高濕氣溶膠顆粒濃度在線檢測操作條件1

李 兵, 魏文韞, 劉凌嶺, 楊興燦, 余 徽, 朱家驊, Wilhelm Hoeflinger

(1. 四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院, 四川 成都 610065；

2. 維也納技術(shù)大學(xué) 化學(xué)工程研究所, 奧地利 維也納1060)

高濕氣溶膠顆粒濃度在線檢測操作條件1

李 兵1, 魏文韞1, 劉凌嶺1, 楊興燦1, 余 徽1, 朱家驊1, Wilhelm Hoeflinger2

(1. 四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院, 四川 成都 610065；

2. 維也納技術(shù)大學(xué) 化學(xué)工程研究所, 奧地利 維也納1060)

采用光散射法測量濕法除塵系統(tǒng)的氣相顆粒濃度與粒度分布時(shí)，測量結(jié)果易受顆粒吸濕、凝霧以及霧沫夾帶等影響。為準(zhǔn)確測量氣溶膠濃度，需對(duì)采樣氣流進(jìn)行稀釋以降低相對(duì)濕度，促使液滴蒸發(fā)。基于液滴蒸發(fā)動(dòng)力學(xué)方程，研究了液滴蒸發(fā)時(shí)間與液滴粒徑、混合氣溫度、相對(duì)濕度和液滴濃度的關(guān)系。結(jié)果表明，在液滴溫度20℃、氣相溫度20～40℃及液滴濃度不大于2×104P·cm-3時(shí)，出口氣相相對(duì)濕度不高于15.7% 時(shí)，粒徑0.2～5 μm的水滴均可在稀釋器內(nèi)完全蒸發(fā)。研究得到了不同氣相溫、濕度及液滴濃度下的臨界蒸發(fā)操作條件。以5 μm液滴為例，氣相溫度為20℃，氣相相對(duì)濕度為18% 時(shí)，臨界蒸發(fā)液滴數(shù)濃度為104P·cm-3。實(shí)驗(yàn)表明加載稀釋器時(shí)在臨界蒸發(fā)操作條件下測得的顆粒物粒徑分布與真實(shí)粒徑分布吻合良好。

氣溶膠；粒度分布；濕法除塵系統(tǒng)；稀釋器；蒸發(fā)

1 前 言

懸浮在空氣中的顆粒物，尤其是細(xì)顆粒物(PM2.5)，因表面易于富集有毒有害的物質(zhì)且能在空氣中長時(shí)間停留，而給人體健康和大氣環(huán)境帶來極大的危害[1]。為彌補(bǔ)傳統(tǒng)除塵工藝存在的諸如占地面積廣、投入成本高、二次污染[2,3]等許多不足，本課題組提出了采用氣液交叉流系統(tǒng)以循環(huán)廢水來脫除氣體中顆粒物的技術(shù)[4]。

在氣液交叉流除塵系統(tǒng)除塵效率的前期實(shí)驗(yàn)研究中，本課題組相繼采用化學(xué)分析法和重量法對(duì)除塵室進(jìn)出口處的氣溶膠進(jìn)行檢測[5]?；瘜W(xué)分析法具有實(shí)驗(yàn)成本較低，且測量結(jié)果不受濕度影響[6]等優(yōu)點(diǎn)。重量法原理簡單，測量時(shí)需要將采樣濾膜放在恒溫恒濕箱中平衡至恒重，測量結(jié)果不受濕度影響，是國際上公認(rèn)的最準(zhǔn)確的顆粒測量方法。但上述兩種方法均為離線測量，無法得到顆粒的實(shí)時(shí)數(shù)量濃度和粒徑分布[7,8]。為了在線測量氣溶膠顆粒數(shù)量濃度和粒徑分布，光散射測量[9]是有效的解決方法之一。

