳質(zhì)面積(即單排降膜表面積，m2)；cs為氣液界面PM2.5濃度，假定氣液界面處PM2.5被液膜完全吸收，即cs=0，則單排PM2.5脫除效率ηi：

(2)

上式表明，幾何結(jié)構(gòu)相似的降膜陣列處理等量含塵工業(yè)尾氣的單排PM2.5脫除效率相同，與來流PM2.5濃度無關(guān)。忽略陣列的頭尾效應(yīng)，總數(shù)為n排的降膜陣列PM2.5脫除效率：

(3)

可見降膜陣列脫除尾氣PM2.5效率與傳質(zhì)面積和尾氣處理量有關(guān)。尾氣雷諾數(shù)范圍為230～515，1～500排具有本文幾何結(jié)構(gòu)特點的降膜陣列PM2.5脫除效率理論預(yù)測值見圖2。尾氣雷諾數(shù)定義式：

(4)

式中，ρ為氣體密度，kg/m3；d為降膜流柱直徑，m；μ為氣體粘度，Pa·s；Umax為通過降膜陣列排距SL、列距ST和表觀平均流速U0計算得到的橫掠降膜陣列最大流速，m/s，其計算公式：

(5)

(6)

圖2 降膜陣列脫除PM2.5效率放大設(shè)計(Ai=0.0942m2)

由圖2可知，單排降膜陣列傳質(zhì)面積為0.0942m2，降膜陣列傳質(zhì)面積隨著排數(shù)的增加而增加，相應(yīng)的降膜陣列PM2.5脫除效率逐漸上升。當尾氣處理量為111m3/h時，相應(yīng)的氣體雷諾數(shù)為230，單排降膜陣列PM2.5脫除效率為0.794%，而傳質(zhì)面積為37.7m2的400排降膜陣列，PM2.5脫除效率可達95.8%。當尾氣處理量增大，氣體雷諾數(shù)增加，降膜陣列PM2.5脫除效率隨傳質(zhì)面積的增加而增加的趨勢變緩，當尾氣處理量為248m3/h時，相應(yīng)的氣體雷諾數(shù)為515，降膜陣列單排PM2.5脫除效率下降為0.496%，400排降膜陣列PM2.5脫除效率可達87.5%。

3 結(jié)語

(1)針對工業(yè)尾氣PM2.5污染治理問題，提出低壓降、大通量、高效率的降膜陣列結(jié)構(gòu)，利用廢水廢氣交叉流界面脫除工業(yè)尾氣PM2.5，過程連續(xù)、穩(wěn)定，為工業(yè)放大奠定了基礎(chǔ)。

(2)以含Al2O3粉末的氣溶膠流體模擬工業(yè)尾氣橫掠20列×90排直徑3mm降膜陣列進行實驗。結(jié)果表明，尾氣處理量越大，PM2.5脫除效率越低，降膜陣列處理111m3/h的含塵尾氣，效率為51.2%，而處理248m3/h的含塵尾氣，效率為36.1%。

(3)基于降膜陣列脫除PM2.5傳質(zhì)特性可得，降膜陣列單排PM2.5脫除效率與來流氣體PM2.5濃度無關(guān)，降膜陣列脫除尾氣PM2.5效率隨傳質(zhì)面積的增大而增大。尾氣雷諾數(shù)為230時，單排降膜陣列脫除PM2.5的效率為0.794%，此工況下，90排降膜陣列PM2.5脫除效率可達51.2%，而當傳質(zhì)面積增加到37.7m2的400排降膜陣列脫除PM2.5的理論效率可達95.8%。

1 Lv W, Wang Y, Querol X. Geochemical characteristics of PM2. 5 in a metropolis in Central China[J]. Chemical Engineering III, 2013: 145.

2 Yuan Y, Liu S, Castro R, et al. PM2. 5 Monitoring and Mitigation in the Cities of China[J]. Environmental science & technology, 2012, 46(7): 3627-3628.

3 Guan D, Su X, Zhang Q, et al. The socioeconomic drivers of China’ s primary PM2. 5 emissions[J]. Environmental Research Letters, 2014, 9(2): 024010.

4 Lükewille A, Bertok I, Amann M, et al. A framework to estimate the potential and costs for the control of fine particulate emissions in Europe[J]. International Institute for Applied Systems Analysis (IIASA), IR-01-023, Laxenburg, Austria, 2001.

5 GB 13223-2011, 火電廠大氣污染物排放標準[S].

國家自然科學基金項目(21276161)。 科技部國際科技合作專項(2014DFG92250)。

2014-05-30)

*李 季：碩士研究生。夏素蘭：教授，碩士生導師。聯(lián)系方式，E_mail:slxia@scu.edu.cn。