在對(duì)濕法除塵系統(tǒng)中的高濕氣溶膠顆粒濃度進(jìn)行檢測時(shí)，顆粒吸濕長大會(huì)使光散射以及電子低壓沖擊等在線檢測方法的測量結(jié)果失真[10,11]。濕法條件下，可能的霧沫夾帶亦會(huì)干擾測量結(jié)果。顏金培等[12]在對(duì)濕法除塵系統(tǒng)進(jìn)行采樣時(shí)，對(duì)采樣管路進(jìn)行加熱保溫處理，并用高溫凈化氣作為稀釋氣對(duì)采樣煙氣進(jìn)行稀釋，以排除煙氣中可能存在的液滴對(duì)測量結(jié)果的影響，但對(duì)稀釋器內(nèi)蒸發(fā)條件并未給出說明。以本課題研究為例，假設(shè)系統(tǒng)檢測出的特征尺度顆粒為水滴，獲得該尺度條件水滴在稀釋器內(nèi)的完全蒸發(fā)條件，則可認(rèn)為液滴對(duì)測量結(jié)果的影響已排除。目前國內(nèi)外關(guān)于液滴蒸發(fā)的研究主要集中在高溫、單液滴的蒸發(fā)[13,14]。本文采用理論計(jì)算并輔以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)稀釋器內(nèi)液滴群的蒸發(fā)影響因素開展研究，為準(zhǔn)確測量氣溶膠濃度提供適當(dāng)?shù)臋z測操作條件。

2 高濕條件下顆粒粒徑分布的偏移

基于氣液交叉流除塵系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置[15]，采用Palas?公司RBG2000氣溶膠發(fā)生器，將Sasol Germany GmbH公司生產(chǎn)的Pural NF分散為氣溶膠原氣。運(yùn)用Palas?公司W(wǎng)elas2000粒徑譜儀，在量程0.2～10 μm以等速采樣原則對(duì)除塵系統(tǒng)進(jìn)出口進(jìn)行采樣檢測。分別用烘干和自然吸潮狀態(tài)的Pural NF生成氣溶膠原氣，對(duì)其進(jìn)行濃度檢測，并與吸潮后的氣溶膠原氣經(jīng)稀釋器(原氣:稀釋氣=1:9)稀釋后的檢測濃度對(duì)比于圖1。其中自然吸潮狀態(tài)下原氣溫度為22.9℃，相對(duì)濕度為85.5%；稀釋氣為空氣，溫度為20.4℃，相對(duì)濕度為3.5%。

如圖1所示，經(jīng)稀釋器稀釋后的氣溶膠粒徑分布與烘干后的真實(shí)氣溶膠粒徑分布基本重合。而吸潮后的氣溶膠粒徑分布明顯向粒徑小的方向偏移，表明吸潮后小顆粒的比例增加。

圖1 不同條件氣溶膠原氣的粒徑分布Fig.1 Particle size distribution obtained under different conditions

以粒徑為0.294 μm左右的顆粒為例，烘干條件下濃度占比為0.0691，自然吸濕狀態(tài)下占比為0.0847，增加22.7%。因此，為獲得真實(shí)的氣溶膠粒徑分布，測量時(shí)有必要屏蔽除塵過程中帶入水分的影響。

本研究采用引入稀釋氣體的方法對(duì)氣液交叉流過程中夾帶的液體進(jìn)行屏蔽，以保證在線檢測結(jié)果的可靠性。假設(shè)圖1中反常粒徑出現(xiàn)的尺度區(qū)域0.2～5 μm即為系統(tǒng)中水滴尺度，研究該尺度水滴的完全蒸發(fā)條件，即可得到完全排除濕分及液滴影響的操作條件。為此對(duì)稀釋器內(nèi)影響液滴蒸發(fā)的因素進(jìn)行了分析。

3 液滴蒸發(fā)動(dòng)力學(xué)模型

液滴蒸發(fā)時(shí)，其表面的平衡蒸汽壓須大于氣相蒸汽分壓，而液滴表面的平衡蒸汽壓和液滴粒徑的關(guān)系可由Kelvin方程給出[16]。

式中：ppva為液滴平衡蒸汽壓，Pa；σp為液滴表面張力，N·m?1；Mp為液滴摩爾質(zhì)量，kg·mol?1；R為理想氣體常數(shù)，R = 8.314 J·mol?1·K?1；Tp為液滴溫度，K；ρp為液滴密度，kg·m?3；dp為液滴直徑，m；ps為溫度Tp下的飽和蒸汽壓，Pa。對(duì)于水滴可由Antoine方程計(jì)算[17]：

液滴蒸發(fā)過程中，蒸發(fā)速度主要由液滴表面蒸汽的擴(kuò)散速度決定。而單位時(shí)間內(nèi)由液滴表面向氣相中擴(kuò)散的蒸汽質(zhì)量Qm(kg·s?1)可以表示為[18,19]

式中：Mv為蒸汽摩爾質(zhì)量，kg·mol?1；pvg為氣相蒸汽壓，Pa；Knv為Knusen數(shù)，Knv= 2λv/dp；λv為蒸汽分子平均自由程，m；Dv為蒸汽在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)，m2·s?1，其表達(dá)式為[20]

式中：pcg為空氣臨界壓力，Pa；pcv為蒸汽臨界壓力，Pa；Tcg為空氣臨界溫度，K；Tcv為蒸汽臨界溫度，K；Mg為空氣摩爾質(zhì)量，kg·mol?1；Tg為氣相溫度，K；pg為氣相總壓，Pa。

液滴蒸發(fā)過程中，在液滴未達(dá)濕球溫度前，來自氣相和液滴的熱量部分用于液滴的蒸發(fā)，部分使液滴溫度發(fā)生變化。根據(jù)能量守恒可得液滴表面溫度變化為[19]

式中：r為相變潛熱，J·kg?1；kg為氣相導(dǎo)熱系數(shù)W·m?1·K?1；Kng為Knusen數(shù)，Kng= 2λg/dp；λg為氣相分子平均自由程，m；cp為液滴比熱容，J·kg?1·K?1。

考慮到Qm為單位時(shí)間擴(kuò)散到氣相中的水汽質(zhì)量，根據(jù)質(zhì)量守恒定律可得液滴直徑的減小速率為[19]

式中：t為蒸發(fā)時(shí)間，s。

采用網(wǎng)格模型[21]對(duì)蒸發(fā)液滴與周圍氣相的耦合進(jìn)行描述，即認(rèn)為每個(gè)液滴位于相同體積的網(wǎng)格內(nèi)，各網(wǎng)格之間沒有相互作用。由網(wǎng)格內(nèi)質(zhì)量守恒，可得氣相蒸汽壓力變化關(guān)系式[19]

式中：Vc為網(wǎng)格體積，m3；網(wǎng)格體積為液滴數(shù)濃度Cn的倒數(shù)。

當(dāng)系統(tǒng)絕熱時(shí)，液滴蒸發(fā)過程中，除液滴表面溫度、氣相蒸汽壓發(fā)生變化外，氣相溫度也會(huì)發(fā)生變化，由網(wǎng)格內(nèi)能量守恒，可得氣相溫度變化關(guān)系式[19]

式中：cpg為氣相定壓比熱，J·kg?1·K?1；cpv為蒸汽定壓比熱，J·kg?1·K?1。

利用式(1)～(8)，即可求解不同粒徑、不同濃度的液滴在不同氣相溫度及濕度下的蒸發(fā)時(shí)間。

4 稀釋器內(nèi)停留時(shí)間

4.1 稀釋器結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分

液滴在稀釋器內(nèi)能否蒸發(fā)完，與液滴在稀釋器內(nèi)的停留時(shí)間及液滴完全蒸發(fā)所需時(shí)間有關(guān)。實(shí)驗(yàn)中所用稀釋器為Palas?公司VKL-10，稀釋比為10，稀釋氣流量為45 L·min?1，原氣流量為5 L·min?1，其三維結(jié)構(gòu)見圖2。

如圖2所示，由恒溫水浴鍋和加熱器分別控溫的稀釋氣與原氣從各自入口進(jìn)入到稀釋器，經(jīng)變徑段后進(jìn)入到混合室內(nèi)充分混合?；旌虾蟮臍馊苣z，一部分由Welas2000粒徑譜儀自帶的真空泵定流量(5 L·min?1)抽吸至檢測器中進(jìn)行檢測，其余部分以廢氣形式排出?？梢?，氣流在進(jìn)出稀釋器的過程中，難以直接計(jì)算液滴在稀釋器內(nèi)部的停留時(shí)間分布。為此運(yùn)用Fluent軟件，以CFD方法來模擬分析示蹤顆粒從入口到出口的時(shí)間，并將其作為液滴在稀釋器內(nèi)的停留時(shí)間。以標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和隨機(jī)軌道模型分別對(duì)稀釋器內(nèi)的氣相和顆粒相的輸運(yùn)過程進(jìn)行表達(dá)，方程同文獻(xiàn)[15]。

圖2 稀釋器三維結(jié)構(gòu)簡圖(mm)Fig.2 3D structure of the VKL-10 (mm)

使用ICEM-CFD軟件對(duì)稀釋器進(jìn)行三維建模和網(wǎng)格劃分，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，非均勻網(wǎng)格的最小尺度為0.001 mm，網(wǎng)格數(shù)量為2804595，如圖3所示。繼續(xù)降低網(wǎng)格尺度，計(jì)算結(jié)果與之前未見明顯差異。

圖3 稀釋器網(wǎng)格劃分圖Fig.3 Grid map of VKL-10

4.2 邊界條件與計(jì)算結(jié)果

取實(shí)驗(yàn)時(shí)的稀釋器氣相入口邊界條件：原氣流進(jìn)口速度294.3 m·s?1，稀釋氣流進(jìn)口速度110 m·s?1。

氣相出口邊界條件：檢測器氣流出口和廢氣出口的流量比例為1:9。壁面邊界條件：絕熱無滑移壁面。

計(jì)算得到氣溶膠顆粒在稀釋器內(nèi)的停留時(shí)間分布如圖4所示。

圖4 稀釋器內(nèi)示蹤顆粒停留時(shí)間分布Fig.4 Particle residence time in VKL-10

可見，示蹤顆粒從稀釋器入口到氣流出口所需最短時(shí)間為32.9 ms。即，欲使液滴在稀釋器內(nèi)蒸發(fā)完全，其極限蒸發(fā)時(shí)間應(yīng)控制在32.9 ms以內(nèi)。

5 稀釋器內(nèi)液滴蒸發(fā)影響因素分析

液滴在稀釋器內(nèi)能否蒸發(fā)完，不僅取決于液滴在稀釋器內(nèi)的停留時(shí)間，還與液滴粒徑、液滴數(shù)濃度、氣相相對(duì)濕度以及氣相溫度等有關(guān)。本文所提氣相溫度、氣相相對(duì)濕度以及液滴數(shù)濃度，若無特殊說明，均指原氣與稀釋氣充分混合后的初值。

5.1 液滴粒徑對(duì)蒸發(fā)時(shí)間的影響

圖5為液滴粒徑對(duì)液滴蒸發(fā)時(shí)間的影響。計(jì)算時(shí)液滴尺度范圍為0.2～5 μm、氣液相溫度為20℃、氣相蒸汽壓為233.46 Pa、液滴數(shù)濃度為104P·cm?3。

如圖5所示，在初始?xì)庖合鄿囟?、氣相相?duì)濕度以及液滴數(shù)濃度一定下，液滴的蒸發(fā)時(shí)間隨粒徑的減小而降低。液滴粒徑對(duì)蒸發(fā)時(shí)間的影響顯著，粒徑5 μm的液滴完全蒸發(fā)所需時(shí)間為28.5 ms，而粒徑0.2 μm的液滴僅需0.19 ms即可蒸發(fā)完全。

圖5 液滴粒徑對(duì)液滴蒸發(fā)時(shí)間的影響Fig.5 Effects of droplet diameter on evaporation

5.2 氣相溫度對(duì)蒸發(fā)時(shí)間的影響

氣相溫度對(duì)液滴蒸發(fā)時(shí)間的影響表示為圖6。根據(jù)Welas2000粒徑儀最高操作溫度40℃，計(jì)算時(shí)取氣相溫度范圍為20～40℃，氣相主體蒸汽壓233.46 Pa、液滴溫度20℃、液滴數(shù)濃度104P·cm?3。在此計(jì)算條件下，液滴完全蒸發(fā)時(shí)相應(yīng)的出口氣相溫度及出口相對(duì)濕度與入口溫度的關(guān)系見圖7。

由圖6可知，初始?xì)庀嗾羝麎?、液滴溫度、液滴?shù)濃度及液滴粒徑一定下，液滴的蒸發(fā)時(shí)間隨氣相溫度的升高而減小。由于液滴蒸發(fā)時(shí)需要吸收熱量，而傳熱需溫差推動(dòng)，當(dāng)液滴初始溫度一定時(shí)，氣相溫度越高，二者溫差越大，傳熱也就越強(qiáng)烈。且較高的氣相溫度將帶來更高的液滴表面溫度和飽和蒸汽壓，加快蒸汽從液滴表面向氣相傳質(zhì)的速率，縮短液滴完全蒸發(fā)所需時(shí)間。從圖6還可以看出，氣相溫度從20℃ 升至40℃ 時(shí)，粒徑5 μm的液滴蒸發(fā)時(shí)間從28.5 ms降低至14.8 ms，減少48%，而粒徑0.2 μm的液滴蒸發(fā)時(shí)間從0.19 ms降低至0.109 ms，減少43%，可見氣相溫度的升高對(duì)較大粒徑液滴的蒸發(fā)影響更大。結(jié)合圖6和圖7可知，當(dāng)前計(jì)算條件下，在32.9 ms停留時(shí)間內(nèi)，出口氣相溫度不低于17.9℃且出口氣相相對(duì)濕度不高于15.7%時(shí)，粒徑為0.2～5 μm的液滴均能在稀釋器內(nèi)完全蒸發(fā)。

圖6 氣相溫度對(duì)液滴蒸發(fā)時(shí)間的影響Fig.6 Effects of gas temperature on evaporation time

圖7 不同進(jìn)氣溫度下完全蒸發(fā)后的氣體溫度和相對(duì)濕度Fig.7 Gas temperature and relative humidity profiles after complete evaporation under different inlet gas temperatures

圖8 液滴數(shù)濃度對(duì)液滴蒸發(fā)時(shí)間的影響Fig.8 Effects of droplet concentration on evaporation time

5.3 液滴數(shù)濃度對(duì)蒸發(fā)時(shí)間的影響

液滴數(shù)濃度對(duì)液滴蒸發(fā)時(shí)間的影響如圖8所示。因Welas2000粒徑儀的理論最大量程為5×105P·cm?3，因此在操作時(shí)一般保持稀釋后液滴數(shù)濃度范圍為104～6×104P·cm?3，計(jì)算時(shí)氣相蒸汽壓為233.46 Pa、氣液相溫度為20℃。在此計(jì)算條件下，液滴完全蒸發(fā)時(shí)相應(yīng)的出口氣相溫度及出口相對(duì)濕度與入口液滴濃度的關(guān)系見圖9。

由圖8可知，初始?xì)庀嗾羝麎?、氣液相溫度及液滴直徑一定時(shí)，液滴的蒸發(fā)時(shí)間隨液滴數(shù)濃度的升高而增長。根據(jù)網(wǎng)格模型理論[21]可知，網(wǎng)格體積為液滴數(shù)濃度的倒數(shù)，液滴數(shù)濃度越大，則各液滴所占均勻網(wǎng)格體積越小，網(wǎng)格內(nèi)用于液滴蒸發(fā)的能量越低，則液滴蒸發(fā)的時(shí)間越長。從圖8還可以看出，液滴數(shù)濃度從104P·cm?3增加到6×104P·cm?3時(shí)，粒徑5 μm的液滴蒸發(fā)時(shí)間從28.5 ms升高至71.6 ms，增加151%，而粒徑0.2 μm的液滴蒸發(fā)時(shí)間為0.19 ms，基本保持不變，可見液滴數(shù)濃度的增加對(duì)較大粒徑液滴的蒸發(fā)影響更大。結(jié)合圖8和圖9可知，當(dāng)前計(jì)算條件下，在32.9 ms停留時(shí)間內(nèi)，粒徑為0.2～4 μm的液滴均能在稀釋器內(nèi)完全蒸發(fā)；而出口氣相溫度不低于15.7℃且出口氣相相對(duì)濕度不高于22.7%時(shí)，粒徑5 μm的液滴，可在稀釋器內(nèi)完全蒸發(fā)。

圖9 不同液滴濃度下完全蒸發(fā)后的氣體溫度和相對(duì)濕度Fig.9 Gas temperature and relative humidity profiles after complete evaporation under different droplet concentrations

圖10 氣相相對(duì)濕度對(duì)液滴蒸發(fā)時(shí)間的影響Fig.10 Effects of gas relative humidity on evaporation time

5.4 氣相相對(duì)濕度對(duì)蒸發(fā)時(shí)間的影響

氣相相對(duì)濕度對(duì)液滴蒸發(fā)時(shí)間的影響如圖10所示。計(jì)算時(shí)氣液相溫度為20℃、液滴數(shù)濃度為104P·cm-3。在此計(jì)算條件下，液滴完全蒸發(fā)時(shí)相應(yīng)的出口氣相溫度及出口相對(duì)濕度與入口相對(duì)濕度的關(guān)系見圖11。

圖11 不同進(jìn)氣相對(duì)濕度下完全蒸發(fā)后的氣體溫度和相對(duì)濕度Fig.11 Gas temperature and relative humidity profiles after complete evaporation under different inlet gas relative humidity

由圖10可知，初始?xì)庖合鄿囟?、液滴?shù)濃度及液滴粒徑一定下，液滴的蒸發(fā)時(shí)間隨氣相相對(duì)濕度的升高而增加。液滴蒸發(fā)時(shí)的推動(dòng)力為液滴表面與氣相的蒸汽壓差，當(dāng)液滴溫度及粒徑一定時(shí)，液滴表面平衡蒸汽壓一定，氣相相對(duì)濕度越大，即氣相蒸汽壓越大，則液滴表面與氣相的蒸汽壓差越小，蒸汽從液滴表面向氣相傳質(zhì)的速率也就越慢，液滴蒸發(fā)的時(shí)間越長。從圖10還可以看出，氣相相對(duì)濕度從10% 增加到45% 時(shí)，粒徑5 μm的液滴蒸發(fā)時(shí)間從28.5 ms升高至57.5 ms，增加102%，而粒徑0.2 μm的液滴蒸發(fā)時(shí)間從0.19 ms升高至0.33 ms，增加74%，可見氣相相對(duì)濕度的升高對(duì)較大粒徑液滴的蒸發(fā)影響更大。結(jié)合圖10和11可知，當(dāng)前計(jì)算條件下，在32.9 ms停留時(shí)間內(nèi)，粒徑為0.2～4 μm的液滴均能在稀釋器內(nèi)完全蒸發(fā)；而出口氣相溫度不低于17.9℃且出口氣相相對(duì)濕度不高于21.4% 時(shí)，粒徑5 μm的液滴，可在稀釋器內(nèi)完全蒸發(fā)。

5.5 臨界蒸發(fā)曲線

由上述稀釋器內(nèi)液滴蒸發(fā)影響因素可知，欲使5 μm的液滴在32.9 ms內(nèi)完全蒸發(fā)，在液滴溫度為20℃，液滴濃度為104～6×104P·cm?3，氣相溫度為20～40℃ 時(shí)，存在臨界蒸發(fā)曲線如圖12所示。操作條件位于臨界曲線以下時(shí)液滴可完全蒸發(fā)，曲線以上則不能完全蒸發(fā)。

圖12 液滴蒸發(fā)臨界曲線Fig.12 Critical curves for droplet evaporation

氣相溫度一定時(shí)，氣相臨界相對(duì)濕度隨液滴數(shù)濃度的增加而減小，在氣相溫度為20℃ 時(shí)，當(dāng)液滴數(shù)濃度從104P·cm?3增加至3×104P·cm?3時(shí)，氣相臨界相對(duì)濕度從18% 降低至5%。氣相相對(duì)濕度一定時(shí)，臨界液滴數(shù)濃度隨氣相溫度的升高而增大，在氣相相對(duì)濕度為18% 時(shí)，當(dāng)氣相溫度從20℃升高至40℃ 時(shí)，臨界液滴數(shù)濃度從104P·cm?3增加到5.7×104P·cm?3。液滴濃度一定時(shí)，氣相臨界相對(duì)濕度隨氣相溫度的升高而升高，在液滴數(shù)濃度為104P·cm?3時(shí)，當(dāng)氣相溫度從20℃升高至40℃ 時(shí)，臨界相對(duì)濕度由18% 升高至40%。在當(dāng)前氣液相溫、濕度及液滴濃度范圍內(nèi)，為使液滴的蒸發(fā)時(shí)間與稀釋器內(nèi)停留時(shí)間匹配，在氣相溫度及液滴濃度一定時(shí)，氣相相對(duì)濕度應(yīng)位于臨界氣相相對(duì)濕度曲線之下。以氣相溫度40℃、液滴濃度104P·cm-3為例，為使液滴在稀釋器內(nèi)完全蒸發(fā)，氣相相對(duì)濕度應(yīng)不大于相應(yīng)氣相溫度和液滴濃度下的臨界氣相相對(duì)濕度40%。

5.6 蒸發(fā)操作條件的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)時(shí)，氣溶膠原氣的溫、濕度及稀釋氣溫度基本保持不變。實(shí)驗(yàn)中采用干燥劑對(duì)壓縮機(jī)出口氣體進(jìn)行干燥以獲得稀釋氣。隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，干燥劑吸潮能力降低，稀釋氣的濕度逐漸加大，使稀釋器出口氣流濕度逐漸增加。對(duì)氣液交叉流除塵裝置的采樣口進(jìn)行采樣，研究了稀釋器出口處氣溶膠粒徑分布與稀釋器出口氣流相對(duì)濕度的關(guān)系，見圖13。其中未加稀釋器時(shí)氣溶膠數(shù)目濃度約為200000 P·cm?3，分別測得原氣溫度為20℃，原氣與稀釋氣混合后氣相平均溫度為22℃，混合氣出口相對(duì)濕度如圖13所示。

圖13 不同出口相對(duì)濕度條件下所對(duì)應(yīng)的粒徑分布Fig.13 Particle size distribution under different relative humidities of outlet gas

可以看出，當(dāng)稀釋器出口氣流相對(duì)濕度為17.2%、20.9% 時(shí)，稀釋后的氣溶膠粒徑分布與干粉粒徑分布基本重合，而當(dāng)稀釋器出口氣流相對(duì)濕度增長至22.3% 時(shí)，稀釋后的氣溶膠粒徑分布明顯偏離干粉粒徑分布。若假設(shè)系統(tǒng)檢測出的未加稀釋器時(shí)的特征尺度顆粒全部為水滴，則相同粒徑分布及氣液相溫、濕度下由(1)～(8)式計(jì)算得到的稀釋器氣流臨界出口相對(duì)濕度為20.8%，與實(shí)驗(yàn)值吻合，驗(yàn)證了蒸發(fā)臨界曲線的可靠性。

6 結(jié) 論

本文對(duì)氣溶膠原氣配比一定溫濕度的稀釋氣，運(yùn)用光散射法氣溶膠檢測儀在線獲取了高濕含量氣溶膠中固體顆粒物含量，得到結(jié)論如下：

(1) 從經(jīng)典液滴蒸發(fā)動(dòng)力學(xué)模型出發(fā)，通過理論計(jì)算獲得了滿足氣溶膠中液滴完全蒸發(fā)的氣相溫濕度和顆粒數(shù)量的臨界操作條件，以5 μm液滴為例，在典型工況如氣相溫度20℃，液滴數(shù)濃度104P·cm?3時(shí)，欲使液滴完全蒸發(fā)，氣相相對(duì)濕度應(yīng)不大于18%。計(jì)算結(jié)果得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。

(2) 滿足氣溶膠中所含液滴被完全蒸發(fā)的操作點(diǎn)應(yīng)位于液滴蒸發(fā)臨界曲線上方，本曲線可用于快速診斷液滴蒸發(fā)情況，判斷固體顆粒物含量在線檢測數(shù)據(jù)的可靠性。

符號(hào)說明：

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Operating Condition Study on Online Measurement of Wet Aerosol Particle Concentration

LI Bing1, WEI Wen-yun1, LIU Ling-ling1, YANG Xing-can1, YU Hui1, ZHU Jia-hua1, Wilhelm Hoeflinger2
(1. School of Chemical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China；
2. Institute of Chemical Engineering, Vienna University of Technology, Vienna 1060, Austria)

Moisture absorption, fogging and entrainment can affect the measurement of aerosol particle size and concentration in wet dedusting systems when using light scattering methods. A dilutor can be applied to increase measurement accuracy by reducing relative humidity and promoting droplet evaporation. The effects of droplet diameter, gas temperature, relative humidity and droplet concentration on droplet evaporation time were discussed based on the dynamic equation for droplet evaporation. The results show that when the relative humidity of outlet gas is lower than 15.7%, and the droplet temperature and gas temperature are 20℃ and 20～40℃ respectively with droplet concentration lower than 2×104P·cm-3, the droplets with diameter of 0.2～5 μm can be completely evaporated in the dilutor. Critical evaporation operating conditions at different gas temperatures, humidity and droplet concentrations were obtained when the droplet diameter is 5 μm, and the gas temperature and relative humidity are 20℃ and 18% respectively with critical evaporation droplet concentration of 104P·cm-3. The results of particle size distribution obtained with the dilutor under critical operation conditions show good agreement with that of experimental design.

aerosol； particle size distribution； wet dedusting system； dilutor； evaporation

X 51；TQ 026

A

10.3969/j.issn.1003-9015.2016.00.038

1003-9015(2016)06-1427-09

http://www.cnki.net/kcms/detail/33.1141.TQ.20161118.0912.002.html

2016-04-05

2016-07-25。網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-11-18 09:12:03

國家國際科技合作專項(xiàng)資助(2014DFG92250)；國家自然科學(xué)基金(21276161)。

李兵(1990-)，男，河南信陽人，四川大學(xué)碩士生。1

余徽，E-mail：yuhui@scu.edu.cn